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摘要：以重庆主城区六条典型次级重污染河流为研究对象，基于RS和GIS技术提取研究区土地利用结构，并采用相关性分析、冗余分析技术，对流域内不同尺度土地利用结构的面积百分比与暴雨前后水体中TN、TP、NH4、NO3和COD浓度变化之间的关系进行研究。结果表明：研究区域内的土地利用格局以建设用地和林地为主，水体、耕地和其他地类所占面积比例相对较少；暴雨前与地类高度相关的污染物是TN和NH4，，COD和TP与不同尺度的地类为中度相关或低度相关。林地、耕地与河流水质呈负相关性，建设用地与河流水质呈正相关；暴雨后与地类高度相关的污染物是NO3，COD和TP在不同尺度的地类中存在高度相关，林地、耕地与水质主要呈正相关，并且NO3为高度相关。建设用地仍与水质呈现正相关，主要为NH4，但是与NO3呈负相关。RDA冗余分析证实了暴雨前后土地利用类型对水质的影响。
关键字：土地利用 河流水质 暴雨 GIS 冗余分析 重庆
近年来，遥感（remote sensing，RS）与地理信息系统（Geographic Information System， GIS）技术的综合应用已成为资源环境的调查、监测及管理的重要技术手段，并取得了日益广泛的应用[1]。利用卫星影像资料和实地调查数据来研究土地景观特征与地表水体环境污染的关系，已经可以进行某种程度的定量分析，并可用于提出大空间尺度的污染防治措施[2]；利用RS和GIS研究土地利用/覆盖变化城市化等过程带来的诸多水环境问题也成为研究热点[3]。重庆市的河流基本上为雨源性河流，河流的水量和水质都与降水强度与历时等密切相关，使得降水形成的径流引发非点源污染对河流水质的影响比较严重[4]。本研究以重庆市主要典型次级重污染河流为研究区，以2010年的TM影像为基本信息源，结合2013年4月1号和2013年5月2号跟踪监测的水质数据，利用GIS空间分析技术，分析河流区域土地利用类型对河流水质影响的时空特征，探究暴雨前后的山地城市土地利用空间结构与城市河流水质的关系。，以期了解土地利用和水质在暴雨前后的相关性，制定利用雨水对河道进行清污作用方案，合理降低河流水污染控制。
1.研究区域及数据
本文选取的重庆市典型次级重污染河流主要为朝阳河、伏牛溪、盘溪河、花溪河、跳蹬河和清水溪，长度分别为：30.7km、6.5km、11km、40km、25km和15.88km，主要分布在江北区、沙坪坝区、大渡口区、渝北区、巴南区和九龙坡区以及渝中区（图1）。上述区域是重庆主城九区的重要组成，是重庆市发展较早、发展较快的区域。
主要数据有遥感数据和监测数据，其中遥感数据是轨道号为P128R39和P128R40（成像时间均为2010年5月23日）的TM遥感影像。监测数据为6条河流30个样点的实测数据，降水前的数据采集时间为2013年4月1日，降水后的数据采集时间为2013年5月2号。由于实验人员失误导致11号断面无4月1号COD数据，26和27号断面无5月2号数据。
2.研究方法
2.1研究区土地利用
数据基于重庆市2010年2景TM遥感影像，分别以1：10000的地形图为基准，选取49个控制点，采用多项式方法进行TM影像几何纠正，并对2景遥感影像进行镶嵌。利用遥感软件ENVI4.8对影像进行监督分类。参考研究区内土地利用类型特点，将研究区土地利用分为耕地、水体、建设用地和林地四大类，经与2010年区域土地调查数据检验，分类结果较为理想，精度能满足本研究的精度要求。
2.2研究区水质数据
为对研究区进行暴雨前后的比对研究，水质数据采集时间为2013年4月1号和5月2号。本研究选取水质指标TN、TP、NH4、NO3和COD。
3.结果与分析
3.1土地利用类型结构
研究区域内的土地利用格局以建设用地和林地为主，水体、耕地和其他地类所占面积比例相对较少，主要是因为重庆市地形地勢的原因，其中清水溪建设用地面积最高达到91.06%，耕地在100m、300m和450m缓冲区内均为0，主要是因为沙坪坝区较为平坦的地形和快速的发展（表1）。
3.2河流水质变化
从两次监测数据（图2），可看出6条河流各污染物含量平均值基本都严重超出V类水标准。其中暴雨前污染较为严重的河流为清水溪河流，暴雨后为跳蹬河，TN、TP、NH4、NO3和COD分别为10.63、1.14、6.03、6.42和79.81mg/L。
3.3土地利用类型与水质相关性分析
六条河流的水质监测指标与土地利用类型的相关关系（表3），以此来分析土地利用类型与水质指标的关系。
暴雨前林地与TN、NH4和COD呈现负相关，NH4在450m到900m的相关性大于150m和300m，TN在900m出现显著相关，NO3呈正相关随着缓冲区距离的增加相关性减少，与TP几乎无相关性；水体与TN、NH4、NO3、TP和COD均呈负相关；建设用地与TN、NH4和COD呈负相关，且与NH4的相关性显著，超过450m后相关性减弱，与TP呈正相关性，450m之后相关性减小，与NO3在600m之后出现正相关，但相关性显著性较弱；耕地与TN和NH4呈现负相关，且与NH4的相关性在300m和450m相关性显著，与NO3、TP和COD均呈正相关，TP在450m之前相关性显著，COD在600m之后相关性显著。暴雨后林地与NO3出现了显著相关，与TP在300m缓冲区之内出现了正相关，NH4在450m之后出现负相关，且相关性基本相同，TN和COD在300m之内出现正相关；水体与所有指标呈负相关，与TP在150m范围内相关性显著；建设用地与NO3与COD呈较弱的负相关性，与TN几乎不相关，与NH4在300m的相关性显著；耕地与NO3呈强正相关性，与COD在450m之内相关性显著。总体而言：暴雨之前林地与TN和NH4相关性显著；水体与所有指标均为负相关但显著性较小；建设用地相关性显著的为TN和NH4；耕地与NH4相关性显著。暴雨后林地相关性显著的为NO3；所有指标与水体仍为负相关但与TP在150m呈显著相关；建设用地仅与NH4在300m呈现显著相关；耕地与几乎在所有缓冲区内都与NO3有显著相关性。 4.讨论
4.1暴雨前土地利用类型影响水质的方式与显著性
林地与耕地对河流水质主要呈负相关性，建设用地与河流水质呈正相关，主要为显著性较强的TN和NH4。表明林地和耕地具有较好地消减污染物的效用。建设用地非点源污染时影响区域河流水质的主要原因，污染物来源可能包括城镇公共设施、商业服务等未经有效处理的污水以及居民生活排污等。经实地调查污染物的来源主要来自大量生产生活污水未经处理直接进入河流导致水体污染，而河流附近的林地面积的增加有利于通过植物吸收等作用减少污染物对河流水质起到的缓冲和保护作用。因此控制河岸带附近土地利用类型、加强排污管理是解决区域河道水质污染的有效途径。
4.2暴雨后土地利用类型影响水质的方式与显著性
林地和耕地与水质正相关性更显著，主要为显著性较强的NO3；建设用地仍与水质呈现正相关，主要为NH4，但是与NO3呈负相关。一般认为，林地和水质指标间呈显著负相关，因为林地有较好的截流和消减污染物的能力，对缓解水质退化有重要作用[5]。经实地调查，因为六条河流均处于重庆市发展较早较快地区，林地的板块都很小，较零散，大部分与耕地相结合，加之耕地几乎为裸地，裸地上堆积着大量生活垃圾和建筑废料，污染物随地表径流进入河流，可能会影响林地对水质的影响。耕地与水质呈正相关主要是城区河流两岸的耕地以裸地为主闲置居多，且与河流水体交流密切，存在农业面源污染。
4.3优化城市土地利用类型以减轻河流污染
此次研究的六条河流都贯穿于重庆市老城区，企业和居民区密集，点源污染没有被消除，点源污染大量存在，汇水区域内情况比较复杂，河流均属于劣V类。土地利用类型与河流水质质量指标之间存在密切的关系，这一点不仅被大量研究证明，也被实地调查所证实。六条河流两岸的耕地大多位于城市扩展前缘，缺乏雨污分流设施，基本不具备污染控制能力，加强耕地的环境管理，减少面源污染，在开发建设之前进行临时绿地，有助于减少该土地利用类型向河流的污染输出。建设用地输出的污染主要来自于居民排污河公建单位排污，因此，在河流两岸清理污染物的无组织排放，进行截流纳管，将排入河流的污水纳入城市污水管网，是控制建设用地输出污染的根本措施。林地对缓解水质退化有重要作用，因此应加强林地的建设和规模。因此在城市规划和建设过程中，为了保护城市河流水质，在一定缓冲区内应降低建设用地比例，加强林地规模建设，控制耕地面源污染。
5.结论
（1）所有河流中土地利用类型分布不一致，建设用地与林地所占比例较多，水体和耕地所占比例相对较少。
（2）暴雨对河流水质各指标的影响是不一致的，TN、NH4和TP在暴雨前的浓度要比暴雨后的高，且变化幅度也较暴雨后大；暴雨后NO3和COD的含量增加。
（3）暴雨前林地与TN和NH4相关性显著；水体与所有指标均为负相关但显著性较小；建设用地相关性显著的为TN和NH4；耕地与NH4相关性显著。暴雨后林地相关性显著的为NO3；所有指标与水体仍为负相关但与TP在150m呈显著相关；建设用地仅与NH4在300m呈现显著相关；耕地與几乎在所有缓冲区内都与NO3有显著相关性。
参考文献：
[1]D S Fisher， J L Steiner， D M Endale， et al. The relationship of landuse practices to surface water quality in the Upper Oconee Watershed of Georgia[J].Forest Ecology and Management， 2000， 128： 39-48.
[2]Xian G，Crane M， Su J. An analysis of urban development and its environmental impact on the Tampa Bay watershed [J].Journal of Environmental Management， 2007， 85（4）： 965～976.
[3]许珺，傅肃性，黄绚.遥感与GIS在河流水质环境背景分析中的应用—以台湾基隆河为例[J].环境科学，2000，21（4）：1-5.[12]岳隽，王仰麟，李正国，等.河流水质时空变化及其受土地利用影响的研究—以深圳市主要河流为例[J].水科学进展，2006，17（3）：359-364.
[4]张殷俊，陈爽，相景昌.河流近域土地利用格局与水质相关性分析[J].长江流域资源与环境，2011，20（9）：1054-1061.
[5]郝敬锋，刘红玉，胡俊纳，等.城市湿地小流域尺度景观空间分异及其对水质质量的影响—以南京市资金山东郊典型湿地为例[J].生态学报，2010，30（15）：4154-4161.
关键字：土地利用 河流水质 暴雨 GIS 冗余分析 重庆
近年来，遥感（remote sensing，RS）与地理信息系统（Geographic Information System， GIS）技术的综合应用已成为资源环境的调查、监测及管理的重要技术手段，并取得了日益广泛的应用[1]。利用卫星影像资料和实地调查数据来研究土地景观特征与地表水体环境污染的关系，已经可以进行某种程度的定量分析，并可用于提出大空间尺度的污染防治措施[2]；利用RS和GIS研究土地利用/覆盖变化城市化等过程带来的诸多水环境问题也成为研究热点[3]。重庆市的河流基本上为雨源性河流，河流的水量和水质都与降水强度与历时等密切相关，使得降水形成的径流引发非点源污染对河流水质的影响比较严重[4]。本研究以重庆市主要典型次级重污染河流为研究区，以2010年的TM影像为基本信息源，结合2013年4月1号和2013年5月2号跟踪监测的水质数据，利用GIS空间分析技术，分析河流区域土地利用类型对河流水质影响的时空特征，探究暴雨前后的山地城市土地利用空间结构与城市河流水质的关系。，以期了解土地利用和水质在暴雨前后的相关性，制定利用雨水对河道进行清污作用方案，合理降低河流水污染控制。
1.研究区域及数据
本文选取的重庆市典型次级重污染河流主要为朝阳河、伏牛溪、盘溪河、花溪河、跳蹬河和清水溪，长度分别为：30.7km、6.5km、11km、40km、25km和15.88km，主要分布在江北区、沙坪坝区、大渡口区、渝北区、巴南区和九龙坡区以及渝中区（图1）。上述区域是重庆主城九区的重要组成，是重庆市发展较早、发展较快的区域。
主要数据有遥感数据和监测数据，其中遥感数据是轨道号为P128R39和P128R40（成像时间均为2010年5月23日）的TM遥感影像。监测数据为6条河流30个样点的实测数据，降水前的数据采集时间为2013年4月1日，降水后的数据采集时间为2013年5月2号。由于实验人员失误导致11号断面无4月1号COD数据，26和27号断面无5月2号数据。
2.研究方法
2.1研究区土地利用
数据基于重庆市2010年2景TM遥感影像，分别以1：10000的地形图为基准，选取49个控制点，采用多项式方法进行TM影像几何纠正，并对2景遥感影像进行镶嵌。利用遥感软件ENVI4.8对影像进行监督分类。参考研究区内土地利用类型特点，将研究区土地利用分为耕地、水体、建设用地和林地四大类，经与2010年区域土地调查数据检验，分类结果较为理想，精度能满足本研究的精度要求。
2.2研究区水质数据
为对研究区进行暴雨前后的比对研究，水质数据采集时间为2013年4月1号和5月2号。本研究选取水质指标TN、TP、NH4、NO3和COD。
3.结果与分析
3.1土地利用类型结构
研究区域内的土地利用格局以建设用地和林地为主，水体、耕地和其他地类所占面积比例相对较少，主要是因为重庆市地形地勢的原因，其中清水溪建设用地面积最高达到91.06%，耕地在100m、300m和450m缓冲区内均为0，主要是因为沙坪坝区较为平坦的地形和快速的发展（表1）。
3.2河流水质变化
从两次监测数据（图2），可看出6条河流各污染物含量平均值基本都严重超出V类水标准。其中暴雨前污染较为严重的河流为清水溪河流，暴雨后为跳蹬河，TN、TP、NH4、NO3和COD分别为10.63、1.14、6.03、6.42和79.81mg/L。
3.3土地利用类型与水质相关性分析
六条河流的水质监测指标与土地利用类型的相关关系（表3），以此来分析土地利用类型与水质指标的关系。
暴雨前林地与TN、NH4和COD呈现负相关，NH4在450m到900m的相关性大于150m和300m，TN在900m出现显著相关，NO3呈正相关随着缓冲区距离的增加相关性减少，与TP几乎无相关性；水体与TN、NH4、NO3、TP和COD均呈负相关；建设用地与TN、NH4和COD呈负相关，且与NH4的相关性显著，超过450m后相关性减弱，与TP呈正相关性，450m之后相关性减小，与NO3在600m之后出现正相关，但相关性显著性较弱；耕地与TN和NH4呈现负相关，且与NH4的相关性在300m和450m相关性显著，与NO3、TP和COD均呈正相关，TP在450m之前相关性显著，COD在600m之后相关性显著。暴雨后林地与NO3出现了显著相关，与TP在300m缓冲区之内出现了正相关，NH4在450m之后出现负相关，且相关性基本相同，TN和COD在300m之内出现正相关；水体与所有指标呈负相关，与TP在150m范围内相关性显著；建设用地与NO3与COD呈较弱的负相关性，与TN几乎不相关，与NH4在300m的相关性显著；耕地与NO3呈强正相关性，与COD在450m之内相关性显著。总体而言：暴雨之前林地与TN和NH4相关性显著；水体与所有指标均为负相关但显著性较小；建设用地相关性显著的为TN和NH4；耕地与NH4相关性显著。暴雨后林地相关性显著的为NO3；所有指标与水体仍为负相关但与TP在150m呈显著相关；建设用地仅与NH4在300m呈现显著相关；耕地与几乎在所有缓冲区内都与NO3有显著相关性。 4.讨论
4.1暴雨前土地利用类型影响水质的方式与显著性
林地与耕地对河流水质主要呈负相关性，建设用地与河流水质呈正相关，主要为显著性较强的TN和NH4。表明林地和耕地具有较好地消减污染物的效用。建设用地非点源污染时影响区域河流水质的主要原因，污染物来源可能包括城镇公共设施、商业服务等未经有效处理的污水以及居民生活排污等。经实地调查污染物的来源主要来自大量生产生活污水未经处理直接进入河流导致水体污染，而河流附近的林地面积的增加有利于通过植物吸收等作用减少污染物对河流水质起到的缓冲和保护作用。因此控制河岸带附近土地利用类型、加强排污管理是解决区域河道水质污染的有效途径。
4.2暴雨后土地利用类型影响水质的方式与显著性
林地和耕地与水质正相关性更显著，主要为显著性较强的NO3；建设用地仍与水质呈现正相关，主要为NH4，但是与NO3呈负相关。一般认为，林地和水质指标间呈显著负相关，因为林地有较好的截流和消减污染物的能力，对缓解水质退化有重要作用[5]。经实地调查，因为六条河流均处于重庆市发展较早较快地区，林地的板块都很小，较零散，大部分与耕地相结合，加之耕地几乎为裸地，裸地上堆积着大量生活垃圾和建筑废料，污染物随地表径流进入河流，可能会影响林地对水质的影响。耕地与水质呈正相关主要是城区河流两岸的耕地以裸地为主闲置居多，且与河流水体交流密切，存在农业面源污染。
4.3优化城市土地利用类型以减轻河流污染
此次研究的六条河流都贯穿于重庆市老城区，企业和居民区密集，点源污染没有被消除，点源污染大量存在，汇水区域内情况比较复杂，河流均属于劣V类。土地利用类型与河流水质质量指标之间存在密切的关系，这一点不仅被大量研究证明，也被实地调查所证实。六条河流两岸的耕地大多位于城市扩展前缘，缺乏雨污分流设施，基本不具备污染控制能力，加强耕地的环境管理，减少面源污染，在开发建设之前进行临时绿地，有助于减少该土地利用类型向河流的污染输出。建设用地输出的污染主要来自于居民排污河公建单位排污，因此，在河流两岸清理污染物的无组织排放，进行截流纳管，将排入河流的污水纳入城市污水管网，是控制建设用地输出污染的根本措施。林地对缓解水质退化有重要作用，因此应加强林地的建设和规模。因此在城市规划和建设过程中，为了保护城市河流水质，在一定缓冲区内应降低建设用地比例，加强林地规模建设，控制耕地面源污染。
5.结论
（1）所有河流中土地利用类型分布不一致，建设用地与林地所占比例较多，水体和耕地所占比例相对较少。
（2）暴雨对河流水质各指标的影响是不一致的，TN、NH4和TP在暴雨前的浓度要比暴雨后的高，且变化幅度也较暴雨后大；暴雨后NO3和COD的含量增加。
（3）暴雨前林地与TN和NH4相关性显著；水体与所有指标均为负相关但显著性较小；建设用地相关性显著的为TN和NH4；耕地与NH4相关性显著。暴雨后林地相关性显著的为NO3；所有指标与水体仍为负相关但与TP在150m呈显著相关；建设用地仅与NH4在300m呈现显著相关；耕地與几乎在所有缓冲区内都与NO3有显著相关性。
参考文献：
[1]D S Fisher， J L Steiner， D M Endale， et al. The relationship of landuse practices to surface water quality in the Upper Oconee Watershed of Georgia[J].Forest Ecology and Management， 2000， 128： 39-48.
[2]Xian G，Crane M， Su J. An analysis of urban development and its environmental impact on the Tampa Bay watershed [J].Journal of Environmental Management， 2007， 85（4）： 965～976.
[3]许珺，傅肃性，黄绚.遥感与GIS在河流水质环境背景分析中的应用—以台湾基隆河为例[J].环境科学，2000，21（4）：1-5.[12]岳隽，王仰麟，李正国，等.河流水质时空变化及其受土地利用影响的研究—以深圳市主要河流为例[J].水科学进展，2006，17（3）：359-364.
[4]张殷俊，陈爽，相景昌.河流近域土地利用格局与水质相关性分析[J].长江流域资源与环境，2011，20（9）：1054-1061.
[5]郝敬锋，刘红玉，胡俊纳，等.城市湿地小流域尺度景观空间分异及其对水质质量的影响—以南京市资金山东郊典型湿地为例[J].生态学报，2010，30（15）：4154-4161.