基于GIS空间分析方法研究太湖水质与水生植物.docx

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，特別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T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 ⑴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，到木世纪，太湖水体总体已由二类以上水质降为五类水质，局部茯 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I I益严峻， 种群单一化趋势I I益明显⑵雷泽湘等⑶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、生长发冇阶段 和生长状况等内在因素密切相关杨清心⑷的研究表明东太湖水生植物覆盖率97%,年生产 量11203251,吸收同化氮3916t,磷486t；年收获利用水生植物5992951,带走氮1891t,磷 296t,相当于东太湖年外源氮、磷输入量的28%和57%o从上面的研究部可以综述出水生植 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 了调杏分析。

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)所甘的污染负荷指数最 大(34.34%〜54.34%),平均污染指数为4X.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)、0.666(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(E)值均在60〜70 Z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，其中尤以蓝藻门皆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1.87X 107 ind?L-l,生物量平均值为5.36 mg?L-l0浮游植物多样性指数的变化在0.142.43 Z间，平 均为l.OSo均匀度指数的变化在0.08〜0.82 Z间,平均为0.41。

均匀度指数与多样性指数结果 部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売虫 (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 (Cyphoderia ampulla Ehrenberg)o优势种为表壳虫、球形砂売虫、筒壳虫、累枝虫轮虫中 的萼花臂尾轮虫(Brachionus calycif lonis )，龟甲轮虫属(Keratella sp.)的三种轮虫全年部有出 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 类的优势种为彖鼻淺(Bosmina sp.)、网纹^(Ceriodaphnia sp.)、秀体强(Diaphanosoma sp.)。

挠足类主要是剑水蚤(Cyclops sp.),哲水蚤(Sinocalanus sp.)为次优势种浮游动物数量变化在 410.93ind?L-l 至0 8672.05ind?L-l Z间，均值为 3277.19ind?L・l生物量的变化在 1.04mg?L-l 到11.73mg?L-l之间，均值为5.35mg?L・l太湖浮游动物多样性指数的变化在0.03〜1&Z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，从宏观大尺度范用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 今示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，已经广泛的应用在不同的领域，是用于输入、存储、杏询、 分析和显示地理数据的计算机系统，随着GTS的发展，也有称GTS为“地理信息科学" CGeographic Information Science),近年来,也有称 GIS 为”地理信息服务"(Geographic Information service)o GTS是一种基于计算机的丁•具，它可以对空间信息进行分析和处理(简 而言Z,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(例如杳询和统计分析等)集成在一起 GIS与其他信息系统最大的区别是对空河信息的存储管理分析，从而使具在广泛的公众和个 人企事业单位中解释事件、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，精确的可川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 据库中的位匱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)技术能够丿应用于科学调杏、资源管理、财产管理、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|'|然灾害的情况下较易地 计算出应急反应时间，或利用GIS系统來发现那些需要保护不受污染的湿地2.1叠置分析叠匱分析是将冇关主题层组成的备个数据层面进行吾置产生一个新的数据层曲，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 边形的蒂加，线与多边形的叠加，多边形与多边形的注加地理对象的木质是整体的，但是，为了研究工作的需要，经常将其分解为多因了分别研 究，如：把影响太湖水生植物群落变化的H然地理要素分解为地质、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li标的整体范畴。

即：从多因了地学 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吾加起來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證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I韦］或服务范|韦1缓冲区分析的基木思想就是给定一个 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羌的趋势，也就是植物群落净化水也有一 个缓冲的范帼，超过这个范囤，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木目的是研究、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。