漓江上游非點(diǎn)源污染比例計算及其時空特征分析*

李張楠 許景璇 劉 雁 代俊峰 張振宇 張紅艷 徐保利

(1.桂林理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，廣西 桂林 541004；2.桂林水文中心，廣西 桂林 541000；3.桂林市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究所，廣西 桂林 541002；4.廣西環(huán)境污染控制理論與技術(shù)重點(diǎn)實驗室，廣西 桂林 541004；5.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)

2012年1月，《廣西壯族自治區(qū)漓江流域生態(tài)環(huán)境保護(hù)條例》正式頒布并施行，在科學(xué)保護(hù)漓江、維護(hù)優(yōu)良生態(tài)環(huán)境的需求下，漓江干支流的水質(zhì)狀況引起關(guān)注，不少學(xué)者相繼開展了漓江干支流水質(zhì)監(jiān)測與污染源調(diào)查評價工作[1-6]。

2015—2020年，桂林市實施一系列水環(huán)境治理項目，漓江流域水質(zhì)狀況得到改善，水質(zhì)類別為Ⅱ、Ⅲ類。但隨著桂林市經(jīng)濟(jì)社會和旅游業(yè)的發(fā)展，漓江水質(zhì)也面臨著較大的污染風(fēng)險。根據(jù)2014—2019年桂林市環(huán)境質(zhì)量報告書，漓江干流主要超標(biāo)因子為COD、BOD5、氨氮、TP、TN和糞大腸菌群。為進(jìn)一步了解近年漓江上游非點(diǎn)源污染的貢獻(xiàn)率，本研究基于2015—2020年水文、水質(zhì)實測資料，運(yùn)用數(shù)字濾波法對研究區(qū)4個監(jiān)測斷面(大埠頭斷面、大面斷面、桂林水文站、磨盤山斷面)的高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、TP、TN的污染負(fù)荷進(jìn)行分割，并與第二次污染源普查數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，定量計算漓江上游非點(diǎn)源污染比例，為漓江流域的水質(zhì)管理和污染防治提供依據(jù)，促進(jìn)漓江水質(zhì)持續(xù)保持優(yōu)良狀態(tài)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

漓江是珠江流域西江水系的支流，屬雨源型河流，水量豐富，多年平均降雨量為1 300～2 000 mm，豐水期(4—8月)降水占全年降水的70%左右。多年平均流量約為132.6 m3/s，徑流年內(nèi)分配極不均勻[7]。

漓江干流流經(jīng)興安、靈川、桂林、陽朔、平樂等市縣，全長214 km。桂林水文站以上的集水區(qū)域稱為漓江上游。研究區(qū)范圍見圖1，主要包括漓江桂林段的大埠頭至磨盤山河段，主河道全長約60 km，研究區(qū)流域總面積2 767.72 km2。將研究區(qū)按照水力聯(lián)系進(jìn)行上下游劃分，上游區(qū)域包括靈川和桃花江流域；中游區(qū)域包括七星、南溪河、瓦窯和花江流域；下游區(qū)域包括潮田河、良豐河、華僑農(nóng)場和草坪鄉(xiāng)流域。研究區(qū)主要土地利用現(xiàn)狀分布情況見表1。

表1 研究區(qū)主要土地利用分布情況

圖1 研究區(qū)范圍

1.2 流量數(shù)據(jù)的獲取及污染負(fù)荷的計算

收集了大埠頭斷面和桂林水文站較完整的水位、流量、水質(zhì)數(shù)據(jù)，以及大面、磨盤山斷面的水位、水質(zhì)數(shù)據(jù)，其中桂林水文站缺少歷年TN數(shù)據(jù)。大埠頭斷面和桂林水文站采用水位流量關(guān)系曲線計算月平均流量，水位流量擬合方程的R2為0.944～0.999。通過建立大面(或磨盤山)斷面水位和桂林水文站水位/流量之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，插補(bǔ)獲得大面、磨盤山斷面的月平均流量。

月污染負(fù)荷根據(jù)月平均流量、月水質(zhì)濃度和該月時間的乘積計算。年污染負(fù)荷由各月污染負(fù)荷加和計算。

1.3 非點(diǎn)源污染比例計算

為量化分析漓江上游非點(diǎn)源污染對漓江水質(zhì)影響的貢獻(xiàn)率，從兩個角度進(jìn)行分割和解析：(1)基于水文分割的數(shù)字濾波法，對研究區(qū)4個監(jiān)測斷面2015—2020年的高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、TP、TN污染負(fù)荷量進(jìn)行非點(diǎn)源污染負(fù)荷的分割；(2)利用第二次污染源普查數(shù)據(jù)，從污染源產(chǎn)生的源頭出發(fā)，統(tǒng)計研究區(qū)大埠頭斷面至磨盤山斷面涉及子流域范圍內(nèi)不同污染源的污染物排放量，根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果計算得到非點(diǎn)源污染比例。

1.3.1 數(shù)字濾波法

點(diǎn)源和非點(diǎn)源污染比例是由月負(fù)荷量通過數(shù)字濾波法[8-10]計算而得，其中濾波方程中的濾波參數(shù)取值為0.85～0.95[11]，每次增加0.250進(jìn)行分割，運(yùn)行程序，輸出相應(yīng)分割結(jié)果。本研究中濾波參數(shù)為0.925，進(jìn)行3次濾波可得到較理想的結(jié)果，與黎坤等[12]的研究相符。

1.3.2 污染源普查統(tǒng)計

國家污染源普查范圍包括工業(yè)污染源、農(nóng)業(yè)污染源、生活污染源、集中式污染治理設(shè)施、移動源及其他產(chǎn)生、排放污染物的設(shè)施[13]。第二次污染源普查標(biāo)準(zhǔn)時點(diǎn)為2017年12月31日。根據(jù)第二次污染源普查提供的點(diǎn)源和非點(diǎn)源污染排放量，通過地理信息系統(tǒng)空間分析和數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，在面積比例平均分配的基礎(chǔ)上，結(jié)合各子流域土地利用類型進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，將以行政區(qū)為單元的污染統(tǒng)計數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為以子流域為單元的污染統(tǒng)計數(shù)據(jù)，根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果計算得到非點(diǎn)源污染比例。

2 結(jié)果與討論

2.1 非點(diǎn)源污染比例計算結(jié)果

數(shù)字濾波法計算的2015—2020年4個斷面各指標(biāo)非點(diǎn)源污染比例為0.55～0.82，其中高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、TP、TN平均分別為0.72、0.76、0.75、0.74，可知研究區(qū)非點(diǎn)源污染比例較高。

基于2017年第二次污染源普查統(tǒng)計，COD非點(diǎn)源排放量約為4.67萬t/a，非點(diǎn)源污染比例為0.89；氨氮非點(diǎn)源排放量約為0.24萬t/a，非點(diǎn)源污染比例為0.84；TP非點(diǎn)源排放量約為0.03萬t/a，非點(diǎn)源污染比例為0.79；TN非點(diǎn)源排放量約為0.41萬t/a，非點(diǎn)源污染比例為0.78。

2.2 非點(diǎn)源污染負(fù)荷時空特征分析

2.2.1 時間變化特征

根據(jù)月負(fù)荷量乘以相應(yīng)年份數(shù)字濾波法計算的非點(diǎn)源污染比例得到非點(diǎn)源污染月負(fù)荷量，分析降雨量與各指標(biāo)非點(diǎn)源污染負(fù)荷量的年內(nèi)分布特征。由圖2可見，非點(diǎn)源污染負(fù)荷量的時間分布規(guī)律與降雨量分布趨勢基本一致，有明顯的季節(jié)特征。總體上，非點(diǎn)源污染負(fù)荷量枯水期(9月至翌年2月)變化平緩，4—5月開始大幅增加，峰值出現(xiàn)在5—6月。豐水期隨著降雨量的增加，非點(diǎn)源污染負(fù)荷量明顯增大；枯水期降雨量較小，非點(diǎn)源污染負(fù)荷量也相應(yīng)減小。非點(diǎn)源污染負(fù)荷量受降雨尤其是暴雨的影響較大。

圖2 非點(diǎn)源污染負(fù)荷量與降雨量年內(nèi)變化趨勢

根據(jù)數(shù)字濾波法計算的2015—2020年非點(diǎn)源污染比例年際變化趨勢見圖3。除大埠頭斷面外，其他3個斷面變化趨勢相似，2018年非點(diǎn)源污染比例明顯降低，2015—2017、2019—2020年非點(diǎn)源污染比例呈現(xiàn)波動上升趨勢。由于大埠頭斷面位于研究區(qū)上游，且土地利用類型多為林地，其非點(diǎn)源污染負(fù)荷變化規(guī)律與其他斷面有一定差別。

圖3 非點(diǎn)源污染比例年際變化

非點(diǎn)源污染負(fù)荷受降雨徑流和點(diǎn)源污染治理工程的綜合影響。2019—2020年的降水量(平均2 753 mm)和徑流量(平均156 m3/s)較大，降雨徑流沖刷帶來的非點(diǎn)源污染也相應(yīng)增大，高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、TP、TN的非點(diǎn)源污染比例平均分別為0.79、0.79、0.80、0.78。2015—2017年的降水量(平均2 700 mm)和徑流量(平均134 m3/s)也較大，但其非點(diǎn)源污染比例(高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、TP、TN平均分別為0.69、0.71、0.73、0.71)比2019—2020年小，這可能與2015—2018年桂林漓江排污、截污、黑臭水體整治等系列環(huán)境治理工程相關(guān)，非點(diǎn)源污染得到進(jìn)一步控制。值得注意的是，2018年是一個枯水年(降雨量1 871 mm，徑流量72 m3/s)，比2015—2020年的平均值(降雨量2 580 mm，徑流量131 m3/s)小很多，2018年的非點(diǎn)源污染比例(高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、TP、TN平均分別為0.65、0.64、0.62、0.70)也減小，說明降雨量和徑流量年際變化對非點(diǎn)源污染負(fù)荷產(chǎn)生影響。

2.2.2 空間變化特征

(1) 干流斷面非點(diǎn)源污染負(fù)荷沿程變化特征

從研究區(qū)的上游大埠頭斷面至下游磨盤山斷面，隨著水流方向，沿程不斷匯入污染物，污染物入河量不斷增加，非點(diǎn)源污染負(fù)荷量總體呈上升趨勢。其中，大埠頭至大面河段非點(diǎn)源污染負(fù)荷量上升幅度較大，大面至桂林水文站河段上升幅度次之。但因降雨量、徑流量、污染物監(jiān)測濃度變化等因素的影響，桂林水文站至磨盤山河段2015、2017、2019、2020年高錳酸鹽指數(shù)負(fù)荷量有降低趨勢，2017、2020年氨氮負(fù)荷量出現(xiàn)下降。

(2) 非點(diǎn)源污染排放量空間分布特征

非點(diǎn)源污染排放量與降雨、地形、土地利用、子流域范圍內(nèi)污染源類型有關(guān)。根據(jù)2017年第二次污染源普查數(shù)據(jù)，非點(diǎn)源污染單位面積排放量空間分布呈現(xiàn)上、中游區(qū)域大于下游區(qū)域的趨勢(見圖4)。城鎮(zhèn)地區(qū)非點(diǎn)源污染排放量較大，主要污染源為城鎮(zhèn)生活污水(未集中收集部分)，如七星、桃花江和南溪河流域；農(nóng)業(yè)地區(qū)和農(nóng)村居民區(qū)主要污染源為種植業(yè)、農(nóng)村生活污水和畜禽養(yǎng)殖污染，如靈川流域。

圖4 非點(diǎn)源污染排放量空間分布

2.3 問題與討論

(1) 污染源普查統(tǒng)計法和數(shù)字濾波法計算非點(diǎn)源污染的原理存在差別。污染源普查統(tǒng)計法是從河流污染物來源上計算統(tǒng)計非點(diǎn)源污染的比例；數(shù)字濾波法是從河流污染物總量中計算非點(diǎn)源污染的比例，即將地表徑流輸送的污染物算為非點(diǎn)源污染。

(2) 將2017年數(shù)字濾波法分割計算結(jié)果與2017年污染源普查統(tǒng)計結(jié)果進(jìn)行對比，氨氮、TP、TN的非點(diǎn)源污染比例相對誤差分別為-11.9%、-1.3%、-2.9%。兩種方法的非點(diǎn)源污染比例計算結(jié)果接近，且污染源普查統(tǒng)計法的計算結(jié)果相對偏大。

(3) 數(shù)字濾波法和污染源普查統(tǒng)計法計算非點(diǎn)源污染操作相對簡單，需要的數(shù)據(jù)量較少，便于在污染物管理方面進(jìn)行應(yīng)用。但本研究在應(yīng)用這兩種方法時，也存在不足，影響了計算精度：①非點(diǎn)源污染的產(chǎn)生從機(jī)理上與降雨量、徑流量關(guān)系較大，而降雨量、徑流量在時空上具有隨機(jī)性和不確定性，同時污染物在河流中遷移轉(zhuǎn)化過程復(fù)雜，數(shù)字濾波法未考慮這些機(jī)理因素，可能造成估算誤差。同時，由每月一次監(jiān)測的水質(zhì)數(shù)據(jù)代表該月平均的水質(zhì)情況進(jìn)行污染負(fù)荷計算，不可避免地造成月污染負(fù)荷量的估算誤差。②污染源普查統(tǒng)計法統(tǒng)計的部分污染物精度不高，會影響計算的非點(diǎn)源污染比例。如城鎮(zhèn)生活污水進(jìn)入管網(wǎng)但處理率未達(dá)標(biāo)的部分以及畜禽水產(chǎn)散養(yǎng)養(yǎng)殖產(chǎn)生的非點(diǎn)源污染等統(tǒng)計難度大等。本研究根據(jù)桂林市污水處理廠提供的資料，城鎮(zhèn)生活污水進(jìn)入管網(wǎng)的部分，集中收集處理率大致為66.6%，該部分按點(diǎn)源污染統(tǒng)計；其余33.3%未進(jìn)入管網(wǎng)集中收集處理，按非點(diǎn)源污染統(tǒng)計。規(guī)模以上畜禽養(yǎng)殖場一般有具體經(jīng)緯度，位置和規(guī)模相對固定，按點(diǎn)源污染統(tǒng)計；規(guī)模以下畜禽養(yǎng)殖(散養(yǎng)戶)通過走訪調(diào)查等方式統(tǒng)計，按非點(diǎn)源污染統(tǒng)計。

3 結(jié)論與展望

(1) 研究區(qū)污染來源以非點(diǎn)源污染為主。基于水文分割的數(shù)字濾波法，2015—2020年4個斷面高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、TP、TN非點(diǎn)源污染比例平均分別為0.72、0.76、0.75、0.74?；?017年第二次污染源普查統(tǒng)計，研究區(qū)COD、氨氮、TP、TN非點(diǎn)源污染比例分別為0.89、0.84、0.79、0.78。

(2) 非點(diǎn)源污染負(fù)荷受降雨徑流和點(diǎn)源污染治理工程的綜合影響。研究區(qū)非點(diǎn)源污染負(fù)荷量的時間分布規(guī)律與降雨量分布趨勢基本一致。大面斷面、桂林水文站、磨盤山斷面非點(diǎn)源污染比例2018年(枯水年)明顯降低，2015—2017、2019—2020年非點(diǎn)源污染比例呈現(xiàn)波動上升。

(3) 受降雨、地形、土地利用、污染源類型等因素影響，研究區(qū)上、中游非點(diǎn)源污染排放量大于下游。

(4) 根據(jù)數(shù)字濾波法和污染源統(tǒng)計法計算非點(diǎn)源污染比例，操作方便，簡單易用，但其機(jī)理不夠深入，可能存在一定誤差。今后考慮深入開展典型區(qū)域野外監(jiān)測和水質(zhì)機(jī)理模型模擬，以期獲得更準(zhǔn)確的非點(diǎn)源污染比例，為漓江流域水環(huán)境污染防治提供合理的科學(xué)依據(jù)。

(致謝：本研究的野外采樣和室內(nèi)分析得到廣西環(huán)境污染控制理論與技術(shù)重點(diǎn)實驗室科教結(jié)合科技創(chuàng)新基地和南方石山地區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境修復(fù)工程技術(shù)創(chuàng)新中心的支持。)