基于空间量化模型的人类活动强度对喀斯特筑坝河流水质影响研究

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水质的时空分布特征对流域生态环境可以起到重要的指示作用。影响水质变化的因素众多并错综复杂,其中重要因素之一就是人类活动。人类活动是伴随人类社会发展的客观存在,它对喀斯特脆弱区河流(水库)水质的影响不容忽视。平寨水库是集中式饮用水源地一级保护区,其水质的优劣直接影响到黔中地区的生态环境状况和社会、经济的发展布局。因此,分析平寨水库流域的水质环境特征,探究流域人类活动强度及其对水质的影响具有重要的现实意义。本研究立足于典型喀斯特高原深水型水库及其流域,针对水资源保护与治理中难以量化人类活动对水质影响的问题,提出人类活动强度空间量化模型(Spatial quantitative model of the intensity of human activities,SQMHAI)。该模型基于社会经济统计数据与地理信息数据,从社会状况、经济发展和生态治理与保护三个方面建立评价指标体系,实现了人类活动强度影响因素的综合考量;结合“社会数据”空间化与地理空间建模思想,运用Arc GIS Model Builder程序工具构建模型,展现了人类活动对水质影响研究的新视角;联合使用非点源污染负荷分析与层次分析方法,通过调查分析与主客观因素结合综合确定指标权重,体现了人类活动指标体系赋权的科学性。研究基于2018年11月至2019年11月14个断面的水质监测数据,从点位、库区、流域三个层次,分析平寨水库流域水质指标时空分布特征,并通过单因子评价与三种指数评价法对流域河流(水库)水质类别进行综合评价,以此为基础探讨SQMHAI模型构建的合理性。利用相关分析与多元线性逐步回归分析方法,从土地利用类型结构(类型特征、土地利用相对合理指数R)和人类活动强度(H、I)两个方面探讨人类活动对流域水质的影响。主要的研究结论如下:(1)2018年研究区污染物排放总量和流失总量分别为22582.84t和5133.08t,从污染物排放、流失和等标污染负荷三个方面综合分析,对研究区水体水质影响最大的污染源是畜禽粪尿污染,其次农村居民生活污染,影响相对小的是化肥施用污染,三者所占比例分别为59.23%、31.75%和9.02%。(2)基于不同土地利用类型,对社会经济指标数据进行空间化分析,结果表明,2018年研究区平均人口密度为210.41人/km~2,平均粮食耕地密度为87.50t/km~2,平均化肥耕地负荷为223.19 kg/hm~2,畜禽平均养殖密度为257.55头/km~2,水产品养殖密度和建设用地地均工业增加值均远低于全省平均水平。各指标在空间分布上,五个流域内部差异较大。(3)基于SQMHAI模型,量化分析平寨水库流域人类活动强度,结果显示研究区人类活动作用强度(H)以微弱和中等为主,分别占研究区总面积的54.85%和40.33%,作用强烈的区域占4.82%,无作用极强区域;人类活动影响强度(I)以微弱为主,占比77.80%,影响中等的区域占22.20%,无影响强烈和极强的区域,表明研究区人类活动对区域河流(水库)水质的影响作用较小,在当前人类活动作用强度影响下,河库水质没有发生明显的污染和恶化。H和I空间分布上具有极显著的空间自相关性,全局Moran’s I指数分别为0.807和0.817。(4)研究时段内(2018年11月~2019年11月)河流(水库)主要污染因子为总氮(TN)和总磷(TP),河库水质存在显著的时间差异和较大的空间差异,河流断面优于库区断面,平水期优于丰水期和枯水期。(5)土地利用结构对水质指标的影响存在较大的时空差异,建设用地、林地、未利用地以及土地利用相对合理指数(R)对水质指标浓度的影响较大。子流域尺度,枯水期土地利用结构指标与水质指标的响应关系最强,丰水期最弱;缓冲区尺度,平水期和丰水期二者响应关系较强,枯水期最弱。(6)各断面H和I与水质指标之间在不同时空尺度上均表现出一定的相关关系,H和I排序与P_权排序在枯水期和丰水期呈显著正相关关系的断面占61%以上,表明SQMHAI模型构建的人类活动强度(H和I)具有一定的合理性,评价结果空间可比性较强,有较强的适用性,具有一定应用价值。
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