段順瓊,楊 艷,馬顯瑩,王 靜,李 靖,羅紹芹
(1.昆明市松華壩水庫管理處,昆明 650201;2.昆明市環(huán)境科學(xué)研究院,昆明 650032;3.云南省水利水電科學(xué)研究院,昆明 650228;4.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院,昆明 650201;5.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院,昆明 650201;6.云南今禹生態(tài)工程咨詢有限公司,昆明 650224)
水源地作為供水水源的載體,對(duì)于保障水源供給的穩(wěn)定安全至關(guān)重要,對(duì)一個(gè)城市而言,水源地更是城市生存和發(fā)展的基礎(chǔ)[1]。近年來隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快,城市發(fā)展對(duì)水源地水量、水質(zhì)和水生態(tài)的要求日益提高。
昆明市是一個(gè)嚴(yán)重缺水的城市,松華壩水庫是昆明市的主要優(yōu)質(zhì)水源和滇池水體交換的重要水源,為昆明市的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展做出了巨大的貢獻(xiàn),但近年來由于松華壩水源保護(hù)區(qū)內(nèi)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)強(qiáng)度的增大,加之特殊的地形條件導(dǎo)致保護(hù)區(qū)內(nèi)的水土流失相對(duì)比較嚴(yán)重,使得水源區(qū)內(nèi)的面源污染一度存在,且有逐漸加重的趨勢(shì),嚴(yán)重威脅到昆明市的城市供水安全。松華壩水源保護(hù)區(qū)是昆明最重要的飲用水源地,也是滇池水體交換的重要水源。
牧羊河作為昆明松華壩水庫的一條重要支流,其水質(zhì)的好壞直接關(guān)系到松華壩水庫的水質(zhì)。因此,文章在分析松華壩水庫牧羊河水質(zhì)變化規(guī)律的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步診斷水源地水質(zhì),從而為采取針對(duì)性的水庫相應(yīng)調(diào)度措施及保護(hù)治理對(duì)策提供技術(shù)依據(jù),為昆明城市飲水安全和水源區(qū)的可持續(xù)利用提供保障。
松華壩水庫入庫河流牧羊河1996-2017年水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。
根據(jù)松華壩水庫牧羊河水質(zhì)污染狀況,選取總氮、總磷、氨氮、高錳酸鹽指數(shù)作為水質(zhì)變化趨勢(shì)的分析因子。
分析法(Rescaled Range Analysis,重新標(biāo)度極差分析法)是由英國(guó)學(xué)者赫斯特(H.E.Hurst)在總結(jié)尼羅河的多年水文觀測(cè)資料時(shí),于1965年提出的一種處理時(shí)間序列的方法,它在分形理論中有著重要的作用[2]。R/S分析法計(jì)算簡(jiǎn)單,基本原理與方法如下:
(1)計(jì)算均值。設(shè)時(shí)間序列{ξ(t)},t=1,2,…,n,對(duì)于任意正整數(shù)τ≥1,定義均值序列:
(1)
(2)計(jì)算累積離差。
(2)
(3)計(jì)算極差序列。
R(τ)=max(t,τ)-min(t,τ) 1≤t≤τ
(3)
(4)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差序列。
(4)
對(duì)于{ξ(t)},t=1,2,…,n,是相互獨(dú)立、方差有限的隨機(jī)序列,即布朗運(yùn)動(dòng),赫斯特和費(fèi)勒證明了如下結(jié)果:
(5)
文獻(xiàn)[3]和[4]都給出:
R(τ)/S(τ)=(cτ)H
(6)
式中:c為某常數(shù);H為赫斯特指數(shù)。
水源區(qū)水質(zhì)受自然及人類大規(guī)?;顒?dòng)影響,自然條件、下墊面條件改變,這些因素都會(huì)使主要水質(zhì)指標(biāo)時(shí)間序列的分形特征值(H指數(shù)、分維D)發(fā)生明顯的變化,此時(shí)主要污染指標(biāo)時(shí)間序列成為非平穩(wěn)序列。
以松華壩水庫入庫河流牧羊河1996-2017年水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(總氮、總磷、氨氮、高錳酸鹽指數(shù))的時(shí)間序列作為分式布朗函數(shù)的取值,{ξt,t=1,2,…,22},根據(jù)R/S分析法計(jì)算原理用matlab軟件對(duì)所給序列進(jìn)行R/S分析,得到各水質(zhì)指標(biāo)R/S趨勢(shì)Hurst指數(shù),匯總后得到R/S趨勢(shì)Hurst指數(shù)成果表,見表1。
表1 主要水質(zhì)指標(biāo)R/S趨勢(shì)Hurst指數(shù)成果表Tab.1 Results table of Hurst index of trend analysis of R/S of main quality indexes
根據(jù)表1,全年H總氮=0.606 5>0.5,枯水期H總氮=0.683 7>0.5,豐水期H總氮=0.579 5>0.5,平水期H總氮=0.608 7>0.5,意味著總氮全年、枯水期、豐水期、平水期變化趨勢(shì)將與過去呈正相關(guān),同理,總磷、氨氮、高錳酸鹽指數(shù)全年、枯水期、豐水期、平水期變化趨勢(shì)將與過去呈正關(guān)。
利用三階冪函數(shù)擬合得到1996-2017年牧羊河總氮、總磷、氨氮、高錳酸鹽指數(shù)年均值、枯水期、豐水期、平水期的長(zhǎng)期趨勢(shì)線,見圖1。
根據(jù)圖1和表1可得出如下結(jié)論:
(1)牧羊河總氮年平均值、豐水期、平水期系列擬合曲線的R2分別為0.005 1、0.086 6、0.110 5,數(shù)據(jù)之間沒有相關(guān)性,這3組系列變化趨勢(shì)不明顯;牧羊河總氮枯水期系列擬合曲線R2=0.370 1,數(shù)據(jù)之間中等相關(guān),該系列呈上升趨勢(shì)。
(2)牧羊河總磷年平均值、枯水期、平水期系列擬合曲線的R2分別為0.005 1、0.044 3、0.091 6,數(shù)據(jù)之間沒有相關(guān)性,這3組系列變化趨勢(shì)不明顯;牧羊河總磷豐水期系列擬合曲線的R2=0.306 4,數(shù)據(jù)之間中等相關(guān),該系列呈下降趨勢(shì)。
(3)牧羊河氨氮年平均值、枯水期、豐水期、平水期系列擬合曲線的R2分別為0.005 1、0.027 6、0.006、0.083 3,數(shù)據(jù)之間沒有相關(guān)性,這4組系列變化趨勢(shì)不明顯。
(4)牧羊河高錳酸鹽指數(shù)年平均值、豐水期系列擬合曲線的R2分別為0.005 1、0.032 9、數(shù)據(jù)之間沒有相關(guān)性,這2組系列變化趨勢(shì)不明顯,牧羊河高錳酸鹽指數(shù)枯水期系列擬合曲線的R2=0.695 6,數(shù)據(jù)之間高度相關(guān),該系列呈上升趨勢(shì);牧羊河錳酸鹽指數(shù)平水期系列擬合曲線的R2=0.266 1,數(shù)據(jù)之間中等相關(guān),該系列呈上升趨勢(shì)。
圖1 松華壩水庫牧羊河變化趨勢(shì)線Fig.1 Changed trend line of Muyanghe of Songhuaba reservoir
(5)牧羊河總氮枯水期系列2017年以后呈上升趨勢(shì);牧羊河總磷豐水期系列2017年以后呈下降升趨勢(shì);牧羊河氨氮年平均值及各水期系列2017年以后趨勢(shì)性不明顯;高錳酸鹽指數(shù)枯水期系列、平水期系列2017年以后均呈上升趨勢(shì)。
本文對(duì)牧羊河總氮、總磷、氨氮、高錳酸鹽指數(shù)趨勢(shì)變化的原因做初步分析。
(1)總氮枯水期呈上升趨勢(shì)的主要原因??偟饕獊碓从谏钗廴荆瑩?jù)2005年統(tǒng)計(jì),牧羊河周邊居民不足4萬人,2007年增加到5.19萬人,人口增加帶來了生活污水量的增加,由于水源區(qū)總體生活水平較低,生活污水處理率比較低,未處理的生活污水排入牧羊河,生活污水中總氮營(yíng)養(yǎng)物含量較高,而枯水期牧羊河來水量和其他水期相比相對(duì)較少,河水對(duì)污染物的稀釋和降解能力較低,因此總氮枯水期呈上升趨勢(shì)比較顯著。
(2)總磷豐水期呈下降趨勢(shì)的主要原因。一是是清理河道堆放雜物和垃圾20余t,完成拆除花卉大棚166.67 hm2,減少了磷肥的施用量,由于河道治理效果明顯,總磷呈下降趨,二是豐水期牧羊河來水量和其他水期相比相對(duì)較多,河水對(duì)污染物的稀釋和降解能力較高,使牧羊河總磷豐水期呈下降趨勢(shì)。
(3)氨氮變化趨勢(shì)不明顯的主要原因。牧羊河氨氮主要來源于生活污水,雖然采取了減少氨氮的排放措施,但效果不顯著,氨氮變化趨勢(shì)不明顯。
(4)高錳酸鹽指數(shù)枯水期、平水期呈上升趨勢(shì)的主要原因。一是生活污水直接排放,據(jù)2005年統(tǒng)計(jì),牧羊河周邊居民不足4萬人,2007年增加到5.19萬人,人口增加帶來了生活污水量的增加,由于水源區(qū)總體生活水平較低,生活污水處理率比較低,未處理的生活污水直接排入牧羊河,導(dǎo)致牧羊河水體溶解氧偏低,高錳酸鹽指數(shù)偏高,二是枯水期和平水期牧羊河來水量和豐水期相比相對(duì)較少,河水對(duì)污染物的稀釋和降解能力較低,高錳酸鹽指數(shù)枯水期、平水期呈上升趨勢(shì)比較明顯。
為了保護(hù)松華壩水庫飲用水源地,保障昆明市居民飲用水安全,確保松華壩水庫入庫河流牧羊河的水質(zhì)安全和水質(zhì)穩(wěn)定,根據(jù)牧羊河總氮、總磷、氨氮、高錳酸鹽指數(shù)變化趨勢(shì),分析提出如下建議:
(1)減少入河污染物的排放量。針對(duì)牧羊河水源區(qū)總體生活水平較低,生活污水處理率比較低,未處理的生活污水排入牧羊河,造成牧羊河水污染日益嚴(yán)重,水質(zhì)污染且富營(yíng)養(yǎng)化不斷加劇,大力推廣“組保潔、村收集、鎮(zhèn)轉(zhuǎn)運(yùn)”的垃圾一體化處理模式,有效處置牧羊河水源區(qū)生活垃圾,通過生物處理、埋設(shè)管網(wǎng)等減少入河污染物的排放量。
(2)做好農(nóng)村環(huán)境基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。運(yùn)用動(dòng)力或微動(dòng)力的污水處理設(shè)施,使牧羊河水源區(qū)生活污水得到有效治理。
(3)增強(qiáng)村民水源保護(hù)意識(shí)。通過大力開展水源保護(hù)知識(shí)宣傳,宣傳和普及農(nóng)村水源保護(hù)意識(shí),提高廣大村民的環(huán)境意識(shí)和監(jiān)督意識(shí),使水源區(qū)水污染問題得到有效控制。
(4)推進(jìn)牧羊河河道管護(hù)治理工作。牧羊河是松華壩水庫的主要入庫河道,為了保護(hù)水資源、防治水污染,要落實(shí)河道各項(xiàng)管護(hù)措施等有力舉措,大力推進(jìn)牧羊河管護(hù)治理工作。
(5)深化“河長(zhǎng)制”確保持續(xù)改善牧羊河水質(zhì)。一是“河長(zhǎng)制”要堅(jiān)持不懈、不折不扣地執(zhí)行下去;二是截污治污是治理牧羊河的重中之重,要加強(qiáng)垃圾處理和管網(wǎng)建設(shè),確保牧羊河水質(zhì)穩(wěn)定。
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