土地利用驱动下洱海流域入湖河流水质时空分布规律

Spatial-temporalvariationofinflowriverwaterqualityunderlanduseeffectXIANGSong1,2,WANLing1,3,PANGYan1,2*（1.ResearchCenterofLakeEnvironments,ChineseResearchAcademyofEnvironmentalSciences,Beijing100012,China;2.NationalEn⁃gineeringLaboratoryforLakePollutionControlandEcologicalRestoration,ChineseResearchAcademyofEnvironmentalSciences,Beijing100012,China;3.SchoolofEnvironmentalScienceandEngineering,SuzhouUniversityofScienceandTechnology,Suzhou215009,China）Abstract：Thisstudyanalyzesthewaterqualityvariationofinflowriversdirectlyaffectinglake.FocusingonthethreemajorriversystemsoftheLakeErhaibasin,theeffectsofinflowriversonthewaterqualityofErhaiLakeanditschangetrendunderland-usechangesin2014werestudiedwithspatialanalysismethod,statisticalanalysismethodandmodel.Resultsindicatedthatthechemical-oxygendemand（COD）,totalnitrogen（TN）,totalphosphorus（TP）,andammonianitrogenofinflowriversin2014exceededclassⅡlevels;themainpol⁃lutantsweretheTNandTP.Waterqualityindexesofinflowriversshowedsignificantlyspatial-temporalvariationamongthethreeriversys⁃tems.Theoverallriverqualitywaspoorerintherainyseasonthaninthedryseason.ThecontaminationoftheTNandTPintheBoluojiangriversystemwasthemostserious,followedbytheCangshanshibaxiriversystem.InspiteofthelowconcentrationsofTNandTP,signifi⁃canttemporalvariationoccurredintheBeisanjiangriversystem.Thespatiotemporalassociationoftheriverqualitybetweentheriverand2020，39（1）:160-1702020年1月农业环境科学学报JournalofAgro⁃EnvironmentScience项颂，万玲，庞燕.土地利用驱动下洱海流域入湖河流水质时空分布规律[J].农业环境科学学报,2020,39（1）：160-170.XIANGSong,WANLing,PANGYan.Spatial-temporalvariationofinflowriverwaterqualityunderlanduseeffect[J].JournalofAgro-EnvironmentScience,2020,39（1）:160-170.土地利用驱动下洱海流域入湖河流水质时空分布规律项颂1，2，万玲1，3，庞燕1，2*（1.中国环境科学研究院湖泊环境研究所，北京100012；2.中国环境科学研究院湖泊水污染治理与生态修复技术国家工程实验室，北京100012；3.苏州科技大学环境科学与工程学院，江苏苏州215009）收稿日期：2019-08-16录用日期：2019-11-04作者简介：项颂（1988—），女，湖北黄冈人，硕士研究生，工程师，从事水污染治理与生态修复研究。E-mail：[e-mail]*通信作者：庞燕E-mail：[e-mail]基金项目：国家水体污染控制与治理科技重大专项（2017ZX07301006-006）Projectsupported：TheNationalScienceandTechnologyMajorProjectoftheMinistryofScienceandTechnologyofChina（2017ZX07301006-006）摘要：为更好地保护湖泊流域水环境，以洱海流域三大主要入湖水系为研究对象，采用空间分析、统计分析与模型相结合的方法，对2014年入湖河流水质对洱海水质的影响及土地利用驱动下的水质变化特征进行分析。结果显示：2014年三大主要入湖水系COD、TN、TP、NH+4-N均超过Ⅱ类水功能要求，TN、TP是主要污染因子；入湖河流水质存在时空差异，整体水质雨季较差，氮磷重污染区域为波罗江水系，苍山十八溪水系次之，北三江水系氮磷浓度相对低，但季节性差异显著。入湖河流与湖泊水质时空关联密切，雨季两者关联更强；空间上除TN外，入湖河流与湖泊污染分布规律基本一致。全流域尺度下COD与植被面积百分比呈显著负相关（P0.05）；TN、TP与建设用地面积百分比极显著正相关（P0.01），与其他用地面积百分比呈显著负相关（P0.05）。而由于三大入湖水系COD、TP、NH+4-N存在显著的空间异质性，采用地理加权回归模型进一步分析发现，COD与植被面积百分比、TP与建设用地面积百分比的回归关系随着空间位置变化有较大差异，前者相关关系由正相关转为负相关，拟合程度由南向北递增，后者在整个流域均呈正相关，拟合程度在西部苍山十八溪水系和北部入湖区域较高。因此建议流域污染治理应以雨季面源污染控制为主，重点加强波罗江水系面源污染综合治理，以及苍山十八溪水系城镇地表径流管控，同时应优化北三江植被等生态用地对径流的截蓄净化功能。关键词：入湖河流；时空变化；空间自相关；地理加权回归中图分类号：X524文献标志码：A文章编号：1672-2043（2020）01-0160-11doi:10.11654/jaes.2019-0904项颂，等：土地利用驱动下洱海流域入湖河流水质时空分布规律2020年1月湖泊及其流域是人类赖以生存的重要场所，对人类生存和发展意义重大。而入湖河流是湖泊主要水资源的补给通道，也是绝大部分污染物入湖的主要输移通道，其水质水量变化直接影响湖泊水质，因此科学掌握入湖河流水质时空变化特征对于湖泊水质保护和改善至关重要[1-3]。河流水质受地形、地质、气候、植被等自然因素，以及人类生产、生活等人为因素多层次和多尺度的综合影响，呈现出复杂的时空变化特征[4-5]。目前国际上已对许多大江大河开展研究，如欧洲的莱茵河、多瑙河[6-7]，北美的密西西比河[8]，非洲的尼罗河[9]，印度的恒河[10]，以及中国的长江、黄河、雅鲁藏布江[10-12]等。主要研究内容及方法集中在以下方面：河流水质评价，主要方法有单因子指数、综合因子指数、综合水质标识指数等[5，13]；水质时空变化特征及污染来源分析，自然及人为因素对河流水质变化的影响研究，以及河湖水质关联分析等[2，4，14-15]，研究手段除了常规的数理统计方法，如相关分析、主成分分析、最小二乘法、数理模型等[16-17]，还引入遥感（RS）、地理信息系统（GIS）等空间分析工具[3，18]；入湖污染通量计算，主要方法有系数法、同位素示踪法、模型模拟等[19]。已有的研究成果为河流管理决策提供了有效的科学支撑，但对于水质空间变化特征分析，以往的研究多未明确考虑水质的空间自相关性，而实际上相邻河流或同一河流上游或下游的水质通常呈现类似的趋势，忽略空间依赖产生的潜在偏差会降低研究结果的可靠性[16，18]。此外，在探索水质和影响因素的关系时，仍以普通最小二乘法（OLS）为代表的传统数理统计手段为主，这种方法假定回归参数在整个研究区具有一致性，但实际空间要素对水质的影响随空间位置不同而异，这种关系的空间非平稳性用传统统计方法难以处理[20-21]。洱海作为云南省第二大高原淡水湖泊，是大理的生命源泉，供给大理80万人的饮用水。多年来洱海保护治理一直受到国家及地方各级部门的高度重视，因此，洱海成为我国城市近郊保护得最好的湖泊之一。然而，洱海的富营养化发展趋势尚未得到遏制，2013年9、10月洱海两次出现蓝藻大面积聚集，对周边几十万居民的饮用水安全构成极大威胁，引起当地政府的高度重视[22-23]。“治湖先治水，治水先治河”，洱海流域水系发达，大小入湖河溪众多，已有研究分析发现，入湖河流氮磷年入湖通量分别占洱海外源污染负荷的67.69%和67.32%[24-25]。基于此，本研究利用2014年的实地调研数据，将数理统计的定量化与空间分析的可视化有机结合，分析洱海流域入湖河流水质时空变异特征及与洱海水质的联系；并针对区域社会经济快速发展状况，充分考虑数据的空间异质性问题，开展人类活动下土地利用对入湖河流水质的影响分析，弥补了前期研究中忽视空间数据局部变化特征这一缺陷，更深入评估了流域不同位置土地利用对地表水质的影响，对洱海流域的区域生态安全与水环境管理具有重要的科学价值和现实意义。1材料与方法1.1研究区概况洱海流域（99°32′~100°27′E、25°25′~26°16′N）位于云南省大理白族自治州，属澜沧江-湄公河水系，流域面积2565km2，湖泊面积251km2。流域气候属典型的高原大陆性气候，干湿季分明，5—10月为ErhaiLakewassignificant,especiallyintherainyseason.Thepollutantconcentration,excludingTN,inErhaiLakewashigherintheareaswiththemostpollutedinflowrivers.TheCODandvegetationareapercentagehadasignificantnegativecorrelation（P0.05）.Furthermore,theriverTNandTPhadsignificantpositivecorrelationswiththeconstructionlandareapercentage（P0.01）aswellasasignificantnega⁃tivecorrelationwithotherlanduseinthebasinscale（P0.05）.COD,TPandammonianitrogenofinflowriversshowedsignificantspatialautocorrelation.Ageographicalweightedregression（GWR）modelshowedthatthereweresignificantspatialvariationsintheregressionre⁃lationshipbetweenthevegetationareaproportionandCOD.Thischangedtoanegativerelationshipandthefittingdegreeincreasedfromthesouthtothenorth.Theregressionrelationshipoftheareaproportionofconstructionl