网状河网地区土地利用对水质的影响——以上海市为例外文翻译资料

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附录A 译文

网状河网地区土地利用对水质的影响——以上海市为例

摘 要

中国网状河网地区土地利用在过去几十年中发生了变化。由于特殊的水文条件，在这样一个高密度河网地区讨论土地利用如何影响水质是一个挑战。本文的主要目的是揭示上海市典型乡村社区土地利用与水质的关系及其尺度效应。本城市群利用对应分析确定了沿城乡梯度的清晰水质分布。工业用地仅在较小尺度上对水质有负面影响。相比之下，城市的影响随着规模的扩大而变得更加明显。在每个尺度上，土地利用和水文变量可以解释50%以上的水质变化，其中城市和工业占70%以上。随着空间尺度的增大，土地利用和水文条件对水质的影响变得更加多样化。结果表明，上海市水质在城乡梯度上分布较为明显。所有的土地利用和水文变量都能解释水质变化的50%以上。城市和工业用地对水质具有决定性的影响。城市对水质影响较大，但工业对河岸带水质影响较小。

关键词 土地用途；网状河网地区；水文条件；水质；冗余分析

1.引言

自20世纪70年代以来，土地利用对水质的影响一直受到关注(Rimer，Nissen，amp;Reynolds，1978;White，1976)。20世纪90年代以后，研究人员开始定量分析土地利用和水质之间的相关性(Johnson，Richards，Host，amp;Arthur，1997)。最近，随着景观生态学地理信息系统和地理信息系统技术的快速发展，景观指标开始应用于这些研究中。利用ArcGIS可以方便地计算复杂的景观格局，土地利用结构和水文地质条件对水质的影响受到了广泛关注。就研究领域而言，大多数研究集中在人类活动较少的自然区域;很少有研究人员对城市或都市区域进行研究(Allan，2004;Booth，Karr,2004;Griffith，2002;Johnson，Myers，amp;Patil，2001;Lee，Hwang，Lee，Hwang，amp;Sung，2009;Marinoni，Higgins，Coad，amp;Garcia，2013;Ribolzietal.，2011;Tu，2013).在以往的研究中，许多类型的土地利用/土地覆盖，包括农业、森林和草地，已被证明与非点源污染物有关。例如，农业文化土地的使用往往与河流中发现的营养物、沉积物和杀虫剂呈正相关，这些物质不仅可能来自河岸带，而且可能来自整个流域(Haidary，Amiri，Adamowski，Fohrer，amp;Nakane，2013;Lee等人，2009;Liu，Zhang，amp;Liu，2012;Sonoda，Yeakley，amp;Walker，2001;Sun，Wang，Chen，amp;Wang，2013;Tu，2011;Wan等人，2014)。然而，尽管城市土地使用被证实与河流中的磷和其他污染物存在相关性(Ahearna，Sheibley，amp;Dahlgrena，2005;Galbraithamp;Burns，2007;赵等/景观与城市规137(2015)20-29等人，2013;Lee等人，2009;Liu等人，2012;Tu，2011,2013;Wan等人，2014)，很少有研究关注城市主导的地区(Allan，2004;Buck，Niyogi，amp;Townsend，2004;LiPratt，Xia，Tan，amp;Zhang，2013;张和昌，2012;Zampella，Procopio，amp;Lathrop，2007)。另一方面，所讨论的研究领域往往被预先定义为由边界清晰的树枝状河流组成的水文单元，可以很容易地用ArcGIS或其他GIS模块进行划分(Detenbeck，Elonen，amp;Taylor，2003;Hwang，Lee，Son，Park，amp;Kim，2007;Pandaamp;Sukumar，2010;Pandey，Chowdary，Mal，amp;Billib，2009;Paretaamp;Pareta，2011)。特别是，许多研究基于美国现有的水文单位，在美国地质调查局系统中，每个流域都有一个明确的水文单位编(Detenbecketal.，2003;Lemly，1999;Panetal.，2004;Prattamp;Chang，2012;Tu，2013)。然而，在土地利用和水质之间的许多关系中，集水区或水文单元的水文条件——包括被水覆盖的陆地表面的百分比、河网结构、河流秩序和河流密度——往往被忽视，尽管这些因素已知显示了与水质指标的显著相关性(Buck，Niyogi，amp;Townsend，2004;Galbraithamp;Burns，2007;Haidary等人，2013;Liu等人，2012)。此外，当很难划分一个集水区时，研究人员经常使用一个水质监测站作为地理中心，然后创建缓冲区作为水文单位的子节点(Lietal.，2013;Nash，Heggem，Ebert，Wade，amp;Hall，2009;Panetal.，2004;Prattamp;Chang，2012;Sliva威廉斯，2001)。网状河网地区(Yin，Walcott，amp;卡普兰，2005)也尝试了这种技术，但多少有些成功。网状河网地区不同于树枝状河网，常常出现在河口附近的冲积平原上，如中国东部的长江三角洲、美国的密西西比河三角洲和印度的恒河三角洲。这种网状结构最明显的特点是流态密集，网状结构复杂，流域界线划分困难。中国网状河网地区经常受到人类活动的影响，这些河网地区的水质对当地土地利用模式的敏感性高于中国其他地区(上海市环境保护局，2007)。非点源污染已成为影响我国农业生产流域质量的主要因素，超过了20世纪90年代的工业点源污染(上海环保局，2007)。值得注意的是，由于在这些网络中河流的顺序和捕捞的边界是很难划分的，土地使用对水质的影响可能与其他地区有很大的不同(车，杨，吴，Shang，和翔，2012;陈，徐，和傅，2007)。为了检测土地利用与水质之间的关系，必须回答三个重要问题:(i)什么是一个合适的水文单位，以便将景观指标与水质联系起来，以及如何定义每种关系的尺度效应？(ii)哪些土地用途与非点源污染物呈正相关，哪些土地用途与非点源污染物呈负相关？(三)土地使用在多大程度上造成水质的空间变化？不同景观指标的尺度效应是否表现出相似的方式？本文以世界上最大的都市圈之一上海为例，分析了乡村河流中土地利用和水文变量对河流水质的影响。建立地理缓冲区是为了替代水文单位，以便展示不同尺度的各种变量之间的关系。希望本文的研究方法能够为其他地区的相关研究提供参考，并为国内外大城市的物流管理提供具体的借鉴。

2.材料和方法

2.1.研究区

上海位于中国长江三角洲，这是一个典型的RRNA，有着高密度的水道和复杂的网状结构。根据上海航道普查报告(上海水道管理局，2007)，上海市面积6340.5平方公里，水域面积569.6平方公里，河流密度3.93平方公里。由于该流系统的高密度，很难根据施特拉勒的流排序系统来确定网络的结构、边界和流顺序。此外，作为中国最大的发达城

市之一，从1990年到2007年，上海集中处理污水的比例大幅增加了70%(上海环保局，2007年)。这一发展表明，非点源污染已经取代点源污染，成为影响整个复杂河流系统地表水质量的主要来源。

2.2.土地使用及河流资料

上海市土地利用和河网遥感数据来源于2006年SPOT-5卫星信息。这些数据的图像分辨率为2.5m，这足以满足该河流系统的解释要求，因为上海的河流宽度通常大于3m。利用ArcGIS9.3软件进行了几何校正、光谱处理、图像拼接、坐标定位和水体增强等步骤，对研究的土地利用和河流数据进行了交互处理，纠正了不可避免的解释误差(例如，被污染物或废弃物覆盖的云雾遮蔽的河流或河流表面)。Gis数据解译由华东师范大学地理信息科学教育部重点实验室完成。20世纪80年代，由于上海河流整治的困难，上海市水务局设计了一个河流分类系统，该系统既考虑了河流的自然特征，又考虑了河流在城市群中的社会作用，包括河流的四级(市级)、三级(区级)、二级(市级)和一级(村级)(Yuan，James，amp;Yang，2006)。事实上，这种河道排序系统不仅在上海非常流行，而且在整个长江三角洲，中国。由于这一地区的城市都面临着河流整治的困难，上海的河流系统已经扩展到宁波、无锡、苏州和长江三角洲的许多其他城市，并且在河流管理实践中表现良好(赵、泰、杨、钱，2012)。

2.3.土地利用和水文变量及水质指标

土地利用和水文变量包括土地利用的组成和结构，以及水面积百分比和河序等水文参数。由于不同的土地利用方式产生不同的污染物(Chen，Fu，amp;Zhang，2002)，我们将上海的土地利用分为城市、工业、草地、农业和森林五大类。城市和农业用地是该地区确定的两个主要类别，尽管这个大都市的工业用地比例也比以前的研究高得多。草地、森林与水质指标呈显著负相关22赵等/景观与城市规划137(2015)20-29(Haidaryetal.，2013;Sunetal.，2013).在我们的案例中，前者主要是由上海市中心的耕地组成，而后者往往是位于郊区的树木和灌木组成的区域。我们建立了多尺度的地理缓冲区，获得了100~1500m的5个缓冲区的土地利用数据，然后，我们使用FRAGSTATS3.3计算了斑块密度(PD)、点缀并列指数(IJI)和边缘密度(ED)等配置指标。Ed、PD和IJI之间存在显著的相关性。因此，选择ED作为配置-饱和度的关键指标来表征景观层面的土地利用破碎化程度。在对上海市土地利用结构进行分析时，除了考虑土地利用的组成和结构指标外，还考虑了水文条件，包括水域面积百分比(WAT)和河序(rORDER)。表1列出了每个土地利用和水文变量的定义。这项研究的水质数据来自48个监测站，收集自上海市环境保护局(2007年)。所有监测站的监测程序均符合上海市环境监测中心正常的环境监测程序(图1)。利用2006年上海市土地利用数据，包括DO、CODMn、NH3n、TN、TP、苯酚和石油等，对上海市土地利用数据进行了拟合。这些数据是全年每月收集的。土地利用和水文变量的描述统计学和水质指标列于表2。

表1 土地利用和水文变量的定义

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