漓江流域上游水質分析和污染物定量分割

代俊峰，楊 藝，方榮杰，蔣立新

(1. 桂林理工大學 廣西環境污染控制理論與技術重點實驗室，廣西 桂林 541004；2. 桂林理工大學 巖溶地區水污染控制與用水安全保障協同創新中心，廣西 桂林 541004；3. 桂林市水文水資源局，廣西 桂林 541001)

桂林山水是世界級的寶貴資源，漓江是桂林山水的靈魂。漓江是國家重點保護河流之一，是桂林市工農業用水、生活飲用水和經濟活動的主要水源地，也是本地區最終納污水體。2013 年CNN 評選15 條全球最美河流，漓江成中國唯一入選者。然而，漓江的水環境現狀卻不容樂觀。20世紀90 年代以來，漓江水質變差、枯水期變長且水面萎縮，兩岸自然景觀退化。由于枯水資源短缺，枯水期水量減少，江水稀釋、自凈能力下降，農業污水、生活污水、工業廢水的排放，造成漓江水污染。2012年1月，《廣西壯族自治區漓江流域生態環境保護條例》正式施行，如何科學保護漓江、維持純凈優良的生態環境是目前面臨的重大課題。漓江干流和支流的氮磷等水質狀況引起關注，一些學者開展了漓江干流和支流氮磷水質因子的監測工作[1-3]，但漓江流域非點源污染的估算和評價研究鮮有報道。

非點源污染已經成為多數流域水體污染的主要來源之一，而關于漓江流域非點源污染對水環境影響方面的報道很少。本文對漓江流域上游3個空間尺度2005-2014年高錳酸鹽指數、氨氮和總磷進行分析評價，運用水文估算法、徑流分割法和數字濾波法估算非點源污染在污染物總負荷中的比例，為漓江流域水環境保護和污染治理提供數據支撐與決策依據。

1 研究區域概況

漓江屬于珠江水系，發源于“華南第一峰”桂北越城嶺貓兒山，全長214 km，流域面積12 285 km2。其中，貓兒山至桂林為上游，桂林至陽朔為中游，陽朔至平樂為下游。漓江流域屬于雨源型河流，每年3-8月為汛期，汛期徑流占全年的80%以上?？菟跒?月至次年2月，其徑流僅為全年的20%，而最枯月1月僅占全年徑流的2%。青獅潭水庫，建于漓江支流甘棠江的青獅潭峽谷谷口，總庫容6 億m3，位于漓江流域上游，集養殖、發電、防洪、灌溉、旅游、漓江補水于一體的國家級水庫。青獅潭水庫集水區呈扇形，控制集雨面積474 km2，流域內河道狹窄，坡降陡，河床坡降0.5%。山高林密，植被良好，土地利用類型以林地和水稻田為主。甘棠江是漓江流域內最大支流，全長60 km。

本文的研究區域為漓江流域上游(見圖1，桂林水文站以上區域)，集水面積2 762 km2。漓江流域上游集水面積較小，地處山區，自身的徑流調節能力偏弱。豐水期經常發生洪水災害，枯水期則嚴重缺水。漓江流域上游水質斷面見圖1。

本文選取漓江流域上游3個空間尺度為研究對象，自上而下依次是青獅潭水庫壩首斷面→大面斷面→桂林水文站。從青獅潭水庫壩首流出的水流，流經西干渠、東干渠和甘棠江，部分水量及其回歸水經甘棠江(漓江支流)匯入漓江，與漓江水量匯合后，首先流經漓江的大面斷面，然后經過桂林市區，流向桂林水文站斷面。3個空間尺度的流域特征見表1。

圖1 漓江流域上游水質斷面位置圖

表1 3個空間尺度(斷面)的流域特征

2 漓江流域上游不同尺度水質變化分析

以高錳酸鹽指數、氨氮、總磷為例，分析漓江流域上游青獅潭水庫壩首斷面→大面斷面→桂林水文站等3個空間尺度的水質變化。依據《地表水環境質量標準》(GB3838-2002)進行水質評價，并對不同尺度的水質變化特點進行分析。

2.1 不同尺度高錳酸鹽指數變化

漓江流域上游不同尺度監測斷面的高錳酸鹽指數見圖2。

圖2 不同尺度高錳酸鹽指數變化

不同尺度高錳酸鹽指數的變化分析可知：①青獅潭水庫壩首和桂林水文站的高錳酸鹽指數高于大面斷面。2005年青獅潭水庫壩首高錳酸鹽指數為Ⅲ類，2006-2010年為Ⅰ類，2011-2014年為Ⅱ類。大面斷面和桂林水文站的高錳酸鹽指數基本上為Ⅰ類。②處于上游的青獅潭水庫壩首的高錳酸鹽指數年際波動變化較大，2010-2014年高錳酸鹽指數呈上升趨勢。大面斷面和桂林水文站的高錳酸鹽指數年際變化較小，沒有明顯的變化趨勢。③青獅潭水庫壩首的高錳酸鹽指數相對較高，說明青獅潭水庫的有機及無機可氧化物質(主要是有機污染物)含量較高。青獅潭水庫有機污染物的來源主要包括：庫區內農作物施用的化肥和農藥；部分水庫水體進行網箱養魚或禽類養殖施用的飼料和有機肥料；庫區內森林茂盛，凋落物量多，氣溫較高，雨量豐富，分解速率較高，較多的有機質被分解和淋溶，致使水庫中的有機物污染較高；水庫小型游船的漏油造成的有機污染。

2.2 不同尺度氨氮變化

漓江流域上游不同尺度監測斷面的氨氮變化(見圖3)分析顯示：①處于下游的桂林水文站的氨氮含量高于同期的青獅潭水庫壩首和大面斷面，桂林水文站的氨氮含量基本上處于Ⅱ類，其中2012年達到Ⅳ類。青獅潭水庫壩首和大面斷面的氨氮為Ⅰ-Ⅱ類，其波動變化較小。②漓江水流從大面斷面流出后，流經桂林市區，然后達到桂林水文站。漓江流經市區時，城市生活污水和郊區農業生產、養殖業產生的排水流入漓江及其支流，汽車、游船等排放的含氮尾氣溶于水后形成氨氮，造成處于下游的桂林水文站斷面的氨氮含量升高。③2005-2014年3個尺度的氨氮含量總體呈現上升趨勢，但2013-2014年呈現下降的傾向。

圖3 不同尺度氨氮變化

2.3 不同尺度總磷變化

漓江流域上游不同尺度監測斷面的總磷見圖4。不同尺度總磷的濃度變化結果顯示：①處于下游的桂林水文站總磷含量高于同期的青獅潭水庫壩首和大面斷面，桂林水文站的總磷含量基本上處于Ⅱ類，其中2007年和2012年達到Ⅲ和Ⅳ類。青獅潭水庫壩首和大面斷面的總磷為Ⅱ類，兩者的差別較小，且其波動變化不大。②漓江水流離開大面斷面流經市區時，城市生活污水、洗滌劑所用的磷酸鹽增潔劑和郊區農業生產化肥、有機磷農藥、養殖業污水等流入漓江及其支流，使得桂林水文站斷面水質中的總磷含量升高。

圖4 不同尺度總磷變化

3 漓江流域上游污染物分割

3.1 污染物分割方法簡介

河流、水庫水質監測斷面的污染物濃度包含點源和非點源污染總負荷，若要深入分析非點源污染的含量及其變化特點，需要采用相應的水文或數學方法對其進行分離。

(1)水文估算法。水文估算法是從水文學原理出發，根據點源污染和非點源污染的形成和運移規律，綜合運用河流流量和污染物濃度，計算點源污染負荷和非點源污染負荷[4]。相對來說，點源污染排放量相對比較穩定，可利用河流的基流進行估算。非點源污染負荷由地表徑流推求[5]。水文估算法考慮因素較為全面，其計算過程比較復雜。水文估算法的計算公式和方法詳見文獻[6]。

(2)徑流分割法。降雨徑流對地表的沖刷是流域產生非點源污染的驅動力，同時，降雨徑流又是非點源污染物運移的載體。徑流分割法認為枯水期所引起的污染由點源污染造成，汛期的污染為點源與非點源污染物的結合。徑流分割法簡化污染物產生、遷移及轉化的過程，根據汛期和枯水期的污染物濃度和流量[7]，進行點源污染和非點源污染的計算。徑流分割法的計算方法參見文獻[8]。

(3)數字濾波法。數字濾波法以傅立葉分析為理論依據，傅立葉分析的關鍵在于傅立葉變換，傅立葉變換建立了以頻率為自變量的頻譜函數和以時間為自變量的時間函數之間的轉換關系。數字濾波技術最初用于信號分析處理，然后擴展到徑流的基流分割和污染物分割。一般來說，點源污染物(基流)在河流監測斷面的出流時間序列相對平穩，對其出流時間序列進行傅立葉變換后，點源污染負荷(基流)的信號較弱，主要是低頻信號。而非點源污染負荷(地表徑流)的出流時間序列易受降雨徑流等外界條件影響，變化幅度較大，非點源污染負荷(地表徑流)的信號較強，主要是高頻信號。通過分離高低頻信號可以實現對點源污染(基流)和非點源污染(地表徑流)的區分。數字濾波法直接對監測斷面的污染物進行定量分割，其使用方法詳見文獻[9，10]。

3.2 漓江流域上游桂林水文站斷面污染物分割

本文收集了2005-2014年漓江流域上游青獅潭水庫壩首、大面斷面、桂林水文站的高錳酸鹽指數、氨氮和總磷水質資料，以及桂林水文站的徑流資料。對于桂林水文站，利用徑流和水質資料，運用水文估算法、徑流分割法和數字濾波法分別對監測斷面的污染物總負荷進行分割，污染物分割結果見圖5。結果顯示，采用水文估算法、徑流分割法和數字濾波法計算的桂林水文站高錳酸鹽指數非點源污染比例的多年(2005-2014年)平均值分別是0.82、0.73和0.36；氨氮非點源污染比例的多年平均值分別是0.79、0.72和0.71；總磷非點源污染比例的多年平均值分別是0.80、0.71和0.54。

圖5 基于不同方法的桂林水文站高錳酸鹽指數、氨氮和總磷污染負荷分割

采用不同方法計算的桂林水文站污染物分割綜合分析結果顯示：①3種方法計算的桂林水文站斷面高錳酸鹽指數、氨氮和總磷的非點源污染比例平均值分別是0.64、0.74和0.68，說明非點源污染對漓江的水質影響較大。②水文估算法和徑流分割法計算的高錳酸鹽指數、氨氮和總磷的非點源污染比例非常接近，相差8.86%～11.25%，而且水文估算法的計算結果基本上高于徑流分割法。③對氨氮而言，水文估算法、徑流分割法和數字濾波法的計算結果較為接近，相差8.86%和10.13%。④數字濾波法計算的桂林水文站高錳酸鹽指數和總磷的非點源污染比例小于水文估算法和徑流分割法計算的計算結果，其中，高錳酸鹽指數表現較為明顯，其原因需要進一步的深入研究。

3.3 漓江流域上游不同尺度非點源污染負荷對比

對于青獅潭水庫壩首和大面斷面，因為沒有兩個斷面的流量資料，只采用數字濾波法進行污染負荷的分割?；跀底譃V波法的3個尺度高錳酸鹽指數、氨氮、總磷的污染物分割結果見圖6。采用數字濾波法計算的青獅潭水庫壩首、大面斷面和桂林水文站高錳酸鹽指數的非點源污染比例平均值分別是0.49、0.53和0.36；氨氮的非點源污染比例平均值分別是0.64、0.44和0.71；總磷的非點源污染比例平均值分別是0.54、0.58和0.54。

圖6 基于數字濾波法的不同尺度高錳酸鹽指數、氨氮和總磷非點源污染比例

基于數字濾波法的不同尺度污染物分割結果顯示：①青獅潭水庫壩首、大面斷面和桂林水文站的氨氮和總磷非點源污染比例的年際波動較大，明顯大于高錳酸鹽指數非點源比例的年際波動。②氨氮的非點源污染比例呈現桂林水文站>青獅潭水庫壩首>大面斷面的特點，其中桂林水文站的氨氮非點源污染比例比其他兩個尺度高出0.07和0.27；3個尺度總磷的非點源污染比例差別不大，大面斷面高出其他兩個尺度0.04；大面斷面高錳酸鹽指數的非點源污染比例最大，比其他兩個尺度大0.04和0.17。③3個水質因子非點源污染比例的最大值出現在3個空間尺度的中游(大面斷面)和下游(桂林水文站)。

4 結 語

(1)漓江流域上游3個空間尺度中，2005-2014年青獅潭水庫壩首的高錳酸鹽指數為Ⅰ～Ⅲ類，污染物濃度呈現上升的趨勢。而大面斷面和桂林水文站的高錳酸鹽指數基本上為Ⅰ類，年際波動很小。青獅潭水庫庫區內農作物生產施用的化肥和農藥、水庫的部分水體進行網箱養魚或禽類養殖、庫區內森林凋落物的有機質被分解和淋溶，致使青獅潭水庫的有機污染物高于大面斷面和桂林水文站。

(2)漓江流經桂林市區時，城市生活污水和郊區農業生產中化肥和農藥施用、養殖業產生的廢水流入漓江及其支流，汽車、游船排放的含氮尾氣溶于水后形成氨氮，使得處于下游的桂林水文站氨氮和總磷含量高于青獅潭水庫壩首和大面斷面。

(3)對于桂林水文站，水文估算法和徑流分割法計算的高錳酸鹽指數、氨氮和總磷的非點源比例非常接近，相差8.86%～11.25%，而且水文估算法的結果基本上高于徑流分割法。對于桂林水文站的氨氮而言，水文估算法、徑流分割法和數字濾波法的計算結果較為接近，相差8.86%和10.13%。

(4)3種方法計算的桂林水文站斷面高錳酸鹽指數、氨氮和總磷的非點源污染比例平均值分別是0.64、0.74和0.68，說明非點源污染對漓江的水質影響較大。

(5)基于數字濾波法的計算結果顯示，漓江流域上游3個空間尺度氨氮和總磷非點源污染比例的年際波動較大，明顯大于高錳酸鹽指數非點源比例的年際波動。高錳酸鹽指數、氨氮和總磷的非點源污染比例的最大值，出現在漓江流域上游3個空間尺度的中游(大面斷面)和下游(桂林水文站)。

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