基于RS和GIS的景观格局变化对城市湖泊水质影响的研究

朱兰保 盛蒂 戚晓明 杜庆才 丁艳

(蚌埠学院化学与环境工程系，安徽蚌埠233030)

城市化进程正改变着城市景观格局，而景观格局的变化对非点源污染的影响十分明显，在城区及城市化区域这种影响更加显著［1-2］。面源污染的形成、转化和迁移与景观格局之间存在着相关关系［3］，这种关系主要是受到土地利用类型和其空间分布的影响［4］。合理的景观格局，能够通过生态拦截作用来减少流域内污染物进入水环境［5］。纯粹的水质监测评价和点源污染治理等措施不足以应对快速城市化过程中引起的水质恶化、水生生态系统退化等问题［6］。采用与水质显著相关的景观格局指数作为景观尺度上的景观环境指标，可以直接反映水质变化的原因，对于水质监测、流域水污染控制与管理具有重要意义［6］。

目前关于景观格局对水质影响的相关研究［7-9］主要集中在景观类型的面积与水质的关系方面，将流域水质状况进行综合分析，并且在斑块类型水平上来研究景观格局对水质状况影响的较少［10］，关于景观格局的演变对城市湖泊水质影响的研究更是鲜有文献报道。本研究以安徽省蚌埠市为例，应用多时相Landsat TM/ETM+遥感影像为数据源，采用的DEM数据为SRTM格式数据，精度为90 m，通过分析景观格局指数与水质污染状况的关系，探讨景观格局变化对城市湖泊水质的影响，为合理利用土地、控制流域污染提供科学依据。

1 研究区域概况

蚌埠市位于安徽省东北部，北纬32°43'至33°30'，东经 116°45'至 118°04'，下设蚌山区、禹会区、淮上区、龙子湖区4个市辖区，管辖怀远县、固镇县和五河县。津浦铁路从境区中部纵贯南北，淮河自西向东穿城而过，总面积5 952 km2，总人口367.81万。蚌埠地处亚热带季风气候和温带季风气候的交界地带，年均降水量约880 mm，四季分明。蚌埠市是安徽省最重要的综合性工业基地，拥有机械、化工、医药、电子、建材等行业齐备的工业体系，科研院所和高等院校较多。

龙子湖位于安徽省蚌埠市，是全国最大的城市内湖。龙子湖三面环山，山水相依，呈三山夹一湖的独特景观，为国家4A级旅游景区和国家级生态示范区的主体部分，以景观旅游为主，兼具水产养殖、滞洪和调节气候等功能。龙子湖风景区总面积为36.9 km2，湖水面南北长约8 km，东西宽0.45～1.4 km不等，平均水深1.7 m，水面面积约7.8 km2。随着蚌埠市城市化的不断发展，特别是龙子湖周边进行的大规模景观开发，改变了其原有的景观格局。

2 材料与方法

2.1 遥感图像处理与土地利用分类

遥感图像选用美国陆地卫星Landsat TM/ETM+影像，成像时间和轨道号为:2004-04-06(121-37，Landsat-5 TM)和 2012-04-13(121-37，Landsat-7 ETM)，成像时天气状况比较好，成像质量理想，成像季节为春季。根据下垫面对城市水文的作用和国家通用的土地利用分类系统［11-12］，结合蚌埠市土地利用方式的实际情况及景观格局特点对景观类型进行了分类，分为:水体、建筑用地、林地、耕地、草地和裸地。针对Landsat TM/ETM+影像目标，提取了光谱、纹理及形状特征，应用ENVI5.0软件中的Decision Tree模块对蚌埠市景观类型分类，2个时期景观类型分类结果见图1。

图1 蚌埠市多时相景观格局遥感分类图

2.2 景观指数的计算

景观指数作为景观格局信息的重要指标，能够反映其结构组成和空间配置特征，定量地描述和监测景观结构特征时空尺度的变化［12］。本研究采用Fragstate3.3软件分别计算蚌埠市景观面积指数(CA)、斑块密度(PD)和平均破碎度指数(FRAC_MN)，以分析蚌埠市景观格局变化情况。蚌埠市2个时相景观类型分类图构建的景观格局指数 CA、PD、FRAC_MN的变化趋势如图2所示。

图2 景观格局指数CA(左)、PD(中)、FRAC_MN(右)变化趋势

2.3 评价方法

依据《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)［13］对水体功能区的划分，龙子湖为Ⅲ类水体。本研究分别采用单项污染指数法［14］和内梅罗综合污染指数法［14］对水质指标进行评价，采用的评价标准见表1，单项污染指数/内梅罗指数与污染等级关系见表2。

表1 地表水Ⅲ类水质评价标准 mg/L

表2 单项污染指数/内梅罗指数与污染等级关系

3 结果与分析

3.1 龙子湖水质监测结果与分析

表3中龙子湖水质指标的数据来源于《蚌埠市统计年鉴》和《蚌埠市环境保护局网站》。

表3 龙子湖水质测定结果 mg/L

与《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)中Ⅲ类水的标准相比，2004年龙子湖水质指标TN、TP、Pb超标;2012 年水质指标 COD、TN、TP、Zn、Pb超标;pH、DO、Cu等水质指标在2次监测中均低于环境标准。

3.2 单项污染指数法评价

对龙子湖2004年和2012年2次监测结果采用单项污染指数法对其进行评价，结果见表4。

表4 龙子湖水质单项污染指数

龙子湖2004年和2012年水质监测结果单因子超标(污染)程度由高到低依次是:Pb(重污染)＞TP(中污染)＞TN(轻污染)、TP(严重污染)＞Pb(严重污染)＞TN(中污染)＞COD(轻污染)＞Zn(轻污染);其他参评因子单项污染指数均低于1，为清洁水平。可见龙子湖水体主要问题是水体处于富营养化状态，Pb污染严重，有机物和Zn为轻污染。龙子湖2004年水质监测结果总体上比2012年监测结果好。

3.3 内梅罗指数结果及分析

应用内梅罗指数法计算公式，分别对龙子湖2004年和2012年2次水质指标监测结果进行计算，得出其内梅罗指数分别为2.44和4.64。结合内梅罗指数法评价标准可知，龙子湖水质在2004年处于中污染水平，2012年处于重污染水平。

3.4 景观格局对水质影响分析

蚌埠市景观面积指数中建筑用地、林地面积增加，裸地、草地、耕地面积减少，水体基本没有变化;斑块密度中建筑用地、裸地面积减少，草地、耕地面积增大，水体基本也没有变化。说明蚌埠市近10 a来棚户区的改造、新建筑物、不透水地面的增多占据了大量的裸地、草地和耕地，这与城市化进程遥感图像基本特点相一致。平均破碎度指数强调的是斑块的自相似性，一般来说，受人类活动影响大的景观的分维数值低，而受人类活动干扰小的自然景观的分维数值高［12，15］。2012 年蚌埠市各种景观(水体、建筑用地、裸地、林地、草地、耕地)平均破碎度指数均比2004年低，说明蚌埠市各种景观受人类活动干扰越来越明显，这与近年来蚌埠市城市化进程加快有很大的关系。

城市化过程最突出的特征是人口、产业、物业向城市集中，区域景观格局变化。集中地表现为自然、农业用地减少，建筑、公共设施用地增加，不透水地面比例上升，减少了地下水的入渗量，从而增大地表径流量，把地表的污染物携带进入河道、湖泊等水体，引起水质的恶化。特别是从2005年以来蚌埠市政府对龙子湖及周边地区进行了大规模的开发，大学城区4所高校近6万师生的入住、新建了绿地小区、龙湖春天小区、龙湖春天商业街、蚌埠火车南站等商业用地、居民用地、教育用地和交通用地等，改变了龙子湖周边原有的景观格局。同时大量的生活垃圾、商业垃圾、交通污染源和实验室的废弃物等污染物质的排放，通过地表径流和地下渗漏的作用直接或间接进入龙子湖，导致了龙子湖水质逐年下降。

4 结语

本文以蚌埠市为例，应用多时相Landsat TM/ETM+遥感影像为数据源，探讨了景观格局变化对城市湖泊水质的影响。景观类型是影响水质的重要因素，城市化进程导致建设用地急速增长，占用了草地、耕地，使城区不透水面积增加，改变了城市地表径流和入渗原有的产汇流条件，排入水体的污染源增多，导致城市湖泊水质下降。蚌埠市的景观平均分维数较低，反映出蚌埠市景观格局受人类干扰程度较大，科学合理地规划城市土地利用格局对城市综合水资源管理具有重要作用。

［1］Fu B J，Zhao W W，Chen L D，et al.CV Eco-hydrological Effects of lLandscape Pattern Change［J］.Landscape and Ecological Engineering，2005，1(1):25-32.

［2］刘敏，许世远，侯立军，等.长江三角洲土地利用/土地覆被动态变化及其环境效应［J］.资源科学，2010，32(8):1533-1537.

［3］Tomer M D，Dosskey M G，Burkart M R，et al.Methods to Prioritize Placement of Riparian Buffers for Improved Water Quality［J］.Agroforestry Systems，2009，75:17-25.

［4］戚晓明，杜培军，吴志勇，等.城市景观格局与水文效应关系研究［J］.水利水电技术，2010，41(4):1-3，12.

［5］唐艳凌，章光新.流域单元景观格局与农业非点源污染的关系［J］.生态学杂志，2009，28(4):740-746.

［6］欧洋，王晓燕.景观对河流生态系统的影响［J］.生态学报，2010，30(23):6624-6634.

［7］Tong S T Y，Chen W L.Modeling the Relationship Between Land Use and Surface Water Quality ［J］.Journal of Environmental Management，2002，66(4):377-393.

［8］张大伟，李杨帆，孙翔，等.入太湖河流武进港的区域景观格局与河流水质相关性分析［J］.环境科学，2010，31(8):1775-1783.

［9］黄金良，李青生，洪华生，等.九龙江流域土地利用/景观格局-水质的初步关联分析［J］.环境科学，2011，32(1):64-72.

［10］Tran C P，Bode R W，Smith A J，et al.Land-use Proximity as a Basis for Assessing Stream Water Quality in New York State(USA) ［J］.Ecological Indicators，2010，10:727-733.

［11］王明常，何月.吉林西部遥感水域空间格局演变研究［J］.遥感技术与应用，2007(2):45-47.

［12］邬建国.景观生态学—格局、过程、尺度与等级［M］.北京:高等教育出版社，2000.

［13］中华人民共和国国家标准.地表水环境质量标准［S］.GB3838-2002.北京:中国标准出版社，2002.

［14］金相灿，屠清瑛.湖泊富营养化调查规范［M］.北京:中国环境科学出版社，1990.

［15］Wu J G.Effects of Changing Scale on Landscape Pattern Analysis:Scaling Relations ［J］.Landscape Ecology，2004，19(2):125-130.