高原城市水源地入庫河流水質(zhì)變化趨勢研究
——以松華壩水庫牧羊河為例

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)

0 引 言

水源地作為供水水源的載體，對于保障水源供給的穩(wěn)定安全至關(guān)重要，對一個城市而言，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)社會的發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，城市發(fā)展對水源地水量、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，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)，從而為采取針對性的水庫相應(yīng)調(diào)度措施及保護(hù)治理對策提供技術(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。

1 分析資料及分析參數(shù)選擇

1.1 分析資料

松華壩水庫入庫河流牧羊河1996-2017年水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)。

1.2 分析參數(shù)選擇

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)變化趨勢的分析因子。

2 分析方法簡介

分析法(Rescaled Range Analysis，重新標(biāo)度極差分析法)是由英國學(xué)者赫斯特(H.E.Hurst)在總結(jié)尼羅河的多年水文觀測資料時，于1965年提出的一種處理時間序列的方法，它在分形理論中有著重要的作用[2]。R/S分析法計(jì)算簡單，基本原理與方法如下：

(1)計(jì)算均值。設(shè)時間序列{ξ(t)}，t=1，2，…，n，對于任意正整數(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，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)。

3 牧羊河水質(zhì)變化趨勢研究

3.1 研究過程

水源區(qū)水質(zhì)受自然及人類大規(guī)模活動影響，自然條件、下墊面條件改變，這些因素都會使主要水質(zhì)指標(biāo)時間序列的分形特征值(H指數(shù)、分維D)發(fā)生明顯的變化，此時主要污染指標(biāo)時間序列成為非平穩(wěn)序列。

以松華壩水庫入庫河流牧羊河1996-2017年水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)(總氮、總磷、氨氮、高錳酸鹽指數(shù))的時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軟件對所給序列進(jìn)行R/S分析，得到各水質(zhì)指標(biāo)R/S趨勢Hurst指數(shù)，匯總后得到R/S趨勢Hurst指數(shù)成果表，見表1。

表1 主要水質(zhì)指標(biāo)R/S趨勢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、平水期的長期趨勢線，見圖1。

3.2 研究結(jié)果

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。

(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。

(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；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。

圖1 松華壩水庫牧羊河變化趨勢線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；牧羊河總磷豐水期系列2017年以后呈下降升趨勢；牧羊河氨氮年平均值及各水期系列2017年以后趨勢性不明顯；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。

3.3 趨勢變化原因分析

本文對牧羊河總氮、總磷、氨氮、高錳酸鹽指數(shù)趨勢變化的原因做初步分析。

(1)總氮枯水期呈上升趨勢的主要原因?？偟饕獊碓从谏钗廴?，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，未處理的生活污水排入牧羊河，生活污水中總氮營養(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較少，河水對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比較顯著。

(2)總磷豐水期呈下降趨勢的主要原因。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較多，河水對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。

(3)氨氮變化趨勢不明顯的主要原因。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，氨氮變化趨勢不明顯。

(4)高錳酸鹽指數(shù)枯水期、平水期呈上升趨勢的主要原因。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較少，河水對污染物的稀釋和降解能力較低，高錳酸鹽指數(shù)枯水期、平水期呈上升趨勢比較明顯。

4 建 議

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，分析提出如下建議：

(1)減少入河污染物的排放量。針對牧羊河水源區(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)用動力或微動力的污水處理設(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。通過大力開展水源保護(hù)知識宣傳，宣傳和普及農(nóng)村水源保護(hù)意識，提高廣大村民的環(huán)境意識和監(jiān)督意識，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“河長制”確保持續(xù)改善牧羊河水質(zhì)。一是“河長制”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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