漓江流域上游水质分析和污染物定量分割

代俊峰，杨 艺，方荣杰，蒋立新

(1. 桂林理工大学 广西环境污染控制理论与技术重点实验室，广西 桂林 541004；2. 桂林理工大学 岩溶地区水污染控制与用水安全保障协同创新中心，广西 桂林 541004；3. 桂林市水文水资源局，广西 桂林 541001)

桂林山水是世界级的宝贵资源，漓江是桂林山水的灵魂。漓江是国家重点保护河流之一，是桂林市工农业用水、生活饮用水和经济活动的主要水源地，也是本地区最终纳污水体。2013 年CNN 评选15 条全球最美河流，漓江成中国唯一入选者。然而，漓江的水环境现状却不容乐观。20世纪90 年代以来，漓江水质变差、枯水期变长且水面萎缩，两岸自然景观退化。由于枯水资源短缺，枯水期水量减少，江水稀释、自净能力下降，农业污水、生活污水、工业废水的排放，造成漓江水污染。2012年1月，《广西壮族自治区漓江流域生态环境保护条例》正式施行，如何科学保护漓江、维持纯净优良的生态环境是目前面临的重大课题。漓江干流和支流的氮磷等水质状况引起关注，一些学者开展了漓江干流和支流氮磷水质因子的监测工作[1-3]，但漓江流域非点源污染的估算和评价研究鲜有报道。

非点源污染已经成为多数流域水体污染的主要来源之一，而关于漓江流域非点源污染对水环境影响方面的报道很少。本文对漓江流域上游3个空间尺度2005-2014年高锰酸盐指数、氨氮和总磷进行分析评价，运用水文估算法、径流分割法和数字滤波法估算非点源污染在污染物总负荷中的比例，为漓江流域水环境保护和污染治理提供数据支撑与决策依据。

1 研究区域概况

漓江属于珠江水系，发源于“华南第一峰”桂北越城岭猫儿山，全长214 km，流域面积12 285 km2。其中，猫儿山至桂林为上游，桂林至阳朔为中游，阳朔至平乐为下游。漓江流域属于雨源型河流，每年3-8月为汛期，汛期径流占全年的80%以上。枯水期为9月至次年2月，其径流仅为全年的20%，而最枯月1月仅占全年径流的2%。青狮潭水库，建于漓江支流甘棠江的青狮潭峡谷谷口，总库容6 亿m3，位于漓江流域上游，集养殖、发电、防洪、灌溉、旅游、漓江补水于一体的国家级水库。青狮潭水库集水区呈扇形，控制集雨面积474 km2，流域内河道狭窄，坡降陡，河床坡降0.5%。山高林密，植被良好，土地利用类型以林地和水稻田为主。甘棠江是漓江流域内最大支流，全长60 km。

本文的研究区域为漓江流域上游(见图1，桂林水文站以上区域)，集水面积2 762 km2。漓江流域上游集水面积较小，地处山区，自身的径流调节能力偏弱。丰水期经常发生洪水灾害，枯水期则严重缺水。漓江流域上游水质断面见图1。

本文选取漓江流域上游3个空间尺度为研究对象，自上而下依次是青狮潭水库坝首断面→大面断面→桂林水文站。从青狮潭水库坝首流出的水流，流经西干渠、东干渠和甘棠江，部分水量及其回归水经甘棠江(漓江支流)汇入漓江，与漓江水量汇合后，首先流经漓江的大面断面，然后经过桂林市区，流向桂林水文站断面。3个空间尺度的流域特征见表1。

图1 漓江流域上游水质断面位置图

表1 3个空间尺度(断面)的流域特征

2 漓江流域上游不同尺度水质变化分析

以高锰酸盐指数、氨氮、总磷为例，分析漓江流域上游青狮潭水库坝首断面→大面断面→桂林水文站等3个空间尺度的水质变化。依据《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)进行水质评价，并对不同尺度的水质变化特点进行分析。

2.1 不同尺度高锰酸盐指数变化

漓江流域上游不同尺度监测断面的高锰酸盐指数见图2。

图2 不同尺度高锰酸盐指数变化

不同尺度高锰酸盐指数的变化分析可知：①青狮潭水库坝首和桂林水文站的高锰酸盐指数高于大面断面。2005年青狮潭水库坝首高锰酸盐指数为Ⅲ类，2006-2010年为Ⅰ类，2011-2014年为Ⅱ类。大面断面和桂林水文站的高锰酸盐指数基本上为Ⅰ类。②处于上游的青狮潭水库坝首的高锰酸盐指数年际波动变化较大，2010-2014年高锰酸盐指数呈上升趋势。大面断面和桂林水文站的高锰酸盐指数年际变化较小，没有明显的变化趋势。③青狮潭水库坝首的高锰酸盐指数相对较高，说明青狮潭水库的有机及无机可氧化物质(主要是有机污染物)含量较高。青狮潭水库有机污染物的来源主要包括：库区内农作物施用的化肥和农药；部分水库水体进行网箱养鱼或禽类养殖施用的饲料和有机肥料；库区内森林茂盛，凋落物量多，气温较高，雨量丰富，分解速率较高，较多的有机质被分解和淋溶，致使水库中的有机物污染较高；水库小型游船的漏油造成的有机污染。

2.2 不同尺度氨氮变化

漓江流域上游不同尺度监测断面的氨氮变化(见图3)分析显示：①处于下游的桂林水文站的氨氮含量高于同期的青狮潭水库坝首和大面断面，桂林水文站的氨氮含量基本上处于Ⅱ类，其中2012年达到Ⅳ类。青狮潭水库坝首和大面断面的氨氮为Ⅰ-Ⅱ类，其波动变化较小。②漓江水流从大面断面流出后，流经桂林市区，然后达到桂林水文站。漓江流经市区时，城市生活污水和郊区农业生产、养殖业产生的排水流入漓江及其支流，汽车、游船等排放的含氮尾气溶于水后形成氨氮，造成处于下游的桂林水文站断面的氨氮含量升高。③2005-2014年3个尺度的氨氮含量总体呈现上升趋势，但2013-2014年呈现下降的倾向。

图3 不同尺度氨氮变化

2.3 不同尺度总磷变化

漓江流域上游不同尺度监测断面的总磷见图4。不同尺度总磷的浓度变化结果显示：①处于下游的桂林水文站总磷含量高于同期的青狮潭水库坝首和大面断面，桂林水文站的总磷含量基本上处于Ⅱ类，其中2007年和2012年达到Ⅲ和Ⅳ类。青狮潭水库坝首和大面断面的总磷为Ⅱ类，两者的差别较小，且其波动变化不大。②漓江水流离开大面断面流经市区时，城市生活污水、洗涤剂所用的磷酸盐增洁剂和郊区农业生产化肥、有机磷农药、养殖业污水等流入漓江及其支流，使得桂林水文站断面水质中的总磷含量升高。

图4 不同尺度总磷变化

3 漓江流域上游污染物分割

3.1 污染物分割方法简介

河流、水库水质监测断面的污染物浓度包含点源和非点源污染总负荷，若要深入分析非点源污染的含量及其变化特点，需要采用相应的水文或数学方法对其进行分离。

(1)水文估算法。水文估算法是从水文学原理出发，根据点源污染和非点源污染的形成和运移规律，综合运用河流流量和污染物浓度，计算点源污染负荷和非点源污染负荷[4]。相对来说，点源污染排放量相对比较稳定，可利用河流的基流进行估算。非点源污染负荷由地表径流推求[5]。水文估算法考虑因素较为全面，其计算过程比较复杂。水文估算法的计算公式和方法详见文献[6]。

(2)径流分割法。降雨径流对地表的冲刷是流域产生非点源污染的驱动力，同时，降雨径流又是非点源污染物运移的载体。径流分割法认为枯水期所引起的污染由点源污染造成，汛期的污染为点源与非点源污染物的结合。径流分割法简化污染物产生、迁移及转化的过程，根据汛期和枯水期的污染物浓度和流量[7]，进行点源污染和非点源污染的计算。径流分割法的计算方法参见文献[8]。

(3)数字滤波法。数字滤波法以傅立叶分析为理论依据，傅立叶分析的关键在于傅立叶变换，傅立叶变换建立了以频率为自变量的频谱函数和以时间为自变量的时间函数之间的转换关系。数字滤波技术最初用于信号分析处理，然后扩展到径流的基流分割和污染物分割。一般来说，点源污染物(基流)在河流监测断面的出流时间序列相对平稳，对其出流时间序列进行傅立叶变换后，点源污染负荷(基流)的信号较弱，主要是低频信号。而非点源污染负荷(地表径流)的出流时间序列易受降雨径流等外界条件影响，变化幅度较大，非点源污染负荷(地表径流)的信号较强，主要是高频信号。通过分离高低频信号可以实现对点源污染(基流)和非点源污染(地表径流)的区分。数字滤波法直接对监测断面的污染物进行定量分割，其使用方法详见文献[9，10]。

3.2 漓江流域上游桂林水文站断面污染物分割

本文收集了2005-2014年漓江流域上游青狮潭水库坝首、大面断面、桂林水文站的高锰酸盐指数、氨氮和总磷水质资料，以及桂林水文站的径流资料。对于桂林水文站，利用径流和水质资料，运用水文估算法、径流分割法和数字滤波法分别对监测断面的污染物总负荷进行分割，污染物分割结果见图5。结果显示，采用水文估算法、径流分割法和数字滤波法计算的桂林水文站高锰酸盐指数非点源污染比例的多年(2005-2014年)平均值分别是0.82、0.73和0.36；氨氮非点源污染比例的多年平均值分别是0.79、0.72和0.71；总磷非点源污染比例的多年平均值分别是0.80、0.71和0.54。

图5 基于不同方法的桂林水文站高锰酸盐指数、氨氮和总磷污染负荷分割

采用不同方法计算的桂林水文站污染物分割综合分析结果显示：①3种方法计算的桂林水文站断面高锰酸盐指数、氨氮和总磷的非点源污染比例平均值分别是0.64、0.74和0.68，说明非点源污染对漓江的水质影响较大。②水文估算法和径流分割法计算的高锰酸盐指数、氨氮和总磷的非点源污染比例非常接近，相差8.86%～11.25%，而且水文估算法的计算结果基本上高于径流分割法。③对氨氮而言，水文估算法、径流分割法和数字滤波法的计算结果较为接近，相差8.86%和10.13%。④数字滤波法计算的桂林水文站高锰酸盐指数和总磷的非点源污染比例小于水文估算法和径流分割法计算的计算结果，其中，高锰酸盐指数表现较为明显，其原因需要进一步的深入研究。

3.3 漓江流域上游不同尺度非点源污染负荷对比

对于青狮潭水库坝首和大面断面，因为没有两个断面的流量资料，只采用数字滤波法进行污染负荷的分割。基于数字滤波法的3个尺度高锰酸盐指数、氨氮、总磷的污染物分割结果见图6。采用数字滤波法计算的青狮潭水库坝首、大面断面和桂林水文站高锰酸盐指数的非点源污染比例平均值分别是0.49、0.53和0.36；氨氮的非点源污染比例平均值分别是0.64、0.44和0.71；总磷的非点源污染比例平均值分别是0.54、0.58和0.54。

图6 基于数字滤波法的不同尺度高锰酸盐指数、氨氮和总磷非点源污染比例

基于数字滤波法的不同尺度污染物分割结果显示：①青狮潭水库坝首、大面断面和桂林水文站的氨氮和总磷非点源污染比例的年际波动较大，明显大于高锰酸盐指数非点源比例的年际波动。②氨氮的非点源污染比例呈现桂林水文站>青狮潭水库坝首>大面断面的特点，其中桂林水文站的氨氮非点源污染比例比其他两个尺度高出0.07和0.27；3个尺度总磷的非点源污染比例差别不大，大面断面高出其他两个尺度0.04；大面断面高锰酸盐指数的非点源污染比例最大，比其他两个尺度大0.04和0.17。③3个水质因子非点源污染比例的最大值出现在3个空间尺度的中游(大面断面)和下游(桂林水文站)。

4 结 语

(1)漓江流域上游3个空间尺度中，2005-2014年青狮潭水库坝首的高锰酸盐指数为Ⅰ～Ⅲ类，污染物浓度呈现上升的趋势。而大面断面和桂林水文站的高锰酸盐指数基本上为Ⅰ类，年际波动很小。青狮潭水库库区内农作物生产施用的化肥和农药、水库的部分水体进行网箱养鱼或禽类养殖、库区内森林凋落物的有机质被分解和淋溶，致使青狮潭水库的有机污染物高于大面断面和桂林水文站。

(2)漓江流经桂林市区时，城市生活污水和郊区农业生产中化肥和农药施用、养殖业产生的废水流入漓江及其支流，汽车、游船排放的含氮尾气溶于水后形成氨氮，使得处于下游的桂林水文站氨氮和总磷含量高于青狮潭水库坝首和大面断面。

(3)对于桂林水文站，水文估算法和径流分割法计算的高锰酸盐指数、氨氮和总磷的非点源比例非常接近，相差8.86%～11.25%，而且水文估算法的结果基本上高于径流分割法。对于桂林水文站的氨氮而言，水文估算法、径流分割法和数字滤波法的计算结果较为接近，相差8.86%和10.13%。

(4)3种方法计算的桂林水文站断面高锰酸盐指数、氨氮和总磷的非点源污染比例平均值分别是0.64、0.74和0.68，说明非点源污染对漓江的水质影响较大。

(5)基于数字滤波法的计算结果显示，漓江流域上游3个空间尺度氨氮和总磷非点源污染比例的年际波动较大，明显大于高锰酸盐指数非点源比例的年际波动。高锰酸盐指数、氨氮和总磷的非点源污染比例的最大值，出现在漓江流域上游3个空间尺度的中游(大面断面)和下游(桂林水文站)。

□

[1] 杨青瑞，陈求稳．漓江大型底栖无脊椎动物及其与水环境的关系[J]．水利水电科技进展，2010，30(6)：8-10.

[2] 陈 凯，张永祥，蔡德所，等．漓江大型底栖无脊椎动物群落结构与水质生物评价[J]．广西师范大学学报(自然科学版)，2012，30(4)：115-122.

[3] 周振明，陈朝述，刘可慧，等．漓江桂林市区段夏季浮游植物群落特征与水质评价[J]．生态环境学报，2014，23(4)：649-656.

[4] 刘晓燕，张国珍．中国水环境非点源污染负荷估算方法研究[J]．环境科学与管理，2007，(6)：63-66.

[5] 陈友媛，惠二青，金春姬，等．非点源污染负荷的水文估算法[J]．环境科学研究，2003，(16)：10-13.

[6] 乔继平，代俊峰. 河流污染的点源和非点源负荷分割研究[J]．中国农村水利水电，2015，(6)：17-20.

[7] 杨育红，阎百兴，沈 波，等. 第二松花江流域非点源污染输出负荷研究. 农业环境科学学报，2009，28(1)：161-165.

[8] 李 杰，余 麟，许君雨. 东辽河辽源段非点源污染估算与变化规律分析[J]. 科学技术与工程，2013，13(29)：8 691-8 696.

[9] Arnold J G, Allen P M, Muttiah R S, et al. Automated baseflow separation and recession analysis techniques[J]．Ground Water, 1995,33(6):1 010-1 018．

[10] Arnold J G, Allen P M．Automated methods for estimating baseflow and ground water recharge from stream flow [J]．Journal of the American Water Resources Association, 1999,35(2):411-424.