基于水質時空變化特征的岸線影響因素分析研究

摘" 要：采用地理加權回歸方法構建長江水質與各潛在影響因素關系模型，定量化各影響因素對水質的影響強度，并探索港口設施、工業(yè)和農耕活動對長江水質的潛在影響及影響程度的空間差異。結果表明，2017—2021年間，長江（安徽）經濟帶“1515”范圍內水環(huán)境監(jiān)測指標變化全面向好，初步實現“水清”建設發(fā)展目標，并在研究成果的基礎上提出岸線水質保護工作的對策建議。

關鍵詞：水質時空變化；岸線影響因素；水質影響要素

中圖分類號：TP273" 文獻標識碼：A" 文章編號：2096-4706（2024）12-0160-04

Analysis and Research on the Influencing Factors of Shoreline Based on the Spatiotemporal Variation Characteristics of Water Quality

—Taking the Yangtze River （Anhui） Economic Belt“1515”as an Example

JIANG Wencong1， ZHANG Jianxin1， CHEN Junyun1， TIAN Xiaoxi2

（1.Anhui Fourth Surveying and Mapping Institute， Hefei" 230031， China;

2.School of Remote Sensing and Information Engineering， Wuhan University， Wuhan" 430079， China）

Abstract： It uses geographic weighted regression method to construct a relationship model between the water quality of the Yangtze River and various potential influencing factors， quantifying the impact intensity of each influencing factor on water quality， and exploring the potential impact and spatial differences of port facilities， industrial and agricultural activities on the water quality of the Yangtze River. The results show that from 2017 to 2021， the changes in water environment monitoring indicators within the “1515” area of the Yangtze River （Anhui） Economic Belt have comprehensively improved， and the development goal of “water purification” construction has been preliminarily achieved. Based on the research results， countermeasures and suggestions for shoreline water quality protection work have been proposed.

Keywords： spatiotemporal variation of water quality; shoreline influencing factor; water quality influencing factor

0" 引" 言

為服務長江（安徽）經濟帶自然資源管理和生態(tài)文明建設，深入實施長江經濟帶發(fā)展戰(zhàn)略[1]，圍繞《關于全面打造水清岸綠產業(yè)優(yōu)美麗長江（安徽）經濟帶的實施意見》（以下簡稱“長江經濟帶實施意見”）中著力構建1千米、5千米、15千米“三道防線”建設目標，在長江（安徽）經濟帶“1515”（以下簡稱“長江經濟帶”）范圍內，開展岸線水質影響因素分析工作[2]?？紤]水質潛在影響因素，基于遙感監(jiān)測和地理信息技術，利用地理加權回歸方法構建岸線水質特征指標與潛在影響因素的定量模型，對長江（安徽）干流2017—2021年水質變化情況進行分析，探索港口設施、工業(yè)和農耕活動對長江水質的潛在影響，有效服務于長江（安徽）經濟帶發(fā)展，為長江（安徽）經濟帶的管理和決策、規(guī)劃與實施提供強有力的技術支持[3]。

1" 研究區(qū)域與研究方法

1.1" 研究區(qū)概況

根據長江岸線功能區(qū)，研究區(qū)范圍劃分為長江（安徽）岸線1千米、5千米、15千米；其中涉及安慶市、池州市、銅陵市、蕪湖市、馬鞍山市5個地級市。以長江（安徽）干流范圍水文監(jiān)測站點及水質監(jiān)測數據、2021年耕地數據、工業(yè)用地和港口數據等作為數據源。

1.2" 研究方法

依據《長江經濟帶實施意見》《長江（安徽）經濟帶船舶和港口污染突出問題整治工作方案》，選取鄰近水源的耕地、工業(yè)用地、重點污染企業(yè)分布、污水排放情況及港口碼頭作為水質潛在影響因素，利用地理加權回歸方法，以各監(jiān)測點位作為監(jiān)測單元統(tǒng)計鄰近區(qū)域內潛在影響因素分布情況[4]，構建長江水質與各潛在影響因素因果模型，定量化各影響因素對水質的影響強度[5]，以評估判定各監(jiān)測點位處水質的主要影響因素，并了解各影響因素對水質作用強度的空間差異[6]。

1.2.1" 線性回歸分析

以水質監(jiān)測數據為因變量，站點10千米內耕地面積、5千米內工業(yè)用地面積、5千米內港口數量為自變量，進行線性回歸分析。通過構建全局回歸模型，研究整個“1515”范圍內各自變量對因變量的影響強度。

其中，i為監(jiān)測站點位置，β耕地、β工業(yè)用地、β港口分別為全局線性回歸模型中各自變量的系數，從整個研究區(qū)域角度量化各自變量對因變量（水質）的作用強度。

1.2.2" 模型構建-地理加權回歸分析

在一般線性回歸分析的基礎上，采用地理加權回歸分析方法構建模型。地理加權回歸方法考慮空間異質性因素，反映變量關系隨空間分布變化的特征。在具體解算過程中采用赤池信息準則（AICc）或交叉驗證（CV）進行帶寬優(yōu)選，并結合指定核函數設置空間距離權重矩陣，對一般線性回歸模型進行空間加權。

根據地理加權回歸方法，以水質監(jiān)測數據為因變量，站點10千米內耕地面積、5千米內工業(yè)用地面積、5千米內港口數量數據為自變量，構建回歸模型進行解算，利用R語言中的GWmodel包完成建模過程。地理加權模型為：

其中，i為監(jiān)測站點位置， 分別為第i個監(jiān)測站點處局部回歸模型各自變量的系數，用于表征不同監(jiān)測站點處各自變量對因變量（水質）的作用強度。

2" 長江（安徽）經濟帶“1515”水質影響因素結果分析

2.1" 水質潛在影響因素分析

利用2017—2021年5年間的長江（安徽）干流水質監(jiān)測數據，選取化學需氧量[7]作為長江水質情況的數據指標，對長江（安徽）干流2017—2021年水質變化情況進行分析，并探索港口設施、工業(yè)和農耕活動對長江水質的潛在影響。

根據2021年度長江（安徽）水質監(jiān)測站點數據，統(tǒng)計各站點全年化學需氧量監(jiān)測數據的年平均值[8]。利用ArcGIS軟件制圖模塊，可視化2021年長江（安徽）水質空間分布趨勢，如圖1所示（為了呈現更直觀的效果，以下展示內容都是從研究區(qū)岸線選取20個站點進行可視化）。2021年，長江（安徽）干流的水質狀況較好，化學需氧量年平均值基本在10 mg/L以下，上中游的水質情況略優(yōu)于下游區(qū)域。根據監(jiān)測站點的全指標評價結果，各站點水質評價均達到或優(yōu)于Ⅲ類水質標準，長江（安徽）干流水質整體表現優(yōu)良。

以長江（安徽）干流的水文監(jiān)測站點為中心，統(tǒng)計一定距離內的港口數量、耕地面積和工業(yè)用地面積并將它們作為潛在影響因素的量化指標。上游港口設施在幾處監(jiān)測站點周邊區(qū)域集聚，工業(yè)用地分布較少。下游有較多港口散布，且工業(yè)用地占地廣，在多處站點周邊均有分布，與下游主城區(qū)近江分布情況吻合。

2.2" 水質影響要素關系分析

將2021年長江水質監(jiān)測指標中的化學需氧量作為因變量進行全局線性回歸，得到的模型回歸結果如表1所示。港口數量、耕地和工業(yè)用地面積對化學需氧量指標的估計系數均為正，說明在長江（安徽）干流整體范圍內，這三類產業(yè)在沿江區(qū)域的建設活動對水體化學需氧量的影響均存在正向貢獻，即對區(qū)域水質存在負面影響。

采用Gauss核函數并基于AICc準則進行地理加權模型的自適應帶寬優(yōu)選與回歸解算，回歸解算利用R語言中的GWmodel包實現[9]?；貧w方程的各變量系數分布如圖2、圖3所示。三類因素對水體化學需氧量的影響程度存在空間差異，且這三項因素在局部尺度上對長江水質均有負面影響。

利用ArcGIS軟件制圖模塊，可視化出圖2中港口因素對水質的影響自上游而下呈下降趨勢，船運活動對長江（安徽）干流水質的影響在下游區(qū)域相對較小。該區(qū)域內的馬鞍山市和蕪湖市在港口活動治理方面進行了多年的港口船舶垃圾污水接收治理工作，管控船運垃圾和排污情況，發(fā)展綠色航運，在長江水質保護方面取得良好成效。與此同時，各市長江沿岸港口的關停治理工作也為長江水質保護提供助力。

農業(yè)生產活動對水質的影響在長江（安徽）下游區(qū)域相對較小。為了響應農業(yè)面源污染防治工作，長江（安徽）沿線各市均在農業(yè)生產管理方面制定了具體的執(zhí)行措施，并實行定期上交監(jiān)管報告的制度。依據各市農業(yè)面源污染治理情況，蕪湖市、馬鞍山市在措施的實施推進上效果較好，紛紛落實農肥使用和廢棄物綜合利用等改進措施[10]。如圖2所示，在2021年的水質影響因素分析中該區(qū)域耕地分布對水質的影響較弱，證明農業(yè)生產活動對水質的影響得到了有效的控制。

長江（安徽）中游區(qū)域的工業(yè)生產活動對水質的影響明顯，上游、下游區(qū)域的工業(yè)生產活動對水質的影響相對較小。圖3中的影響程度分布表明工業(yè)對水質的影響和產業(yè)規(guī)模有關。工業(yè)用地分布以下游最多，結合廢水處理能力、萬元工業(yè)增加值用水量、萬元GDP用水量分析，下游城市具有優(yōu)勢，中下游差異是由于地區(qū)的工業(yè)結構和生產技術更新影響了污染物的排放種類、排放量和具體的排污處理效果。

其中，“散亂污”企業(yè)整治工作大大助力了長江（安徽）流域的水質保護。根據2017—2021年間的企業(yè)數據分析，安慶市和蕪湖市的中心城區(qū)為“散亂污”企業(yè)整治的熱點地區(qū)。整體來看，蕪湖市整治效果最為明顯。池州市和馬鞍山市整治工作的體量相對較小，可以加強治理力度，進一步提高治理效果。

同區(qū)域內各因素對水質影響程度的相對大小關系在空間分布上也呈現出差異性。如圖4所示，上游區(qū)域內港口影響在三類因素中占主要位置，工業(yè)的影響排在最末；從中游區(qū)域開始，工業(yè)影響逐步占據潛在因素的首位；下游區(qū)域耕地的影響為最小。上游區(qū)域第一產業(yè)比重比下游地市大，耕地面積較多，所以農業(yè)生產因素對其產生的影響更為突出；中下游城市工業(yè)發(fā)達，所以產業(yè)活動對其產生的影響更為明顯。

對比2017—2021年各項監(jiān)測指標變化情況，自2019年起長江（安徽）水質情況得到明顯改善，化學需氧量整體下降，并且良好狀況保持得也比較好。對比2017年和2021年各監(jiān)測站點每月水質數據的全指標評價結果，水質Ⅱ類及以上斷面比率上升，截至2021年全年匯總比率達96.5%，水質變化趨勢向好。整體來看，長江（安徽）水質治理保護工作取得了良好的成效。

3" 結" 論

根據水質時空變化呈現的分布差異特點，結合實地驗證，岸線影響因素分析研究結果已應用于長江（安徽）沿線5市自然資源和規(guī)劃局岸線保護工作，在長江（安徽）經濟帶生態(tài)保護方面取得了顯著的成效，并針對所發(fā)現的問題，為岸線保護可持續(xù)發(fā)展提供了較為細致的差異化建議：

1）長江經濟帶上游港口整改進程相對較慢，需要進一步加強與推進港口治理工作。各地區(qū)整治工作進度不一致，治理程度和效果也存在差異，上游安慶市和池州市沿岸的港口活動對長江干流水體的負面影響程度相對較高。可以通過推進不同地區(qū)間協作與交流學習，充分利用下游地區(qū)工作經驗，促進上游港口改造，提升港口碼頭污染防治能力，加快長江（安徽）經濟帶的綠色航運建設，保護長江（安徽）干流水環(huán)境。

2）長江經濟帶中游地區(qū)需進一步加強“散亂污”企業(yè)整治，加大產業(yè)結構優(yōu)化的力度。進一步提高中游地區(qū)的“散亂污”企業(yè)治理強度，控制工業(yè)生產的水體排放，尤其是嚴防非主要水道的非法排污，逐步實現“水清”目標。同時引導和加大產業(yè)科研投入，加大產業(yè)優(yōu)化力度，促進產業(yè)轉型和實現綠色發(fā)展，助力水環(huán)境的改善效果再上一個臺階。

3）長江經濟帶上游區(qū)域農業(yè)生產對長江水質存在一些負面影響，需要進一步加強農業(yè)面源污染治理，以從整體上提升長江水質。建議督促加快上游尤其是安慶市的農業(yè)面源污染治理工作，以減少長江沿岸有機污染物的排放。

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作者簡介：姜文聰（1987—），女，漢族，山東泰安人，工程師，碩士研究生，研究方向：地理信息系統(tǒng)、遙感在自然資源方向上的應用等。