漢江中下游水質(zhì)時空特征與土地利用類型響應識別研究

劉成建, 夏 軍, 宋進喜, 張 遠, 程兵芬, 馬 馳, 王 強2,

1.西北大學城市與環(huán)境學院, 陜西省地表系統(tǒng)與環(huán)境承載力重點實驗室, 陜西 西安 710127 2.武漢大學, 水資源與水電工程科學國家重點實驗室, 湖北 武漢 430072 3.中國環(huán)境科學研究院水生態(tài)保護修復研究室, 北京 100012

人類活動影響下的水環(huán)境質(zhì)量演變是全球流域管理中的主要難點和瓶頸[1]，已成為當前影響流域水生態(tài)安全的嚴重威脅因素之一. 一方面，在人類活動干擾下[1]，河道閘壩建設對下泄生態(tài)流量的改變，以及生活污水和工業(yè)廢水的排放對河流水體中的水生生物和飲用水安全產(chǎn)生不利影響[2-3]；另一方面，城市污染和農(nóng)業(yè)面源污染是水體中主要有機污染物和營養(yǎng)物質(zhì)來源[4]，土地利用類型的劇烈變化，伴隨著持續(xù)城市化和施肥量的不斷增加，受雨季高強度降雨影響，降雨徑流沖刷攜帶各種污染物(氮、磷等)進入河流，進一步加劇了水體中污染物濃度的增加[5-6]，使得地表水污染逐漸加重[7]. 漢江作為長江的第一大支流，也是南水北調(diào)中線工程影響區(qū)和長江經(jīng)濟帶中游重要區(qū)域，在我國具有重要的戰(zhàn)略意義. 當前多個研究表明水華的頻繁暴發(fā)與人類活動以及城市化發(fā)展影響下的水循環(huán)過程改變和污染排放密切相關(guān)[8-9]，如何識別人類活動影響下漢江下游的水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量問題一直是當?shù)仃P(guān)心的焦點. 因此，在大型河流開展與人類活動相互關(guān)聯(lián)的水環(huán)境質(zhì)量特征和響應關(guān)系識別，有利于挖掘水質(zhì)變化的潛在原因.

此外，受高強度人類活動影響，近十幾年來漢江流域社會經(jīng)濟高速發(fā)展直接影響了土地利用的改變，從而導致河流水體的化學、物理和生物特性的變化，成為導致城市河流水環(huán)境質(zhì)量改變的主要驅(qū)動要素之一[17-19]. 針對土地利用和河道水質(zhì)的響應關(guān)系，許多學者也開展了積極的探索和研究. CUI等[20]識別了土地利用變化對中國干旱地區(qū)典型內(nèi)陸湖水質(zhì)的影響，結(jié)果表明水污染與農(nóng)業(yè)用地、城市用地均呈正相關(guān)，與水域、草地均呈負相關(guān). LI等[21]研究了土地利用變化對遼河流域水質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)該流域受土地利用變化影響較小，上游水質(zhì)好于下游. Pullanikkatil等[22]研究了土地利用變化對馬拉維南部Likangala流域的影響，結(jié)果表明，雖然水質(zhì)保持在一個可接受的等級，但是下游河流被污染，存在豐富的大腸桿菌、陽離子和陰離子. 綜上，探討不同尺度土地利用類型與河流水質(zhì)關(guān)系的研究，為土地利用類型的優(yōu)化和水污染防治提供了可靠依據(jù).

該研究面向我國南水北調(diào)重大水利工程影響區(qū)的水環(huán)境演變特征識別與原因探討需求，結(jié)合最新的歷史數(shù)據(jù)資料，選取漢江中下游干流8個水質(zhì)斷面2011—2018年7項水質(zhì)指標，定量刻畫漢江中下游水環(huán)境現(xiàn)狀及時空變化規(guī)律；基于多種數(shù)學統(tǒng)計方法，包括Mann-Kendall趨勢檢驗、相關(guān)分析和冗余分析等方法，開展?jié)h江中下游水質(zhì)長序列時空特征檢測和土地利用類型的響應關(guān)系識別，旨在探索人類活動影響下的河流水環(huán)境質(zhì)量演變歸因識別方法，揭示變化環(huán)境下的河流水環(huán)境質(zhì)量變化驅(qū)動要素和貢獻，以期為漢江中下游流域水質(zhì)管理以及其他重點流域水污染防治與管理提供科學參考.

1 研究區(qū)概況及研究方法

1.1 研究區(qū)概況

漢江位于我國長江經(jīng)濟帶中游，是長江最長的支流. 中游定義為從丹江口水庫到荊州市(270 km)，下游定義為從荊州到武漢市(406 km). 總集水面積為 64 000 km2，海拔從丹江口水庫的500 m降至武漢市的110 m[23]. 漢江中下游年降水量700～1 300 mm[24]，降水集中在5—10月，江漢平原總面積4.6×104km2. 流域內(nèi)工業(yè)、農(nóng)業(yè)發(fā)達，唐白河和漢北河是漢江兩條污染嚴重的支流，它們均流經(jīng)工業(yè)、農(nóng)業(yè)區(qū)，攜帶營養(yǎng)物質(zhì)(氮和磷)排入漢江干流[25]. 為滿足漢江興隆以下河段生態(tài)環(huán)境用水、河道外灌溉、供水及航運需水要求，引江濟漢工程應運而生，其從長江荊江河段引水至漢江高石碑鎮(zhèn)興隆河段，于2014年9月26日正式通水.

1.2 數(shù)據(jù)來源

依托國家自然科學基金項目在漢江中下游8個監(jiān)測站點(沈灣、白家灣、余家湖、轉(zhuǎn)斗、皇莊、羅漢閘、漢南村和宗關(guān)，見圖1)開展實地調(diào)研工作，水質(zhì)數(shù)據(jù)選取2011—2018年pH、ρ(DO)、ρ(CODMn)、ρ(BOD5)、ρ(NH3-N)、ρ(TP)、ρ(TN)七項水質(zhì)指標進行分析. 2015年的30 m數(shù)字高程圖(DEM)和100 m土地利用空間分布數(shù)據(jù)來自中國科學院資源與環(huán)境科學數(shù)據(jù)中心(RESDC, http://www.resdc.cn). 利用DEM和水系進行流域劃分，并進一步將土地利用類型劃分為農(nóng)田、林地、草地、水域、城鎮(zhèn)用地5種類型(見圖2).

圖1 漢江中下游監(jiān)測站點的分布Fig.1 Distribution of monitoring stations in middle and downstream of Hanjiang River

圖2 2015年漢江中下游土地利用類型Fig.2 Land use patterns of the middle and downstream of Hanjiang River in 2015

1.3 研究方法

1.3.1季節(jié)性Mann-Kendall趨勢檢驗法

長序列的水質(zhì)數(shù)據(jù)一般存在一定的季節(jié)性變化，并且存在一定的序列相關(guān)性與缺失值，為了解決上述問題，Hirsch and Slack等提出季節(jié)性Mann-Kendall檢驗[26-27]，用來分析研究區(qū)的水質(zhì)變化特征. 季節(jié)性Mann-Kendall檢驗已經(jīng)被廣泛應用到水質(zhì)趨勢檢測中[10,14].

假設有n年，每年p個月的數(shù)據(jù)，則觀測數(shù)據(jù)可用數(shù)列表示為

(1)

零假設H0指序列是隨機分布的變量，而不具有隨時間變化的單調(diào)性. 將每個月的n個觀測值排序得到與X等秩的矩陣R：

(2)

具體為

(3)

因此，季節(jié)性Mann-Kendall檢驗的統(tǒng)計量(S′)為

(4)

另外，統(tǒng)計量是漸進正態(tài)的，平均值為0，方差為

(6)

式中，σg2=Var(Sg)，σgh=cov(Sg,Sh). Hirsch等[27]在1984年的研究中假設數(shù)據(jù)是獨立的，因此所有協(xié)方差項均等于零.

標準化統(tǒng)計量(Z)服從平均值為0、方差為1的漸近標準正態(tài)分布，其表達式為

(7)

根據(jù)以往的研究，P的顯著性水平分別為0.05和0.10，相對應的Z值分別為1.96和1.65，具體操作采用MATLAB編程完成.

1.3.2人類活動與水質(zhì)的響應分析方法

在ArcGIS 10.2軟件中劃定緩沖帶，并提取出每個點位的土地利用類型數(shù)據(jù)，然后在SPSS 22.0軟件中，采用Spearman相關(guān)分析法建立并分析各土地利用類型面積占比與各水質(zhì)指標之間的相關(guān)關(guān)系[17-18]，并采用冗余分析(redundancy analysis, RDA)方法分析土地利用類型對多個水質(zhì)參數(shù)變異的解釋能力，采用蒙特卡羅方法檢驗(隨機抽樣500次)RDA分析結(jié)果的顯著度.

梯度排序計算過程中，通?？梢愿鶕?jù)線性或者單峰的不同情形分別應用冗余度(RDA)和典范對應分析(CCA)的排序方法，一般在梯度排序前采用去趨勢對應分析(DCA)判斷4個軸中的梯度最大值，梯度較短(≤3)則線性擬合較好，即RDA線性模型方法排序更合適；如梯度較長(≥4)則單峰模型擬合效果更好，即CCA單峰模型更加合適；如梯度在3和4之間則兩種方法均適用. RDA一般計算公式：

(8)

(9)

式中，(X;Wk)和(Y;Vz)分別為2組標準化變量X和Y提取的成分，該文將采用國際通用的生態(tài)分析軟件Canoco(5.4版本)，開展?jié)h江中下游水質(zhì)與土地利用變化響應關(guān)系定量化識別.

2 結(jié)果與討論

2.1 漢江中下游水質(zhì)特征與土地利用結(jié)構(gòu)分析

2.1.1漢江中下游水質(zhì)現(xiàn)狀

漢江中下游水質(zhì)分布特征如圖3所示. 由圖3可見：pH波動范圍為7.46～8.22，平均值為7.92，水體總體呈堿性，適宜硅藻生長[28]；ρ(DO)波動范圍為8.00～9.50 mg/L，平均值為8.65 mg/L；ρ(CODMn)波動范圍為1.84～2.66 mg/L，平均值為2.37 mg/L；ρ(BOD5)波動范圍為1.19～2.29 mg/L，平均值為1.51 mg/L；ρ(NH3-N)波動范圍為0.14～0.28 mg/L，平均值為0.20 mg/L；ρ(TP)波動范圍為0.027～0.089 mg/L，平均值為0.061 mg/L；ρ(TN)波動范圍為1.35～1.88 mg/L，平均值為1.62 mg/L，ρ(TN)超標嚴重，達到GB 3838 —2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》Ⅳ類標準.

圖3 漢江中下游各監(jiān)測站點的水質(zhì)基本狀況Fig.3 Basic situation of various monitoring stations in middle and downstream of Hanjiang River

2.1.2漢江中下游土地利用現(xiàn)狀

為了區(qū)分不同研究尺度下土地利用類型與該區(qū)域水質(zhì)之間的關(guān)系，參考國內(nèi)外同類研究中關(guān)于研究尺度的劃定[17]，該研究劃分3個空間尺度(500 m緩沖帶、1 000 m緩沖帶和子流域)，其中，子流域的劃分是利用SWAT 2012軟件，通過將監(jiān)測站點設置為子流域出口進行劃分；剩余兩個尺度的緩沖帶是在ArcGIS 10.2軟件中以監(jiān)測站點為圓心，以500 m和1 000 m為半徑，裁剪出圓形緩沖區(qū)域，分別分析其土地利用結(jié)構(gòu). 每個尺度下的土地利用類型的面積占比如圖4所示. 由圖4可知，耕地、水域和城鎮(zhèn)用地3種土地利用類型的面積占比較大，其他土地利用類型的面積占比較小. 林地主要是體現(xiàn)在子流域尺度上，此外，在下游宗關(guān)站點，城鎮(zhèn)用地這一土地利用類型的面積占比明顯較大.

圖4 漢江中下游8個監(jiān)測站點在500 m緩沖帶、 1 000 m緩沖帶和子流域尺度上的土地利用類型變化Fig.4 Land use compositions within the 500 m buffer, 1 000 m buffer and subbasin at 8 monitoring stations in middle and downstream of Hanjiang River

2.2 漢江中下游水質(zhì)的時空變化分析

對2011—2018年漢江中下游8個監(jiān)測站點的水質(zhì)數(shù)據(jù)進行了季節(jié)性Mann-Kendall檢驗，分析了水質(zhì)要素的變化趨勢(見圖5). 由圖5可見：在白家灣、余家湖、皇莊3個監(jiān)測站點，ρ(BOD5)均有明顯的下降趨勢；在白家灣和漢南村2個監(jiān)測站點，ρ(CODMn)呈現(xiàn)明顯的下降趨勢；ρ(TN)在轉(zhuǎn)斗監(jiān)測站點呈現(xiàn)明顯的下降趨勢，表明水質(zhì)有改善趨勢，這與漢江流域近年來實施的漢江保護行動密不可分，如控源減排、河道內(nèi)“清撤養(yǎng)殖”及其他保護治理行動；漢江中下游ρ(DO)和ρ(TP)的年變化趨勢不明顯；ρ(NH3-N)在漢江中下游有明顯的變化趨勢，在轉(zhuǎn)斗、皇莊和宗關(guān)監(jiān)測站點有明顯的下降趨勢，但是在沈灣、白家灣和羅漢閘監(jiān)測站點卻有上升趨勢，這可能與沿岸農(nóng)業(yè)活動強度的加大有直接關(guān)系. 一方面余家湖上游為唐白河匯入漢江的入口，而唐白河流經(jīng)“南陽盆地”，為重要農(nóng)業(yè)區(qū)，每年氮肥施用量較大；另一方面唐白河水旱災害頻發(fā)，降雨量大，導致眾多未被農(nóng)作物吸收的營養(yǎng)物質(zhì)被攜帶入河.

由圖6可見，各監(jiān)測站點ρ(DO)、ρ(NH3-N)和ρ(TN)在豐水期(6—10月)和枯水期(11月—翌年5月)差別較大，并且枯水期均大于豐水期. 枯水期ρ(DO)較高的原因可能是適宜溫度下，硅藻等浮游植物光合作用較強. 枯水季河流流速放緩，徑流量減少，不利于水體中污染物的遷移擴散，河流自凈能力降低，導致污染物濃度較高.ρ(CODMn)、ρ(BOD5)、ρ(TP)、pH在豐水期和枯水期的變化較小. 各站點pH整體偏堿性，中游和下游水質(zhì)偏堿性分別與水-巖石作用[4]和藻類的生長密切相關(guān). 下游部分站點ρ(CODMn)、ρ(BOD5)和ρ(TP)在豐水期高于枯水期，可能是由于強烈的人類活動引起的. 一方面，夏季居民生活用水普遍增多，產(chǎn)生更多的生活污水；另一方面，夏季農(nóng)業(yè)活動強烈(如農(nóng)作物正值基肥與追肥時間)，高強度的降水攜帶未被吸收利用的營養(yǎng)物質(zhì)進入水體，導致污染物濃度在豐水期高于枯水期.

由圖6也可以看出：ρ(DO)最高值出現(xiàn)在羅漢閘監(jiān)測站點，最低值出現(xiàn)在漢南村監(jiān)測站點；ρ(CODMn)從中游到下游逐漸升高，最高值出現(xiàn)在余家湖和宗關(guān)監(jiān)測站點，ρ(BOD5)情況類似，最高值出現(xiàn)在漢南村監(jiān)測站點；ρ(TP)和ρ(TN)變化類似，都是從中游到下游逐漸增加，有兩個最高值點，出現(xiàn)在皇莊和宗關(guān)監(jiān)測站點.ρ(CODMn)、ρ(BOD5)、ρ(TP)、ρ(TN)的最高值均出現(xiàn)在農(nóng)田和城鎮(zhèn)用地面積占比較高的區(qū)域.ρ(NH3-N)最高值出現(xiàn)在皇莊監(jiān)測站點，該監(jiān)測站點城鎮(zhèn)用地面積占比較高. 在這些地區(qū)，農(nóng)業(yè)活動、周圍工業(yè)廢水和城鎮(zhèn)生活污水的排放直接導致污染物濃度較高. 另外，在羅漢站監(jiān)測站點之后，大多數(shù)污染物濃度下降，較大可能是因為引江濟漢工程的開通.

圖5 2011—2018年漢江中下游8個監(jiān)測站點水質(zhì)要素的變化趨勢Fig.5 Trends of water quality at 8 monitoring stations in middle and downstream of Hanjiang River from 2011 to 2018

2.3 水質(zhì)指標與土地利用類型響應識別

在500 m緩沖帶、1 000 m緩沖帶和子流域尺度上，對土地利用類型與水質(zhì)指標的關(guān)系做相關(guān)性分析，結(jié)果如圖7所示. 在500 m緩沖帶尺度上，ρ(CODMn)與農(nóng)田、林地土地利用類型均呈顯著負相關(guān)(P<0.05)，相關(guān)系數(shù)分別為 -0.794、-0.743；ρ(TP)、ρ(TN)與城鎮(zhèn)土地利用類型均呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，相關(guān)系數(shù)分別為0.724、0.710；ρ(TN)與農(nóng)田土地利用類型呈顯著負相關(guān)(P<0.05)，相關(guān)系數(shù)為-0.784. 在 1 000 m緩沖帶尺度上情況類似，ρ(CODMn)與林地土地利用類型呈顯著負相關(guān)(P<0.05)，相關(guān)系數(shù)為-0.794，ρ(TP)、ρ(TN)與城鎮(zhèn)土地利用類型均呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，相關(guān)系數(shù)分別為0.763、0.710，ρ(TN)與農(nóng)田土地利用類型呈顯著負相關(guān)(P<0.05)，相關(guān)系數(shù)為-0.723. 與大多數(shù)研究不同，在500 m緩沖帶和 1 000 m緩沖帶尺度上，農(nóng)田土地利用類型均與ρ(DO)呈正相關(guān)，與營養(yǎng)性水質(zhì)指標呈負相關(guān)，主要原因可能是在小尺度的研究范圍內(nèi)，對于高度城市化的河段，農(nóng)田用地對河流水質(zhì)的影響會在一定程度上被其他土地利用類型的作用所掩蓋，這也印證了TU[29]對波士頓、ZHAO等[30]對上海的相關(guān)研究結(jié)果. 在子流域尺度上，林地、草地與各項水質(zhì)指標〔除pH、ρ(DO)外〕均呈負相關(guān)，其中，ρ(BOD5)與農(nóng)田、林地均呈顯著負相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.924(P<0.01)、0.736(P<0.05)，ρ(TN)與林地呈顯著負相關(guān)(P<0.05)，相關(guān)系數(shù)為0.776. 主要原因可以從以下幾點考慮：①林地、草地對地表徑流中的污染物有截留和吸收作用，導致入河污染物量減少；②農(nóng)田中存在大量未被農(nóng)作物吸收的化肥，隨著降雨徑流進入河道，導致水體污染物濃度升高；③城鎮(zhèn)用地往往聚集著大量的人口，高強度的人類活動導致大量的生活污水與工業(yè)廢水排入水體，并且高污染城市路面初期雨水徑流直接流入雨水管網(wǎng)，不經(jīng)處理而直接排入水體，從而加劇了河流污染. 因此，保護林地草地、“控源減排”、倡導合理施肥和雨水管網(wǎng)改造成為漢江流域河流保護與污染治理的關(guān)鍵.

注： 藍色柱子表示豐水期，橙色柱子表示枯水期，二者高低表示水質(zhì)指標在豐水期與枯水期的大小.圖6 漢江中下游各水質(zhì)指標的空間分布Fig.6 Spatial distribution of water quality parameters in middle and downstream of Hanjiang River

圖7 漢江中下游土地利用類型與水質(zhì)指標的相關(guān)性分析Fig.7 Correlation between proportions of land use patterns and water quality parameters in middle and downstream of Hanjiang River

在相關(guān)分析基礎上，進一步利用冗余分析方法，開展多尺度土地利用類型對水質(zhì)空間分異的解釋分析，結(jié)果如表1所示. 由表1可見，在各尺度上，農(nóng)田、城鎮(zhèn)用地與水質(zhì)指標均存在顯著的相關(guān)關(guān)系. 在500 m 緩沖帶尺度上，農(nóng)田和城鎮(zhèn)用地對水質(zhì)的影響更顯著；在 1 000 m緩沖帶尺度上，農(nóng)田對水質(zhì)的影響最為顯著；然而在子流域尺度上，除草地外，各土地利用類型均對水質(zhì)存在顯著影響. 因此，嚴格控制農(nóng)田與城鎮(zhèn)用地的面積占比，有助于保護漢江流域的水質(zhì). 總體上，土地利用類型對水質(zhì)指標空間分異的解釋度隨空間尺度增加呈現(xiàn)先降后升的趨勢，在子流域尺度上土地利用類型對水質(zhì)指標的解釋度最大. 主要原因是，在小尺度上，城鎮(zhèn)用地面積占比較大，對水質(zhì)的影響較大，而在子流域尺度上，各土地利用類型面積占比均勻，能綜合解釋土地利用類型對水質(zhì)指標的空間變異作用.

表1 基于冗余分析(RDA)的多尺度土地利用 類型對水質(zhì)指標空間分異的解釋結(jié)果Table 1 Proportion of variation in all water quality parameters explained by land use types at multiple spatial scales based on the redundancy analysis (RDA)

3 結(jié)論

a) 漢江中下游水質(zhì)總體良好，但ρ(TN)超標嚴重. 2011—2018年，大部分水質(zhì)指標呈下降趨勢，但是ρ(NH3-N)呈現(xiàn)不同的變化趨勢，水環(huán)境質(zhì)量總體上有所改善，各水質(zhì)指標存在復雜的年際變化.

b) 流域內(nèi)水污染問題空間差異較大，從中游到下游，水質(zhì)逐漸惡化，但在羅漢閘監(jiān)測站點附近，污染物濃度突降，可能與引江濟漢工程的開通有關(guān)；大部分站點豐水期的水質(zhì)優(yōu)于枯水期.

c) 不同尺度下，土地利用類型與水質(zhì)指標之間的相關(guān)性不同. 子流域尺度下，土地利用類型能夠更好地解釋水質(zhì)的空間變異，農(nóng)田和城鎮(zhèn)用地對水污染貢獻最大，林地、草地能夠緩解水污染. 而在500 m緩沖帶和1 000 m緩沖帶尺度下，土地利用類型對水質(zhì)的影響關(guān)系較復雜，呈現(xiàn)不同程度的掩蓋效應. 因此，在不同尺度下，研究土地利用類型與水質(zhì)指標的相關(guān)關(guān)系具有重要意義；提高草地林地面積占比、嚴格控制城鎮(zhèn)用地面積占比、優(yōu)化耕作方式等成為漢江中下游水污染防治的關(guān)鍵.