太湖流域河流水质状况及其对景观背景的响应分析

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水资源是支撑人类生存与发展的最重要的物质基础,在水资源短缺、水环境问题成为全球性问题且日益严重的今天,探寻水环境问题的成因和解决之道已成为全人类所面临的亟待解决的一大议题。以土地利用及其变化为主要内容的人为活动因素引起的非点源污染被认为是导致水环境问题的主要原因,其对水环境作用的方式和强度受到区域自然地理因素的显著影响。包括人为活动因素和自然地理因素在内的景观背景特征在很大程度上决定了区域水环境状况并表现出一定的尺度依赖性在某种程度上成为共识,因此研究区域水环境对景观背景的响应规律对于解决水环境问题具有重要意义。太湖流域作为我国社会经济发展最迅速的地区之一,同时也面临着严重的水环境问题,是我国目前投入大量财力物力进行治理“三河三湖”重点水污染防治流域的“三湖”之首,探究其水环境质量的时空变化特征及其多尺度影响因素,对于有针对性地进行流域水环境保护与治理具有重要的参考价值。本文基于2006—2010年太湖流域管理局公布的太湖流域80个重点水功能区水质监测断面的水质等级和超标指标数据,运用空间自相关分析和非参数检验等方法分析了相应时期内整个太湖流域的河流水环境状况、空间分布特征和时间动态特征,并结合相应区域的TM遥感影像、数字高程数据、河网分布数据和降水量数据,运用冗余分析方法,研究了河流水质与土地利用、高程、坡度、河网密度和降水量等景观背景因子的关系及其尺度依赖特征,结果表明:(1)2006—2010年,研究所涉及太湖流域80个河道断面水质状况总体较差,5年和各年平均水质均以劣Ⅴ类、Ⅴ类和Ⅳ类为主,主要超标水质指标为总磷(TP)、氨氮(AN)、生化需氧量(BOD)、化学需氧量(COD)和溶解氧(DO)。(2)空间分布上,流域不同区位水质等级和主要水质指标超标频数均存在较大差异,其中在上游地区主要表现为林区和平原水网区的差异,下游地区主要表现为河段上下游间的差异。水质等级和各水质指标超标频数的分布均表现出不同显著性的空间正相关特征。(3)非参数检验结果显示,从水质等级角度来看,五年间绝大多数监测点水质均呈现出不同显著性的改善趋势;从水质指标超标频数角度来看,各指标超标频数的变化趋势差异较大,且不具同步性,除DO超标频数逐年降低外,其他各指标均有不同程度的波动性。对比2006和2010年,TP超标频数较显著降低,AN和DO超标频数极显著降低,BOD和COD则不显著增高。(4)冗余分析显示太湖流域河流水质受到多种景观背景因子的综合影响,各种因子均在某些尺度上对水质有显著的解释能力,且各因子对水质数据的解释能力均随尺度增加而变化,存在显著的尺度相关性。(5)总方差贡献率在上下游随尺度增加表现出较为一致的变化趋势,并均在0.5-1km和16km左右两个尺度上具有较高的解释能力。在上游地区,自然湿地和坡度分别为较小尺度(1km)和较大尺度(16km)上解释能力最高的景观因子;在下游地区,河网密度和耕地分别为较小尺度(0.5km)和较大尺度(16km)上解释能力最高的景观因子。(6)各种水质指标对景观背景因子的响应不同,且具有尺度依赖性和上、下游间的区位差异性。如,AN、TP、DO超标频数在上游主要与聚落用地正相关,在下游则与耕地、河网密度正相关;COD、BOD超标频数在上游主要与自然湿地负相关,与人工湿地正相关,在下游则主要与坡度负相关,与河网密度正相关。总体上,研究所涉及的5年间太湖流域水质问题依旧严峻,但整体有较大的改善趋势。水质受到多种景观背景因子在多个尺度上的显著影响,各种因子的作用强度和主要尺度、对不同水质指标的影响以及不同水质指标对各种景观背景因子的响应均不同,且在上下游地区有较大差异。研究结果表明,从流域水环境整治角度,对于不同区域或不同水质指标需要制定差异性的治理对策,但增加林地和自然湿地面积占比在整个流域上对于改善水环境均具有较大的意义。在以后的研究中,有必要对各种景观因子协同作用的以及尺度空间嵌套关系的机制等方面进行重点关注,并加强理论研究结果和实践应用的衔接。
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