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      江西省尋烏縣水源地保護與小流域治理效果研究

      2021-01-16 02:49:09劉小真李江東梁麗華
      人民長江 2021年12期
      關(guān)鍵詞:尋烏縣東江水源地

      劉小真 李江東 梁麗華

      摘要:江西省尋烏縣東江源地區(qū)是珠三角和香港地區(qū)的重要飲用水水源地,為保護東江源區(qū)生態(tài)環(huán)境,政府開展了一系列治理工作?;趯蹩h2010年和2018年土地利用數(shù)據(jù),采用ArcGIS 10.2、Fragstats 4.2.1、Origin 2016軟件對景觀指數(shù)變化規(guī)律、土地利用方式動態(tài)度進行分析。結(jié)合土地利用轉(zhuǎn)換矩陣計算各地類之間的轉(zhuǎn)化動態(tài)信息,并對比治理前后飲用水源水質(zhì)情況,分析治理的效果。結(jié)果表明:建設(shè)用地動態(tài)度最高,但是斑塊密度下降,聚集度、最大斑塊指數(shù)增加;耕地凈轉(zhuǎn)出量最高,林地凈轉(zhuǎn)入量最高,林地主要由耕地和草地轉(zhuǎn)入,耕地斑塊密度增加,最大斑塊指數(shù)下降,耕地逐漸分散,林地的蔓延度指數(shù)增加,林地逐漸連成一片;治理后飲用水源水質(zhì)轉(zhuǎn)優(yōu)。說明區(qū)域內(nèi)移民搬遷、退耕還林、植樹造林效果較好,但水域面積有所下降。建議加強對污水處理站及人工濕地的后期管理,控制河岸周圍人口及城鎮(zhèn)規(guī)模,并對餐廚廢水進行妥善處理。

      關(guān) 鍵 詞:水源地保護; 生態(tài)修復(fù); 土地利用方式; 東江源頭

      中圖法分類號: X36

      文獻標(biāo)志碼: A

      DOI:10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.12.010

      0 引 言

      飲用水安全與百姓生活息息相關(guān),已成為人類密切關(guān)注的問題。人為活動和氣候變化威脅著全球近80%人口的用水安全[1]。在過去的10 a中,中國頻繁發(fā)生飲用水源污染事件,影響數(shù)百萬居民[2]。當(dāng)前,確保飲用水源免于富營養(yǎng)化等污染,已成為飲用水供應(yīng)、糧食安全和公共衛(wèi)生的主要挑戰(zhàn)[3]。以農(nóng)業(yè)和果業(yè)經(jīng)濟為主的部分水源地,容易出現(xiàn)水土侵蝕和土地營養(yǎng)鹽的損失[4-6]。陳瑞冰等[7]通過分析地形地貌、植被條件,結(jié)合相關(guān)國家政策提出了小流域治理的相關(guān)方法。Shi等[8]利用模型計算發(fā)現(xiàn)僅從單方面進行小流域治理的效果一般。吳一帆等[9]利用InVEST模型計算得出在潮河流域采用綜合修復(fù)的方法效益較高。尋烏縣東江源地區(qū)是珠三角和香港的重要飲用水水源地,保護其水資源安全尤為重要[10-11]。近年來,尋烏縣東江源區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展較快[12],但大面積開墾林地容易造成水土流失和水體污染。數(shù)據(jù)顯示2013年,91%的氮進入東江上游河段[13],氮、磷為東江源地區(qū)主要污染物,九曲灣水庫水質(zhì)未達到Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn)[14]。

      2015~2016年,尋烏縣政府結(jié)合本地實際情況,出臺了相關(guān)政策并對尋烏縣東江源頭區(qū)域的小流域治理與水源地保護工程進行了相關(guān)規(guī)劃設(shè)計,但反映相關(guān)治理效果的研究較少。本文介紹當(dāng)?shù)卣扇〉囊恍┲卫泶胧⒔Y(jié)合柵格數(shù)據(jù)利用ArcGIS10.2和Fragstats4.2.1軟件對比2010年和2018年尋烏縣土地利用方式的變化情況,利用Origin2016繪制土地利用動態(tài)度變化圖,以及對比相關(guān)措施實施前后飲用水源水質(zhì)變化情況,評價治理的效果并指出不足。

      1 研究區(qū)概況

      江西省尋烏縣三標(biāo)鄉(xiāng)東江源村北部的椏髻缽山是東江發(fā)源地,椏髻缽山占地29.8 km2,海拔1 101.9 m。距離椏髻缽山28 km、縣城區(qū)10 km的三標(biāo)鄉(xiāng)九曲灣水庫是縣城居民的飲用水源。尋烏縣屬于亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候,平均降水量1 650 mm。降水量分布不均,夏季高溫多雨,冬季溫暖少雨,總體來說水資源較為豐富[15]。尋烏縣年平均氣溫19.0 ℃,1月平均氣溫9.3 ℃,7月平均氣溫27.3 ℃,極端最低氣溫-5.5 ℃,極端最高氣溫38.3 ℃,無霜期284 d[16]。尋烏縣國土總面積2 325.47 km2,東江水系流域面積1 974 km2,尋烏縣常年平均徑流量為18.3億m3。干流尋烏水(椏髻缽山至斗晏村省際交界處)全長106.5 km。研究區(qū)如圖1所示。

      2 尋烏縣治理措施

      為保護東江源頭區(qū)域生態(tài)環(huán)境,保證下游城市居民的飲用水安全,2016年初,政府投入資金建設(shè)了一批環(huán)境保護以及生態(tài)修復(fù)工程。一方面利用“污水處理站-生態(tài)護岸-人工濕地”模式,處理生活污水;另一方面對水源地的居民進行了搬遷,敏感區(qū)禁止種植經(jīng)濟作物、禁止放養(yǎng)家禽、禁用高毒農(nóng)藥,植樹造林,退耕還林,在居民集中居住區(qū)鋪設(shè)雨污管網(wǎng),建設(shè)人工濕地,實行河長制等。

      構(gòu)建馬齊田生態(tài)處理區(qū)、燕子窩生態(tài)處理區(qū)和三標(biāo)鄉(xiāng)濕地公園生態(tài)處理區(qū),燕子窩河心島生態(tài)護坡總計49 300 m2,九曲灣庫前植物修復(fù)區(qū)、三標(biāo)鄉(xiāng)壩前生態(tài)溝渠和永熟壩河道生態(tài)緩沖帶總計2 850 m,同時建設(shè)九曲灣水庫上游區(qū)三標(biāo)村、黃陂村、基田村、胡屋村分散式生活污水處理站,鋪設(shè)雨污管網(wǎng)23 860 m。河道生態(tài)緩沖帶上種植水蔥以及蘆葦?shù)戎参?。植物的根系可以固結(jié)碎石和土壤,抵御水流的沖刷,從而緩解水土流失[17]。三標(biāo)鄉(xiāng)污水處理設(shè)施布局如圖2所示。人工濕地可以通過多種方式改善水質(zhì),包括養(yǎng)分的吸收,促進顆粒物的沉降和減少水環(huán)境中藻類生物量[18]。

      尋烏縣三標(biāo)鄉(xiāng)復(fù)合人工濕地用于集中處理未收集進入農(nóng)村生活污水管網(wǎng)的污水。該復(fù)合人工濕地占地8 945 m2,日處理污水量為6 000 m3,水力負荷為0.67 m3/(m2·d),水力停留時間為19.5 h。復(fù)合人工濕地系統(tǒng)由預(yù)處單元、濕地單元和排放單元組成,其工藝如圖3所示。

      3 資料來源和研究方法

      以各大數(shù)據(jù)平臺獲得的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),選取相應(yīng)景觀指數(shù),運用Fragstats 4.2.1軟件分析研究期間當(dāng)?shù)鼐坝^指數(shù)的變化,利用ArcGIS 10.2對土地利用數(shù)據(jù)進行表征,得出效果圖;同時利用土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣,計算不同時期不同土地類型內(nèi)部的變化,并對比尋烏縣九曲灣水庫和太湖水庫的水質(zhì)狀況,分析此次治理的效果。尋烏縣水源地監(jiān)測數(shù)據(jù)源于尋烏縣人民政府官網(wǎng);東江流域以及尋烏縣DEM數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云;尋烏縣2010年和2018年土地利用數(shù)據(jù)來源于地理國情監(jiān)測云平臺,分辨率為30 m;當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)修復(fù)設(shè)施參數(shù)來源于設(shè)施安全手冊。

      利用ArcGIS 10.2軟件,根據(jù)2010年與2018年尋烏縣土地利用方式的柵格數(shù)據(jù)作圖,結(jié)果如圖4所示。選取相應(yīng)景觀指數(shù),利用Fragstats 4.2.1進行分析,結(jié)果如表1~3所列。

      土地利用方式的變化情況,可以用單一土地利用動態(tài)度來表示,其表達式為

      K=Kb-KaKa×1T×100%(1)

      式中:K為研究期某一種土地利用的動態(tài)度;

      Ka為研究初期a時刻某種土地利用類型的面積,km2;

      Kb為研究末期b時刻某種土地利用類型的面積,km2;

      T為研究期時長,a。

      當(dāng)K>0時,表示這種土地利用類型的面積在研究期間內(nèi)處于增長階段;當(dāng)K<0時,表示這種土地利用類型的面積在研究期間內(nèi)處于減少階段;K=0時,表示這種土地利用類型的面積在研究期間內(nèi)沒有變化。計算結(jié)果如表4所列。

      4 治理結(jié)果與效果分析

      4.1 土地利用方式的變化

      由表1~4可知:尋烏縣主要以耕地、林地為主,2010年和2018年耕地與林地分別占尋烏縣總面積的88.90%,94.04%。區(qū)域耕地、草地的面積呈下降趨勢,而林地和建設(shè)用地則呈上升趨勢。

      建設(shè)用地動態(tài)度最大,耕地、林地變化量雖然大,但是動態(tài)度均低于建設(shè)用地。耕地的減少和林地的增加與尋烏縣出臺的一系列水源地保護、小流域治理政策和措施有著密切關(guān)系,而建設(shè)用地的高動態(tài)度則可能與尋烏縣城鎮(zhèn)化建設(shè)及人口的增加有著很大關(guān)聯(lián)。

      耕地斑塊密度的增加說明耕地景觀破碎化程度增加,耕地聚集指數(shù)減少了8.4%、最大斑塊指數(shù)減少了89.9%,說明耕地區(qū)域連接性降低,耕地逐漸分散,景觀優(yōu)勢度降低。相比耕地區(qū)域,林地區(qū)域面積有了明顯的增加,林地斑塊密度下降98.5%,說明林地景觀破碎化程度降低;林地聚集指數(shù)略有增加,最大斑塊指數(shù)增加了97.8%,說明林地區(qū)域有所聚集,林地景觀優(yōu)勢度上升。草地景觀的面積、斑塊密度、最大斑塊指數(shù)都出現(xiàn)了明顯的下降,但聚集指數(shù)增加了31.4%。對比圖4可看出,2010年部分草地區(qū)域演化成了林地,林地的斑塊變大,部分被草地和耕地分隔的林地連為了一體。由表3可知,整體景觀的蔓延度指數(shù)增加了18.80%,一般來說,高蔓延度值說明景觀中的某種優(yōu)勢斑塊類型具有良好的延續(xù)性,林地面積的大幅度增加并逐漸連成一片也可印證這一點。

      水域景觀面積、斑塊密度、最大斑塊指數(shù)分別減少了23.3%,88.8%,30.0%,但聚集指數(shù)增加了19.4%;建成區(qū)景觀面積、最大斑塊指數(shù)、聚集度指數(shù)分別增加了67.1%,200.0%,8.2%,但斑塊密度減少了41.9%,說明部分分散的水域逐漸消失,水體景觀優(yōu)勢度降低;部分位于河流發(fā)源地的偏遠村莊消失,說明移民搬遷政策執(zhí)行到位,但由于尋烏縣主城區(qū)人口的增加,用水量增加,水體景觀減少,建設(shè)用地景觀面積、集中度增加。

      4.2 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

      土地利用轉(zhuǎn)移矩陣可以反映在一段時間內(nèi)各種地類之間轉(zhuǎn)化的動態(tài)信息,表達式為

      Sij=S11…S1nSn1…Snn(2)

      式中:Sij表示第i種土地利用類型轉(zhuǎn)化j種土地利用類型的面積,n表示土地利用類型的總數(shù)。利用ArcGIS 10.2的格柵計算器對尋烏縣2010年和2018年土地利用方式柵格圖層進行分析,將耕地、林地、草地、建設(shè)用地、水域這五類土地利用方式進行融合-相交,得到土地利用矩陣,如表5、圖5所示。

      這時期轉(zhuǎn)入面積最大的為林地,主要來源為耕地和草地,其中耕地轉(zhuǎn)入面積占總轉(zhuǎn)入面積的63.35%,主要體現(xiàn)在尋烏縣北部山區(qū);草地轉(zhuǎn)入面積占總轉(zhuǎn)入面積的34.65%,主要體現(xiàn)在尋烏縣中南部東江河沿岸地區(qū)。轉(zhuǎn)出面積最大的為耕地,其主要轉(zhuǎn)化為林地和草地,其中林地占轉(zhuǎn)出總面積的84.83%,草地占轉(zhuǎn)出總面積的12.11%。凈轉(zhuǎn)入面積最大為林地,為371.58 km2,凈轉(zhuǎn)出面積最大為耕地,為250.74 km2,此外,草地的凈轉(zhuǎn)出面積也達到了130.02 km2。建設(shè)用地的凈轉(zhuǎn)入面積為10.26 km2,建設(shè)用地的主要轉(zhuǎn)入類別為耕地和林地,主要集中在尋烏縣主城區(qū)附近,水源地區(qū)域建設(shè)用地主要轉(zhuǎn)出為林地,說明水源地移民搬遷效果明顯,但主城區(qū)域人口增加,建設(shè)用地面積增加。尋烏縣主城區(qū)域的擴大占用了部分耕地和林地,但是水源地區(qū)域大部分耕地轉(zhuǎn)化為林地和草地,主河道沿岸大部分耕地也轉(zhuǎn)化為林地和草地,說明此次退耕還林、植樹造林效果明顯。

      4.3 水源保護現(xiàn)狀及存在的問題

      生態(tài)修復(fù)設(shè)施的建成和水源地保護政策的出臺緩解了尋烏縣東江源區(qū)水土流失和農(nóng)業(yè)用地帶來的水質(zhì)惡化問題,2019年和2020年4個季度的集中式飲用水源水質(zhì)報告顯示,東江源頭三標(biāo)鄉(xiāng)的九曲灣水庫由2013年的Ⅲ類水提升并保持在了Ⅱ類水;水源鄉(xiāng)的太湖水庫為Ⅱ類水質(zhì),飲用水源地水質(zhì)達標(biāo)率為100%(水源鄉(xiāng)位于東江上游,與三標(biāo)鄉(xiāng)相鄰,太湖水庫于2018年9月開始蓄水),如表6所列。

      尋烏縣大部分稀土礦開采工程雖已經(jīng)關(guān)閉,但是部分廢棄稀土礦區(qū)土體松散,植物覆蓋率低,土壤貧瘠,土壤保肥能力差,水土流失較為嚴(yán)重[19-20],廢棄礦山的廢水也會對周邊水環(huán)境造成損害,故仍需加大力度治理廢棄稀土礦礦山的生態(tài)以及地質(zhì)環(huán)境,同時也要注意人口的增長、建設(shè)用地增加以及水域減少帶來的生態(tài)問題。

      5 結(jié)論和建議

      5.1 結(jié) 論

      本文通過對尋烏縣東江源頭區(qū)域進行實地考察,利用ArcGIS 10.2和Fragstats 4.2.1軟件分析得出以下結(jié)論。

      (1) 2010~2018年,區(qū)域內(nèi)耕地面積減少51.27%,林地面積增加29.5%,林地凈轉(zhuǎn)入面積最高,耕地凈轉(zhuǎn)入面積最低,多數(shù)耕地和草地區(qū)域轉(zhuǎn)化為林地,林地景觀優(yōu)勢度上升,連接度增加。研究區(qū)域內(nèi)建設(shè)用地動態(tài)度最高,達到了8.19%,建設(shè)用地增加了88.14%,凈轉(zhuǎn)入10.26 km2,但是斑塊密度下降,聚集度、最大斑塊指數(shù)增加,分散度下降,建設(shè)用地逐漸集中于尋烏縣主城區(qū),說明隨著出生人口的增加以及移民搬遷進入主城區(qū)的人數(shù)增加,城鎮(zhèn)規(guī)模逐漸擴大。

      (2) 位于水源地的耕地和建設(shè)用地面積下降,說明區(qū)域內(nèi)移民搬遷政策效果較好。耕地斑塊密度增加,最大斑塊指數(shù)下降,耕地逐漸分散,林地的蔓延度指數(shù)增加,林地逐漸連成一片,說明區(qū)域內(nèi)退耕還林、植樹造林效果較好。

      (3) 水域動態(tài)度最低,為-2.40%,水體區(qū)域減少14.26%,這點不容忽視。治理后飲用水源水質(zhì)有所提升,但水域面積有所下降,應(yīng)加大對水資源的保護并節(jié)約用水。

      5.2 建 議

      (1) 完善生態(tài)設(shè)施的后期管理。

      人工濕地的后期運行方面,由于較少的水生植物能在低溫下生存,因此冬季和早春大型水生植物的去污性能可能會很低,因此,應(yīng)定時檢查并打撈去除大型植物的殘骸并定期疏通入流河道,以減少大型植物腐爛引起的水質(zhì)問題和減緩河道的堵塞,鞏固建設(shè)的成果。

      (2) 控制河岸周圍人口及城鎮(zhèn)規(guī)模。

      雖通過一系列生態(tài)修復(fù)措施,使得耕地景觀面積減少,林地景觀面積增加,但建筑面積的增加以及人口的增長,不利于水體的恢復(fù)。應(yīng)控制河流兩岸周圍的城市化進程和人口的增長,加強對當(dāng)?shù)鼐用竦乃枷虢逃c對生態(tài)文明建設(shè)的宣傳力度,從根本上減少人為因素對生態(tài)環(huán)境的負面影響。

      (3) 推進生活垃圾分類處置。

      東江源頭部分地區(qū)的餐廚廢水與一般生活污水一同排放,增加了污水處理設(shè)施的負荷,對當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的影響較大。史曉燕等[21]發(fā)現(xiàn)東江源頭沿江村莊餐廚廢水污染程度較大。故對于水質(zhì)較差的餐廚廢水,應(yīng)在排放后設(shè)置格柵進行預(yù)處理,過濾水流中的食物殘渣后進行深度處理,或者引入農(nóng)村化糞池進行厭氧發(fā)酵處理。

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      (編輯:黃文晉)

      Effect of water source protection and small watershed management in Xunwu County, Jiangxi Province

      LIU Xiaozhen1,2,LI Jiangdong2,LIANG Lihua3

      (1.Key Laboratory of Environment and Resource Utilization of Poyang Lake of Ministry of Education,Nanchang University,Nanchang 330031,China; 2.School of Resources,Environment and Chemical Engineering,Nanchang University,Nanchang 330031,China; 3.Nanchang Wuqiu Environmental Protection Technology Co.,Ltd.,Nanchang 330006,China)

      Abstract:

      The Dongjiang origin area in Xunwu County,Jiangxi Province is an important drinking water source of the Pearl River Delta and Hong Kong regions.In order to protect the ecological environment of the Dongjiang origin area,the government has carried out a series of treatment.Based on the land use data in 2010 and 2018,ArcGIS 10.2,F(xiàn)ragstats 4.2.1,Origin 2016 were used to analyze the changing laws of landscape index and the dynamics of land use patterns.Combined with the land use conversion matrix,the dynamic information of transformation between various categories was calculated.The quality of drinking water source before and after the treatment was compared,and the effects of treatments were analyzed.The results showed that the dynamic degree of construction land was the highest,but its patch density decreased,aggregation degree and the maximum patch index increased.The net transfer of cultivated land to other types of land was the highest,and the net transfer of other types of land to forest land was the highest.Forest land was mainly transferred from cultivated land and grassland.The patch density of cultivated land increased,and the maximum patch index of cultivated land decreased,the cultivated land was gradually dispersed,the spread index of forest land increased,and forest land was gradually connected.After the treatment,the quality of drinking water sources had improved.It showed that the effects of resettlement,urbanization,return the grain plots to forestry,and afforestation in the region were good,but the water area had declined.It is recommended to strengthen the post-management of sewage treatment stations and constructed wetlands,control the population around the river bank and the size of towns,strengthen communication and coordination with local people,and dispose the kitchen wastewater properly.

      Key words:

      water source protection;ecological restoration;land use type;source of Dongjiang River

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