代俊峰，楊 藝，方榮杰，蔣立新

(1. 桂林理工大學(xué) 廣西環(huán)境污染控制理論與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 桂林 541004；2. 桂林理工大學(xué) 巖溶地區(qū)水污染控制與用水安全保障協(xié)同創(chuàng)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(jí)的寶貴資源，漓江是桂林山水的靈魂。漓江是國(guó)家重點(diǎn)保護(hù)河流之一，是桂林市工農(nóng)業(yè)用水、生活飲用水和經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的主要水源地，也是本地區(qū)最終納污水體。2013 年CNN 評(píng)選15 條全球最美河流，漓江成中國(guó)唯一入選者。然而，漓江的水環(huán)境現(xiàn)狀卻不容樂(lè)觀。20世紀(jì)90 年代以來(lái)，漓江水質(zhì)變差、枯水期變長(zhǎng)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(nóng)業(yè)污水、生活污水、工業(yè)廢水的排放，造成漓江水污染。2012年1月，《廣西壯族自治區(qū)漓江流域生態(tài)環(huán)境保護(hù)條例》正式施行，如何科學(xué)保護(hù)漓江、維持純凈優(yōu)良的生態(tài)環(huán)境是目前面臨的重大課題。漓江干流和支流的氮磷等水質(zhì)狀況引起關(guān)注，一些學(xué)者開(kāi)展了漓江干流和支流氮磷水質(zhì)因子的監(jiān)測(cè)工作[1-3]，但漓江流域非點(diǎn)源污染的估算和評(píng)價(jià)研究鮮有報(bào)道。

非點(diǎn)源污染已經(jīng)成為多數(shù)流域水體污染的主要來(lái)源之一，而關(guān)于漓江流域非點(diǎn)源污染對(duì)水環(huán)境影響方面的報(bào)道很少。本文對(duì)漓江流域上游3個(gè)空間尺度2005-2014年高錳酸鹽指數(shù)、氨氮和總磷進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，運(yùn)用水文估算法、徑流分割法和數(shù)字濾波法估算非點(diǎn)源污染在污染物總負(fù)荷中的比例，為漓江流域水環(huán)境保護(hù)和污染治理提供數(shù)據(jù)支撐與決策依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

漓江屬于珠江水系，發(fā)源于“華南第一峰”桂北越城嶺貓兒山，全長(zhǎng)214 km，流域面積12 285 km2。其中，貓兒山至桂林為上游，桂林至陽(yáng)朔為中游，陽(yáng)朔至平樂(lè)為下游。漓江流域?qū)儆谟暝葱秃恿?，每?-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(kù)，建于漓江支流甘棠江的青獅潭峽谷谷口，總庫(kù)容6 億m3，位于漓江流域上游，集養(yǎng)殖、發(fā)電、防洪、灌溉、旅游、漓江補(bǔ)水于一體的國(guó)家級(jí)水庫(kù)。青獅潭水庫(kù)集水區(qū)呈扇形，控制集雨面積474 km2，流域內(nèi)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(nèi)最大支流，全長(zhǎng)60 km。

本文的研究區(qū)域?yàn)槔旖饔蛏嫌?見(jiàn)圖1，桂林水文站以上區(qū)域)，集水面積2 762 km2。漓江流域上游集水面積較小，地處山區(qū)，自身的徑流調(diào)節(jié)能力偏弱。豐水期經(jīng)常發(fā)生洪水災(zāi)害，枯水期則嚴(yán)重缺水。漓江流域上游水質(zhì)斷面見(jiàn)圖1。

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

圖1 漓江流域上游水質(zhì)斷面位置圖

表1 3個(gè)空間尺度(斷面)的流域特征

2 漓江流域上游不同尺度水質(zhì)變化分析

以高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總磷為例，分析漓江流域上游青獅潭水庫(kù)壩首斷面→大面斷面→桂林水文站等3個(gè)空間尺度的水質(zhì)變化。依據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià)，并對(duì)不同尺度的水質(zhì)變化特點(diǎn)進(jìn)行分析。

2.1 不同尺度高錳酸鹽指數(shù)變化

漓江流域上游不同尺度監(jiān)測(cè)斷面的高錳酸鹽指數(shù)見(jiàn)圖2。

圖2 不同尺度高錳酸鹽指數(shù)變化

不同尺度高錳酸鹽指數(shù)的變化分析可知：①青獅潭水庫(kù)壩首和桂林水文站的高錳酸鹽指數(shù)高于大面斷面。2005年青獅潭水庫(kù)壩首高錳酸鹽指數(shù)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(shù)基本上為Ⅰ類。②處于上游的青獅潭水庫(kù)壩首的高錳酸鹽指數(shù)年際波動(dòng)變化較大，2010-2014年高錳酸鹽指數(shù)呈上升趨勢(shì)。大面斷面和桂林水文站的高錳酸鹽指數(shù)年際變化較小，沒(méi)有明顯的變化趨勢(shì)。③青獅潭水庫(kù)壩首的高錳酸鹽指數(shù)相對(duì)較高，說(shuō)明青獅潭水庫(kù)的有機(jī)及無(wú)機(jī)可氧化物質(zhì)(主要是有機(jī)污染物)含量較高。青獅潭水庫(kù)有機(jī)污染物的來(lái)源主要包括：庫(kù)區(qū)內(nèi)農(nóng)作物施用的化肥和農(nóng)藥；部分水庫(kù)水體進(jìn)行網(wǎng)箱養(yǎng)魚(yú)或禽類養(yǎng)殖施用的飼料和有機(jī)肥料；庫(kù)區(qū)內(nèi)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(jī)質(zhì)被分解和淋溶，致使水庫(kù)中的有機(jī)物污染較高；水庫(kù)小型游船的漏油造成的有機(jī)污染。

2.2 不同尺度氨氮變化

漓江流域上游不同尺度監(jiān)測(cè)斷面的氨氮變化(見(jiàn)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(kù)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(dá)到Ⅳ類。青獅潭水庫(kù)壩首和大面斷面的氨氮為Ⅰ-Ⅱ類，其波動(dòng)變化較小。②漓江水流從大面斷面流出后，流經(jīng)桂林市區(qū)，然后達(dá)到桂林水文站。漓江流經(jīng)市區(qū)時(shí)，城市生活污水和郊區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、養(yǎng)殖業(yè)產(chǎn)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(gè)尺度的氨氮含量總體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，但2013-2014年呈現(xiàn)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(jiān)測(cè)斷面的總磷見(jiàn)圖4。不同尺度總磷的濃度變化結(jié)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(kù)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(dá)到Ⅲ和Ⅳ類。青獅潭水庫(kù)壩首和大面斷面的總磷為Ⅱ類，兩者的差別較小，且其波動(dòng)變化不大。②漓江水流離開(kāi)大面斷面流經(jīng)市區(qū)時(shí)，城市生活污水、洗滌劑所用的磷酸鹽增潔劑和郊區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)化肥、有機(jī)磷農(nóng)藥、養(yǎng)殖業(yè)污水等流入漓江及其支流，使得桂林水文站斷面水質(zhì)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(jiǎn)介

河流、水庫(kù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面的污染物濃度包含點(diǎn)源和非點(diǎn)源污染總負(fù)荷，若要深入分析非點(diǎn)源污染的含量及其變化特點(diǎn)，需要采用相應(yīng)的水文或數(shù)學(xué)方法對(duì)其進(jìn)行分離。

(1)水文估算法。水文估算法是從水文學(xué)原理出發(fā)，根據(jù)點(diǎn)源污染和非點(diǎn)源污染的形成和運(yùn)移規(guī)律，綜合運(yùn)用河流流量和污染物濃度，計(jì)算點(diǎn)源污染負(fù)荷和非點(diǎn)源污染負(fù)荷[4]。相對(duì)來(lái)說(shuō)，點(diǎn)源污染排放量相對(duì)比較穩(wěn)定，可利用河流的基流進(jìn)行估算。非點(diǎn)源污染負(fù)荷由地表徑流推求[5]。水文估算法考慮因素較為全面，其計(jì)算過(guò)程比較復(fù)雜。水文估算法的計(jì)算公式和方法詳見(jiàn)文獻(xiàn)[6]。

(2)徑流分割法。降雨徑流對(duì)地表的沖刷是流域產(chǎn)生非點(diǎn)源污染的驅(qū)動(dòng)力，同時(shí)，降雨徑流又是非點(diǎn)源污染物運(yùn)移的載體。徑流分割法認(rèn)為枯水期所引起的污染由點(diǎn)源污染造成，汛期的污染為點(diǎn)源與非點(diǎn)源污染物的結(jié)合。徑流分割法簡(jiǎn)化污染物產(chǎn)生、遷移及轉(zhuǎn)化的過(guò)程，根據(jù)汛期和枯水期的污染物濃度和流量[7]，進(jìn)行點(diǎn)源污染和非點(diǎn)源污染的計(jì)算。徑流分割法的計(jì)算方法參見(jiàn)文獻(xiàn)[8]。

(3)數(shù)字濾波法。數(shù)字濾波法以傅立葉分析為理論依據(jù)，傅立葉分析的關(guān)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(shù)和以時(shí)間為自變量的時(shí)間函數(shù)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。數(shù)字濾波技術(shù)最初用于信號(hào)分析處理，然后擴(kuò)展到徑流的基流分割和污染物分割。一般來(lái)說(shuō)，點(diǎn)源污染物(基流)在河流監(jiān)測(cè)斷面的出流時(shí)間序列相對(duì)平穩(wěn)，對(duì)其出流時(shí)間序列進(jìn)行傅立葉變換后，點(diǎn)源污染負(fù)荷(基流)的信號(hào)較弱，主要是低頻信號(hào)。而非點(diǎn)源污染負(fù)荷(地表徑流)的出流時(shí)間序列易受降雨徑流等外界條件影響，變化幅度較大，非點(diǎn)源污染負(fù)荷(地表徑流)的信號(hào)較強(qiáng)，主要是高頻信號(hào)。通過(guò)分離高低頻信號(hào)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)點(diǎn)源污染(基流)和非點(diǎn)源污染(地表徑流)的區(qū)分。數(shù)字濾波法直接對(duì)監(jiān)測(cè)斷面的污染物進(jìn)行定量分割，其使用方法詳見(jiàn)文獻(xiàn)[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(kù)壩首、大面斷面、桂林水文站的高錳酸鹽指數(shù)、氨氮和總磷水質(zhì)資料，以及桂林水文站的徑流資料。對(duì)于桂林水文站，利用徑流和水質(zhì)資料，運(yùn)用水文估算法、徑流分割法和數(shù)字濾波法分別對(duì)監(jiān)測(cè)斷面的污染物總負(fù)荷進(jìn)行分割，污染物分割結(jié)果見(jiàn)圖5。結(jié)果顯示，采用水文估算法、徑流分割法和數(shù)字濾波法計(jì)算的桂林水文站高錳酸鹽指數(shù)非點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(shù)、氨氮和總磷污染負(fù)荷分割

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

3.3 漓江流域上游不同尺度非點(diǎn)源污染負(fù)荷對(duì)比

對(duì)于青獅潭水庫(kù)壩首和大面斷面，因?yàn)闆](méi)有兩個(gè)斷面的流量資料，只采用數(shù)字濾波法進(jìn)行污染負(fù)荷的分割?；跀?shù)字濾波法的3個(gè)尺度高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總磷的污染物分割結(jié)果見(jiàn)圖6。采用數(shù)字濾波法計(jì)算的青獅潭水庫(kù)壩首、大面斷面和桂林水文站高錳酸鹽指數(shù)的非點(diǎn)源污染比例平均值分別是0.49、0.53和0.36；氨氮的非點(diǎn)源污染比例平均值分別是0.64、0.44和0.71；總磷的非點(diǎn)源污染比例平均值分別是0.54、0.58和0.54。

圖6 基于數(shù)字濾波法的不同尺度高錳酸鹽指數(shù)、氨氮和總磷非點(diǎn)源污染比例

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

4 結(jié) 語(yǔ)

(1)漓江流域上游3個(gè)空間尺度中，2005-2014年青獅潭水庫(kù)壩首的高錳酸鹽指數(shù)為Ⅰ～Ⅲ類，污染物濃度呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)。而大面斷面和桂林水文站的高錳酸鹽指數(shù)基本上為Ⅰ類，年際波動(dòng)很小。青獅潭水庫(kù)庫(kù)區(qū)內(nèi)農(nóng)作物生產(chǎn)施用的化肥和農(nóng)藥、水庫(kù)的部分水體進(jìn)行網(wǎng)箱養(yǎng)魚(yú)或禽類養(yǎng)殖、庫(kù)區(qū)內(nèi)森林凋落物的有機(jī)質(zhì)被分解和淋溶，致使青獅潭水庫(kù)的有機(jī)污染物高于大面斷面和桂林水文站。

(2)漓江流經(jīng)桂林市區(qū)時(shí)，城市生活污水和郊區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中化肥和農(nóng)藥施用、養(yǎng)殖業(yè)產(chǎn)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(kù)壩首和大面斷面。

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

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

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

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