代俊峰,全秋慧,方榮杰,4,曾鴻鵠,4,張紅艷,徐勤學(xué),4,楊利超

(1.國土資源部廣西巖溶動力學(xué)重點實驗室,廣西 桂林 541004;2.聯(lián)合國教科文組織國際巖溶研究中心,廣西 桂林 541004; 3. 桂林理工大學(xué)廣西環(huán)境污染控制理論與技術(shù)重點實驗室,廣西 桂林 541004; 4. 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)

漓江流域上游非點源污染負荷估算

代俊峰1,2,3,4,全秋慧3,方榮杰3,4,曾鴻鵠3,4,張紅艷3,徐勤學(xué)3,4,楊利超1,2

(1.國土資源部廣西巖溶動力學(xué)重點實驗室,廣西 桂林 541004;2.聯(lián)合國教科文組織國際巖溶研究中心,廣西 桂林 541004; 3. 桂林理工大學(xué)廣西環(huán)境污染控制理論與技術(shù)重點實驗室,廣西 桂林 541004; 4. 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)

采用徑流分割法(豐枯徑流差值法)、降雨量差值法和徑流量差值法,基于2005—2014年各月水文和水質(zhì)數(shù)據(jù),進行漓江流域上游非點源污染負荷量的估算。結(jié)果表明,徑流分割法的非點源污染負荷計算精度最高,豐枯水期污染物負荷差值和流量差值的擬合方程決定系數(shù)在0.88以上;基于徑流分割法的污染物總負荷計算值和實測值的決定系數(shù)在0.91以上,計算值與實測值的結(jié)果接近。與氨氮和高錳酸鹽指數(shù)相比,不同方法計算的總磷非點源污染比例呈現(xiàn)較強的穩(wěn)定性。徑流分割法的計算結(jié)果顯示,2005—2014年高錳酸鹽指數(shù)的非點源比例平均值為0.70,氨氮的非點源比例平均值為0.73,總磷的非點源比例平均值為0.74,說明非點源污染對漓江流域上游水質(zhì)的貢獻率較高。

非點源污染;徑流分割法;降雨量差值法;徑流量差值法;漓江

非點源污染由于涉及范圍廣、控制難度大，已成為影響流域水環(huán)境的重要污染源。國際上20世紀70年代開始重視對非點源污染的研究，這個時期定量化研究較少，主要研究非點源污染產(chǎn)生的原因，以及土地利用[1]等諸多因素對污染物負荷的影響。隨后，國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注非點源污染的定量化計算，提出了適合特定資料條件的非點源污染負荷估算方法，如污染分割法、降雨量差值法、輸出系數(shù)法、相關(guān)關(guān)系法等，以及非點源污染模型。不同氣象和下墊面條件的流域非點源污染定量估算，可以為區(qū)域非點源污染控制和管理[2]、改善水體環(huán)境提供參考和決策依據(jù)。

漓江流域位于廣西東北部,屬典型喀斯特(巖溶)區(qū),是世界喀斯特地貌代表性區(qū)域,2013 年CNN 評選15 條全球最美河流,漓江是唯一入選的中國河流。由于漓江枯水期水量小,河流稀釋、自凈能力低,以及農(nóng)業(yè)污水、生活污水的排放,使得漓江的水環(huán)境質(zhì)量不容樂觀。2012 年1 月,《廣西壯族自治區(qū)漓江流域生態(tài)環(huán)境保護條例》正式施行。2014年6月,桂林喀斯特作為“中國南方喀斯特二期”重要提名地,成功入選世界自然遺產(chǎn)名錄。桂林喀斯特地貌以漓江流域為代表,如何保護漓江生態(tài)環(huán)境值得關(guān)注。

一些學(xué)者開展了漓江氮磷的試驗研究[3-5],以及漓江流域中游會仙濕地氮磷的試驗分析[6],但漓江流域氮磷非點源污染的定量估算研究較少。由于缺少全面的、連續(xù)的氮磷污染負荷監(jiān)測資料,且不同地區(qū)氮磷非點源污染的產(chǎn)生機理和過程復(fù)雜且有所不同,非點源污染的估算較為困難。理論上分析,降雨的大小和強度,降雨產(chǎn)生的徑流量大小和流速,都對非點源污染負荷有影響。建立降雨量和徑流量與非點源污染負荷之間的相關(guān)關(guān)系,可為流域非點源污染負荷的預(yù)測和治理提供參考[7]。本文基于2005—2014年月尺度水文和水質(zhì)數(shù)據(jù),采用徑流分割法(豐枯徑流差值法)、降雨量差值法[8]和徑流量差值法[9],對漓江上游非點源污染負荷量進行估算。

1 研究區(qū)域概況

漓江屬于珠江水系,發(fā)源于華南第一峰貓兒山,全長214 km,流域面積12 285 km2,漓江流域水系見圖1。漓江流域為上、下游兩頭較窄,而中間寬的長形多支流河系[10]。桂林水文站以上為漓江流域上游,集水面積為2 762 km2,流域平均寬度為39.2 km,干流長105 km,其中大溶江至桂林之間為巖溶峰林平原,河床比降為0.094%,桂林市區(qū)段河床平均比降為0.044%。本文的具體研究范圍為漓江流域上游。

圖1 漓江流域及其上游水系分布示意圖

1.1 地貌特征

漓江流域?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候,年平均氣溫19℃,冬季較短,夏季較長,雨水豐沛。漓江流域上游的上部和中部森林植被發(fā)育較好,主要分布著由碎屑巖組成的常態(tài)中低山,地表溝谷深切,使得地表水系發(fā)育,土壤以深厚的黃壤和紅黃壤為主。漓江流域上游的下部為典型巖溶地貌區(qū),主要是由碳酸鹽巖溶蝕為主形成的峰叢洼(谷)地、峰林平原,土壤主要有紅黃壤和紅壤,集中分布于洼地、平原和緩坡;而山區(qū)土壤的厚度淺薄甚至基巖裸露,地表水系不太發(fā)育[11]。

1.2 水文特征

漓江流域多年平均降水量為1 900 mm,降水分布從西北向東南遞減[12]。漓江屬于雨源型河流,水資源相對豐富,年最大徑流模數(shù)為55.8 dm3/(s·km2),平均為38.8 dm3/(s·km2)。漓江流域上游多年平均徑流量為40.3億m3,年內(nèi)各月徑流分配與流域降水量年內(nèi)分配相似,高值期與低值期相差8.4倍，其中豐水期4—8月徑流量占全年的77.5%,主汛期5—6月占37.7%,枯水期12月到次年1月占4.5%。

漓江的泥沙主要來源于上游的興安、靈川和桃花江,由暴雨洪水沖刷形成,泥沙主要類型為懸沙,河床主要由卵石、砂等組成。漓江含沙量少,年輸沙量約172萬t,是含沙量最小的廣西河流。

1.3 工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)

漓江是國家重點保護河流之一,是桂林市工農(nóng)業(yè)用水、生活飲用水和經(jīng)濟活動的主要水源地,也是本地區(qū)最終納污水體。漓江流域上游的點源污染主要是工業(yè)廢水和城市生活污水,其中工業(yè)廢水主要來自紙品、水泥、礦業(yè)、醫(yī)藥、電子等行業(yè),以及污水處理廠。

漓江流域上游的主要生產(chǎn)活動是農(nóng)業(yè)與漁業(yè),糧食作物以水稻為主,漓江沿岸也種植蔬菜和水果、苗木等經(jīng)濟作物。漓江流域內(nèi)農(nóng)業(yè)灌溉面積為416萬hm2,農(nóng)田內(nèi)施用的農(nóng)藥、化肥,農(nóng)村水產(chǎn)家禽養(yǎng)殖和生活污水等隨地表水、地下水運動而進入漓江,導(dǎo)致漓江氮、磷污染。

2 非點源污染負荷估算方法

流域水質(zhì)監(jiān)測的污染物成分包括點源和非點源污染物,如何采用簡單、有效的方法,從有限的水質(zhì)監(jiān)測資料中定量分離出非點源負荷,并獲得合理的、可以接受的計算精度,是相關(guān)學(xué)者一直關(guān)心的問題。徑流分割法、降雨量差值法、徑流量差值法是常用的幾種非點源污染負荷估算方法。

圖2 相鄰豐水期與枯水期斷面污染物通量差值與徑流量差值的相關(guān)關(guān)系

2.1 徑流分割法

徑流Q包括地表徑流Qs和河川基流Qg,降雨徑流的沖刷是非點源污染負荷Ln產(chǎn)生的原動力,徑流排水是非點源污染物運移的載體。為簡化非點源污染負荷計算過程,假定非點源污染主要由汛期地表徑流引起,而枯水季節(jié)的水質(zhì)污染主要由點源污染所引起[13]。進行非點源污染負荷估算時,徑流分割法[14-15]先由降水量推求徑流量或者直接利用徑流量實測值,將徑流量分割為汛期地表徑流和枯季徑流,以枯水期的平均流量作為河川基流量,平均濃度作為基流濃度,然后進行污染物的分割計算。

2.2 降雨量差值法

無降雨量或者降雨量小而不產(chǎn)生地表徑流時,流域的污染主要由點源污染引起。當(dāng)降雨產(chǎn)生地表徑流時,流域同時發(fā)生點源污染和非點源污染。一般來說,點源污染相對穩(wěn)定,降雨量插值法視年內(nèi)(或一段時間內(nèi))點源污染負荷變化波動不大。任意兩年洪水(或任意兩月,任意兩場)產(chǎn)生的污染總負荷(包括點源和非點源)之差ΔL應(yīng)為這兩年降水量之差ΔP引起的非點源污染負荷Ln。據(jù)此,可以建立降水量差值ΔP與非點源污染負荷差值ΔLn之間的相關(guān)關(guān)系,降雨量差值法的計算公式詳見文獻[8]。

降雨量差值法避開了污染物從產(chǎn)生到流出流域出口的遷移轉(zhuǎn)化過程,直接估算流域出口的非點源污染負荷,屬于黑箱模型,可應(yīng)用于徑流量觀測資料缺乏的地區(qū)[7,16]。

2.3 徑流量差值法

一般來說,如果沒有地表徑流Qs的產(chǎn)生,非點源污染物很難進入受納水體。因此,非點源污染負荷Ln與地表徑流Qs存在密切關(guān)系。

假定流域各年(月)點源污染負荷排放量為常數(shù),則流域相鄰各年(月)出口斷面總負荷差值ΔL可認為是由徑流過程引起的非點源污染負荷Ln。據(jù)此,ΔL與相鄰各年(月)地表徑流量差值ΔQs之間存在函數(shù)關(guān)系。利用徑流量差值法計算非點源污染負荷Ln的方法詳見文獻[9]。

3 非點源污染負荷估算

本文收集了桂林水文站1980—2014年各月流量資料和2005—2014年各月水質(zhì)資料,考慮到水量水質(zhì)資料的同步性,以2005—2014年各月的水質(zhì)和流量資料為基礎(chǔ),采用徑流分割法、降雨量差值法和徑流量差值法,建立降水量P或徑流量Q與非點源負荷Ln的相關(guān)關(guān)系,對漓江流域上游的主要非點源污染物高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)、氨氮(NH3-N)和總磷(TP)進行分析。

3.1 基于徑流分割法的非點源污染負荷估算

對于漓江流域,4—8月為豐水期,2—3月、9—11月為平水期,12月至翌年1月為枯水期。計算豐水期與枯水期的流量差值和相應(yīng)的斷面污染物通量差值,建立其相關(guān)關(guān)系(圖2)。結(jié)果顯示,豐、枯水期的斷面污染物通量差值和流量差值擬合方程的決定系數(shù)在0.887～0.929之間,說明兩者的相關(guān)性較好。

按豐水期、平水期、枯水期分別統(tǒng)計監(jiān)測斷面的CODMn、NH3-N和TP質(zhì)量濃度(表1),進而計算得到非點源污染負荷和點源污染負荷(表2)。其中,年污染物負荷實測值由月污染物負荷實測值加和求得,月污染物負荷實測值由月流量與月污染物實測平均質(zhì)量濃度的乘積來計算。

表1 不同水情條件下的斷面污染物質(zhì)量濃度

表2 徑流分割法污染負荷計算結(jié)果 t

圖3 基于徑流分割法的污染物總負荷計算值與實測值的相關(guān)關(guān)系

為了評價徑流分割法的計算結(jié)果,采用線性回歸法分析徑流分割法計算的污染物總負荷與實測值的符合程度(圖3)。結(jié)果表明,污染物總負荷的計算值和實測值的決定系數(shù)在0.918～0.949之間,散點均勻地分布在擬合直線的兩側(cè),說明徑流分割法的計算結(jié)果合理、可信。

3.2 基于降雨量差值法的非點源污染負荷估算

根據(jù)月降水量差值和斷面污染物通量差值,建立其相關(guān)關(guān)系如圖4所示。圖4顯示,在月降水量差小于150 mm時,相關(guān)關(guān)系圖的散點較為集中,分布于擬合直線的附近。但當(dāng)月降水量差值大于150 mm,尤其是大于300 mm時,散點偏離擬合直線的程度較大。

擬合得到月污染物通量差值與降水量差值的函數(shù)關(guān)系為

(1)

ΔLNH3-N=0.449ΔP-0.929

(2)

ΔLTP=0.100ΔP-0.091

(3)

式中：ΔLCODMn、ΔLNH3-N、ΔLTP分別為相鄰月份CODMn、NH3-N、TP通量的差值,t;ΔP為相應(yīng)月份降水量差值,mm。此式可理解為非點源污染單一地由降水引起。

圖4 相鄰月份污染物通量差值與降水量差值的相關(guān)關(guān)系

將各月降水量分別代入式(1)(2)(3),計算得到出口斷面各污染物的非點源負荷Ln,出口斷面實測污染物通量減去Ln即為流域點源污染負荷[17]。

3.3 基于徑流量差值法的非點源污染負荷估算

以當(dāng)年的最枯月徑流為基流,計算各月的地表徑流,建立相鄰月地表徑流量差值和斷面污染物通量差值的相關(guān)關(guān)系如圖5所示。

圖5 相鄰月份污染物通量差值與地表徑流量差值的相關(guān)關(guān)系

圖6 不同方法計算的污染物非點源比例

擬合得到相鄰月污染物通量差值與地表徑流量差值的函數(shù)關(guān)系為

(4)

ΔLNH3-N=0.650ΔQs-0.948

(5)

ΔLTP=0.156ΔQs-0.096

(6)

式中ΔQs為相鄰月地表徑流量差值,m3/s。此式可理解為非點源污染單純地由地表徑流引起。

將流域各月徑流量值分別代入式(4)(5)(6),可計算得到各污染物的非點源負荷Ln,出口斷面污染物實測通量減去Ln即得點源污染負荷。

3.4 污染物非點源比例分析

3種方法計算的CODMn、NH3-N、TP的非點源污染負荷占實測總污染負荷的比例(以下簡稱非點源比例)如圖6所示。圖6表明,徑流分割法計算的2005—2014年CODMn的非點源比例為0.60～0.89,平均值為0.70;NH3-N的非點源比例為0.51～0.86,平均值為0.73;TP的非點源比例為0.60～0.91,平均值為0.74。總體而言,漓江流域上游非點源污染比例較大,對漓江水質(zhì)的貢獻率較高。

圖6(a)顯示,降雨量差值法和徑流量差值法計算的CODMn非點源比例平均值分別是0.86和0.90。這兩個方法計算的CODMn非點源比例大于徑流分割法的計算結(jié)果,高出22.86%～28.57%,在個別年份明顯偏高,例如,2006、2008、2010、2011、2014年的CODMn非點源比例接近或大于1.0。

圖6(b)表明,降雨量差值法和徑流量差值法計算的NH3-N非點源比例平均值分別為0.72和0.68,與徑流分割法的計算值比較接近,相差-1.37%～-6.85%,但在個別年份相差較大。

圖6(c)顯示,降雨量差法和徑流量差法計算的TP非點源比例平均值分別為0.71和0.72,與徑流分割法的計算值相差不大(-4.11%～-1.37%),且在各年的變化趨勢一致。

如上分析,針對2005—2014年數(shù)據(jù)的分析結(jié)果而言,徑流分割法(豐枯徑流差值法)計算的漓江流域上游非點源比例合理。與徑流分割法相比,降雨量差值法和徑流量差值法計算的TP非點源比例較為合理,兩種方法計算的NH3-N非點源比例的精度也可接受,但其計算的CODMn非點源比例精度不高。

4 討 論

徑流分割法、降雨量差值法和徑流量差值法3種計算方法在漓江流域上游的計算結(jié)果表明,徑流分割法的豐枯徑流量差值與非點源污染負荷的相關(guān)性最好,決定系數(shù)在0.88以上。月徑流量差值和月降雨量差值與非點源污染的相關(guān)性低于豐枯徑流差值的,其決定系數(shù)在0.331～0.656之間,說明非點源污染負荷與降雨和徑流量不是簡單的線性關(guān)系,還與降雨的強度和徑流的流速等因素有關(guān),漓江流域的巖溶地貌也是影響非點源污染負荷不可忽視的因素。漓江流域巖溶發(fā)育等復(fù)雜的下墊面條件,影響著污染物到達流域出口的運動過程。由于巖溶發(fā)育地區(qū)土壤厚度薄、不連續(xù)或土壤表層缺失,表層儲水介質(zhì)的孔隙率、裂隙率高,導(dǎo)致其降水入滲透率較高,再加上巖溶裂隙的存在,使得非點源污染物可以隨著壤中流和基流而運動,從而減弱了非點源污染與地表徑流的相關(guān)性。

由于非點源污染的產(chǎn)生受氣候、水文、下墊面和農(nóng)業(yè)管理等因素的綜合影響,使得非點源污染的產(chǎn)生具有不確定性,采用不同方法進行非點源污染負荷估算時,其結(jié)果可能具有一定的差異性。本文的計算結(jié)果表明,漓江流域上游NH3-N和CODMn的非點源比例在不同計算方法之間呈現(xiàn)較大的差異性,說明其計算結(jié)果具有一定的不確定性。而TP則呈現(xiàn)較強的穩(wěn)定性,不同方法計算得到的非點源比例相差不大。

漓江流域上游地形較為復(fù)雜,不同地區(qū)氣象條件存在一定差異,采用一個站點的降水資料表征漓江流域整個面的降水情況,會給計算結(jié)果帶來一定的誤差。另外,采用2005—2014年一個站點的月水質(zhì)數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)序列也較短。今后有必要搜集多站點、更長時間的水量水質(zhì)數(shù)據(jù),進行進一步的分析。

5 結(jié) 論

a. 2005—2014年水質(zhì)數(shù)據(jù)分析結(jié)果顯示,徑流分割法(豐枯徑流差值法)計算的漓江流域上游CODMn、NH3-N和TP非點源污染負荷結(jié)果合理,豐水期與枯水期的污染物負荷差值和豐枯流量差值擬合方程的決定系數(shù)在0.88以上,說明兩者的擬合程度較好。徑流分割法的污染物負荷計算值和實測值的決定系數(shù)在0.91以上,計算值與實測值的結(jié)果接近。

b. 采用降雨量差法和徑流量差法計算TP的非點源比例較為合理,而采用降雨量差法和徑流量差法計算CODMn非點源比例偏高。

c. 基于徑流分割法計算的2005—2014年漓江流域上游CODMn的非點源比例平均值為0.70,NH3-N的非點源比例平均值為0.73,TP的非點源比例平均值為0.74,說明這3種污染物的非點源比例較為接近,非點源污染對漓江流域上游水質(zhì)污染的貢獻率較大。

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Estimationofnon-pointsourcepollutionloadinupstreamofLijiangRiver

DAI Junfeng1, 2, 3, 4, QUAN Qiuhui3, FANG Rongjie3, 4, ZENG Honghu3, 4, ZHANG Hongyan3, XU Qinxue3, 4, YANG Lichao1,2

(1.KeyLaboratoryofKarstDynamicsofMLR&Guangxi,Guilin541004,China; 2.InternationalResearchCenteronKarstUndertheAuspicesofUNESCO,Guilin541004,China; 3.GuangxiKeyLaboratoryofEnvironmentalPollutionControlTheoryandTechnology,GuilinUniversityofTechnology,Guilin541004,China; 4.CollaborativeInnovationCenterforWaterPollutionControlandWaterSafetyinKarstArea,GuilinUniversityofTechnology,Guilin541004,China)

Based on the hydrological and water quality data during 2005-2014, runoff division method, rainfall deduction method and runoff deduction method were used to evaluate the non-point source pollution respectively in the upstream of Lijiang River. Compared with rainfall deduction method and runoff deduction method, the accuracy of runoff division method is the highest. The relationship between pollution load difference and runoff difference in wet and dry period can be described by a linear equation, withR2values greater than 0.88. The calculated values of pollution load using runoff division method were significantly correlated with the measured values, and theR2reached 0.91. Compared with NH3-N and CODMn, the ratio of non-point source pollution to total pollution load of TP calculated by the different methods showed strong stability. The Average value caculated by runoff division method showed that the ratio of non-point source pollution to total pollution load of CODMn, NH3-N and TP was 0.70, 0.73 and 0.74 respectively. It shows that non-point source pollution load highly contributes to the water quality in the upstream of Lijiang River.

non-point source pollution; runoff division method; rainfall deduction method; runoff deduction method; Lijiang River

國家自然科學(xué)基金(51569007);國際巖溶研究中心國際合作項目開放課題(KDL201601);廣西壯族自治區(qū)自然科學(xué)基金(2015GXNSFCA139004)

代俊峰(1980—),男,教授,博士,主要從事水資源高效利用與水環(huán)境研究。E-mail:whudjf@163.com

10.3880/j.issn.1006-7647.2017.05.010

TV121+.1,X522

：A

：1006-7647(2017)05-0057-07

2016-11-12 編輯：鄭孝宇)