高原城市水源地入库河流水质变化趋势研究——以松华坝水库牧羊河为例

段顺琼，杨 艳，马显莹，王 静，李 靖，罗绍芹

(1.昆明市松华坝水库管理处，昆明 650201；2.昆明市环境科学研究院，昆明 650032；3.云南省水利水电科学研究院，昆明 650228；4.云南农业大学水利学院，昆明 650201；5.云南农业大学建筑工程学院，昆明 650201；6.云南今禹生态工程咨询有限公司，昆明 650224)

0 引 言

水源地作为供水水源的载体，对于保障水源供给的稳定安全至关重要，对一个城市而言，水源地更是城市生存和发展的基础[1]。近年来随着经济社会的发展和城市化进程的加快，城市发展对水源地水量、水质和水生态的要求日益提高。

昆明市是一个严重缺水的城市，松华坝水库是昆明市的主要优质水源和滇池水体交换的重要水源，为昆明市的经济和社会发展做出了巨大的贡献，但近年来由于松华坝水源保护区内经济活动强度的增大，加之特殊的地形条件导致保护区内的水土流失相对比较严重，使得水源区内的面源污染一度存在，且有逐渐加重的趋势，严重威胁到昆明市的城市供水安全。松华坝水源保护区是昆明最重要的饮用水源地，也是滇池水体交换的重要水源。

牧羊河作为昆明松华坝水库的一条重要支流，其水质的好坏直接关系到松华坝水库的水质。因此，文章在分析松华坝水库牧羊河水质变化规律的基础上，进一步诊断水源地水质，从而为采取针对性的水库相应调度措施及保护治理对策提供技术依据，为昆明城市饮水安全和水源区的可持续利用提供保障。

1 分析资料及分析参数选择

1.1 分析资料

松华坝水库入库河流牧羊河1996-2017年水质监测数据。

1.2 分析参数选择

根据松华坝水库牧羊河水质污染状况，选取总氮、总磷、氨氮、高锰酸盐指数作为水质变化趋势的分析因子。

2 分析方法简介

分析法(Rescaled Range Analysis，重新标度极差分析法)是由英国学者赫斯特(H.E.Hurst)在总结尼罗河的多年水文观测资料时，于1965年提出的一种处理时间序列的方法，它在分形理论中有着重要的作用[2]。R/S分析法计算简单，基本原理与方法如下：

(1)计算均值。设时间序列{ξ(t)}，t=1，2，…，n，对于任意正整数τ≥1，定义均值序列：

(1)

(2)计算累积离差。

(2)

(3)计算极差序列。

R(τ)=max(t，τ)-min(t，τ) 1≤t≤τ

(3)

(4)计算标准差序列。

(4)

对于{ξ(t)}，t=1，2，…，n，是相互独立、方差有限的随机序列，即布朗运动，赫斯特和费勒证明了如下结果:

(5)

文献[3]和[4]都给出：

R(τ)/S(τ)=(cτ)H

(6)

式中：c为某常数；H为赫斯特指数。

3 牧羊河水质变化趋势研究

3.1 研究过程

水源区水质受自然及人类大规模活动影响，自然条件、下垫面条件改变，这些因素都会使主要水质指标时间序列的分形特征值(H指数、分维D)发生明显的变化，此时主要污染指标时间序列成为非平稳序列。

以松华坝水库入库河流牧羊河1996-2017年水质监测数据(总氮、总磷、氨氮、高锰酸盐指数)的时间序列作为分式布朗函数的取值，{ξt，t=1，2，…，22}，根据R/S分析法计算原理用matlab软件对所给序列进行R/S分析，得到各水质指标R/S趋势Hurst指数，汇总后得到R/S趋势Hurst指数成果表，见表1。

表1 主要水质指标R/S趋势Hurst指数成果表Tab.1 Results table of Hurst index of trend analysis of R/S of main quality indexes

根据表1，全年H总氮=0.606 5>0.5，枯水期H总氮=0.683 7>0.5，丰水期H总氮=0.579 5>0.5，平水期H总氮=0.608 7>0.5，意味着总氮全年、枯水期、丰水期、平水期变化趋势将与过去呈正相关，同理，总磷、氨氮、高锰酸盐指数全年、枯水期、丰水期、平水期变化趋势将与过去呈正关。

利用三阶幂函数拟合得到1996-2017年牧羊河总氮、总磷、氨氮、高锰酸盐指数年均值、枯水期、丰水期、平水期的长期趋势线，见图1。

3.2 研究结果

根据图1和表1可得出如下结论：

(1)牧羊河总氮年平均值、丰水期、平水期系列拟合曲线的R2分别为0.005 1、0.086 6、0.110 5，数据之间没有相关性，这3组系列变化趋势不明显；牧羊河总氮枯水期系列拟合曲线R2=0.370 1，数据之间中等相关，该系列呈上升趋势。

(2)牧羊河总磷年平均值、枯水期、平水期系列拟合曲线的R2分别为0.005 1、0.044 3、0.091 6，数据之间没有相关性，这3组系列变化趋势不明显；牧羊河总磷丰水期系列拟合曲线的R2=0.306 4，数据之间中等相关，该系列呈下降趋势。

(3)牧羊河氨氮年平均值、枯水期、丰水期、平水期系列拟合曲线的R2分别为0.005 1、0.027 6、0.006、0.083 3，数据之间没有相关性，这4组系列变化趋势不明显。

(4)牧羊河高锰酸盐指数年平均值、丰水期系列拟合曲线的R2分别为0.005 1、0.032 9、数据之间没有相关性，这2组系列变化趋势不明显，牧羊河高锰酸盐指数枯水期系列拟合曲线的R2=0.695 6，数据之间高度相关，该系列呈上升趋势；牧羊河锰酸盐指数平水期系列拟合曲线的R2=0.266 1，数据之间中等相关，该系列呈上升趋势。

图1 松华坝水库牧羊河变化趋势线Fig.1 Changed trend line of Muyanghe of Songhuaba reservoir

(5)牧羊河总氮枯水期系列2017年以后呈上升趋势；牧羊河总磷丰水期系列2017年以后呈下降升趋势；牧羊河氨氮年平均值及各水期系列2017年以后趋势性不明显；高锰酸盐指数枯水期系列、平水期系列2017年以后均呈上升趋势。

3.3 趋势变化原因分析

本文对牧羊河总氮、总磷、氨氮、高锰酸盐指数趋势变化的原因做初步分析。

(1)总氮枯水期呈上升趋势的主要原因。总氮主要来源于生活污染，据2005年统计，牧羊河周边居民不足4万人，2007年增加到5.19万人，人口增加带来了生活污水量的增加，由于水源区总体生活水平较低，生活污水处理率比较低，未处理的生活污水排入牧羊河，生活污水中总氮营养物含量较高，而枯水期牧羊河来水量和其他水期相比相对较少，河水对污染物的稀释和降解能力较低，因此总氮枯水期呈上升趋势比较显著。

(2)总磷丰水期呈下降趋势的主要原因。一是是清理河道堆放杂物和垃圾20余t，完成拆除花卉大棚166.67 hm2，减少了磷肥的施用量，由于河道治理效果明显，总磷呈下降趋，二是丰水期牧羊河来水量和其他水期相比相对较多，河水对污染物的稀释和降解能力较高，使牧羊河总磷丰水期呈下降趋势。

(3)氨氮变化趋势不明显的主要原因。牧羊河氨氮主要来源于生活污水，虽然采取了减少氨氮的排放措施，但效果不显著，氨氮变化趋势不明显。

(4)高锰酸盐指数枯水期、平水期呈上升趋势的主要原因。一是生活污水直接排放，据2005年统计，牧羊河周边居民不足4万人，2007年增加到5.19万人，人口增加带来了生活污水量的增加，由于水源区总体生活水平较低，生活污水处理率比较低，未处理的生活污水直接排入牧羊河，导致牧羊河水体溶解氧偏低，高锰酸盐指数偏高，二是枯水期和平水期牧羊河来水量和丰水期相比相对较少，河水对污染物的稀释和降解能力较低，高锰酸盐指数枯水期、平水期呈上升趋势比较明显。

4 建 议

为了保护松华坝水库饮用水源地，保障昆明市居民饮用水安全，确保松华坝水库入库河流牧羊河的水质安全和水质稳定，根据牧羊河总氮、总磷、氨氮、高锰酸盐指数变化趋势，分析提出如下建议：

(1)减少入河污染物的排放量。针对牧羊河水源区总体生活水平较低，生活污水处理率比较低，未处理的生活污水排入牧羊河，造成牧羊河水污染日益严重，水质污染且富营养化不断加剧，大力推广“组保洁、村收集、镇转运”的垃圾一体化处理模式，有效处置牧羊河水源区生活垃圾，通过生物处理、埋设管网等减少入河污染物的排放量。

(2)做好农村环境基础设施建设。运用动力或微动力的污水处理设施，使牧羊河水源区生活污水得到有效治理。

(3)增强村民水源保护意识。通过大力开展水源保护知识宣传，宣传和普及农村水源保护意识，提高广大村民的环境意识和监督意识，使水源区水污染问题得到有效控制。

(4)推进牧羊河河道管护治理工作。牧羊河是松华坝水库的主要入库河道，为了保护水资源、防治水污染，要落实河道各项管护措施等有力举措，大力推进牧羊河管护治理工作。

(5)深化“河长制”确保持续改善牧羊河水质。一是“河长制”要坚持不懈、不折不扣地执行下去；二是截污治污是治理牧羊河的重中之重，要加强垃圾处理和管网建设，确保牧羊河水质稳定。

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