土地利用驅動下洱海流域入湖河流水質時空分布規(guī)律

項 頌，萬 玲，龐 燕*

（1.中國環(huán)境科學研究院湖泊環(huán)境研究所，北京 100012；2.中國環(huán)境科學研究院湖泊水污染治理與生態(tài)修復技術國家工程實驗室，北京 100012；3.蘇州科技大學環(huán)境科學與工程學院，江蘇 蘇州 215009）

湖泊及其流域是人類賴以生存的重要場所，對人類生存和發(fā)展意義重大。而入湖河流是湖泊主要水資源的補給通道，也是絕大部分污染物入湖的主要輸移通道，其水質水量變化直接影響湖泊水質，因此科學掌握入湖河流水質時空變化特征對于湖泊水質保護和改善至關重要[1-3]。

河流水質受地形、地質、氣候、植被等自然因素，以及人類生產、生活等人為因素多層次和多尺度的綜合影響，呈現出復雜的時空變化特征[4-5]。目前國際上已對許多大江大河開展研究，如歐洲的萊茵河、多瑙河[6-7]，北美的密西西比河[8]，非洲的尼羅河[9]，印度的恒河[10]，以及中國的長江、黃河、雅魯藏布江[10-12]等。主要研究內容及方法集中在以下方面：河流水質評價，主要方法有單因子指數、綜合因子指數、綜合水質標識指數等[5，13]；水質時空變化特征及污染來源分析，自然及人為因素對河流水質變化的影響研究，以及河湖水質關聯(lián)分析等[2，4，14-15]，研究手段除了常規(guī)的數理統(tǒng)計方法，如相關分析、主成分分析、最小二乘法、數理模型等[16-17]，還引入遙感（RS）、地理信息系統(tǒng)（GIS）等空間分析工具[3，18]；入湖污染通量計算，主要方法有系數法、同位素示蹤法、模型模擬等[19]。已有的研究成果為河流管理決策提供了有效的科學支撐，但對于水質空間變化特征分析，以往的研究多未明確考慮水質的空間自相關性，而實際上相鄰河流或同一河流上游或下游的水質通常呈現類似的趨勢，忽略空間依賴產生的潛在偏差會降低研究結果的可靠性[16，18]。此外，在探索水質和影響因素的關系時，仍以普通最小二乘法（OLS）為代表的傳統(tǒng)數理統(tǒng)計手段為主，這種方法假定回歸參數在整個研究區(qū)具有一致性，但實際空間要素對水質的影響隨空間位置不同而異，這種關系的空間非平穩(wěn)性用傳統(tǒng)統(tǒng)計方法難以處理[20-21]。

洱海作為云南省第二大高原淡水湖泊，是大理的生命源泉，供給大理80萬人的飲用水。多年來洱海保護治理一直受到國家及地方各級部門的高度重視，因此，洱海成為我國城市近郊保護得最好的湖泊之一。然而，洱海的富營養(yǎng)化發(fā)展趨勢尚未得到遏制，2013年9、10月洱海兩次出現藍藻大面積聚集，對周邊幾十萬居民的飲用水安全構成極大威脅，引起當地政府的高度重視[22-23]?！爸魏戎嗡?，治水先治河”，洱海流域水系發(fā)達，大小入湖河溪眾多，已有研究分析發(fā)現，入湖河流氮磷年入湖通量分別占洱海外源污染負荷的67.69%和67.32%[24-25]?；诖?，本研究利用2014年的實地調研數據，將數理統(tǒng)計的定量化與空間分析的可視化有機結合，分析洱海流域入湖河流水質時空變異特征及與洱海水質的聯(lián)系；并針對區(qū)域社會經濟快速發(fā)展狀況，充分考慮數據的空間異質性問題，開展人類活動下土地利用對入湖河流水質的影響分析，彌補了前期研究中忽視空間數據局部變化特征這一缺陷，更深入評估了流域不同位置土地利用對地表水質的影響，對洱海流域的區(qū)域生態(tài)安全與水環(huán)境管理具有重要的科學價值和現實意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

洱海流域（99°32′～100°27′E、25°25′～26°16′N）位于云南省大理白族自治州，屬瀾滄江-湄公河水系，流域面積2565 km2，湖泊面積251 km2。流域氣候屬典型的高原大陸性氣候，干濕季分明，5—10月為雨季，11月—次年4月為非雨季，多年年均溫度和降雨量分別為15.1℃和1048 mm。洱海流域水系發(fā)達，入湖河溪大小共計117條：北部主要由彌苴河、羅時江、永安江構成“北三江”水系，北三江水系入湖水量大，多年年均徑流量占洱海入湖河流年總徑流量的48.9%，但由于河流流程長，沿途農田區(qū)分布廣，雨季經入湖河流攜帶入洱海的氮磷負荷高；西部主要由18條垂直于洱海的山溪型河流構成“蒼山十八溪”水系，沿線均途經密集村莊，河流流程短、水量相對小，占洱海多年平均徑流量的23%，是洱海清水補給的重要水源地；南部主要由波羅江及其支流白塔河構成“波羅江”水系，流經區(qū)域處在城鎮(zhèn)化快速轉型期，傳統(tǒng)農田種植、畜禽養(yǎng)殖等農業(yè)面源污染向城市面源污染快速轉變，入湖水量占洱?？側牒搅髁康?.4%；這三大主要水系是洱海清水補給的主要入湖通道，其水質水量變化直接影響著洱海水質[26]。

1.2 基礎數據

1.2.1 水質數據

水質數據為2014年洱海三大主要水系入湖河流86個監(jiān)測點的數據，以及洱海11個監(jiān)測點的數據（圖1），來源于大理州環(huán)境監(jiān)測站、大理州洱海湖泊研究中心、洱源縣環(huán)境監(jiān)測站，以及中國環(huán)境科學研究院洱海研究基地自行采樣監(jiān)測（表1）。樣品采集及分析測試方法參照國家標準[27]，根據入湖河流歷史水質狀況及對洱海水質的影響，選取化學需氧量（Chemi?cal oxygen demand，COD）、總氮（Total nitrogen，TN）、總磷（Total phosphorous，TP）、氨氮（Ammonia nitrogen，NH+4-N）4個代表性水質指標進行分析。根據《中共大理州委、大理州人民政府2014年洱海流域保護治理工作意見》（大發(fā)〔2014〕1號），洱海主要入湖河流水功能類別為Ⅱ類，入湖TN、TP采用《地表水環(huán)境質量標準》（GB 3838—2002）中湖庫標準進行評價。

1.2.2 土地利用數據

土地利用分類圖來自于先前的研究工作[26，28]，主要基于2012年春季資源一號02C衛(wèi)星拍攝的高精度衛(wèi)片，經非監(jiān)督分類法進行土地利用分類，參照《土地利用現狀分類》（GB/T 21010—2007），將土地利用主要分為建設用地（JS）、農業(yè)用地（NY）、植被（ZB）、水體（ST）、其他用地（QT）5類。其中植被包括林地和牧草地；其他用地包括特殊用地、自然保留地和風景名勝設施用地。

1.3 河流水質時空變異性分析方法

圖1 研究區(qū)概況Figure 1 Map of the study area

首先，基于SPSS19，在0.05的顯著性水平下進行水質和土地利用數據的K-S（Kolmogorov-Smirnov）正態(tài)性檢驗，然后采用Kruskal-Wallis非參數檢驗、空間自相關分析等進行水質的時空變異性分析。

由于文中數據分布的非正態(tài)性，故采用Kruskal-Wallis非參數檢驗分析入湖河流水質的季節(jié)性差異。

1.4 河湖水質關聯(lián)分析方法

采用灰色關聯(lián)分析法[29]對洱海流域入湖河流與湖泊的水質進行關聯(lián)分析，關聯(lián)系數計算公式如下：

1.5 河流水質空間異質性分析方法

基于Arcgis10.4平臺，以中國科學院數據云免費提供的30 m DEM數據為基礎，進行流域劃分?？臻g自相關分析是指同一個變量在不同空間位置上的相關分析，空間自相關指標能反映水環(huán)境中污染物的分布狀況和各地區(qū)所含污染物情況的相關關系。本文通過空間自相關分析[16，18]，確定水質參數是否在不同流域空間上相關，相關程度如何，相關程度利用全局Moran′s I來反映，其計算公式如下：

式中：n為所研究的空間區(qū)域數；Xi和Xj分別為i區(qū)域和j區(qū)域內的水質，為整個研究區(qū)的水質均值；Wij為空間權重矩陣。Moran′s I介于-1至1之間，絕對值越接近1，空間自相關性越強；取值為正，表示Xi和Xj是同向變化，數據呈正相關；取值為負，表示Xi和Xj是反向變化，數據呈負相關；取值為0，則數據呈隨機分布，不具有自相關性。

1.6 土地利用對河流水質影響的分析方法

采用Spearman秩相關分析進行土地利用和水質關系的初步關聯(lián)分析，并結合空間自相關分析的結果，建立土地利用與水質的局部關聯(lián)。

1.6.1 Spearman秩相關分析

Spearman秩相關分析是一種運用非參數度量兩個變量之間的統(tǒng)計相關性的統(tǒng)計方法。鑒于本文中研究數據分布的非正態(tài)性，應用Spearman秩相關分析探究土地利用與水質的關聯(lián)。

1.6.2 地理加權回歸分析

根據空間自相關分析結果，發(fā)現水質參數具有極顯著的空間自相關性，因此引入已在其他領域被廣泛使用的基于非參數建模思想的地理加權回歸模型（GWR），以研究空間非平穩(wěn)前提下的土地利用分布對水質的影響。地理加權回歸對傳統(tǒng)回歸模型進行了擴展，將數據的空間位置嵌入到回歸參數之中，以探索自變量與因變量在空間范圍內的變化關系，有效解決了空間非平穩(wěn)性問題，減少變量殘差（γj）的空間自相關[20-21]。

式中：（uj，υj）為第j個采樣點的坐標；βi（uj，υj）為自變量xi在j點處的局部回歸系數；β0（uj，υj）及εj分別為模型在j點處的回歸常數和誤差項。

2 結果與分析

2.1 洱海入湖河流水質時空變化分析

2.1.1 洱海流域入湖河流水質時空分布

洱海流域三大水系入湖河流水質的月均變化如圖2所示。COD、TN、TP、NH+4-N濃度分別為4.51～27.69、1.10～4.81、0.049～0.357、0.17～1.34mg·L-1，COD和NH+4-N月均值處于Ⅲ類水平，TN和TP月均值分別達到劣Ⅴ類和Ⅴ類水平，4項指標均超Ⅱ類水質保護目標，其中TN、TP是主要污染指標。

2.1.2 洱海流域入湖河流水質空間變異性分析

入湖河流水質空間變異性的非參數檢驗結果如表2所示。結果顯示洱海三大入湖水系COD、TN、TP、NH+4-N的檢驗P值均小于0.05，其中波羅江水系4個指標的平均秩均最高，蒼山十八溪氮磷指標的平均秩僅次于波羅江，也較高，而北三江氮磷指標的平均秩最低，但COD和NH+4-N的平均秩較高，說明洱海入湖河流水質空間差異顯著，波羅江水質最差，有機物和氮磷污染均較重，蒼山十八溪以氮磷污染為主，北三江以COD和NH+4-N污染為主。

2.1.3 洱海流域入湖河流水質季節(jié)差異性分析

水質指標季節(jié)性差異檢驗結果（表3）顯示，除蒼山十八溪COD、北三江TN外，三大水系各指標的平均秩均在雨季高于旱季，說明雨季入湖河流水質較旱季差。此外，COD在三大水系中均存在顯著季節(jié)差異（P＜0.05），TN、TP在北三江水系存在顯著季節(jié)差異（P＜0.05），說明波羅江和北三江入湖河流COD在雨季濃度明顯升高，蒼山十八溪在旱季濃度明顯升高，而北三江TN、TP分別在旱季和雨季明顯變差。

圖2 洱海入湖河流水質變化Figure 2 Variation of inflow rivers water quality in Lake Erhai basin

2.2 洱海入湖河流與湖泊水質的關聯(lián)分析

2.2.1 河湖水質月均關聯(lián)分析

洱海入湖河流與湖泊水質的月均關聯(lián)如圖3所示，總體而言，5—10月雨季入湖河流與湖泊的水質關聯(lián)更強。兩者COD關聯(lián)系數最大值出現在6月，NH+4-N在12月和6月關聯(lián)系數較高，TN在7月關聯(lián)系數出現最大值，TP在6月和7月關聯(lián)系數較高，可見6月和7月入湖河流水質的變化對洱海水質影響最強。

2.2.2 河湖水質空間關聯(lián)分析

圖3 入湖河流與湖泊水質的關聯(lián)度Figure 3 The correlation of water quality between inflow rivers and Erhai Lake

表3 水質指標季節(jié)差異性檢驗Table 3 Seasonal difference tests of water quality index

表4 水質指標與土地利用的Spearman相關分析Table 4 Spearman correlations between water quality and land use

洱海入湖河流與洱海水質的空間分布如圖4所示。COD在入湖河流及湖內的分布均表現為南部最高，北部其次，湖心及周邊區(qū)域較低；TN在湖內的分布為湖心及西北區(qū)域較高，湖體南北區(qū)域較低，而入湖河流TN空間分布則與之相反，在海西偏北的區(qū)域較低，南北入湖區(qū)域均較高；TP在入湖河流及湖內的分布也基本一致，均表現為南部區(qū)域較高，北部及湖心區(qū)域較低；NH+4-N在湖內南北區(qū)域均較高，湖心偏北區(qū)域較低，除北部外的其他區(qū)域，入湖河流NH+4-N濃度高時對應的湖內濃度也較高。可見，除TN外入湖河流與湖體污染物空間分布規(guī)律基本一致，說明洱海入湖河流水質對洱海水質影響很大，入湖河流治理是洱海富營養(yǎng)化治理的關鍵問題之一。

2.3 流域土地利用分布對入湖河流水質的影響

2.3.1 水質與土地利用相關分析

入湖河流水質與流域尺度下土地利用的Spear?man相關性分析結果（表4）顯示，與水質指標有顯著相關性的地類為建設用地、植被和其他用地。建設用地面積百分比與各水質指標均呈正相關，且與TN、TP呈極顯著正相關（P＜0.01）；植被面積百分比與各水質指標均呈負相關，且與COD呈顯著負相關（P＜0.05）；其他用地面積百分比與TN、TP呈顯著負相關（P＜0.05）。

2.3.2 空間異質性下水質與土地利用關聯(lián)分析

（1）空間異質性檢驗

根據公式（2）計算得出，2014年洱海流域主要入湖河流COD、TN、TP、NH+4-N的全局Moran′s I指數分別為0.24、0.01、0.11、0.10（表5），其中COD、TP、NH+4-N 3個指標的正態(tài)統(tǒng)計量Z值均大于正態(tài)函數在0.01顯著性水平下的臨界值2.58，表明2014年洱海主要入湖河流COD、TP、NH+4-N存在正的空間自相關，呈聚集性分布。鑒于入湖河流COD、TP、NH+4-N 3個指標的顯著空間自相關性，有必要運用地理加權回歸模型（GWR）在空間非平穩(wěn)前提下對入湖河流水質的影響因素進行分析。

（2）地理加權回歸分析

根據土地利用和水質的初步相關分析，以及水質指標的空間自相關情況，選取呈顯著相關的COD與植被（ZB）、TP與建設用地（JS）構建兩組模型，對研究區(qū)不同區(qū)域土地利用和水質的關系進行分析，模型的擬合參數見圖5和圖6。

圖5顯示，植被對COD的影響并非如Spearman結果所示完全負相關，而是顯示出明顯的局部特征。從回歸系數的方向分析，植被與COD的關系在南部波羅江水系由正相關逐漸變?yōu)樨撓嚓P，此后在其他區(qū)域均表現為負相關；從回歸系數的大小分析，兩者回歸系數由南向北遞增，同時兩者的擬合關系也呈現與回歸系數基本一致的變化規(guī)律，說明植被對COD的影響隨著空間位置變化有較大差異，主要表現為由南向北影響加劇，其中在北三江水系植被對入湖河流COD改善效果最強，而在入湖河流COD污染較重的南部波羅江水系，植被對水質的影響最弱。

圖6顯示，建設用地對TP的影響與Sperman結果在方向上一致，呈正相關，但局部也存在一定差異。兩者回歸系數在西部蒼山十八溪水系較高，南部波羅江水系次之，北部北三江水系較低，兩者擬合度也在西部及北部入湖區(qū)域較強，說明建設用地對TP的負面影響主要集中在西部蒼山十八溪流域和北部入湖部分，而在TP污染較輕的北三江水系源頭區(qū)，以及波羅江水系源頭區(qū)兩者作用相對較弱。

表5 洱海入湖河流水質全局Moran′s ITable 5 Moran′s Ivalue of inflow rivers water quality in Lake Erhaibasin

圖4 入湖河流與湖泊水質指標的空間分布Figure 4 Spatial variation of water quality indexes between inflow rivers and the Lake Erhai

3 討論

3.1 洱海入湖河流污染特征

2014年洱海入湖河流水質均超標，氮磷是主要污染因子。水質時空差異顯著，雨季整體水質較差，重污染區(qū)域為波羅江水系，其次為蒼山十八溪水系。這與課題組先前的研究一致，先前對洱海10個主要小流域雨季和非雨季入湖河流水質分析已經發(fā)現，TN、TP分別在非雨季、雨季出現最大值，且TP是洱海西部區(qū)域入湖河流的主要污染指標，有機物和氮是洱海北部和南部區(qū)域的主要污染指標[28]；此外與金春玲等[30]、梁啟斌等[31]和羊華等[25]的研究結論也相似。

水質指標的季節(jié)性變化特征反映其污染來源，2014年入湖河流雨季整體水質較差，可能是由于雨季降雨量增大，更多的污染物隨之沖刷進入河道，使污染加重[15，26]。就區(qū)域污染特征而言，波羅江和蒼山十八溪雨季氮磷濃度高，說明兩個區(qū)域的雨季面源污染是控制關鍵，其中波羅江處在城鎮(zhèn)化快速轉型期，污染源由傳統(tǒng)農業(yè)面源污染向城鎮(zhèn)面源污染快速轉變，污染來源相對復雜、多變，雨季降雨沖刷地表導致入河污染增多；蒼山十八溪水系的面源污染可能是由于其位于人口最密集的區(qū)域，人類生產生活產生的污廢水多，另外高強度人類活動下區(qū)域土地開發(fā)建設面積較大，不透水地表增加，從而導致污染發(fā)生的風險加大[13，20，22]。而北三江水系入湖河流氮磷污染雖相對輕，但兩者濃度季節(jié)性差異顯著，呈現出旱季氮污染較重、雨季磷污染較重的特點，加之北三江入湖水量大[25]，因此北三江仍需謹防雨季面源污染造成入湖河流磷濃度升高。

3.2 入湖河流與湖泊水質的關聯(lián)

研究發(fā)現雨季入湖河流與湖泊的水質關聯(lián)更強，TN在7月河湖關聯(lián)系數出現最大值，TP在6月和7月河湖關聯(lián)系數較高；除TN外，入湖河流與湖泊水質表現出了很好的相關性，入湖河流污染重的區(qū)域對應的湖體污染物濃度也偏高。這與以往的研究結論類似：羊華等[25]的研究發(fā)現，入湖河溪磷負荷與洱海水體富營養(yǎng)化程度呈強相關性，尤其是汛期，隨著入湖水量增多，洱海水體富營養(yǎng)化程度急劇加重；查慧銘等[4]通過對太湖出入湖河道與湖體水質季節(jié)差異分析發(fā)現，對于空間異質性較高的大型淺水湖泊，流域河道入湖污染對湖體營養(yǎng)鹽時空格局具有重要的塑造作用。說明入湖河流是洱海流域外源輸入的重要通道，兩者關系密切，尤其在雨季來臨前開展入湖河流治理對控制湖泊富營養(yǎng)化極其重要。

圖5 植被面積百分比與COD所構建GWR模型之局部回歸系數和擬合度Figure 5 Regression parameters values and local R2 for vegetation and CODbased on GWR

此外本次研究發(fā)現洱海入湖河流與湖泊TN濃度變化并未呈現出很好的空間一致性，這一方面可能與流域新建的庫塘濕地等生態(tài)凈化系統(tǒng)對其截留凈化作用有關，另一方面從入湖途徑上，流域山區(qū)徑流主要通過溪流入湖，而山前壩區(qū)徑流主要通過密布的溝渠入湖[30]，此外作為污染入湖的遷移通道，湖泊水質受入湖河流水質及水量、入湖途徑、遷移轉化過程等多重因素的綜合影響。本次河湖水質空間關聯(lián)以定性分析為主，后續(xù)河湖關聯(lián)分析中應加強敏感性和不確定性等定量分析，進一步分析兩者的關聯(lián)機制。

3.3 土地利用對入湖河流水質的影響

圖6 建設用地面積百分比與TP所構建GWR模型之局部回歸系數和擬合度Figure 6 Regression parameters values and local R2 for construction land and TPbased on GWR

研究發(fā)現流域整體尺度下植被面積百分比與水質指標均呈負相關，與COD呈顯著負相關（P＜0.05）；建設用地面積百分比與水質指標均呈正相關，且與TN、TP極顯著正相關（P＜0.01）。這種植被用地對水質的正向效應、建設用地對水質的負向效應雖在課題組以往的研究中[26，28，32]均有體現：對洱海北部 5 個小流域土地利用與水質關聯(lián)分析發(fā)現，建設用地與入湖河流水質呈一定程度正相關，植被對水質改善有利，其中植被區(qū)面積百分比與旱季TN、TP呈顯著負相關，與COD在全年呈一定程度負相關[26]；關于洱海西部土地利用與入湖河流水質關系的研究也發(fā)現，建設用地面積百分比與河流水質指標呈正相關，植被面積百分比與河流水質指標呈負相關，其中建設用地面積百分比與入湖河流TP濃度呈顯著正相關[32]。但進一步研究卻發(fā)現由于入湖河流水質的空間自相關，土地利用對水質的影響在整個流域并不一致，兩者關系隨空間位置變化而不同，且植被對COD的影響也并非在全流域均為負相關，表現為植被與COD的關系在南部波羅江水系由正相關逐漸變?yōu)樨撓嚓P，改善效應在北三江水系區(qū)域較顯著，而建設用地對TP的影響雖在全流域均呈負向效應，但在蒼山十八溪水系和北部入湖區(qū)域作用效果更顯著。這與研究區(qū)的地形、土地利用分布等密切相關，流域地形隨著坡度遞減主要由外圍的遠山地形、中間的平壩地形、湖周的湖濱地形組成，構成兩關五壩一圈帶的典型地貌特征，植被主要分布在山區(qū)，建設用地主要分布在平壩區(qū)。北三江水系發(fā)源于山區(qū)植被，流程長，且入湖前途經3個壩區(qū)，壩區(qū)地勢低，周圍由山區(qū)植被環(huán)繞，植被占比高達42%～56%，這使北三江水系入湖前經過三級天然凈化，水質相對較好，植被和河道自凈發(fā)揮了重要的污染消減作用；而蒼山十八溪水系所在區(qū)域山高谷深、支溝短小，水系經山區(qū)植被發(fā)源，途徑蒼山十八溪壩子后經緩沖帶入湖，壩區(qū)人口密集、開發(fā)強度大，建設用地面積平均達13%，加之區(qū)域狹長短小、入湖流程短促，導致建設用地對水質的不利影響[3，27-28]?？梢姡瑥耐恋亻_發(fā)利用的角度，北三江水系仍需保持現有的植被覆蓋度，而蒼山十八溪水系建設用地是重點管控對象。

4 結論

（1）2014年洱海入湖水質超Ⅱ類目標，氮磷是主要污染因子，水質時空差異顯著，重污染區(qū)域為波羅江水系，其次為蒼山十八溪水系，雨季整體水質較旱季差。

（2）入湖河流與湖泊水質時空關聯(lián)密切，兩者關聯(lián)在雨季更強，空間上除TN外，入湖河流與湖體污染物分布規(guī)律基本一致。

（3）流域整體尺度下，COD與植被面積百分比呈顯著負相關（P＜0.05），TN、TP與建設用地面積百分比呈極顯著正相關（P＜0.01），與其他用地面積百分比呈顯著負相關（P＜0.05）。

（4）入湖河流COD、TP、NH+4-N均呈顯著空間自相關，構建的地理加權回歸模型均顯示出顯著空間差異，其中植被面積百分比與COD的關系由正相關逐漸過渡到負相關，兩者擬合程度由南向北遞增；建設用地面積百分比與TP在整個流域均呈正相關，西部蒼山十八溪流域和北部入湖區(qū)域兩者擬合程度更好。