基于GIS空间分析方法研究太湖水质与水生植物群落的关系

1、 基于GIS空间分析方法研究太湖水质与水生植物群落的关系摘要：太湖富营养化问题日益突出，为了研究大尺度，大范围内太湖水质与水生植物群落的关系，本文利用GIS空间分析技术，特别是叠置分析和缓冲区的分析，通过资料整合和现在的数据采集综述了太湖水生植物群落的变化情况，及其与水质的关系，研究了太湖水生植物群落在净化水质的个数，多远的距离种植水生植物群落，以及采样点的个数。为水生植物对太湖水质净化的研究提供了理论依据。关键词：GIS；空间分析；太湖；水质；水生群落 1.引言近年来太湖水环境的富营养化给人类带来诸多损害，其富营养化的原因和控制途径引起了很多的关注。我国针对水环境的富营养化问题开展了大量的工

2、作，特别是水生植物群落与水质的关系，在这方面已有很多研究，水生植物具有吸收水体氮磷营养盐和抑制藻类生长的作用，从而改善了东太湖水质，同时植物季节性生长以及空间分布差异也影响水质时空差异1。位于我国经济发达地区的太湖近年来污染不断加重,自上世纪60年代以来，太湖水质平均每十年下降一个级别，到本世纪，太湖水体总体已由二类以上水质降为五类水质，局部甚至为劣五类。 与此同时，湖泊污染自净能力减弱，水生生物多样性急剧减少，生态服务功能退化明显。其中水质下降是导致水生植物种类不断减少甚至消失的一个重要原因。围网养殖和不合理的捕捞方式也对局部水域的植物造成极大的破坏。水生植物生存环境日益严峻,种群单一化趋势

3、日益明显2。雷泽湘等3研究表明沉水和浮叶植物的N、P含量与水体N、P浓度的相关性较为显著。此外，植物体内的N、P含量亦与植物物种的特性、生长发育阶段和生长状况等内在因素密切相关。杨清心4的研究表明东太湖水生植物覆盖率97%，年生产量1120325t，吸收同化氮3916t，磷486t；年收获利用水生植物599295t，带走氮189lt，磷296t，相当于东太湖年外源氮、磷输入量的28%和57%。从上面的研究都可以综述出水生植物群落可以净化太湖水质中的N、P含量。太湖是我国的第三大淡水湖泊,位于长江三角洲南缘,是太湖流域内的主要饮用水水源,并兼有蓄洪、灌溉、航运、旅游、养殖等功能。近50年来,由于

4、人类不当的生产活动和环境污染等原因,导致太湖湖泊富营养化、水质碱化、生态破坏以及水质恶化等环境问题不断出现。其中富营养化已成为太湖最重要的水环境问题之一。2007年11月到2008年8月,我们按季度对太湖的水化学指标及水生生物群落结构进行了调查分析。 通过水质污染指数评价法和综合富营养化指数法对太湖的水化学分析表明,太湖的主要污染物为氮(N)、磷(P)和有机耗氧量(CODMn)。总磷(TP)所占的污染负荷指数最大(34.34%54.34%),平均污染指数为48.36%。叶绿素a(Chl-a)与TN、TP和CODMn之间呈显著正相关,Pearson相关系数分别为0.715(p0.01)、0.66

5、6(p0.01)和0.740(p0.01)。采用综合营养状态指数法评价太湖的水质状态,发现太湖四个季节的TLI()值均在6070之间,平均值为65.54,各季节的水质状态差异较小。太湖水质整体上已处于中度富营养状态,部分区域已呈严重富营养化。太湖的浮游植物主要由8大门类组成,分别为蓝藻门、绿藻门、硅藻门、隐藻门、甲藻门、黄藻门、裸藻门和金藻门。蓝藻、绿藻和硅藻占浮游藻类个体总量的90%左右,其中尤以蓝藻门占绝对优势。蓝藻门全年均能发现,且全湖性分布。优势种为:铜绿微囊藻(Microcystis aeruginosa )和水华微囊藻(M. flosaquae)。太湖浮游植物密度平均值为1.871

6、07 ind?L-1,生物量平均值为5.36 mg?L-1。浮游植物多样性指数的变化在0.162.43之间,平均为1.08。均匀度指数的变化在0.080.82之间,平均为0.41。均匀度指数与多样性指数结果都显示太湖水体的状况处于中度污染状态。 太湖浮游动物中,原生动物常见种为球形砂壳虫(Difflugia gloculosa)、长圆砂壳虫(Difflugia oblonga)、钟虫(Vorticella sp.),大弹跳虫(Halceria grandinella)、筒壳虫(Tintinnidium fluviatile stein)、累枝虫(Epistylis sp.)、坛状曲颈虫(Cyp

7、hoderia ampulla Ehrenberg)。优势种为表壳虫、球形砂壳虫、筒壳虫、累枝虫。轮虫中的萼花臂尾轮虫(Brachionus calycif lorus ),龟甲轮虫属(Keratella sp.)的三种轮虫全年都有出现。常见种还有角突臂尾轮虫(Brachionus angularis),螺旋龟甲轮虫(Keratella cochlearis);曲腿龟甲轮虫(Keratella ualga ),长三肢轮虫(Filinia longiseta),针簇多肢轮虫(Polyarthra trigla)。枝角类的优势种为象鼻溞(Bosmina sp.)、网纹溞(Ceriodaphnia

8、sp.)、秀体溞(Diaphanosoma sp.)。桡足类主要是剑水蚤(Cyclops sp.),哲水蚤(Sinocalanus sp.)为次优势种。浮游动物数量变化在410.93ind?L-1到8672.05ind?L-1之间,均值为3277.19ind?L-1。生物量的变化在1.04mg?L-1到11.73mg?L-1之间,均值为5.35mg?L-1。太湖浮游动物多样性指数的变化在0.031.88之间,平均为0.90,浮游动物多样性指数随着温度升高而升高,且夏秋的多样性指数大于冬春。 以上的研究都是小尺度，小范围内的研究，且时间较短，还没有发现利用GIS技术研究大尺度范围，及其多年份的太

9、湖的研究，本文利用GIS空间分析技术，特别是缓冲区的分析技术，从宏观大尺度范围内综述太湖水质与水生植物群落的关系，希望为富营养话湖泊的治理提供理论依据。研究空间知识的统一形式化表达与集成方法，消除空间知识的异构性，顾及空间知识的时空特征，从而可以有效利用当前多源异构的空间数据与空间知识资源，为今后在大数据量环境下的空间数据挖掘提供新的思路，丰富空间知识研究的理论方法体系，并对当前的智慧城市建设起到一定的方法性指导作用。2. GIS空间分析技术理信息系统（GIS，Geographic Information System）是一门综合性学科，结合地理学与地图学以及遥感和计算机科学，已经广泛的应用在

10、不同的领域，是用于输入、存储、查询、分析和显示地理数据的计算机系统，随着GIS的发展，也有称GIS为“地理信息科学”（Geographic Information Science），近年来，也有称GIS为地理信息服务（Geographic Information service）。GIS是一种基于计算机的工具，它可以对空间信息进行分析和处理（简而言之，是对地球上存在的现象和发生的事件进行成图和分析）。 GIS 技术把地图这种独特的视觉化效果和地理分析功能与一般的数据库操作（例如查询和统计分析等）集成在一起。GIS与其他信息系统最大的区别是对空间信息的存储管理分析，从而使其在广泛的公众和个人企事

11、业单位中解释事件、预测结果、规划战略等中具有实用价值。GIS可以分为以下五部分：人员，是GIS中最重要的组成部分。开发人员必须定义GIS中被执行的各种任务，开发处理程序。 熟练的操作人员通常可以克服GIS软件功能的不足，但是相反的情况就不成立。最好的软件也无法弥补操作人员对GIS的一无所知所带来的负作用。数据，精确的可用的数据可以影响到查询和分析的结果。硬件，硬件的性能影响到软件对数据的处理速度，使用是否方便及可能的输出方式。软件，不仅包含GIS软件，还包括各种数据库，绘图、统计、影像处理及其它程序。过程，GIS 要求明确定义，一致的方法来生成正确的可验证的结果。 GIS属于信息系统的一类，不

12、同在于它能运作和处理地理参照数据。地理参照数据描述地球表面(包括大气层和较浅的地表下空间)空间要素的位置和属性，在GIS中的两种地理数据成分：空间数据，与空间要素几何特性有关；属性数据，提供空间要素的信息。地理信息系统（GIS）与全球定位系统(GPS)、遥感系统(RS)合称3S系统。地理信息系统(GIS) 是一种具有信息系统空间专业形式的数据管理系统。在严格的意义上, 这是一个具有集中、存储、操作、和显示地理参考信息的计算机系统。例如，根据在数据库中的位置对数据进行识别。实习者通常也认为整个GIS系统包括操作人员以及输入系统的数据。地理信息系统（GIS）技术能够应用于科学调查、资源管理、财产管

13、理、发展规划、绘图和路线规划。例如，一个地理信息系统(GIS)能使应急计划者在自然灾害的情况下较易地计算出应急反应时间，或利用GIS系统来发现那些需要保护不受污染的湿地。2.1叠置分析叠置分析是将有关主题层组成的各个数据层面进行叠置产生一个新的数据层面，其结果综合了原来两个或多个层面要素所具有的属性，同时叠置分析不仅生成了新的空间关系，而且还将输入的多个数据层的属性联系起来产生了新的属性关系。其中叠置分析包括了点与多边形的叠加，线与多边形的叠加，多边形与多边形的叠加。地理对象的本质是整体的，但是，为了研究工作的需要，经常将其分解为多因子分别研究，如：把影响太湖水生植物群落变化的自然地理要素分解

14、为地质、地貌、水文、气象等。在研究实际问题的时候，又需要将它们综合为一个具体目标的整体范畴。即：从多因子地学问题到综合地学问题。比如分析太湖水质的的好坏，就是测定把N的指标，P的指标，叶绿素a的指标等，但是评价湖泊水质的时候是把这些指标叠加起来评价。分析太湖水生植物群落的衰减，可以从降水、温度、DO等方面来综合叠加评价。所以叠置分析可以运用到太湖水质及其水生植物变化的评估上。2.2缓冲区分析缓冲区就是空间实体的一种影响范围或服务范围。缓冲区分析的基本思想就是给定一个空间实体或集合，确定它们的邻域，邻域的大小由领域半径R来确定。其中缓冲区的类型可以分为点缓冲区，线缓冲区，面缓冲区。缓冲区分析是针

15、对点、线、面实体，自动建立其周围一定宽度范围以内的缓冲区多边形。缓冲区的产生有三种情况：一是基于点要素的缓冲区，通常以点为圆心、以一定距离为半径的圆；二是基于线要素的缓冲区，通常是以线为中心轴线，距中心轴线一定距离的平行条带多边形；三是基于面要素多边形边界的缓冲区，向外或向内扩展一定距离以生成新的多边形。比如对于水生植物群落的群从内外的水质存在这以水生植物群落为中心的向外的水质存在这逐渐变差的趋势，也就是植物群落净化水也有一个缓冲的范围，超过这个范围，就失去作用，并且在这个范围内，以离水生植物群从的距离的增加，水质变差。所以缓冲区的分析也可以用到太湖水质与水生植物群落的研究中去。2.3网络分析

16、在GIS中，网络分析就是依据网络拓扑关系（结点与弧段拓扑、弧段的连通性），通过考察网络元素的空间与属性数据，以数学理论模型为基础，对网络的性能特征进行多方面的分析计算技术。网络分析的根本目的是研究、筹划一项工程如何安排，并使其运行效果最好，如城市的公交站台的设计等。这类问题在生产、社会、经济活动中不胜枚举，因此研究此类问题具有重大意义。在研究太湖时也可以运用网络分析，把水生植物群从看成一个一个的点，然后把一个点接一个点的连接起来，在设计取样点的时候可以运用，就是说在太湖哪些地方采样可以代表整个太湖的水质的一个状况。其实在运用GIS空间分析技术的时候可能是多种的技术的一个联合使用，比如在研究太湖

17、水质与水生植物群落的关系的时候，首先是要设置采样点，在设置的时候就可以利用缓冲分析，分析其水生植物群落的影响范围，和网络分析中的使效果达到最好，这两种空间分析方法的联合使用，可以使采集的数据更具有代表性，放映水质的情况更加真实，在分析其联系的时候首先要考虑到水生植物群落的衰退的影响因素，这就需要用到空间分析中的叠置分析方法。以下主要运用空间分析中的叠置分析对水质进行综合评价以及利用缓冲区分析对太湖的采样点进行设置。3.太湖水质变化与采样点的设置太湖位于长江三角洲南缘，地处北纬30553134，东经1195312036，水位2.99m(昊凇基面)时湖泊面积2427.8km2，实际水面积2338.

18、1km2，平均水深2m左右，总蓄水量44.28亿m3，属典型的大型浅水湖泊5。3.1太湖水质变化与水生植物种类刘伟龙6等根据中国科学院太湖湖泊生态系统研究站1989年以来的常规监测资料,将西太湖(除东太湖以外的湖区)划分为9个区，采用点截法(point interceptmethod)，于20022005年对各区水生植物的种类、生物量和空间分布情况进行了6次调查。结果表明：西太湖现有水生植物16种，分属于11科12属；水生植物总面积约10220hm2，其中沉水植物分布面积约占64.58%；挺水植物约占0.29%；漂浮植物约占38.16%。由于对水质的适应阈不同，水质变化能导致生物多样性变化、退

19、化和消失7。水体营养盐的提高能够显著提高植物的生产力，但会导致植物种类减少，中度营养水体中生物多样性最高8。水生植物种类的减少甚至消失是水质下降的一个明显的标志9。中国科学院太湖湖泊生态系统研究站监测资料显示，太湖20世纪60年代属-类水体；70年代其水质发展至类；80年代初其水质平均为-类；80年代末,太湖水质大部分为类,局部和类；90年代中期水质平均为类，三分之一湖区为类(图4)。20002005年太湖水质属中度富营养状态，水质为劣类。平均每10a左右下降一个级别,近10多年下降速度明显加快。19871995年，太湖水体中的凯氏氮和总磷含量分别上升了66%和79%。目前，沉水植物和漂浮植物

20、主要分布在水质相对较好的东部，挺水植物则分布在图4所显示的水质较差的湖西岸，水生植物的分布区域与水环境的差异具有较好的一致性。可见水体富营养化对西太湖水生植物的影响非常显著，1960年太湖水生植物为66种10，2005年西太湖水体中仅存16种。3.2利用叠置分析评价太湖水质毛新伟11等对1997年到2006年太湖的基本水质指标进行了测试结果如下，并且评价了太湖水质的情况由上图可知作者在研究太湖水质时是测定水质中总氮、总磷、氨氮、COD、BOD、Chla的含量，然后在综合进行评价太湖水质，如果这个按照叠置分析的话，就把这些测定的指标看成一个一个的点，最后在评价水体的营养程度的时候在叠加在一起，比

21、如水体富营养目前一般采用的指标是：水体中氮含量超过0.2-0.3ppm，生化需氧量大于10ppm，磷含量大于0.01-0.02ppm，pH值7-9的淡水中细菌总数每毫升超过10万个，表征藻类数量的叶绿素-a含量大于10mg/L。现在的评价不是其中一种指标的含量超过了这个值就断定水体是富营养水体，而是采取的加权综合评价，把太湖的其中一个区域看成一个面，其中的水生植物群落看成各个点，运用点与面的叠加分析，分析有多少的水生群落落到这个面以内，并且结合水质的情况进行分析，比如，这点的水质的好坏与水生植物群落落在这个划定平面的区域是否有关系；然后也可以选定水生植物群落的点连成一条线，然后划定一个区域为一

22、个面，断定这个区域的水质与水生植物群落的密度的关系。综合来说用叠置分析的方法可以断定在固定的一个湖泊区域内，有多少的植物群落在其中，并且与水质的关系，当植物群落连成一条线时，由于固定区域可能会隔断这个群落其中对水质又会有怎样的影响，因此可以用叠置分析来研究水生植物群从内外的水质的关系，如果在结合缓冲分析，这个很值得探究。3.3运用缓冲分析设置太湖水质采样点龚绍琦12等根据各水质参数空间变异特征分析结果，利用各参数所选的最佳模型进行克里格插值，插值结果按地表水环境质量标准GB38382002)及太湖富营养化评价标准分级；然后以各参数的变程为距离，对原始点位作缓冲区分析，得到的缓冲区图与水质参数分

23、级图叠合。根据空间自相关原理，样点间距离愈近其属性值愈相似，因此在缓冲区范围内每一级别可设置一个采样点，多余样点可剔除，而其他点位的属性值则可根据已知样点的监测值估算得到。缓冲区外每一级别的水质参数按其变程的距离依次设置采样点。以悬浮物为例，其空间自相关范围内的取样见图2，其他参数合理取样数目的确定同理。如上图所示运用缓冲区分析确定采样点的个数是一个很好的方法，在研究太湖水质与水生植物的关系的把植物群从看成一个点然后以这个点画圆这个半径就是缓冲区的半径，在进行实际的操作是就以植物群从为一个点画一条射线，还有每隔3-5cm左右进行取样，不同的群从大小，取样的距离视情况而定，进行分析，如果取到某个

24、点的水质已经和全湖的平均水平相差不大时就可以确定，这个点到群从的联系是整个水生植物群从的缓冲半径，然后在根据这个缓冲半径可以确定大概多少的植物群从可以净化水质，距离多远应该种植水生植物群从，这就为太湖水质利用水生植物群落净化提供了理论依据，并且通过计算 可以确定需要多少个群从，大概多少距离需要种植植物群从，都是具有实际的意义。4.结论本文主要是讨论太湖水质与水生植物群落之间的关系，通过对GIS空间分析技术中的叠置分析技术和缓冲区分析技术确定了太湖的水生植物群落在净化太湖水质时应该需要多少个，然后多远的距离需要种植水生植物群落，以及怎样设置采样点才可以代表太湖的整体的水质，本文还对GIS空间分析技术进行了整体的概括，主要包括了叠置分析，缓冲区分析，网络分析，虽然本文只是牵线的叠置分析和缓冲区分析运用到太湖的实际的采样中，没有具体的算法，考虑群从大小、季节变化因素等，不够全面和细致，但是这不失为一种