1绪论

 

1.1研究背景

水资源是人类的生命之源，人的生活和生产离不开水。我国的水资源总量为28000亿m3，但人均仅为2300m3，只世界人均拥有量的1/4，居121位，为13个贫水国之一。由于水资源的不足以及日渐增长的需水量，地表水和地下水在中国的北部和东部很多地区巳经出现了严重的不足。对水资源的过度开发导致了一系列的环境问题，比如地面沉陷、盐水入侵和生态系统退化，。同时，水污染带来的水质恶化也进一步加剧了很多地区的缺水状况。缺水和水质恶化相互影响并且对中国的粮食安全、经济发展和生活质量造成了巨大的威胁。上世纪80年代，中国的缺水问题开始在工业生产、生活用水和农田灌溉等方面爆发。在正常水量年份，662个城市中有300个面临供水不足，110个面临严重的水荒；32个主要城市中的30个存在缺水问题。根据现阶段的供水水平，正常年的总缺水量大约在300-400亿m3左右，枯水年将达到更大。至2050年，中国的总缺水量估计可达4000m3亿左右。尽管中国政府高度重视缺水问题，并且在上世纪末开始启动了一系列与水资源管理相关的政策和措施，但由于社会经济的高速发展，经济总量的不断扩大，缺水问题以及水环境持续恶化的趋势也尚未得到有效控制。

由于社会经济的高速发展和城镇化的快速推进，许多河流受点源和面源污染的影响水质下降严重，逐渐丧失了饮用水功能。水库作为优质水的来源，总体水质优于河流水质，在我国很多地区成为了重要的饮用水水源地，特别是在南方许多地区，水库已经逐步取代河流成为主要的饮用水水源地。在浙江省，水库饮用水源的个数占城镇集中式供水点总数的51%，占城市集中式供水点总数的69%，由水库供水的人口占全省总人口的70%左右。因此，保护水库水质是关系到全省饮水安全和经济发展的重要任务。

 

1.2国内外研究现状

1.2.1水库水质及风险评价研究进展

水库作为具有供水、灌概等多种功能的水体，与人类生产与生活息息相关，水库水质和库区生态环境长久以来受到国内外学者的重视。Lu et al.（1999）利用1987-1996年的水质实测数据应用模糊综合评价法对台湾地区的水库的水质进行了评价。研究结果显示，用模糊综合评价法进行水质分析可以得到卡尔森指数无法识别的长期变化和超标情况，模糊综合评价法在对水体的营养状态评价中要优于卡尔森指数法。杜桂森等通过实地调查数据对1996-1997年间密云水库的水质和流域水环境进行了综合评价，发现密云水库总体为中营养状态，但有明显向富营养化发展的趋势，研究对富营养化产生的原因作了分析，并提出了水库水质保护的措施。林秋奇和韩博平通过分析1980-2000年间国内外学者对水库生态系统的主要研究，概括了水库生态系统的基本特征，并探讨了其在水库水质管理中的作用与应用方法。Jurdi et al.以黎巴嫩的Qauaaoun水库为研究对象，获取18个样点的PH、电导率、重金属含量等水质指标值，用统计分析方法对水质进行评价。评价结果显示该水库的水质达到了灌激、养殖、饮用等多种功能要求，可以很好地利用来缓解黎巴嫩的缺水问题。肖桂义等利用1996-2000年长春市石头口门水库的水质监测资料分析了水质的季节和年际变化规律及成因，结果显示石头口门水库巳处于中等富营养化状况，水质由于受外源补给和温度的影响各指标出现不同的季节变化规律。Chaves et al.（2004）以巴西Barra Bonita水库为研究对象，从蓄水量和水质两方面出发，结合参数优化和人工智能技术提出了一套有效的水库运作和管理方法。姜树君和王净根据对1992-2001年官厅水库水质监测数据的分析，掌握了官厅水库的水质污染状况并对污染原因进行了分析，同时预测了水质状况的家化趋势。Zou et al.考虑到模糊综合评价法在多因子评价中的局限性，将熵理论引入到模糊方法中，用来决定评价指标的的权重。研究以三峡水库为对象，用模糊综合评价结合摘理论的方法对水库水质进行评价，结果显示比单纯的模糊综合评价得出的结果更加精确与合理。殷明等分析了丹江口水库1986-2005年水体总氮浓度的变化情况，并分析了总氮与农业面源污染、生活污水排放等影响因素的关系，得出了总氮超标的主要原因，并根据研究结论提出了相应的治理与预防措施。李思悦和张全发利用2005年丹江口水库21项水质指标实地监测数据，采用水质指数法对水质进行了综合评价。研究得出了影响库区水质安全的主要污染物质及其成因，并对丹江口水库水质的时空分布情况进行了分析。

 

2研究区概况及数据获取

 

2.1研究区概况

2.1.1自然环境概况

浙江省位于中国东部沿海地区，是中国经济最发迖的省份之一。陆域面积10.2万平方公里，全省常住人口为5477万人，是中国面积最小、人口密度最大的省份之一。地形复杂，以山地和丘陵为主，占全省面积70.4%，平原和盆地占23.2%，河流和湖泊占6.4%，浙江地势自西南向东北呈阶梯状倾斜，西南以山地为主，中部以丘陵为主，东北部是低平的冲积平原，大致可分为浙北平原、浙西丘陵、浙东丘陵、中部金衢盆地、浙南山地、东南沿海平原及滨海岛吗等六个地形区。浙江地处东南季风剧烈活动的地区，属典型亚热带季风气候，光照较多，雨量丰沛，年平均气温15-18摄氏度，全省年平均雨量在980-2000亳米。地形地貌分异明显，其宏观生态系统类型、主要生态过程及人类活动影响具有空间分异特点。根据《浙江省生态功能区划》，按地貌、水热组合等自然条件划将浙江省分为6大生态区，即浙东北水网平原生态区、浙西北山地丘陵生态区、浙中丘陵盆地生态区、浙西南山地生态区、浙东沿海及近岸生态区和浙东近海及岛岭生态区（图2.3）。

浙江省生态系统类型多样，自然环境条件相对较好。经过多年的努力，生态环境保护与建设卓有成效。但从总体上看，全省生态环境的承载压力仍在增加，面临的形势依然严峻。目前单一性的生态环境问题开始向系统性生态环境问题转变，各个生态环境问题间的交互性、连动性增强，生态环境问题更加复杂化。

 

2.2数据来源与预处理

2.2.1Landsat TM/ETM+遥感数据

2.2.1.1遥感数据的预处理

由传感器本身系统原因引起的变形会在卫星地面接收站完成矫正，称为几何粗校正。用户需要对经过粗矫正的影像进一步校正，称为几何精校正，此过程一般利用地面控制点和几何校正数学模型来矫正其它非系统因素产生的误差，同时完成影像的平面投影。本研究采用多项式法对遥感数据进行几何精校正。

原始遥感数据存储地物信息的形式为像元亮度值，在对其进行研究和分析时，首先需要把DN值转换成辖射亮度值（福射率）或者与地表反射率、表面温度等物理量有关的相对值，此过程成为辐射定标。本文采用Xavier Pons等提出的方法进行辖射定标。

遥感数据在图像获取过程中由于受光照与大气等条件变化的影响，会掺杂一部分非目标地物的噪音信息，使得光谱测量值与实际的光谱反射率有一定的差异，造成辖射失真效果。通过一定数据处理方法减小或者消除这种由大气和光照引起的辐射失真过程便称为大气校正。本研究利用Modtrant4.0模型对遥感数据进行大气校正。Modtrant4.0模型主要考虑大气中的水分、甲燒、碳氧化物、臭氧等剖面信息，同时结合经绊度、海拔、太阳天顶角、方位角等参数对目标影像进行大气校正。

2.2.1.2基于面向对象的遥感影像分类

基于面向对象光谱分割技术的分类方法突破了传统的以像元为目标处理单元的局限性，以含有更多同质信息的对象为处理单元，可以更高层次的目标地物提取。本研究中的遥感影像土地利用覆盖分类采用面向对象的分类方法，在综合利用光谱信息、纹理特征和拓扑关系等特异性信息进行多尺度分割获得分类对象的基础上，结合对对象的目视识别采用最近邻分类法进行分类。分类过程在eCognition软件中实现，具体方法和流程参考等研究。

 

3浙江省水库水质演变趋势分析.........16

3.12001-2013年水库水质变化趋势.........18

3.1.1评价方法......18

3.1.22013年水库水质及营养现状......20

4基于TM/ETM+遥感数据的水库水质反演.....30

4.1数据及预处理..........30

4.1.1水质数据....31

5水库流域土地利用变化及其与水质演变关系分析......51

5.1研究区土地利用分类及结果.....51

5.2研究区土地利用变化分析........52

 

7基于棋糊集对分析理论的水库流域生态安全性评价

 

随着人口的增加和生产力水平的提高，人类对自然生态系统干预的范围和程度逐步升级，即人类活动对生态环境具有胁迫作用，它反映了人类社会子系统对自然环境系统的作用过程，主要体现在两方面：一是对资源的胁迫，即人类活动对自然资源的过度开发导致资源耗竭；二是对环境的胁迫，由于人类活动而输出的污染物破坏了环境的自然净化过程，造成生态环境恶化。资源胁迫体现在对土地、淡水、海洋、森林、矿产等资源的开采、消耗和使用。污染胁迫主要体现在生产、生活中产生的废弃物的排放。

流域是人类生活和经济活动的重要载体。浙江省水库流域生态环境复杂而脆弱，伴随社会经济的快速发展，水资源利用和水污染排放强度的不断增大，多数流域都出现了不同程度的水体下降、物种多样性降低和生态系统退化等问题，流域生态系统表现为结构性破坏和功能性紊乱，流域生态健康问题巳经成为制约社会经济可持续发展的突出问题。

流域生态安全性是指流域生态系统处于稳定、可持续的状态，保持物理、化学及生物完整性，能为人类提供不同生态产品或服务，并对自然和人为干扰具有一定的自我调节和恢复的能力，是流域生态系统完整性和健康水平的整体反映

流域生态安全性评估是以维护流域生态服务功能为主线，从流域生态系统的结构、功能、过程及存在的主要问题调查与研究着手，按陆域和水域生态功能差异的空间构成，对流域生态系统进行的综合评估。

 

8结论与展望

 

8.1研究结论

本研究以遥感、GIS、数据挖掘等技术为主要手段，从水库水质及富营养化状况、土地利用变化、生态环境安全性等方面对浙江省饮用水水库的水质演变及生态风险进行分析研究。首先以30座大中型饮用水水库为代表，对2001年至2013年的水质和营养状态进行了变化趋势分析，并对遥感监测大范围水库水质的可行性进行了初步判断；然后利用遥感数据和RBF千岛湖实测水质数据，选用常规的统计回归模型和人工神经网络模型两种方法对水体中的叶绿素，透明度，总氮和总碟含量进行模拟和预测；接着利用1995、2000、2005和2010四个时期遥感图像解译结果对水库流域的土地利用变化情况进行分析，并结合水质变化情况分析土地利用变化和水质演变的关系，同时也对建设用地和耕地变化的驱动力进行了探讨；为了挖掘与水库水质最相关的因子并评价它们对水质的影响程度，研究选择了包括土地利用、社会经济、水库特征和气候等方面的个参数作为自变量，以2010年浙江省73座饮用水水源地水库的水质等级作为目标变量，用决策树方法进行建模并进行预测；最后结合模糊层次分析法和集对分析理论，借助遥感和GIS手段，在压力一状态一响应框架下对浙江省饮用水水库流域1995年和2010年两个时期的生态环境安全性进行了评价和分析。研究获得的主要结论如下：

（1）浙江省水库水质及营养状况变化

以浙江省30座大中型水库为代表，对其2001年至2013年的水质等级和营养状态进行了现状和变化趋势分析。结果显示，至2013年，30座水库的水质总体良好，达到3类以上水质的水库个数为20，其余为类和类水质，营养状况以中营养为主，共有20座，出现富营养化的水库为10座（轻度富营养7座、中度富营养3座）。

参考文献（略）