基于地理加权回归模型评估土地利用对地表水质的影响

针对传统线性回归模型大多忽视空间数据局部变化特征这一缺陷,引入地理加权回归模型(GWR)用于评估土地利用对地表水质的影响,分析了不同子流域内两者关系出现空间变化的规律并阐释了原因.同时,对比了GWR模型与普通最小二乘模型(OLS)的校正R2、Akaike信息准则(AICc)及残差的空间自相关指数(Moran's I),验证了GWR模型在预测精度和处理空间自相关过程中是否优于OLS模型.结果表明,同一土地利用类型对水质的影响随空间位置的改变而发生方向或大小的变化.以温瑞塘河流域总氮(TN)与农用地的关系为例,从GWR模型局部回归系数的方向分析,两者关系表现为农村正、城区负的现象,从大小分析,旧城区TN与农用地回归系数的绝对值高于其它区域;在溶解氧(DO)与人口密度所构建的GWR模型中,两者关系在整个研究区域内均表现为负值,与OLS结果吻合,从回归系数的大小分析,人口密度对DO的作用在郊区及农村更为显著.针对此类关系出现空间变化的原因分析表明,相邻子流域土地利用百分比的改变及水体主要污染源的不同,是导致土地利用对水质作用发生变化的根本因素.最后,对比所构建的80个GWR与OLS模型校正R2、AICc指标,验证了GWR作为一种局部统计模型,其预测精度优于OLS等传统全局模型且更能反映实际空间特征.     

尼洋河流域土地利用结构对水质的关联分析

文章以尼洋河流域为研究区域,用该流域2018年8月TM遥感影像图作为底图,结合野外实地调查获取尼洋河流域的土地利用图。借用ArcGIS的水文及空间分析功能,将流域划分为7个子流域,并分析各子流域的土地利用结构。根据2018年9月现场采取的水样检测结果,分析COD、TP、TN及NH_4~+-N的空间变化特征,同时结合各子流域土地利用结构分析其之间的统计关系,研究流域内土地利用类型与河流水质之间的联系,以期为藏东南生态安全屏障区内的河流水质保护提供科学借鉴。结果表明:COD、TN及NH_4~+-N有明显的空间变化特征,在空间上尼洋河中游水质最优。流域内土地利用结构与水质之间的相关关系表现为:未利用土地与林地起汇作用,建设用地起源作用,从水质指标响应程度上看:对TN影响最大的土地利用类型是建设用地,对NH_4~+-N和COD影响最大的分别是水域和林地,流域内TP的空间特性与流域内土地利用类型不存在多元线性回归关系。     

基于偏最小二乘模型的河流水质对土地利用的响应

流域土地利用类型变化是影响河流水质的重要因素之一.为探究子流域尺度土地利用与河流水质之间的相互关系,本文基于太子河流域遥感影像和水质数据,采用偏最小二乘模型(partial least squares,PLS),分析不同土地利用类型对流域水质的影响程度.选取7个不同子流域土地利用类型面积百分比作为自变量X,总氮(TN)、硝酸根离子(NO_3~-)、氯离子(Cl-)与硫酸根离子(SO_4~(2-))这4个水质参数浓度值作为因变量Y,构建了土地利用类型与河流水质数据的偏最小二乘模型,并使用其余子流域数据对构建的模型进行验证.结果表明,太子河流域不同子流域土地利用类型与河流水质指标TN与NO_3~-之间线性关系显著,决定系数R~20.62.其中,耕地面积变化对水体中TN浓度变化影响明显,居民及工矿建设用地面积变化则对水体中NO_3~-浓度变化影响强烈.但对于Cl-和SO_4~(2-)来说,土地利用类型对其浓度大小有一定影响,但并不是最主要的影响因素.虽然太子河流域未利用地面积百分比极小(1.13%),但是未利用地面积变化对水质参数有较显著影响(影响系数0.24).     

来宾红水河珍稀鱼类保护区水质指标相关性研究

借助SPSS统计分析软件,选择来宾红水河珍稀鱼类保护区水质指标中水温、pH、DO、COD_(Mn)、NH_3-N、NH_3、TN、TP、Chl-a进行Pearson相关分析。为水质监测人员和数据审核提供参考,提高数据质量,同时便于通过相关关系的改变及时了解水质的变化。结果表明,Chl-a与环境因子具有较密切的相关关系,其中,Chl-a与TN、TP表现为负相关关系,Chl-a与NH_3-N、NH_3为显著正相关,相关系数分别为0.30、0.41;Chl-a与水温、pH、DO均存在不同程度的正相关;Chl-a与COD_(Mn)呈极显著正相关,相关系数为0.44。N/P变化范围是7.4~166.1,属于磷限制性水域。营养盐与其他环境因子之间也存在某些较稳定的相关关系,其中,TP和pH极显著负相关,相关系数为-0.52;NH和3pH、NH_3和DO、NH_3-N和DO极显著正相关,相关系数分别为0.51、0.77、0.75。NH_3和NH_3-N相关系数达到0.72。DO和水温极显著负相关,相关系数为-0.44,和pH极显著正相关,相关系数为0.33,和COD_(Mn)呈负相关趋势。     

汉江中下游水质时空特征与土地利用类型响应识别研究

人类活动干扰下的水环境过程演变是当前全球水安全面临的难点问题.汉江作为南水北调中线工程的重要影响区和水源区,在气候变化和人类活动双重影响下近十几年来水华频繁暴发,科学辨析土地利用类型影响下的汉江水环境质量演变特征,对于政府制定和实施水污染防治政策具有重要的现实意义.基于2011—2018年汉江中下游8个监测站点的7个主要水质指标〔pH、ρ(DO)、ρ(COD_Mn)、ρ(BOD₅)、ρ(NH₃-N)、ρ(TP)、ρ(TN)〕448组连续野外监测数据,利用季节性曼肯达尔检验法、相关分析和冗余分析等多种数学统计分析方法,分析了汉江中下游的水质时空演变特征,分析了土地利用类型与水质变化的相关关系.结果表明:①时间特征上,2011—2018年汉江中下游总体水质呈好转趋势,丰水期污染物浓度高于枯水期,2013—2014年出现峰值,2015年以后水质逐渐变好.②空间特征上,水质从汉江中游至下游呈逐渐变差的趋势,由于2014年引江济汉工程的开通,水质在罗汉闸站点及下游有好转趋势.③总体上,农田和城镇用地与污染物浓度均呈显著正相关,最大解释度为0.27;林地、草地与污染物浓度均呈显著负相关,最大解释度为0.31.研究显示,汉江中下游水质有所改善,农田与城镇用地对于汉江中下游水质恶化影响较大,林地、草地等植被覆盖等由于存在一定的水源涵养功能和天然净化能力,可以对水污染起到一定的缓解作用.      

入湖河流水质对土地利用时空格局的响应研究:以洱海北部流域为例

揭示土地利用与入湖河流水质的内在联系是非点源研究的重要内容,以洱海北部流域为研究对象,从土地利用类型组成和空间格局入手,综合空间分析和统计分析方法对两者响应关系进行研究.结果表明,研究区平均坡度(SLOPE)、植被区面积百分比(VEG)作为表征土地利用类型组成的指标,与入湖河流TN和TP的关系显著,斑块密度(PD)、农业用地斑块密度(PDagr)、水体形状指数(LSIwat)作为表征土地利用空间格局的指标,与TP和NH+4-N的关系显著;类型水平下,入湖河流水质对土地利用空间格局的响应关系较景观水平强,水质响应指标为雨季TP和旱季NH+4-N,回归调整系数R2分别为0.761和0.978;旱季,入湖河流水质对土地利用的响应关系强于雨季,水质响应指标为TN、TP和NH+4-N.因此,进行洱海北部流域非点源污染治理时可考虑提高植被覆盖率和农业用地集约化程度,尽量避免旱季对自然水体的人为干扰,后续进行土地利用空间格局与入湖河流水质关系研究建议选类型水平.     

三峡蓄水期间汉丰湖消落区营养状态时间变化

为探明三峡蓄水后汉丰湖消落区水质营养状态的变化特征,于2013年10月至2014年2月对水质进行连续观察,测定了水质物理参数、营养盐与叶绿素(Chl-a)的质量浓度.结果表明,水体中营养盐与Chl-a质量浓度的增加,在淹水后营养程度有升高现象,2014年2月与2013年10月相比,TN、TP、高锰酸盐指数与Chl-a质量浓度分别增加了4.7、1.0、0.2、3.27倍,TN、TP质量浓度均超过藻类生长限值,随滞留时间延长易造成水体富营养化,应引起重视.Chl-a单因子评价反映出水质由贫营养向富营养演变.TN/TP结果表明,TN、TP分别在不同时间内制约着藻类的生长;2013年10~12月与2014年2月,藻类生长受TN限制;2014年1月,藻类生长受TP限制.Chl-a与p H、DO、NH+4-N、NO-3-N、TN、高锰酸盐指数及TP呈显著正相关,而与SD、水温呈显著负相关;蓄水期间,水质受到了同一污染源的影响.因子分析结果表明,汉丰湖消落区水质主要受p H、DO、NO-3-N、TN的影响,同时Chl-a、TP、NH+4-N与好氧性有机物的污染不可忽视;在蓄水稳定初期水体具有自净能力,随蓄水滞留时间的延长,水质污染程度整体上呈现逐步恶化的趋势,应加以控制;三峡蓄水期间,南河、东河营养程度相对较高,应加强治理.     

降雨径流过程的非点源污染时空动态分布研究

构建一种基于元胞自动机(CA)的降雨-径流模拟模型,以储水系数增加率、坡度、坡向、土地利用类型和降雨强度作为输入参数,DEM数据作为元胞空间,建立地表径流由高向低流动的转换规则,并将模型与GIS技术集成,得到不同时刻栅格上的径流深和流量。在此基础上建立污染物浓度与流量、降雨强度和累积降雨量的回归模型,得到不同时空的污染物浓度变化情况。以汉江中下游流域为例,模拟发现河流或湖泊的栅格点往往在单次降雨过程中的径流较深;同时,降雨流量的大小与地形坡度相关性明显,在坡度较大的区域降雨流量也较大。以汉阳单场降雨为例,构建污染物影响机制,并将其推广到汉江中下游,得到整个汉江中下游的污染物分布情况。结果表明,在降雨初期污染物的浓度随机性很大,同时土地利用类型对污染物浓度的影响也较大。     

南京市九乡河流域景观格局空间分异对河流水质的影响

定量探讨不同景观格局与水质关系对于指导城市景观规划、保护周边水环境具有重要意义.以南京市九乡河流域为研究区域,基于2009年的Quick Bird影像和2009年10月～2010年9月的水质实时监测数据,利用GIS空间分析技术以及统计分析的方法,从景观水平和类型水平2个方面分析了流域景观格局空间分异对河流总氮(TN)、总磷(TP)、高锰酸盐指数和氨氮(NH4+-N)的影响.结果表明,流域的大部分景观类型与河流TN、TP、高锰酸盐指数和NH4+-N浓度存在显著的相关关系:建设用地和未利用地的面积比例与TN、TP、高锰酸盐指数和NH4+-N浓度显著正相关,林地的面积比例与这些指标呈显著负相关,而耕地的面积比例与TN、TP、高锰酸盐指数和NH4+-N浓度相关性不显著;从景观水平上看,流域景观以少数类型大斑块为主或同一类型的斑块高度连接时,河流中TN、TP、高锰酸盐指数和NH4+-N浓度较低,水质较好;但针对具体的景观类型有所不同,建设用地、未利用地以及耕地的集中连片分布会引起TN、TP、高锰酸盐指数和NH4+-N浓度的上升,而林地的大面积分布则对这些指标具有相反的效应.     

不同尺度下人类活动对浑太河流域鱼类和大型底栖动物群落特征的影响

为了确定鱼类和大型底栖动物群落结构对多重人类活动压力响应是否一致,以浑太河流域为例,采用典范对应分析和冗余分析方法,以自然环境因子(包括海拔、坡度、流域面积、经纬度)为协变量,比较流域(各土地利用类型面积所占比例)、河岸带(各土地利用面积所占比例)和河段尺度(水质、水力形态、水文、栖息地质量、底质类型等)下人类活动因子对鱼类和大型底栖动物群落特征的影响. 结果表明:在流域尺度上,林地和农村聚落用地面积所占比例解释了8.09%的鱼类群落特征空间变异,林地、旱地、城镇建设用地和农村聚落用地面积所占比例解释了18.28%的大型底栖动物群落特征空间变异;在河岸带尺度上,城镇建设用地面积所占比例解释了4.26%的鱼类群落特征空间变异,没有环境因子对大型底栖动物群落特征产生显著影响;在河段尺度上,电导率、ρ(TDS)、ρ(NH₄+-N)、ρ(COD_Mn)、河宽、QHEI(a qualitative habitat evaluation index,栖息地评估指数)、ρ(DO)、ρ(TN)、硬度和pH解释了36.60%的鱼类群落特征空间变异,电导率、ρ(TDS)、ρ(NH₄+-N)、ρ(COD_Mn)解释了14.65%的大型底栖动物群落特征空间变异.河段尺度人类活动因子对鱼类群落特征的直接影响最为显著,其次为流域尺度,河岸带尺度的影响最小;流域尺度和河段尺度人类活动因子对大型底栖动物群落特征影响大致相同. 河段尺度的水力形态和水质状况主要受流域尺度土地利用变化的影响,其次是河岸带尺度. 土地利用变化对水力形态的影响较水质更大.