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二龙山水库水源保护区土地利用变化 对生态需水量影响分析 * 汤洁1吴佳曦1徐海红2王博1林晓晟1刘畅1 1. 吉林大学环境与资源学院, 长春 130012; 2. 环境保护部环境工程评估中心, 北京 100012 摘要 在运用 ArcGIS 软件解译二龙山水源保护区 1989 年、 2000 年和 2008 年卫星影像图的基础上, 提取出土地利用数 据; 分析了19 年间土地利用变化情况, 计算各地类生态需水量, 剖析了土地利用变化对生态需水量的影响。结果表明 保护区内土地利用变化明显, 耕地和草地大幅度减少, 林地和城镇面积快速增加; 耕地和林地生态需水量占总需水量的 45, 水田和林地的变化对生态需水量的影响最为显著; 生态需水量共减少了 0. 317 亿 m3, 总体表现为生态缺水。在水 资源短缺的情况下, 应科学合理调整土地利用结构, 调节水资源供需平衡, 以保障生活饮用水水源地的生态安全。 关键词 二龙山水库; 水源保护区; 土地利用变化; 面积定额法; 生态需水量 DOI 10. 13205/j. hjgc. 201401012 ANALYSIS ON INFLUENCE OF LAND USE CHANGE ON ECOLOGICAL WATER REQUIREMENT IN THE DRINKING WATER SOURCE RESERVE OF ERLONGSHAN RESERVOIR Tang Jie1Wu Jiaxi1Xu Haihong2Wang Bo1Lin Xiaosheng1Liu Chang1 1. College of Environment and Resource,Jilin University,Changchun 130012,China; 2. Appraisal Center for Environment & Engineering,Ministry of Environmental Protection,Beijing 100012,China AbstractArcGIS was used to abstract land use data of Erlongshan water reserve based on the interpretation of satellite images of 1989, 2000 and 2008 and the land used change was analyzed during the 19 years. Ecological water requirement of different land types was calculated to analyze the effect caused of land use on water requirement. The results showed that the land use changed obviously in the past 19 years and the area of farmland and grassland decreased substantially while the area of forestry land and urban area increased rapidly;Ecological water requirement of farmland and forestry land accounted for 45 of the total water requirement. The land use changes of the paddy and forestry land have the most notable effect on the ecological water requirement. The total reduction amount of ecological water requirement was 31. 7 million m3and it showed a overall water- lack trend. Under a water shortage condition,it is necessary to coordinate the land structure properly and the supply- demand balance of water resources to assure the ecological security of drinking water source reserve. KeywordsErlongshan reservoir;water source reserve;land use change;area quota ;ecological water requirement * 国家水体污染控制与治理科技重大专项 - 辽河源头区水污染综合治 理技术及示范研究课题 2012ZX07208- 011 。 收稿日期 2013 -04 -09 随着水资源供需矛盾的加剧, 生态需水量的研究 已经逐渐成为全球关注的焦点[1 ]。人类日益增强的 经济活动使周边的生态环境被迫改变, 对生态系统的 生态需水量产生了显著影响[2- 4 ]。水库逐渐成为供给 社会经济需求的重要水源。生活饮用水水源保护区 是国家为防治饮用水水源地污染、 保证水源地环境质 量而划定的, 并要求加以特殊保护的一定面积的水域 和陆域 [ 5 ]。水源保护区属于生态敏感脆弱区, 受人为 活动和自然环境的双重影响, 由土地利用变化导致的 土地覆被变化和土地空间格局变化, 必然影响生态系 统的结构和功能, 进而对该区域生物多样性、 生态需水 量以及水库水质等产生重大影响 [ 6 ]。水源地的生态安 全是保护区土地利用可持续发展的重要保障 [ 7 ]。 1研究区概况 1. 1水库自然概况 二龙山水库位于吉林省四平市东辽河上游梨树 64 环境工程 Environmental Engineering 县石岭镇的二龙山村, 大坝地理位置 43 10 N, 12447E, 控制流域面积 3799 km2, 最大库容 17. 92 亿 m3, 死库容 2. 36 亿 m3, 正常蓄水位为 222. 5 m[8 ]。 水库汇水区整体地形东南高、 西北低, 两岸山势低缓, 多耕地, 河流众多, 水系较为发育, 主要入库河流有孤 山河、 头道河、 二道河、 三道河等 [9 ]。水库始建于 1943 年, 是一座以防洪、 灌溉为主, 兼防涝、 发电、 养 鱼等综合利用的大型水利枢纽工程。由于四平市地 下水严重超采, 造成水资源短缺, 故增加了二龙山水 库供水的功能, 引水工程于 1986 年动工, 1998 年正 式供水。本文以二龙山水库水源保护区为研究区, 保 护区处于四平市、 辽源市、 公主岭市和伊通县交界处, 总面积约 1 425 km2, 一级保护区、 二级保护区和准保 护区面积分别为 0. 5, 91. 4, 1 333. 1 km2, 见图 1。 图 1研究区位置及水系图 Fig.1Location and river system of the research area 1. 2水库主要环境问题 自 20 世纪 80 年代以后, 随着土地开发程度加大 和城市用水量增加, 使水库入水量减少, 蓄水位下降。 上游污水的不断排放, 导致水库水质恶化, 多年呈富 营养化状态, 水体污染日趋加剧 [10 ], 已严重威胁到流 域内人民的生活饮用水安全, 制约了当地的经济 发展 [11 ]。 科学合理的规划土地利用结构和布局, 调整产业 结构, 提高土地利用率, 对保护水源地生态环境起着 重要作用 [12- 13 ]。本文结合水库供水工程建设, 选取 1989 年、 2000 年和 2008 年土地利用变化情况, 分析 土地利用变化对环境生态需水量的影响, 研究结果为 实现水库生态功能与水资源最优管理提供科学依据, 同时对水库的生态保护和城市供水安全具有重要 意义。 2研究方法 2. 1土地利用类型分类及面积提取 本文选取美国陆地卫星 Landsat/TM 遥感影像作 为数据源, 运用 ERDAS 软件进行图像的几何辐射校 正、 坐标转换、 图像增强等技术处理[14 ]。在 ArcGIS 软件中应用非监督分类与目视判读综合解译方法进 行影像解译, 获得 1989 年、 2000 年和 2008 年 3 期土 地利用类型图并提取数据[15 ] 图 2 。根据研究区土 地利用现状和土地资源特点, 确定研究区土地利用的 类别为 水田、 旱田、 林地、 草地、 水域、 滩地、 城镇和湿 地 8 类, 并结合 GPS 验证了典型地物, 对解译结果进 行修正, 充分提高了土地利用分类的精度。 2. 2生态需水量计算 二龙山水库水源保护区的生态需水量可用面积 定额方法计算, 即某一地区某一地类的面积乘以其 生态需水定额计算得到该种地类的生态需水量, 各 种地类生态需水量之和即为该地区生态需水总量。 图 219892008 年二龙山水库水源保护区土地利用变化 Fig. 2Changing of land use in water source reserve of Erlongshan reservoir from 1989 to 2008 74 水污染防治 Water Pollution Control 该方法的计算主要是确定不同类型植被的面积以及 生态需水定额。具体计算公式为 W Σ n i 1 WiΣ n i 1 Airi 式中 W 为生态需水总量, m3; Wi为 i 类型地类的生态 需水量, m3; Ai为 i 类型地类的面积, hm2; ri为 i 类型 地类的生态需水定额, m3hm -2; n 为地类类型数目。 根据 DB/T 3892010用水定额 吉林省地方标 准 , 确定不同地类的生态需水定额。由于各城镇 规模小、 人口少, 且无法提取绿化覆盖面积, 所以未计 算城镇需水量。 3结果分析 3. 1土地利用构成与变化分析 水源保护区在 19892008 年间土地利用变化整 体特征见表 1。从各地类面积占总面积的百分比可 以看出, 保护区的农业开发程度很高, 耕地是主要的 土地利用类型, 1989 年水田和旱田共占总面积的 60. 77, 到 2008 年下降到 58. 01; 林地从 1989 年 的 30. 08 增加到 2008 年的 32. 71。水田是变 化量最大的地类, 呈 一 直 减 少 的 趋 势, 减 少 量 为 6 023 hm2; 旱田和林地先增加后减少, 到 2008 年分 别增加了 2 096 hm2和 3 747 hm2; 草地共减少 1 352 hm2; 相反, 城镇面积持续增加了 606 hm2; 水域 面积约占总面积的 5, 共增加 1 125 hm2; 滩地和湿 地分别减少了 135 hm2和 64 hm2。由图 2 和实地调 查得知, 水田大多改为旱田, 而旱田和草地一部分转 化为林地, 一部分被城镇建设占用。 表 119892008 年不同时段二龙山水库水源保护区土地利用类型变化 Table 1Change of land use types in water source reserve of Erlongshan Reservoir from 1989 to 2008 年份项目水田旱田林地草地水域滩地城镇湿地 1989占总面积比例/5. 4955. 2830. 082. 244. 910. 650. 960. 40 19892000 变化量/hm2-1 2034 083 -2 928-486-526921288-149 年均变化率/-1. 400. 47 -0. 62-1. 39-0. 688. 991. 91-2. 39 2000占总面积比例/4. 6458. 1428. 021. 904. 541. 301. 170. 29 20002008 变化量/hm2-4 082-1 987 6 675-8661 651-1 05631885 年均变化率/-9. 11-0. 30 2. 09-4. 003. 19-7. 122. 402. 55 2008占总面积比例/1. 2656. 7532. 711. 295. 700. 561. 390. 35 19892008 变化量/hm2-6 0232 096 3 747-1 3521 125-135606-64 年均变化率/-4. 060. 14 0. 46-2. 230. 85-0. 762. 32-0. 59 19892000 年保护区内大面积毁林开荒, 使林 地面积减少 2 928 hm2, 旱田面积增加 4 083 hm2; 2000 年降雨量仅为 543. 2 mm, 水域附近的林地大面 积被砍伐并转化为滩地, 使滩地的年均变化率高达 8. 99, 水 域 和 湿 地 也 分 别 减 少 了 526 hm2和 149 hm2。20002008 年,水 田 面 积 急 剧 减 少 了 4 082 hm2, 年均变化率为 9. 11, 大多改为旱田; 旱 田和草地也分别减少 1 987 hm2和 866 hm2, 基本转 化为林地, 使林地在此期间快速增加 6 675 hm2; 随着 降雨量的增加和水库周边环境的治理, 使部分滩地恢 复成水域, 水域面积增加 1 651 hm2, 滩地面积减少 1 056 hm2。 3. 2不同地类生态需水量的变化 图 3 和图 4 分别为保护区在 19892008 年各地 类的生态需水量和变化幅度, 由于草地、 滩地和湿地 生态需水量之和占总需水量的比例不足 5, 其变化 对总体趋势影响较小, 所以选取水田、 旱田、 林地和水 域为主要地类分析变化情况。1989, 2000, 2008 年生 态需水总量分别为3. 542 亿, 3. 381 亿, 3. 225 亿 m3 , 呈 持续减少的趋势, 但变化幅度不大。19 年平均天然来 水量为0. 883 亿 m3, 仅占总生态需水量的 26, 表现 为生态缺水。水田生态需水量变化幅度最大, 减少 77. 06, 变化量为 -0. 51 亿 m3; 林地是生态需水量增 加最多的地类, 变化量为 0. 131 亿 m3。旱田和水域分 别增加了0. 022 亿, 0. 069 亿 m3。 图 3 19892008 年各地类生态需水量 Fig.3The ecological water requirement for each land use type from 1989 to 2008 84 环境工程 Environmental Engineering 图 4 19892008 年主要地类生态需水量变化幅度 Fig.4The change amplitude of ecological water requirement for main land use type from 1989 to 2008 19892000 年生态需水总量减少 0. 161 亿 m3, 各地类变化幅度较小, 均不超过 20。只有旱田需 水量增加了 0. 043 亿 m3, 水田和林地都减少 0. 102 亿 m3。20002008 年生态需水总量减少 0. 156 亿 m3, 变化幅度增加。除水田需水量与前 11 年变化趋 势相同外, 其余 3 种地类均成相反趋势。水田变化幅 度最大, 达72. 88, 减少了0. 410 亿 m3。水域其次, 变化幅度为 25. 52, 增加了 0. 101 亿 m3。 3. 3主要地类土地利用变化对生态需水的影响 主要地类面积变化对生态需水总量变化的贡献 率有着显著差异 图 5 。水田对各时期生态需水量 变化的影响最为显著, 均为正效应, 说明水田面积的 减少有利于缓解生态需水量严重缺乏的现状, 同时, 也降低了农药和化肥使用量, 避免氮、 磷化合物随地 表径流进入库区污染水体。20002008 年, 旱田面 积的减少对需水量的减少产生较小的正效应, 与其他 两个时期相反。此时期林地面积的快速增加, 对生态 需水量变化的贡献率高达 149. 76, 产生较大的负 效应。虽增大了生态需水量, 但加强了水源保护区的 水土保持能力和水源涵养能力。随着降雨量变化以 及水库的兴建, 2000 年水域面积发生明显变化, 对生 态需水变化的贡献率也高于其他时期。 4结论与建议 本文利用二龙山水源保护区 19 年的土地利用变 化特征, 分析了生态需水量与土地利用变化的关系, 得到主要结论如下 19892008 年, 二龙山水源保护 区土地利用发生了明显变化, 水田多数改为旱田, 草地 大面积转化为旱田和林地, 城镇面积持续增加。保护 图 519892008 年主要地类对生态需水量变化的贡献率 Fig.5Contribution rate of main land type to ecological water requirement change from 1989 to 2008 区生态需水量持续减少, 19 年共减少 0. 317 亿 m3 , 总 体表现为生态缺水。维持耕地 水田、 旱田 农作物 的灌溉用水和林地需水均占总生态需水量的 45, 水田和林地对生态需水量的贡献率最高。旱田、 林地 和水域的变化对总生态需水量变化起负效应, 水田为 正效应。 近年来, 据二龙山水库水文站统计, 水库水位已 低于死水位, 水资源短缺情况十分严峻。应采取有效 措施改良耕地、 林地、 草地等土地利用结构, 继续实施 “水改旱” , 减小水田面积; 并加快退耕还林、 还草的 速度; 减少对保护区的开发利用, 重点放在生态环境 保护上, 使土地利用和生产结构更合理。同时, 要加 强农田管理, 节约用水, 发展生态农业, 减少农药化肥 的使用, 开展保土耕作, 提高生产力, 可有效控制水土 流失, 避免泥沙、 农药残留物等随地表径流进入库区, 影响水质。增强二龙山水源保护区涵养水源能力, 减 缓生态水资源的供需失衡的现状, 促进保护区生态系 统良性发展。 参考文献 [1]汤洁,佘孝云,林年丰, 等. 生态环境需水的理论和方法研究 进展[J]. 地理科学, 2005, 25 3 367-373. 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[5]国家环境保护总局. 饮用水水源保护区划分技术规范[M]. 北京中国环境科学出版社, 2007. 下转第 59 页 94 水污染防治 Water Pollution Control 滤前吸附量逐渐减小情况较明显, 而过滤后则不甚明 显, 表明树脂因悬浮物的存在对 NH 4 的反应敏感度 降低, 这同之前原水和配水中的投加量试验的结果也 较为吻合, 因此实际污水中的悬浮物也是影响树脂吸 附 NH 4 的重要因素。 001 7 型树脂吸附实际污水中 NH 4 的过程主 要受阳离子和悬浮物两个因素的影响, 但加合各单因 素影响程度要明显大于实际的影响程度, 这表明各因 素间存在尚未被发现竞争机制, 导致最终的影响结果 并非是单纯的各单因素之数量和。 3结论 1 离子交换树脂在原水中要远低于其在配水中 的吸附能力, 主要表现为吸附容量的降低和吸附速率 的减小。 2 在原水和配水中, 离子交换树脂的吸附量都 随投加量的增大而逐渐减小; 对其吸附动力学的研究 表明, 在此试验条件下, 吸附交换过程符合 Lagergren 准一级动力学方程, 而颗粒内扩散是此吸附过程的主 要控速步骤。 3 水中的杂质离子和悬浮物都是影响树脂吸附 能力的重要因素, 其中阴离子种类对树脂吸附 NH 4 影响不明显。等浓度条件下阳离子影响力的顺序为 Ca2 > Mg2 > K > Na , 污水沉砂池出水中, 阳离子 对 NH 4 吸 附 影 响 的 大 小 顺 序 则 为 Ca2 > Na > Mg2 > K , 而其中 Ca2 和 Na 的影响较为显著。 悬浮物的存在减弱树脂的吸附能力, 同时导致其对 NH 4 的反应敏感度降低。 4 污水对树脂吸附 NH 4 的所影响的各影响因 素之间存在尚未被发现的竞争机制, 导致最终的影响 结果并非是单纯的各单因素之数量和。 参考文献 [1]金相灿. 中国湖泊富营养化[M]. 北京 中国环境科学出版社, 1990. [2]高廷耀.水污染控制工程 [ M ] .3 版.北京 高等教育出版社, 2007. [3]房安富, 王旭, 苑亮, 等. 低温条件下提高 CAST 工艺氨氮硝化 能力的研究[J]. 给水排水, 2009, 35 2 37- 41. 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