白洋淀富营养化遥感监测及其对周边土地利用变化的响应
文献类型：学位论文
| 作者 | 王子铭 |
| 答辩日期 | 2023-06 |
| 文献子类 | 学术型学位 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 授予地点 | 中国科学院地理科学与资源研究所;中国科学院大学中丹学院 |
| 导师 | 宋献方 ; 杨丽虎 |
| 关键词 | 白洋淀 Landsat卫星 遥感反演 富营养化 土地利用 |
| 学位名称 | 硕士 |
| 学位专业 | 环境科学 |
| 英文摘要 | 富营养化已成为影响国内外水环境安全的重要问题。随着我国社会经济的快速发展，大量外源营养物质流入湖泊，目前我国的重点湖泊中有29%处于不同程度的富营养化状态。作为华北平原的重要湖泊，白洋淀也出现了严重的富营养化问题，水体氮磷含量超标，甚至发生了大规模死鱼事件。工业废水、农田化肥和生活垃圾等陆地来源的污染物是湖泊中营养物质的重要来源，这些污染物的总量和构成随区域土地利用结构的变化而变化，因此土地利用变化会通过影响流入湖泊的污染物从而影响湖泊的营养状态。湖泊富营养化监测是水环境治理的重要前提，但地面监测方法局限性较强，仅能在点位水平反映湖泊营养状态，也无法实现历史变化情况的监测，遥感技术可以弥补地面监测的不足。因此，结合遥感技术实现对白洋淀水体富营养化的时空连续监测，探究区域土地利用结构与富营养化的响应关系对区域土地规划和白洋淀水环境治理具有重要意义。 本研究通过实地调查获取实测水质数据，运用统计分析方法、综合营养状态指数等方法，分析了白洋淀整体水质和富营养化程度现状。再结合Landsat卫星影像数据，运用遥感反演技术构建了叶绿素（Chl-a）、总氮（TN）和总磷（TP）的反演模型，分析了1988~2022年白洋淀富营养化的时空变化特征。最后结合反演结果、土地利用数据和经济年鉴数据，分析了区域土地利用结构变化特征，再运用偏最小二乘回归等方法探究了土地利用变化对白洋淀富营养化的影响。得到的主要结论如下： （1）阐明了2021~2022年白洋淀不同功能区内采样点的水质、营养状态和水质等级在秋季和夏季的空间差异。在季节差异上，浊度（Turb）、Chl-a、氨氮（NH4+-N）、TN、TP和总悬浮物（TSM）均呈现夏季高于秋季的特征，溶解氧（DO）、pH、氧化还原电位（ORP）和透明度（SD）均呈现秋季高于夏季的特征，电导率（EC）和化学需氧量（CODcr）的季节特征不明显。其中NH4+-N和TP是秋季水体的主要污染因子，CODcr是白洋淀水体夏季的主要污染因子。在5个功能区的空间差异上，入淀区的TSM、Turb和NH4+-N浓度最高，旅游区的TN浓度最高，生活区的CODcr浓度最高，养殖区的Chl-a和TP浓度最高，原始区的ORP最高。白洋淀水体的综合营养状态指数（TLI）值变化范围为40.68~59.10，秋季主要处于轻度富营养化状态，夏季主要处于中度富营养化状态。秋季约60%的点位水质属于Ⅰ~Ⅱ类水体，夏季约68%的点位水质属于Ⅱ~Ⅳ类水体，秋季水质整体优于夏季。 （2）构建了白洋淀Chl-a、TN和TP的反演模型，并解析了1988~2022年白洋淀富营养化指标和营养状态的年变化特征和空间差异。针对白洋淀Chl-a、TN和TP浓度构建出的反演模型验证集R2分别为0.69、0.65和0.71，交叉验证平均R2分别为0.62、0.63和0.65，整体预测效果较好。1988~2022年白洋淀水体Chl-a、TP浓度整体呈下降趋势，变化率分别为平均每年下降0.12 μg·L-1和2.05×10-4 mg·L-1；TN浓度整体呈微弱上升趋势，变化率为平均每年上升1.55×10-4 mg·L-1。富营养化程度整体呈减轻趋势，TLI值变化率为平均每十年下降0.67。但受游客垃圾、水田耕作和淀中村人民生产生活等影响，北部旅游区、西北部入淀区和中东部生活区共22.74%区域的富营养化程度呈显著增加趋势。 （3）分析了1990~2021年白洋淀区域土地利用的面积变化、利用程度变化、类型转移和变化速度的年变化特征，并结合景观格局指数分析了区域景观破碎化程度特征。在白洋淀区域的六大地类中，除建设用地和未利用地外各地类面积均呈下降趋势，减少的面积分别为565.58 km2（耕地）、17.10 km2（林地）、39.62 km2（草地）和16.68 km2（水域），增加的面积分别为638.52 km2（建设用地）和0.46 km2（未利用地）。土地利用程度呈逐年上升趋势，土地利用程度综合指数由304.32上升至319.58。主要的土地利用转换类型为耕地转为建设用地，转移面积为629.096 km2。各地类中耕地和建设用地面积的变化速度最快，其平均值分别为30.29 km2·yr-1和21.00 km2·yr-1；但整体变化速度呈减缓趋势，土地利用结构趋于稳定。从景观格局角度看，白洋淀区域近30年的景观破碎化程度整体呈减小趋势，其中耕地和建设用地为区域内的优势地类。景观边缘形状趋于复杂化，尤其是耕地和建设用地。地块间连通程度下降，景观异质性增加。 （4）得出了白洋淀水体富营养化与土地利用因素间的线性回归关系，分析了各土地利用因素对富营养化的影响程度。利用偏最小二乘回归方法构建了白洋淀水体Chl-a、TN、TP和TLI值的拟合模型，选取的解释变量分别解释了白洋淀水体Chl-a、TN、TP和富营养化变化的48.3%、45.4%、60%和49.5%。白洋淀区域地表残留的化肥农药、植物残体等是水体中TP的重要来源，而景观的破碎化会导致磷营养盐更多地流失至水体，加重磷污染负荷。生态补水的冲刷携带的河道残余污染物是白洋淀水体但营养源的重要来源之一。但总体来说白洋淀区域针对水环境实施的治理措施对氮、磷的控制效果超过了这些因素的负面影响。水域斑块密度、耕地占比和建设用地占比对白洋淀各富营养化指标的影响程度最大，其次是GDP对TN和Chl-a浓度影响程度较大，人口和化肥施用量对TP浓度影响程度较大。 本研究结合实测水质数据和Landsat卫星影像数据，利用遥感反演、偏最小二乘回归等方法，分析了近30年白洋淀富营养化的时空变化特征及其与土地利用变化的响应关系。研究结果为白洋淀流域土地规划、开发等综合整治活动提供理论向导，同时也为白洋淀水质监测和治理工作提供了科学依据。 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 130 |
| 源URL | [http://ir.igsnrr.ac.cn/handle/311030/199706]  |
| 专题 | 地理科学与资源研究所_研究生部 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 王子铭. 白洋淀富营养化遥感监测及其对周边土地利用变化的响应[D]. 中国科学院地理科学与资源研究所;中国科学院大学中丹学院. 中国科学院大学. 2023. |
入库方式： OAI收割
来源：地理科学与资源研究所
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