环境科学  2017, Vol. 38 Issue (4): 1376-1383   PDF    
基于偏最小二乘模型的河流水质对土地利用的响应
李琳琳1,2 , 张依章2 , 唐常源3 , 郑磊1,2 , 孟伟2 , 卢少勇2 , 敦宇4     
1. 北京师范大学水科学研究院, 北京 100875;
2. 中国环境科学研究院环境基准与风险评估国家重点实验室, 北京 100012;
3. 中山大学环境科学与工程学院, 广州 510275;
4. 中国地质科学院水文地质环境地质研究所, 石家庄 050061
摘要: 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(NO3-)、氯离子(Cl-)与硫酸根离子(SO42-)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NO3-之间线性关系显著,决定系数R2>0.62.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NO3-浓度变化影响强烈.但对于Cl-和SO42-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).
关键词: 水质      土地利用      偏最小二乘模型      太子河流域      硝酸盐     
Modeling of Water Quality Response to Land-use Patterns in Taizi River Basin Based on Partial Least Squares
LI Lin-lin1,2 , ZHANG Yi-zhang2 , TANG Chang-yuan3 , ZHENG Lei1,2 , MENG Wei2 , LU Shao-yong2 , DUN Yu4     
1. College of Water Sciences, Beijing Normal University, Beijing 100875, China;
2. State Key Laboratory of Environmental Criteria and Risk Assessment, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China;
3. College of Environmental Sciences and Engineering, Sun Yat-sen University, Guangzhou 510275, China;
4. Institute of Hydrogeology and Environmental Geology, Chinese Academy of Geological Science, Shijiazhuang 050061, China
Abstract: Land use change in river basin is one of the most significant factors that influence river water quality. Based on remote sensing images and river water quality data of Taizi River Basin, partial least squares (PLS) model was applied to explore the relationship between water quality and land use patterns at sub-watershed scale. In this study, PLS model was established by using the percentage of area of land use patterns from seven different sub-watersheds as the variables and the concentrations of four water quality parameters as the observations. The established model was further tested with the data from other sub-watersheds in Taizi River Basin. The results indicated that total nitrogen (TN) and nitrate (NO3-) were significantly associated with land use types in Taizi River Basin with determination coefficient (R2) greater than 0.62. As for chloride (Cl-) and sulfate (SO42-), measured values and fitted values had a relatively low fitting precision (R2 < 0.5), which meant land use pattern was not the main factor affecting the concentrations of Cl-and SO42- in river water. Meanwhile, river water quality had a strong correlation with the percentage of area of unused land at the sub-basin scale (influence coefficient>0.24), although unused land area in the Taizi river basin was small.
Key words: water quality      land use patterns      partial least squares model      Taizi River Basin      nitrate     

河流水质变化受多种因素影响,其中土地利用变化通过改变土壤、地形与径流等水文循环过程及生态系统特征,成为影响河流水质的重要非点源因素[1].河流生态系统受多种因素影响,河流水质是多因素累积效应的结果.不管是从流域尺度、子流域尺度,还是河岸带尺度,土地利用类型变化对河流水质都有十分重要的影响[2~5].

近年来,国内外学者从不同尺度 (流域、子流域、河岸带),采用不同方法对土地利用与水质关系进行了大量研究,发现人类活动引起的土地利用变化是目前影响河流水质的十分重要的非点源因素[6, 7],并定性分析了影响河流水质的主要土地利用类型[8, 9],确定对水质影响明显的尺度与边界[5, 10].随着数学统计方法的引进,聚类分析、因子分析和主成分多元线性回归分析等多元统计方法[12, 13],被应用于评价土地利用与流域水质的相关性,但是这些统计方法只能定性判断污染严重区的土地利用类型[12],而不能定量分析土地利用类型变化对水质的影响程度.建立土地利用变化的水质响应模型,研究土地利用与水质变化的耦合机制,预测不同土地利用情景下水质的变化趋势[14],成为当前研究新焦点.偏最小二乘 (partial least squares,PLS) 模型,兼具主成分分析和线性回归分析作用,同时又可以排除因自变量之间互相关联导致的自变量对因变量的独立影响解释不清的问题[15, 16],是分析变量之间相互关系的重要工具.因此,本研究在定性探究流域土地利用类型对水质影响的基础上,采用偏最小二乘法 (PLS) 定量分析土地利用类型变化对河流水化学参数的影响程度.

利用高分辨率遥感影像数据和偏最小二乘模型探究太子河流域土地利用类型与河流水质的相关关系,定量分析土地利用类型变化对河流水环境质量变化的影响,揭示不同土地利用类型对河流污染的影响程度,有利于采取针对性的污染治理措施改善水质状况,以期为合理规划区域土地、改善河流水环境质量提供重要的理论依据.

1 研究区概况

太子河流域位于辽宁省境内,是大辽河的一条重要支流,地理位置为122°57′~124°55′E,40°28′~41°38′N.发源于抚顺新宾县红石砬子,向西流经新宾县、本溪县、本溪市、辽阳县、辽阳市、海城市等重要工业城市,是我国重要的工农业基地.太子河流域地势东高西低,东部高海拔区多为山地,西部为辽河平原的一部分,主要是地势较低的平原与河谷 (图 1).

图 1 采样点和子流域分布示意 Fig. 1 Distribution of water sampling sites and sub-basin in Taizi River Basin

1.1 土地利用特征

利用数字高程 (DEM) 图像,借助GIS软件,将太子河流域划分子流域,并选择采样点上游11个子流域作为研究单元 (图 2).依据土地利用分类系统规范,结合太子河流域的土地利用现状,将太子河流域土地利用类型划分为未利用地、林地、草地、居民及工矿建设、耕地和水域这6类;其中未利用地主要指裸地、基岩裸露区以及工业、生活垃圾堆放区,居民及工矿建设用地指的是居民住宅区、商业区及工矿和建筑物用地,耕地则主要包括水田和旱地,水域包括滩地沼泽、湖库坑塘、河渠等.

图 2 太子河11个子流域土地利用面积 Fig. 2 Land use types area in 11 different sub-basins in Taizi River Basin

整体看来,太子河流域的土地利用类型以林地为主,其次为耕地.但11个子流域 (从上游到下游依次记为W01~W11,其中W01、W02位于上游地区、W03~W08位于中游地区、W09~W11位于下游地区) 土地利用类型结构差异性显著 (图 2),下游土地利用类型丰富度高于上游. W01~W04子流域中林地面积均大于79%,子流域W07~W11,耕地、居民及工矿建设用地面积呈明显增大趋势.其中,W10耕地面积占整个子流域面积20%以上,居民及工矿建设用地大于10%;而W11耕地面积大于14%,居民及工矿建设用地面积大于24%,林地面积由上游子流域W01~W04的80%降到60%以下.

1.2 流域水质特征

为分析土地利用与流域水质的关系,在各个重要支流以及支流汇水口处设置了采样点 (图 1),分析子流域的土地利用情况对河流水质的影响.太子河11个子流域中水化学参数氯离子 (Cl-)、亚硝酸根离子 (NO2-)、硝酸根离子 (NO3-)、总氮 (TN)、铵根离子 (NH4+) 和硫酸根离子 (SO42-) 浓度从上游至下游整体上呈现上升趋势,但是在部分子流域出现突变点 (图 3). Cl-在子流域W09浓度最高,NO2-在子流域W10浓度最高,NO3-在子流域W07和W11浓度明显高于周围其他子流域,TN在子流域W10处浓度最高,NH4+在中游子流域W05、W07和下游子流域W09浓度都较高,SO42-则是在子流域W09处浓度最高.

图 3 太子河流域水质指标空间变化 Fig. 3 Spatial variation of water quality indicators in Taizi River Basin

2 材料与方法 2.1 水质化学与土地利用数据

水质基本参数,包括温度 (T)、电导率 (EC)、溶解氧 (DO)、氧化还原电位 (Eh) 以及总溶解固体 (TDS) 等,采用便携式水质分析仪 (YSI-85) 现场测定.其他水化学指标,如NO2-、NO3-、Cl-、SO42-等,在实验室通过离子色谱 (ICS-3000, Dionex, 美国;阴阳离子平衡误差在±5%之内) 测得.

土地利用数据为2009年9月法国SPOT5卫星的遥感影像解译数据,空间分辨率为30 m.

2.2 偏最小二乘方法模型[16]

偏最小二乘法是一种多因变量对多自变量的回归建模方法,它可以实现多种数据分析方法的综合应用.

对于给定的n个测量点 (xi, yi),i=(1, 2, …, n),寻找一条最佳的拟合直线,使其尽可能通过或靠近这些点.直线方程可表示为:

式中,(xi, yi) 为测点坐标,a为直线的斜率,by轴的截距,ab为待估参数,a0b0为它们的近似值.令:

y作为因变量,以x为自变量,误差方程为:

误差方程矩阵表达式AδX=l+V,其中:

按最小二乘准则:

其最小二乘解为,因变量残差,单位权重误差:

3 结果与讨论 3.1 水质参数与土地利用之间的相关性

将土地利用类型作为环境因子变量,借助直接梯度模型分析土地利用类型对河流水化学参数的影响.分析环境变量与水化学指数的梯度模型包括典型对应模型 (CCA) 和冗余分析模型 (RDA)[17].其中,CCA为单峰模型,RDA为线性模型.为确定土地利用类型与水化学参数两两之间是线性关系还是非线性关系,先进行降趋势对应分析 (DCA),若4个轴中梯度最大值小于3则选择线性模型RDA;若大于4,则选择单峰模型;如果介于两者之间,两种模型均适用[17].本次数据进行DCA分析后,发现其梯度最大值远小于3,土地利用类型与水化学参数之间呈线性关系,因此选择线性模型RDA进行相关分析 (图 4).对于线性模型RDA的排序图,数据箭头之间的夹角越小,在某一个方向上的投影向量长度越大,则相关性越高;箭头同向,表示数据之间为正相关,反向则为负相关.

图 4 土地利用类型与水质参数的RDA排序 Fig. 4 RDA sequence diagram of land use type and water quality parameters

整体看来,影响各个子流域水质的土地利用类型差异显著 (图 4).上游W01、W02子流域水质主要受草地影响;中游W03、W04、W06子流域主要受林地影响,中游W05、W07、W08和下游W11子流域主要受未利用地影响;下游W09和W10子流域主要受耕地、居民及工矿建设用地影响,其中子流域W09受居民及工矿建设用地影响明显,子流域W10水质受耕地影响显著.

TN、Cl-、SO42-和NO3-等水化学参数受土地利用类型影响明显 (图 4). TN与NH4+主要受耕地和林地影响,其中与耕地表现出正相关关系与林地表现出明显负相关关系 (箭头方向相反,且夹角接近180°),TN在两种土地利用类型箭头上的投影长度较NH4+大得多,因此TN受耕地与林地影响更大. Cl-主要受居民及工矿建设用地影响,且表现为正相关的关系 (夹角度数 < 90°). NO3-、SO42-与水域之间的夹角非常小且同向,在未利用地上的投影长度更大,因此,主要受水域和未利用地的影响. NO3-与未利用地之间夹角较小、投影长度较大,因此NO3与未利用地表现出明显的正相关关系.林地和草地与水化学参数之间的箭头夹角全部大于90°,因此林地、草地对水化学参数产生负相关影响,即林地与草地面积越大,相关水化学参数浓度越低,水质越好.

3.2 水质参数与土地利用响应模型 3.2.1 典型相关分析

为探究土地利用类型变化对河流水质的影响,将6种土地利用类型所占的面积百分数作为自变量X,水化学参数作为因变量Y,采用典型相关分析探究两组变量之间是否存在相关关系.分别提取自变量X和因变量Y的成分,自变量的成分用ti表示,因变量的成分用ui表示,由于Q12(cum)=0.64,Q22(cum)<0,因此只提取一个主成分t1u1,以样本点绘制t1-u1平面图 (图 5),并添加趋势线,y=x-7.04×10-8R2=0.67.表示变量之间存在一定相关关系,可以利用偏最小二乘法建模[16].

图 5 相关性t1/u1平面 Fig. 5 Correlation diagram between dependent variables principle component and independent variables principle component

3.2.2 模型建立

通过反复尝试,为确保自变量X对因变量Y具有解释意义,选择Q2(cum)=0.64(>0.50) 的W01、W02、W03、W04、W05、W06和W07等7个子流域数据,Cl-、NO3-、SO42-和TN等水质参数,采用偏最小二乘回归方法建立模型,分析流域水质参数与土地利用类型之间的关系,其表达式如下:

式中,c为水质参数的浓度 (mg ·L-1);α为水质参数,本研究中主要为Cl-、NO3-、SO42-和TN;Ai为第i种土地利用类型对水质参数的影响常数项;Pi为第i种土地利用类型面积比 (%);βi为第i种土地类型对水质参数的影响系数.不同土地利用类型对水化学参数的影响系数如表 1所示.

表 1 土地利用类型面积对水化学参数的影响系数 Table 1 Influence coefficient of Land use type area on hydrochemical parameters

结合表 1数据可知,未利用地、林地、居民及工矿建设用地和耕地是对水化学参数影响较大的土地利用类型 (影响系数,βi >0.21),其中未利用地、居民与工矿建设用地和耕地等土地利用类型与水质参数成正相关关系,即面积所占百分比越大,水质参数浓度越大,水质就会越差.未利用地多指未开发的裸地、部分工业生活废物堆放区,在降雨条件下,未利用地极易形成地表径流,将雨水淋溶作用下溶解的污染物带入河水中,因此未利用地对河流中4种水质参数浓度变化都具有较大影响,影响系数值均大于0.24.居民及工矿建设用地,主要是指居民住宅区、商业区及工矿和建筑物用地.太子河流域沿线的本溪、辽阳以及鞍山市,是辽宁省重要的工业基地,集中了大量的造纸、有色金属采矿、化学原料及化学制品工厂.居民区、商业区与工业区生活污水、工业废水排放与固体垃圾溶滤作用是导致Cl-、NO3-升高的主要原因;而采矿区采矿过程中破坏地层完整性,增大径流过程中的溶滤作用,可能是导致水体中SO42-浓度变化的主要原因,因此居民及工矿建设用地这一土地利用类型对水质参数影响系数均大于0.21.耕地对河流与水质变化影响也相对较大,尤其对河水中氮污染的贡献较大,影响系数大于0.22.林地与水化学参数呈负相关关系,即林地面积越大,水化学离子浓度越小.林地对地面径流的截留,对污染物的降解去除作用,是流域水质变好的重要原因.因此,为了改善太子河流域水质条件,可在采矿区以及工业区附近增加绿化带面积,在未利用的裸地上适当种植一些有利于水质改善的林草地.

土地利用类型对水质影响大小,可通过土地利用类型对水质影响的VIP (variable importance in the projection) 值表示 (图 6). VIP值的大小,可以确定在具有多重共线性的不同自变量中,哪些是对因变量最具有解释意义的自变量. VIP>1,表示自变量对因变量具有显著解释意义;0.80<VIP<1,表示自变量对因变量具有中等程度的解释意义;VIP<0.80,则表示自变量对因变量不具备明显解释意义[15]. VIP值排序图显示,作为自变量的6种土地利用类型,对水质的综合影响大小顺序为:林地>未利用地>居民及工矿建设用地>耕地>草地>水域,其中林地、未利用地、居民及工矿建设用地的VIP值均大于1,对流域水环境质量变化起到重要作用;而草地与水域这两种土地利用类型对水质影响的VIP值小于0.80,因此草地与水域对水质影响不显著.

图 6 太子河流域影响水质的土地利用类型排序 Fig. 6 Sorting figure of the influence of land use on water quality in Taizi River Basin

3.2.3 模型预测分析

利用PLS模型求得另外4个子流域W08、W09、W10和W11水化学参数NO3-、Cl-、SO42-和TN的浓度预测值,并与实测值进行曲线拟合 (图 7).

图 7 水化学参数预测值与实测值拟合 Fig. 7 Fitting curves of predicted and measured hydrochemical parameters

水化参数TN和NO3-利用最小二乘法模型求得的预测值与实测值的拟合度较好[R2>0.62,图 7(a)7(b)],绝大多数点位都在y=x曲线附近均匀分布[16],也就是说土地利用类型变化对水体中TN和NO3-浓度变化影响较大. 图 7(a)显示,子流域W10和W11中TN浓度比子流域W08和W09高,结合图 3可知,W10和W11两个子流域的耕地、居民及工矿建设用地面积所占百分比较大,两种土地利用类型面积百分比之和在35%以上,因此TN浓度大小受耕地和居民工矿建设用地影响强烈;而对比W10和W11两个子流域发现,子流域W10耕地面积百分比要比子流域W11中的更大,而TN在子流域W10中浓度也相对更高,因此,耕地对流域水体中TN影响更大. 图 7(b)显示,子流域W11中NO3-浓度最高,对比其他3个子流域可知,子流域W11耕地、居民及工矿建设用地和未利用地面积百分比之和是4个子流域中最大的,表 1显示,未利用地、居民及工矿建设用地和耕地都对NO3-浓度变化有较大影响 (影响系数>0.21),由于4个子流域中未利用地面积百分比都低于1.13%,因此不是未利用地影响造成此结果;而耕地面积百分比在4个流域中为14%~25%,且最大值出现在子流域W10,因此也不是耕地面积变化造成NO3-浓度变化;但是居民及工矿建设用地面积百分比在4个子流域差别显著,最大值就在子流域W11且其值为24%远大于其他几个子流域, 因此居民及工矿建设用地对流域水体中NO3-浓度变化起重要影响作用.水化参数Cl-和SO42-预测值与实测值的拟合度并不是很好[R2<0.40,图 7(c)7(d)],也就是说土地利用类型对Cl-、SO42-浓度变化有影响,但并不是最重要的影响因素.通常SO42-来源主要是化学风化侵蚀,土壤硫酸盐溶解等. Cl-的物理化学性质稳定,在运移过程中极少参与化学反应,因此Cl-来源主要是生活与工业排放.

4 结论

(1) 在子流域尺度上,太子河流域土地利用类型对河流水质的影响大小顺序为:林地>未利用地>居民及工矿建设用地>耕地>草地>水域.林地、未利用地、居民及工矿建设用地对河流水质影响显著 (VIP>1),耕地与草地对水质影响较为显著 (0.80<VIP<1).

(2) 选取7个不同子流域的土地利用数据作为自变量,4个水化学数据作为因变量,构建了土地利用类型和河流水质的偏最小二乘模型,并使用其余子流域数据对构建的模型进行验证.结果表明,土地利用类型对河流地表水中TN、NO3-浓度变化有重要影响,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NO3-浓度变化影响强烈.但是对于Cl-、SO42-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.

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