摘要從人類社會發(fā)展和自然環(huán)境變化兩個角度梳理出驅(qū)動流域水質(zhì)變化的主要因子，即人口、經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、政治、土地利用及氣候變化，綜述了各驅(qū)動因子與水質(zhì)變化的相關(guān)研究，總結(jié)了定量分析方法，并提出了研究流域水質(zhì)驅(qū)動力應(yīng)從整體出發(fā)，考量所有驅(qū)動因子的可能影響，引入系統(tǒng)動力學(xué)和遙感技術(shù)等新的研究方法。

關(guān)鍵詞流域水質(zhì)；氣候變化；土地利用；社會發(fā)展；系統(tǒng)動力學(xué)

中圖分類號S181文獻(xiàn)標(biāo)識碼A文章編號0517-6611（2016）04-091-03

Research Progress of Driving Forces of Water Quality in Watershed

LONG Haoran （College of Environmental Science and Engineering，Tongji University，Shanghai 200092）

AbstractWe distinguished the driving forces of water quality change in watershed from both social and natural aspects.These driving forces included population，economy，technology， policy，land use and climate change.We reviewed the relevant researches on the relationship between these driving factors and water quality change，and summarized the quantitative methodologies.According to the literature review，we proposed to build driving force model containing all the factors，and introduced system dynamics and remote sensing technology.

Key words Watershed water quality； Climate change； Land use； Social development； System dynamics

流域是以分水嶺為界的一個河流、湖泊或海洋等所有水系所覆蓋的區(qū)域，以及由水系構(gòu)成的集水區(qū)[1]，是以河流為中心的人-地-水相互作用的自然-社會綜合體，以水為紐帶，將人類發(fā)展與流域自然體連接為一個不可分割的整體[2]。作為人類生活的聚集區(qū)，流域及其水系是人類的主要水源地，也是人類污染物排放的集中地，人類活動產(chǎn)生的污染物通過流域水系，最終進(jìn)入河流、湖泊或海洋。流域水資源不僅是居民生活用水的主要來源，還是生態(tài)環(huán)境中最活躍、影響最廣泛的因素。流域水質(zhì)狀況受到流域內(nèi)自然環(huán)境和人類活動的影響，自然環(huán)境包括流域內(nèi)土地利用變化和由氣候變化引起的水溫和徑流的改變，人類活動包括由人口、經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、政治等社會發(fā)展因素的改變引起流域污染負(fù)荷的變化。流域的生態(tài)環(huán)境、物理結(jié)構(gòu)和地質(zhì)地貌受人類頻繁活動干擾，流域水質(zhì)也會受到負(fù)面影響，因此研究人類社會發(fā)展及自然環(huán)境改變對流域水質(zhì)的影響，對流域水質(zhì)管理和政策制定具有重要意義。筆者綜述了流域水質(zhì)變化驅(qū)動研究進(jìn)展，并提出了相關(guān)建議，以期為流域水資源綜合管理提供更加全面可靠的依據(jù)。

1驅(qū)動流域水質(zhì)變化的主要因子

1.1人類社會發(fā)展環(huán)境問題伴隨著人類社會發(fā)展而出現(xiàn)，人類活動對流域水質(zhì)影響主要體現(xiàn)在：湖泊富營養(yǎng)化、水中溶解氧降低、有毒有害物質(zhì)進(jìn)入水體等方面。人類社會的發(fā)展從人口、經(jīng)濟(jì)、政治和技術(shù)4個方面體現(xiàn)，筆者分別概述這4個方面的變化對流域水質(zhì)可能產(chǎn)生的影響。

1.1.1人口。流域人口的增長帶來更多的生活污水，當(dāng)某些地區(qū)的人口增長超過環(huán)境容量，會導(dǎo)致污水處理廠處理能力不足，大量生活污水被排入流域，從而引起流域水質(zhì)的變化[3-4]。同時，人口的增長需要更多的消費(fèi)品來滿足人口需求，但在生產(chǎn)和消費(fèi)過程中可能產(chǎn)生更多的污染物。不可忽視的是，人口的增長將使土地利用的格局和強(qiáng)度發(fā)生改變；在較長一段時期內(nèi)，人口增長對空間及生產(chǎn)生活資料的需求將促使土地利用類型和強(qiáng)度發(fā)生改變；人口大規(guī)模遷移也會造成流域土地利用格局發(fā)生變化[5-6]，土地利用格局和強(qiáng)度的改變也會對流域水質(zhì)造成影響。

1.1.2經(jīng)濟(jì)。經(jīng)濟(jì)發(fā)展與河流水質(zhì)關(guān)系的量化研究最初來源于環(huán)境庫茲涅茲曲線（EKC）的研究，Grossman等[7]將歐洲和美洲22個國家的河流水體生化需氧量、大腸桿菌和重金屬濃度作為環(huán)境指標(biāo)，研究其與人均GDP和收入的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)了人均收入與3種環(huán)境指標(biāo)的“倒U型”曲線關(guān)系。經(jīng)濟(jì)增長與流域水質(zhì)變化不一致，對某一區(qū)域來說，經(jīng)濟(jì)增長初期流域水質(zhì)可能變差，在經(jīng)過一段時間的發(fā)展以后流域水質(zhì)可能出現(xiàn)好轉(zhuǎn)。張珊珊等[8]利用主成分分析和相關(guān)分析方法研究了2000～2012年千島湖流域水環(huán)境與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)千島湖水質(zhì)改善的轉(zhuǎn)折點(diǎn)出現(xiàn)在2008年。吳玉萍等[9]選取1985～1999年北京市經(jīng)濟(jì)與環(huán)境數(shù)據(jù)，通過二次回歸模型發(fā)現(xiàn)，北京人均GDP與各環(huán)境指標(biāo)的演替軌跡呈現(xiàn)顯著的EKC特征。李中杰等[10]通過分析1988～2009年滇池流域社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和水環(huán)境變化情況，發(fā)現(xiàn)滇池流域水質(zhì)隨經(jīng)濟(jì)的增長持續(xù)惡化。

1.1.3環(huán)境。當(dāng)人口和經(jīng)濟(jì)增長對流域水質(zhì)造成破壞之后，流域水質(zhì)的變化可能會反作用于人類社會，促使人類社會通過一定的環(huán)境政策或法規(guī)改善流域水質(zhì)。環(huán)境政策的改變會長久地改變?nèi)祟悓Νh(huán)境的影響，特別是法律作為公眾、政府及市場的共同行為準(zhǔn)則規(guī)范了人類活動作用于環(huán)境的限度。美國《清潔水法》制定實(shí)施之后，河流沿岸點(diǎn)源污染開始顯著減少，水環(huán)境得到持久改善[11]。對流域而言，流域水環(huán)境政策和治理方案的建立會對流域水質(zhì)產(chǎn)生重要影響。2007年上海通過《蘇州河綜合治理方案》后水質(zhì)逐漸得到改善，到2010年蘇州河已重現(xiàn)魚蝦。從這個角度看，政策方案的建立和改變可能成為流域水質(zhì)變化及其重要的驅(qū)動力[12]。

1.1.4技術(shù)。流域生產(chǎn)技術(shù)和污水處理技術(shù)的提升有助于流域水質(zhì)的改善，從排污角度來看，清潔生產(chǎn)技術(shù)的使用有助于減少污染物的產(chǎn)生；從治污角度看，流域污水處理廠處理技術(shù)的提升有助于降低排入天然水體的污染物濃度，減少入水污染負(fù)荷，從而達(dá)到改善水質(zhì)的目的[13]。

1.2自然環(huán)境自然環(huán)境的改變對流域水質(zhì)的影響較為顯著[14-15]，土地利用類型的變化對水循環(huán)及物質(zhì)運(yùn)輸產(chǎn)生較大影響，地面物質(zhì)通過地表徑流、溪流、河流等從土地進(jìn)入水體，引起受納水體物理、化學(xué)及生物過程的變化，從而使土地利用的類型與相關(guān)水體的水量和水質(zhì)顯示出很強(qiáng)的相關(guān)性[16]。肥料施用導(dǎo)致水體中硝酸鹽和磷增加，有研究發(fā)現(xiàn)，京津地區(qū)半自然流域中總氮、總磷和氨氮濃度與不透明水面、農(nóng)業(yè)用地、植被3種土地利用類型的比例相關(guān)[17]。建設(shè)用地的增加代表人類活動加劇，而林地的減少將造成水土流失，將氮、磷等元素帶入水體。有研究表明，水體中總氮、總磷及大腸桿菌濃度與農(nóng)業(yè)用地、居民用地和商業(yè)用地面積呈現(xiàn)正相關(guān)，而與林地面積呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)[5]。研究流域土地利用變化對流域水質(zhì)的影響，需要在流域空間建立水體緩沖區(qū)，考察緩沖區(qū)內(nèi)土地利用的變化[18]。

目前，有關(guān)于氣候變化對流域影響的研究較多，以對地表徑流量的研究較多，而對水質(zhì)的研究較少。全球性的氣候變暖已經(jīng)得到眾多證據(jù)支持[19-20]，氣候?qū)λ鷳B(tài)系統(tǒng)的影響很大，改變水體生態(tài)系統(tǒng)可能會改變水質(zhì)。在對流域水質(zhì)變化特別是富營養(yǎng)化的研究中，氣候變化引起的溫度變化是不可忽視的因素。

2不同流域水質(zhì)驅(qū)動因子與流域水質(zhì)的關(guān)系

由于地域、自然及社會發(fā)展條件的不同，對不同流域而言，各水質(zhì)驅(qū)動因子對流域水質(zhì)變化的作用不同（表1）。劉慧麗等[21]發(fā)現(xiàn)，近30年來鄱陽湖流域拓林湖水質(zhì)有先變差后改善的趨勢，其變化的驅(qū)動力主要是流域內(nèi)人口數(shù)量增加與城鎮(zhèn)化工業(yè)化進(jìn)程加快導(dǎo)致濱湖區(qū)生態(tài)遭到人為破壞，入湖污染負(fù)荷逐年增加。李昆等[22]利用GIS空間插值技術(shù)揭示了2012年豐水期洪湖水質(zhì)空間變異特征，反映出人類活動、土地利用類型和環(huán)境因子之間相互作用對洪湖水環(huán)境產(chǎn)生巨大影響。黃沈發(fā)等[23]采用灰度關(guān)聯(lián)技術(shù)分析了水環(huán)境質(zhì)量與社會經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)，發(fā)現(xiàn)黃浦江上游水環(huán)境質(zhì)量與土地利用格局、上游水質(zhì)、工業(yè)發(fā)展、人口密度有較好的關(guān)聯(lián)性。王超等[24]通過因子分析發(fā)現(xiàn)，海河流域的城市化過程和農(nóng)村社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展對河流水體污染物濃度水平的影響顯著。謝紅彬等[4]將環(huán)境演變的人文驅(qū)動因素歸納為人口發(fā)展、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、城市化、土地利用，將其與太湖流域水環(huán)境耦合，發(fā)現(xiàn)其耦合關(guān)系經(jīng)歷了干預(yù)、干預(yù)-弱制約、干預(yù)-制約、干預(yù)-強(qiáng)制4個階段。高偉等[25]通過1980～2011年撫仙湖水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，建立水質(zhì)指標(biāo)與驅(qū)動因子之間的灰色關(guān)聯(lián)模型，發(fā)現(xiàn)人口數(shù)量和水溫是主要驅(qū)動水質(zhì)變化的因子，灰度關(guān)聯(lián)系數(shù)達(dá)到0.7以上的強(qiáng)相關(guān)水平。孫金華等[26]通過分析1999～2009年滇池水質(zhì)時空變化特征發(fā)現(xiàn)，城鎮(zhèn)用地比例、人口密度、單位土地GDP是滇池草海部分與外海部分相差懸殊的主導(dǎo)因子，而人口和經(jīng)濟(jì)的急劇增長是草海水質(zhì)下降的根本驅(qū)動力；胡蘭心[27]通過對2000～2009年上海市生活污水排放量與人均GDP值、城市化指數(shù)建立向量回歸模型，發(fā)現(xiàn)污染物排放與人均GDP變化存在單向格蘭杰因果關(guān)系，人均GDP增長是導(dǎo)致生活污水排放量增加的重要原因，但該研究并未將人口因素納入模型中。童保銘[28]通過分析2000～2006年北運(yùn)河水系的時空變化特征發(fā)現(xiàn)，人口總量及第三產(chǎn)業(yè)比重與北運(yùn)河水質(zhì)有良好的線性關(guān)系。陳佳勃[29]分析了曹娥江水系水質(zhì)的時空變異，發(fā)現(xiàn)城鎮(zhèn)土地面積比是水質(zhì)變化最重要的解釋變量。Eziz等[30]發(fā)現(xiàn)1996～2000年新疆吐曼河水質(zhì)變化的主要驅(qū)動力是當(dāng)?shù)氐墓I(yè)化、人口過度增長和土地利用變化。Teixeira等[15]通過分析1990、2000和2006年葡萄牙蒙德古河土地利用變化以及驅(qū)動土地利用變化的原因，發(fā)現(xiàn)土地利用的改變影響了流域水質(zhì)，其背后的驅(qū)動因素是人口增長、工業(yè)擴(kuò)張和城市化。

3流域水質(zhì)驅(qū)動因子與水質(zhì)指標(biāo)的量化研究方法

研究人類活動與流域水質(zhì)的關(guān)系，需要將各人類社會活動因子和流域水質(zhì)進(jìn)行量化（圖1）。從目前的研究來看，土地利用因子可以被量化為流域內(nèi)各土地類型比例和土地利用的強(qiáng)度；氣候因子可以被量化為當(dāng)?shù)販囟?；人口因子可以被量化為人口總量和人口密度；?jīng)濟(jì)發(fā)展可以被量化為人均GDP、人均收入和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)；技術(shù)與政治尚以定性分析為主。

由于各驅(qū)動因子對流域水質(zhì)的影響需要在較長一段時期內(nèi)進(jìn)行觀察，這就需要收集和分析各驅(qū)動因子的量化指標(biāo)隨時間的變化。在各驅(qū)動因子隨時間變化的研究中，時間序列分析是常用方法，用以觀測驅(qū)動因子量化指標(biāo)隨時間變化的趨勢。在驅(qū)動因子量化指標(biāo)與水質(zhì)指標(biāo)的相關(guān)關(guān)系研究中，相關(guān)性分析是常用方法，其典型表現(xiàn)是水質(zhì)指標(biāo)會隨某個驅(qū)動因子量化指標(biāo)變化，呈正相關(guān)或負(fù)相關(guān)關(guān)系。在各驅(qū)動因子量化指標(biāo)對流域水質(zhì)變化的貢獻(xiàn)度的差異研究中，常采用灰度關(guān)聯(lián)模型計算各量化指標(biāo)與水質(zhì)指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度，從而區(qū)分出對流域水質(zhì)變化影響最大的驅(qū)動因子。

44卷4期龍浩然流域水質(zhì)變化驅(qū)動力研究進(jìn)展4建議

從當(dāng)前的研究來看，在流域尺度上進(jìn)行人類活動與水質(zhì)變化的定量研究主要集中在土地利用、人口及經(jīng)濟(jì)3個因素，而對氣候變化及可能產(chǎn)生重要影響的技術(shù)升級和政策變化的關(guān)注較少。氣候變化引起全球溫度的變化已經(jīng)得到很多證據(jù)的支持[19-20]，而其引發(fā)的流域水溫上升對流域水質(zhì)影響的研究卻鮮見報道，水溫是藻類繁殖的關(guān)鍵因素，在研究水質(zhì)富營養(yǎng)化過程中是不可忽略的因子。技術(shù)、政策和法規(guī)被認(rèn)為是恒定不變的量，雖然不直接作用于水體，但與流域水質(zhì)呈耦合關(guān)系。當(dāng)流域水質(zhì)變差時，將可能推動技術(shù)變革、政策轉(zhuǎn)變和法規(guī)建立；當(dāng)技術(shù)升級，政策法規(guī)建立實(shí)施之后，流域水質(zhì)可能得到持續(xù)的改善。因此，在研究流域水質(zhì)變化的驅(qū)動因素時，技術(shù)和政治方面的因素不可忽略。相比以往的模型，筆者提出的流域水質(zhì)驅(qū)動力模型如圖2所示。

相較于以往研究水質(zhì)變化驅(qū)動力時將人口與土地利用因子當(dāng)作獨(dú)立變量的做法，該模型指出人口因素作用于流域水質(zhì)的同時也作用于土地利用格局，人口增長不僅增加水污染負(fù)荷，還會改變地表景觀格局，進(jìn)而影響水質(zhì)；同時，政策因素被納入其中，土地政策、人口政策、經(jīng)濟(jì)政策及環(huán)境法律法規(guī)的改變將使影響流域水質(zhì)的驅(qū)動因子發(fā)生改變，從而達(dá)到改善水質(zhì)、保護(hù)水生生態(tài)系統(tǒng)的目的。而氣候變化除作用于水質(zhì)之外，也將對改變政策起到一定作用。

在對流域水質(zhì)和各驅(qū)動因子的量化及研究方法上，當(dāng)前的研究常使用灰度關(guān)聯(lián)理論，但灰度關(guān)聯(lián)理論只能區(qū)分每種驅(qū)動因子的相關(guān)度，難以對其驅(qū)動因子與水質(zhì)因子之間的關(guān)系做出定量的說明。多元回歸分析是確立驅(qū)動因子與單個水質(zhì)因子之間量化關(guān)系十分有效的方法，但這種方法難以對各驅(qū)動因子作用于水質(zhì)的機(jī)理做出解釋。系統(tǒng)動力學(xué)定量模型通過系統(tǒng)流圖抽象地反映出系統(tǒng)動態(tài)過程[31]，結(jié)合流域水質(zhì)及其社會和自然驅(qū)動因子，利用系統(tǒng)動力學(xué)的定量方法和流域水質(zhì)驅(qū)動力模型可以揭示出各驅(qū)動因子與流域水質(zhì)的相互作用關(guān)系，是今后研究可以借鑒的方法。運(yùn)用系統(tǒng)理論需保證帶入數(shù)據(jù)的正確性，其最重要的原則之一就是系統(tǒng)中的信息不應(yīng)該被扭曲、延遲或隱瞞，如果信息流被扭曲，一個系統(tǒng)就難以正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

目前定量遙感被廣泛運(yùn)用于水質(zhì)研究中[32]，相比于傳統(tǒng)監(jiān)測斷面監(jiān)測水質(zhì)的方法，定量遙感能夠快速方便地觀測流域整體的水質(zhì)情況。目前，流域水質(zhì)驅(qū)動力研究中對歷史數(shù)據(jù)的需求抑制了定量遙感的使用，但定量遙感在觀測水質(zhì)空間異質(zhì)性和整體水域方面的優(yōu)勢將使其越來越廣泛地運(yùn)用于流域水質(zhì)變化的驅(qū)動力研究中。

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