基于高分二號(hào)的白洋淀土地利用與水質(zhì)響應(yīng)關(guān)系研究

劉 剋，郭 暢，王玉靜

(1.北華航天工業(yè)學(xué)院，河北省航天遙感信息處理與應(yīng)用協(xié)同創(chuàng)新中心，河北廊坊 065000；2.北華航天工業(yè)學(xué)院，計(jì)算機(jī)與遙感信息技術(shù)學(xué)院，河北廊坊 065000；3.北華航天工業(yè)學(xué)院，電子與控制工程學(xué)院，河北廊坊 065000)

0 引 言

近些年，隨著人類活動(dòng)的加劇，人與自然的矛盾日益突出，人類活動(dòng)改變了土地利用類型，而土地利用類型的變化是影響內(nèi)陸水質(zhì)變化的重要因素[1]。目前許多國(guó)內(nèi)外學(xué)者致力于土地利用類型與水質(zhì)關(guān)系的研究，Hwang Sun-Ah等[2]采用非線性模型對(duì)韓國(guó)境內(nèi)水質(zhì)進(jìn)行分析，得出土地利用與水質(zhì)之間的關(guān)系可以根據(jù)土地利用比例劃分為三類；郝敬鋒等[3]通過(guò)計(jì)算水質(zhì)指數(shù)WQI，指出建筑用地對(duì)水質(zhì)有負(fù)面影響，而林地具有改善水質(zhì)作用；Susanna T. Y. Tong等[4]采用BASINS模型，模擬小邁阿密河流域土地利用對(duì)水質(zhì)的影響，得出水質(zhì)中氮、磷等污染物與土地利用之間存在顯著關(guān)系的結(jié)論；梁平等[5]利用地理加權(quán)回歸模型，研究了漢江不同區(qū)域土地利用與水質(zhì)之間關(guān)系，結(jié)果表明耕地與水質(zhì)中COD、NH3-N、TN呈正相關(guān)關(guān)系，且響應(yīng)關(guān)系隨研究區(qū)域不同顯示不同特征；姜暢等[6]采用Spearman相關(guān)性分析方法，對(duì)貴陽(yáng)紅楓湖土地利用與水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果表明建設(shè)用地與COD、NH3-N、TP呈現(xiàn)明顯正相關(guān)關(guān)系，并認(rèn)為污染主要來(lái)自于工業(yè)源和生活源。呂志強(qiáng)[7]等采用相關(guān)性分析及冗余分析方法，以重慶市6條河流為研究區(qū)，分析得出建設(shè)用地和農(nóng)業(yè)用地對(duì)水質(zhì)惡化具有明顯的作用，林地則能顯著改善水質(zhì)。國(guó)內(nèi)對(duì)太湖的土地利用與水質(zhì)的研究較多，如：周文[8]等利用冗余分析法，分析得到水質(zhì)受到多種景觀背景因子的綜合影響，并具有尺度依賴性和區(qū)位差異性，具體表現(xiàn)在上游聚落用地與NH3-N、TP、DO正相關(guān)，下游耕地則與NH3-N、TP、DO正相關(guān)；劉倩[9]等運(yùn)用Pearson相關(guān)性分析法，結(jié)果得到林地、草地與CODMn呈明顯的負(fù)相關(guān)性，說(shuō)明兩者對(duì)污染物具有截留吸收作用；高斌等[10]利用灰色關(guān)聯(lián)分析方法，研究發(fā)現(xiàn)水質(zhì)整體上與城鎮(zhèn)用地灰色關(guān)聯(lián)度最大，其次是水田和旱地，水域和林地最低。綜上相關(guān)研究表明：水體水質(zhì)易于受到周邊土地利用狀況的影響。

1 研究區(qū)概況

白洋淀位于河北省保定市東部，具有“華北明珠”之稱，淀區(qū)面積366 km2，平均蓄水量13.2 億m3，是華北平原第一大淡水湖[11]。歷史上的白洋淀水域面積曾經(jīng)達(dá)到1 000 km2，潴龍河、孝義河、唐河、府河、漕河、瀑河、清水河、萍河和白溝引河注入，史稱“九河入梢”。近年來(lái)，潴龍河、唐河、清水河、萍河長(zhǎng)期斷流，漕河、孝義河、瀑河僅部分季節(jié)有水，唯一流入白洋淀的府河又是上游保定市生活污水和工業(yè)廢水的主要排放渠道[12]。

白洋淀屬于平原封閉式淺水型湖泊，自身調(diào)節(jié)能力較弱，因面臨水污染和缺水的雙重困境，白洋淀水域面積不斷縮小并被割裂，淀區(qū)水體出現(xiàn)了嚴(yán)重的富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象，使白洋淀的生態(tài)功能急劇下降，生態(tài)系統(tǒng)平衡更為脆弱[13]。2018年4月，中共中央、國(guó)務(wù)院批復(fù)的《河北雄安新區(qū)規(guī)劃綱要》提出“實(shí)施白洋淀生態(tài)修復(fù)，加強(qiáng)生態(tài)建設(shè)，開(kāi)展環(huán)境綜合治理?！币虼?，以白洋淀為研究區(qū)，探索淀區(qū)內(nèi)各土地利用類型對(duì)水質(zhì)的影響，摸清主要影響因素，對(duì)白洋淀生態(tài)環(huán)境治理十分必要。

2 各緩沖區(qū)內(nèi)土地利用分類

2017年11月3-5日，完成了對(duì)16個(gè)野外采樣點(diǎn)的化學(xué)需氧量COD、氨氮NH3-N、總磷TP以及總氮TN 4類水質(zhì)監(jiān)測(cè)指標(biāo)的實(shí)地采樣(表1)。取與采樣時(shí)間最近的2017年11月18日和28日共4景高分二號(hào)的多光譜影像，進(jìn)行輻射校正、幾何校正、鑲嵌及裁剪等預(yù)處理操作。利用最大似然法[16]對(duì)遙感影像進(jìn)行土地利用分類，參考2017年《土地利用現(xiàn)狀分類》(GBT 21010-2017)以及白洋淀實(shí)地踏勘情況，將白洋淀區(qū)域的土地利用類型分為8類：葦?shù)亍⒏?、裸地、商業(yè)及旅游用地、居民生活用地、水生植物較多的水體(蓮藕等水生植物覆蓋度高)、廢棄的水產(chǎn)養(yǎng)殖坑塘、普通水體(表面無(wú)或較少植被覆蓋的水體)[15]。結(jié)合實(shí)地采樣進(jìn)行監(jiān)督分類，分類后結(jié)果通過(guò)16個(gè)采樣點(diǎn)周邊拍照和屬性信息錄入的方法進(jìn)行土地利用類型修正，以保證分類精度。

表1 野外采樣點(diǎn)水質(zhì)參數(shù) mg/L

以16個(gè)采樣點(diǎn)為圓心，以100、300、500 m為半徑做緩沖區(qū)，將緩沖區(qū)與土地利用類型分類之后的結(jié)果進(jìn)行疊加，得到各采樣點(diǎn)不同緩沖區(qū)的土地利用類型圖(圖1)，統(tǒng)計(jì)各采樣點(diǎn)不同緩沖區(qū)內(nèi)的土地利用類型面積占比(圖2-4) 。

3 土地利用與白洋淀水質(zhì)響應(yīng)

根據(jù)《地表水環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838-2002)，可以判定白洋淀采樣點(diǎn)的水質(zhì)大都屬于耗氧型和氮磷污染型(圖5)，以TN的污染超標(biāo)最嚴(yán)重。

由于白洋淀“淀中有村，村中有淀”且入淀河流僅剩下府河，淀區(qū)水質(zhì)易于受到淀區(qū)內(nèi)土地利用狀況的影響，有必要進(jìn)行白洋淀土地利用類型面積占比與水質(zhì)監(jiān)測(cè)指標(biāo)相關(guān)性分析(表2-4)，探索不同空間范圍內(nèi)土地利用對(duì)水質(zhì)狀況的影響，各緩沖區(qū)分析如下。

3.1 100 m周邊區(qū)域內(nèi)

COD：最大負(fù)相關(guān)是水生植物較多的水體，相關(guān)系數(shù)為-0.44，相關(guān)性較弱，廢棄的水產(chǎn)養(yǎng)殖坑塘，裸地和普通水體則和COD呈較弱正相關(guān)，葦?shù)?、商業(yè)及旅游用地、居民生活用地、耕地和COD濃度關(guān)系不大。

圖1 白洋淀淀區(qū)部分緩沖區(qū)土地利用分類結(jié)果Fig.1 Partial buffer land use classification results in Baiyangdian lake

圖3 300 m緩沖區(qū)16個(gè)采樣點(diǎn)土地類型面積占比Fig.3 Proportion of land type area of 16 sampling points in 300 m buffer zone

圖4 500 m緩沖區(qū)16個(gè)采樣點(diǎn)土地類型面積占比Fig.4 Proportion of land type area of 16 sampling points in 500 m buffer zone

圖5 研究區(qū)域及主要污染類型圖(底圖為土地利用分類圖，等值線為克里格插值結(jié)果)Fig.5 The picture of study area and main pollution type (The base map is a land use classification map, and the contour is the Kriging interpolation result)

NH3-N：與耕地的相關(guān)系數(shù)為0.50，其次為裸地，其他土地類型則和NH3-N相關(guān)性較弱。在100 m內(nèi)，存在耕地對(duì)水體NH3-N的輸出，其次為水體自身攜帶。

TP：小范圍內(nèi)廢棄的水產(chǎn)養(yǎng)殖坑塘對(duì)TP有貢獻(xiàn)，相關(guān)系數(shù)為0.55，由于廢棄的水產(chǎn)養(yǎng)殖坑塘面積比最小，且僅存在于四個(gè)采樣點(diǎn)周邊，可能對(duì)水質(zhì)的影響較弱，因此，在100 m內(nèi)，TP與臨近環(huán)境的關(guān)聯(lián)性不強(qiáng)。

TN：水生植物較多的水體對(duì)TN有較弱的輸出作用，相關(guān)系數(shù)為0.48，其次為廢棄的水產(chǎn)養(yǎng)殖坑塘，為0.44，普通的水體對(duì)TN存在稀釋作用，相關(guān)系數(shù)為-0.44。

本次實(shí)驗(yàn)的采樣點(diǎn)一般在水體最中央，100 m緩沖區(qū)為采樣點(diǎn)最臨近區(qū)域，以水生植物較少的水體覆被為主(圖2)，各土地利用類型與水質(zhì)參數(shù)的關(guān)聯(lián)性較弱，總體來(lái)看，近鄰環(huán)境各土地利用對(duì)臨近水體的總體水質(zhì)影響不大。

表2 100 m緩沖區(qū)內(nèi)土地利用類型面積占比與水質(zhì)參數(shù)的相關(guān)性系數(shù)Tab.2 Correlation coefficient between land area type and water quality parameters in 100 m buffer

注：*表示在0.05水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。

3.2 300 m周邊區(qū)域內(nèi)

COD：最大負(fù)相關(guān)是水生植物較多的水體，相關(guān)系數(shù)為-0.62，證明水生植物對(duì)COD有較強(qiáng)的凈化能力，葦?shù)睾虲OD基本不相關(guān)。經(jīng)實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，水生植物以蓮藕和沉水性水草為主，多分布在陸地和航道之間的水域內(nèi)，蘆葦則以陸生為主，水生的蘆葦在岸邊3 m左右范圍較多，由相關(guān)性可知，陸生蘆葦對(duì)COD的凈化能力不及岸邊的水生蘆葦。商業(yè)和旅游用地、廢棄的水產(chǎn)養(yǎng)殖坑塘、普通水體以及裸地則和COD有較弱的正相關(guān)。

NH3-N：各土地類型和NH3-N相關(guān)性都很弱，說(shuō)明NH3-N污染和周邊環(huán)境的關(guān)聯(lián)性不大，本地來(lái)源可能性不大，且本地吸收、降解能力也弱。

TP：最大負(fù)相關(guān)為廢棄的水產(chǎn)養(yǎng)殖坑塘，為-0.53，耕地、居民用地等存在較弱的正相關(guān)性。廢棄的水產(chǎn)養(yǎng)殖坑塘可能會(huì)對(duì)TP有一定吸收作用。

表3 300 m緩沖區(qū)內(nèi)土地利用類型面積占比與水質(zhì)參數(shù)的相關(guān)性系數(shù)Tab.3 Correlation coefficient between land area type and water quality parameters in 300 m buffer

注：*表示在0.05水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。

TN：和TP的表現(xiàn)特征類似，廢棄的水產(chǎn)養(yǎng)殖坑塘的相關(guān)系數(shù)為-0.56，其他用地相關(guān)性較弱，廢棄的水產(chǎn)養(yǎng)殖坑塘對(duì)TN具有一定的吸收作用，但由于廢棄的水產(chǎn)養(yǎng)殖坑塘面積比很小，經(jīng)對(duì)遙感影像的判讀分析，坑塘植被覆蓋度可能是影響TP、TN的主要因素。

在300 m范圍內(nèi)，地表覆被仍以水體為主(圖3)，水生植物較多的水體面積有所增加，對(duì)水質(zhì)的影響逐步體現(xiàn)出來(lái)，水生植物對(duì)COD有較強(qiáng)的凈化能力，且凈化能力較100 m范圍明顯增強(qiáng)。

3.3 500 m周邊區(qū)域內(nèi)

COD：和100、300 m一樣，最大負(fù)相關(guān)是水生植物較多的水體，相關(guān)系數(shù)為-0.64，可見(jiàn)，水生植物對(duì)COD存在較好的凈化作用，商業(yè)及旅游用地和裸地則是COD的重要貢獻(xiàn)源，相關(guān)系數(shù)為0.58和0.55。

NH3-N：和100、300 m范圍一樣，各土地類型和NH3-N相關(guān)性均很弱。進(jìn)一步說(shuō)明NH3-N的本地來(lái)源較弱且各土地類型對(duì)其的影響能力有限。

TP：最大負(fù)相關(guān)為葦?shù)?，相關(guān)系數(shù)-0.53，居民生活用地呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.55，居民生活用地是白洋淀水體TP的重要本地輸入源。而蘆葦則對(duì)TP有較強(qiáng)的吸收能力，同時(shí)，水體對(duì)TP有較弱的稀釋能力。

TN：葦?shù)嘏cTN的相關(guān)系數(shù)最強(qiáng)，為-0.68，證明蘆葦對(duì)TN有較強(qiáng)的吸收作用，其次為水體，相關(guān)系數(shù)為-0.54，對(duì)TN有一定的稀釋能力，居民生活用地為0.52，為T(mén)N的本地輸入源。

在500 m范圍內(nèi)，葦?shù)氐拿娣e顯著增加(圖4)，其對(duì)TN、TP的吸收能力顯著增強(qiáng)，對(duì)TN的吸收作用遠(yuǎn)大于其他土地利用類型，居民生活用地是TP、TN的本地來(lái)源之一。葦?shù)睾退参镙^多的水體，對(duì)于水質(zhì)的總體改善效果較好，水生植物對(duì)COD有較好的凈化作用，葦?shù)貏t對(duì)TN、TP有較強(qiáng)的吸收能力。

總體來(lái)看，在100～500 m范圍內(nèi)，水生植物對(duì)水體都有凈化作用，主要表現(xiàn)在對(duì)COD的較強(qiáng)凈化能力上，葦?shù)貏t在500 m緩沖區(qū)內(nèi)，有利于降低TN和TP尤其是TN的污染，普通水體對(duì)TN和TP有一定的稀釋能力，隨著距離的增加稀釋能力有所增強(qiáng)，居民生活用地可能是TN和TP的本地來(lái)源，而NH3-N和土地利用各類型關(guān)系不大。

表4 500 m緩沖區(qū)內(nèi)土地利用類型面積占比與水質(zhì)監(jiān)測(cè)指標(biāo)的相關(guān)性系數(shù)Tab.4 Correlation coefficient between land area type and water quality parameters in 500 m buffer

注：*表示在0.05水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)，**表示在0.01水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。

4 結(jié) 論

研究表明，水生植物和蘆葦對(duì)水體都有凈化作用。水生植物在100～500 m范圍內(nèi)對(duì)COD污染都有凈化能力，在300 m和500 m范圍內(nèi)有顯著凈化作用，蘆葦在500 m范圍內(nèi)特別有利于TN濃度的降低，其對(duì)TP也有一定的吸收能力。TP、TN都和居民生活用地正相關(guān)，居民生活用地是二者尤其是TP的本地來(lái)源之一，可能存在以TP和TN為主的經(jīng)常性排污行為，這一結(jié)論與劉豐等[16]對(duì)白洋淀的研究結(jié)論基本一致。植被覆蓋較少、占水體主體的普通水體則對(duì)TP、TN有一定的稀釋作用。商業(yè)及旅游用地、裸地則與COD存在明顯關(guān)聯(lián)性，說(shuō)明二者是COD的重要本地來(lái)源。NH3-N與采樣點(diǎn)周邊各土地利用關(guān)系不大，說(shuō)明NH3-N為水體自身攜帶，存在為外來(lái)污染且本地吸收能力差的可能性。

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