辽河保护区土地利用方式对河流水质的影响

冯娜娜，董春来，徐笠，李海霞

1.江苏海洋大学测绘与海洋信息学院 2.北京市农林科学院，北京农业质量标准与检测技术研究中心 3.农产品产地环境监测北京市重点实验室

近年来,区域土地利用与水体水质之间关系的研究得到了广泛关注，众多学者从不同角度对二者之间的关系进行研究。如孙金华等[1-2]的研究结果表明，区域建筑用地和耕地面积与水体污染物浓度存在显著的正相关关系，而林地、草地、绿化用地面积与水体污染物浓度呈负相关关系；方娜等[3-4]从空间角度开展研究，发现耕地产生的农业非点源污染对水体水质影响明显，在大尺度区域增加林地面积比例有利于改善水质，离水体近的农村居民用地对水质产生负面影响，工业建设用地对水质影响在较大尺度上更为显著；张勇荣等[5]研究平寨水库土地利用结构对水质的影响，结果表明区域土地利用方式与水质有显著相关性。笔者以辽河保护区为研究对象，研究保护区内铁岭、沈阳、鞍山、盘锦市4个区段土地利用方式对辽河水质的影响，以期为辽河保护区土地利用现状评价、土地利用空间优化及水污染防控提供依据。

1 数据来源与方法

1.1 研究区概况

辽河流域总面积为21.9万km2，流域地势大体是自北向南、自东西两侧向中间倾斜，中下游形成辽河平原。属温带半湿润的大陆性季风气候，年内气温变化较大，四季寒冷，干湿分明。年平均气温约为4～9 ℃，1月最低，平均为-18～-9 ℃；7月最高，平均为21～28 ℃[6]。降雨多集中在7—8月，暴雨占全年降水量比例较大。辽河保护区(121°41′E～123°55.5′E，40°47′N～43°02′N)始于东西辽河交汇处的铁岭昌图县福德店，在盘锦汇入渤海(图1)，面积为1 869.2 km2，流经铁岭、沈阳、鞍山、盘锦4市[7]。辽河保护区的辽河干流地区人口众多，工业发达，农业分布范围较广，总农业人口约29.8万人。

图1 辽河保护区概况Fig.1 General situation of Liaohe Conservation Area

1.2 数据来源

1.2.1土地利用数据的提取

采用2018年9月Landsat陆地卫星遥感影像(空间分辨率16 m)，分别提取辽河保护区在铁岭、沈阳、鞍山及盘锦区段的土地利用数据。根据辽河保护区的范围和铁岭、沈阳、鞍山、盘锦4市的行政区划，裁剪出各自的研究区域，并在ArcGIS和ENVI软件中进行相关的预处理图像增强工作。结合野外实地调查和Google Earth软件以及影像的可分辨率特征，基于Ecognition软件监督分类的方法对遥感图像进行解译和分类。土地利用分类系统采用中国科学院土地资源分类系统的一级分类[8]，包含林地、草地、农业用地、建设用地、水域和未利用土地6种土地利用类型。

1.2.2水质监测

在辽河保护区的辽河干流和一级支流共布置31个采样点，于2018年9月采集水样，将水样封于采样容器后立即运回实验室，测定水质指标COD与DO、NH3-N、TN、TP浓度。取各河段采样点的平均值作为该河段的水质数据。

1.3 模糊综合评价方法

采用模糊综合评价法评价辽河保护区河流水质的健康状况；首先对评价对象进行分层，确定其评价等级标准；然后通过各因子在水质分析中的不同贡献，进行评价因子权重计算；最终得到辽河保护区水质健康状况的综合评价等级。

1.3.1评价因子的隶属度函数和模糊关系矩阵计算

模糊运算中，需要确定隶属度函数，用以描述水体污染状况的模糊界线。将水质指标分为正向指标和逆向指标2种类型，计算不同水质指标对GB 3838—2002《地表水环境质量标准》中不同等级水质的隶属度函数。

正向指标：

当xi>ai1，ri1=1,ri2=ri3=ri4=ri5=0;

逆向指标：

当xi

式中：rij为指标i对第j等级水质的健康等级隶属度；xi为指标i的实测浓度；aij为指标i的第j等级水质评价标准；j取1、2、3、4、5分别表示Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ类水质等级。

取U为水质评价指标的集合，V为水质等级的集合，即U={COD，DO，NH3-N，TP，TN}，V={Ⅰ类，Ⅱ类，Ⅲ类，Ⅳ类，Ⅴ类}。通过各指标的隶属度函数求出各指标对于各等级水质污染状况的隶属度，组成一个5×5的模糊矩阵(R)，称为模糊关系矩阵。

1.3.2评价指标权重的计算

不同指标对水质健康状况的贡献存在差异，因此需计算各项指标的权重。计算权重的方法有很多，目前多采用水体中水质指标的实测浓度与其相应水质等级标准值的比值，计算公式为：

Wi=(xiSi)∑(xiSi)

(1)

式中：Wi为指标i对应各等级水质的标准值权重；Si为指标i对应的Ⅰ～Ⅴ类水质标准值的平均值。由此得到权重模糊矩阵W。

1.3.3模糊综合评价

为减少评价过程中信息的丢失，选用各参评指标对综合评价均有贡献的加权模型算法：

bj=Wirij

(2)

式中：bj为最终评价结果对应于第j等级水质的隶属度；rij为模糊关系矩阵R中的对应元素。由此计算得到评价向量B,由于该模型计算结果已经自动归一化，以其最大值所对应的级别作为最终评价结果。

2 结果与讨论

2.1 各区段土地利用类型面积占比

根据遥感影像解译的结果，利用GIS软件的interscet、summary statisyics模块，分别计算辽河保护区在铁岭、沈阳、鞍山和盘锦段不同土地利用类型的空间分布与面积占比，结果如图2、图3所示。由图3可知，从辽河保护区不同区段土地利用情况来看，铁岭段农业用地面积占比最大，为39%，之后依次为草地(27%)、水域(21%)、林地(7%)、未利用土地(4%)，建设用地面积占比较小。鞍山段农业用地面积占比最大，为60%，之后依次为草地(16%)、建设用地(9%)、水域(6%)、未利用土地(5%)，林地面积占比较小。沈阳段农业用地面积占比最大，为32%，之后依次为草地(28%)、水域(20%)、林地(14%)、未利用土地(4%)和建设用地(2%)。与其他区段相比，沈阳段林地、草地面积占比最高。盘锦段水域面积占比最大，为37%，之后依次为未利用土地(29%)、农业用地(21%)、草地(8%)、林地(3%)和建设用地(2%)。由于盘锦段位于辽河汇入渤海的地段，因此水域面积较大；该区段分布了大量属于未利用土地的盐场，因此未利用土地面积占比较高。综上，鞍山段农业用地面积占比最大，但其水域面积占比最小，且远小于其他各区段，这与流经鞍山段的河流最短相关；铁岭、沈阳段各土地利用类型的面积占比相差不大，但沈阳段农业用地面积占比小于铁岭段，林地面积占比则大于铁岭段。

图2 2018年辽河保护区各区段土地利用类型空间分布Fig.2 Land use maps for each section in 2018 in Liaohe Conservation Area

图3 辽河保护区各区段不同土地利用类型面积占比Fig.3 The area proportion of different land use types in each section of Liaohe Conservation Area

总体上，辽河保护区各种土地利用类型面积占比：林地为7%，草地为20%，农业用地为40%，建设用地为4%，水域为19%，未利用土地为10%。可见，辽河保护区主要土地利用类型为农业用地，其次为草地。这是因为辽河保护区平原面积远大于山地和丘陵面积，较适宜耕种，因此农业用地面积较大；由于近年来加强了对辽河保护区的保护，通过植树种草增加了绿化面积，因此草地面积占比也较高。

2.2 水质健康状况

辽河保护区铁岭、沈阳、鞍山、盘锦段河流水质指标COD与DO、NH3-N、TN、TP浓度平均值如图4所示。由图4可知，辽河保护区各河段DO浓度较高，均大于8 mg/L；各河段COD均超过20 mg/L，除鞍山段稍高外，其他3个河段差异不大；各河段TN浓度均大于2 mg/L，沈阳、盘锦段稍高于铁岭、鞍山段；4个河段NH3-N浓度差异较大，其中盘锦段最高，铁岭段和鞍山段相差不大；4个河段TP浓度相差不大，铁岭、沈阳段高于盘锦和鞍山段。

图4 辽河保护区不同河段水质指标变化Fig.4 Variation of water quality indexes in different sections of Liaohe Conservation Area

采用模糊综合评价方法评价辽河铁岭、沈阳、鞍山、盘锦段河流水质的健康等级，结果如表1所示。由表1可知，4个河段的DO浓度健康等级均为优秀，COD均为中等，TN浓度均为病态、TP浓度均为中等，NH3-N浓度在沈阳段为优秀，在其他河段则为良好。可见，辽河保护区河流水体污染物主要是TN和TP，其来自农业生产活动中化肥农药的大量使用。

表1 辽河保护区各河段水质健康状况等级

2.3 土地利用类型和水质的相关性

根据沈阳、铁岭、鞍山、盘锦区段的各土地利用类型面积占比和相应河段水质数据，利用SPSS软件分析二者的相关关系，结果如表2所示。由表2可知，辽河保护区各土地利用类型面积占比与河流水质指标之间的相关性较好，这与徐丽贤等[9-12]的研究结果一致，其中水体COD与林地、草地面积占比呈负相关，与农业用地和建设用地面积占比呈正相关。建设用地面积增加使不透水地面面积增加，地表对污染物的截留、吸附作用减弱，污染物随地表径流快速进入河流[13-14]，从而使河流水体中污染物浓度增加。农业生产中大量使用的化肥农药，也可通过地表径流和下渗至地下径流进入河流[15]，使河流水体中污染物浓度增加；而林地和草地对污染物具有截留作用，林地与草地面积增加使污染物浓度降低。

表2 土地利用类型面积占比和水质指标的相关系数

NH3-N、TP、TN浓度和COD与林地和草地面积占比呈负相关，与农业用地和建设用地面积占比呈正相关。农业生产中使用的化肥农药和工业生产中排放的污水对河流水体产生污染[16]，其中农业用地对河流水质的影响与其位置、坡度密切相关[17]；林地和草地对污染物具有截留作用，但该截留作用的强弱，与流域内的农田管理、耕地面积及与水体的距离有关[18-19]。

从不同区段土地利用类型对河流水质指标影响来看，土地利用类型的不同会影响河流水质。沈阳段的各项水质指标总体上优于其他区段，同时沈阳段的林地和草地面积占比都高于其他区段(图3)，说明林地和草地能够起到截留污染物的作用，从而降低河流水体污染物浓度，这与陈丰禹等[20]的研究结果一致；鞍山段农业用地和建设用地面积占比均大于其他区段(图3)，该区段河流水体COD、NH3-N浓度总体上高于其他区段，说明农业用地和建设用地面积的增加会使水体污染物浓度增加，这与唐廉等[17]的研究结果相一致。

3 结论与建议

(1)辽河保护区农业用地面积占比最大，其次是草地，建设用地面积占比较小。不同区段中，鞍山段农业用地面积占比最大，水域面积占比最小；沈阳段林地、草地面积占比最大。

(2)辽河铁岭、沈阳、鞍山、盘锦段河流水质健康状况：DO浓度健康等级均为优秀；COD均为中等；TN浓度均为病态；TP浓度均为中等；NH3-N浓度在沈阳段为优秀，在其他河段则为良好。辽河保护区河流水体主要污染指标是TN和TP。

(3)辽河保护区各土地利用类型面积占比与河流水质指标间相关性较好，其中河流水体NH3-N、TP、TN浓度和COD与林地、草地面积占比呈负相关，与农业用地和建设用地面积占比呈正相关；DO浓度与林地和草地面积占比呈正相关，与农业用地和建设用地面积占比呈负相关。沈阳段土地利用类型对生态环境具有积极作用，草地面积占比最大，可有效减少该河段水体污染物浓度。

辽河保护区土地利用类型在结构、功能和模式上不尽相同，对河流水质状况的影响也不相同。由于增加植被面积对河流水质有积极作用，因此建议辽河保护区进一步加强退耕还林、还草等工作；通过技术手段，预测土地利用类型的发展方向，优化土地利用结构；农业面源污染的综合防治比治理工业废水的难度要大，可以通过综合防治和开展生态农业示范等措施进行控制；同时进一步加强辽河保护区的管理，提高河流水质。