基于小波分析郁江、潯江（貴港段）水質特征研究

許藝馨　全家慶　吳成　李雙雙

關鍵詞：水質；db小波；Morlet小波；連續小波變換（CWT）

中圖分類號：X52 文獻標志碼：A

前言

貴港市境內所有河流均屬于珠江流域西江水系，主要河流為西江一級支流郁江以及西江干流黔江段、潯江段。郁江、潯江作為廣西省主要的糧食生產和水產養殖基地，長期保持分散式的傳統農業生產方式，大量施用化肥農藥和投放各類餌料，來自農業生產活動的富余氮、磷營養物和農藥殘留物等面源污染物將成為貴港地區水生態環境長期存在且難以得到有效治理的主要威脅。現階段中國華南西江水系污染物變化趨勢和成因的研究相對較少，以貴港市郁江、潯江為例對華南地區地表水時空分布及成因進行研究，擬采用小波分析法，針對污染變化尺度和突變周期進行分析。探究COD_cr（化學需氧量）、BOD₅（五日生化需氧量）、COD_Mn（高錳酸鹽指數）、DO（溶解氧）、NH₃-N（氨氮）、TP（總磷）之間的協同作用，并嘗試對污染物進行溯源，為地表水水質的預測與評價提供新的思路和方法，以期為相關部門開展水污染防治工作和控制污染物排放提供決策支持。

1數據來源

郁江、潯江國控監測站點為3個，分別為火電廠（港北區）、石嘴（桂平市）、武林渡口（平南縣），地理分布如圖1所示。2014年-2021年國控監測站采測分離數據（月濃度）來源于貴港市環境監測中心、貴港市生態環境局城區監測站。2019年-2021年國控監測站自動監測數據（日濃度）來源于貴港市地表水管理平臺（貴港市生態環境局）。水質按照《地表水環境質量標準》（GB 3838-2002）標準或對應的標準限值進行判定，評價方法按《地表水環境質量評價方法（試行）》（環辦[2011]22號）進行。

2結果與分析

2.1 db小波分析水質污染物時空分布的結果

2.1.1 db小波高頻分量D3研究水質污染物時間分布特征

基于地表水污染物本身的物理化學特征，根據水質指標日濃度時間變化趨勢的一致性和差異性，并結合污染源企業的地理位置和排放特點、農業生產活動規律等因素，分析污染物的空間分布特征，嘗試對污染物進行溯源。

圖2（a）為火電廠國控監測站2019年-2021年COD_Mn、DO、NH₃-N、TP、TN時間序列高頻分量（D3）重構圖。火電廠監測站隸屬于郁江，地理位置在貴港市北環路以外港北區武樂鎮，周邊較多工業廠區，大型的市控污水排放源為粵桂產業園，擁有制糖廠、熱電廠、紙廠、制漿廠，火電廠站點COD_Mn、TP、TN時間變化趨勢較為接近，大體呈現出三個明顯的周期，對應著6-7月、10-11月濃度出現高值，周圍農作物種植為一年兩熟制，濃度高值對應著農作物生長高峰期，表明污染源多為農田化肥，其中TP在2019年6-8月濃度出現三年來峰值。DO全年波動較大，無明顯周期。NH₃-N變化不明顯，含量較低，在2021年10月出現較明顯的波動，表面地表水中N元素的存在多以有機氮或硝態氮存在，在水中溶解氧充足時，NH₃-N易被硝化菌氧化成硝酸鹽。

石嘴國控監測站隸屬于潯江，位于桂平市石咀鎮，周邊為農田，2019年的市控污水污染源廣西金源生物化工實業有限公司、桂平市長安工業區污水處理廠在距離石嘴監測站約十幾公里的潯江上游。石嘴站點（圖略）2020年6-7月CODMn、TP、TN有波動同頻的濃度高值，2021年以后逐漸降低并趨于穩定，這得益于政府部門對廣西金源生物化工實業有限公司、桂平市長安工業區污水處理廠的嚴格監管，污水穩定達標排放。NH₃-N波動不明顯，在2021年5月、10月出現較明顯的波動，此時DO充足，可能來源于有機氮肥的分解造成NH₃-N增多。

武林渡口國控監測站隸屬于潯江，位于平南武林鎮，周邊均為農田。上游約18公里有市控污水排放源平南縣科達水務有限公司，武林渡口站點（圖略）2019年6-7月COD_Mn、TP、TN含量相對較高，波動明顯，同升同降，說明污染物來源一致，預計受上游污水排放源和春季農作物施肥影響。2020年以來COD_Mn、TP、TN含量呈現逐年降低的趨勢，2021年基本沒有明顯的波動，水質改善明顯，得益于政府加大力度對企業廢水監測與治理的規范化。（見圖2）

2.1.2 db小波低頻分量A研究水質污染物空間分布特征

圖3為db5小波分解COD_Mn的低頻分量重構圖，COD_Mn濃度具有明顯的區域分布特征和季節性，三個監控站中COD_Mn濃度高值均出現夏季6-8月份，但只有火電廠站點的COD_Mn日濃度低于地表水環境質量Ⅲ類標準（6mg/L）。其中，石嘴、武林渡口站點的全年波動幅度較大，其中石嘴的COD_Mn濃度超標次數比武林渡口要多。但2021年起三個站點均出現了明顯的下降趨勢，說明貴港對水環境重點監管工作取得較好的成效。

2019年-2021年DO指標整體表現為武林渡口優于石嘴，火電廠最差（圖略）。總體規律為夏季7-8月出現低值，夏季高溫會引起水體中溶解氧降低，此外，水生動物和其他微生物在高溫時的耗氧量也增大，導致水質變差。

NH₃-N也存在著明顯的空間差異性（圖略），空間分布表現為武林渡口超標次數最多（7天），濃度值最高（10.5 mg/L），其次為石嘴（4天，3.71 mg/L），火電廠的NH₃-N濃度均達標。時間變化規律為武林渡口的濃度高值多出現在夏季（6、7月）和秋季（9-11月），石嘴的濃度高值發生在春季4月。武林渡口和石嘴水質指標NH₃-N在2020年-2021年表現較差。

TP的濃度空間差異性不明顯（圖略），石嘴和武林渡口超標3天，火電廠超標1天。時間規律表現為夏季波動較明顯，偶有在冬季發生超標。TN發生超標的季節在夏季（6-7月）居多，偶有秋季（10 -11月），這和TP的時間分布相似，說明TN、TP污染物可能均為農田化肥。但是TN比TP超標程度嚴重得多，火電廠、武林渡口全年單因子超標，但不做評價。

2.2 Morlet小波分析水質污染物的結果

利用Morlet小波分析對2019年-2021年國控監測站自動監測數據COD_Mn、DO、NH₃-N、TP、TN共5個水質指標日濃度序列，深入探討貴港市地表水污染物的變化特征。

貴港市COD_Mn、DO、NH₃-N、TP、TN日均濃度的年際尺度變化、突變點分布及相位結構可通過小波二維等值線圖、小波方差圖呈現（如圖4所示），濃度的大小通過小波系數來體現，小波系數越大意味著濃度值越大。圖4（a） Molet小波分析的2019年-2021年COD_Mn日均濃度數據年際變化趨勢與db小波較為吻合，在每年豐水期（4-9月）出現一年的COD_Mn含量最高值，圖4（b）COD_Mn小波方差圖的主周期為340d，次周期為150 d、100 d；DO日均濃度數據年際變化趨勢在每年枯水期（10月一次年3月）出現一年的DO含量最高值，表明水質較好。DO小波方差圖的主周期為260 d，次周期為140 d；NH₃-N日均濃度數據年際變化高值在2019年-2020年冬、春季（1-6月）、2021年的夏、秋季（7-10月），并且到了2021年水質NH3 -N濃度有降低跡象，NH₃-N小波方差圖的主周期為340 d，次周期為140 d、50天；TP、TN日均濃度數據年際變化與NH₃-N相似，并且到了2021年水質濃度都有降低趨勢，TP小波方差圖的主周期為340 d，TN小波方差圖的主周期為340 d，次周期140 d。原因是豐水期作物季節性生長，頻繁使用化肥、農藥，繼而大部分未吸收的化肥、農藥通過雨水沖刷作用通過徑流排人江河水體，特別是NH₃-N、TP、TN小波系數圖和方差圖相似（圖略），表明污染源同源。

2.3連續小波變換（CWT）分析水質污染物結果

利用Matlab軟件進行連續小波變換（CWT），分析2014年-2021年國控監測站6個指標化學需氧量COD_cr、生化需氧量BOD₅、高錳酸鉀指數COD_Mn溶解氧DO、氨氮NH₃-N、總磷TP月濃度序列（采測分離月數據）的周期特征。分析了貴港地區各站點的連續小波變換結果，火電站的水質指標圖5中COD_cr存在2個顯著的共振周期，分別為1～2個月（2015年、2019、2021年），5～7個月（2015年）以5～7個月（2015年）周期為主；BODs存在2個顯著的共振周期，分別為1～4個月（2014-2015年），4～6個月（2015年），以1～4個月（2014-2015年）為主；COD_Mn存在1個顯著的共振周期，為1～4個月（2014-2016年）；DO存在3個顯著的共振周期，分別為1～3個月（2015年），2～7個月（2017-2020年），1～2個月（2021年），以2～7個月（2017-2020年）周期為主；NH₃-N存在2個顯著的共振周期，分別為1～5個月（2016年），8～10個月（2016年），以1～5個月（2016年）周期為主，TP存在2個顯著的共振周期，分別為1～2個月（2014-2015年），2～5個月（2016年），2～5個月（2016年）周期為主。（見圖5）

石嘴、武林渡口的水質分析略。結合可知，火電廠、石嘴、武林渡口COD_cr存在相似的約為1～2個月、5～7個月的共振周期，各站點出現時段均不相同；BOD₅、COD_Mn存在以1～4個月（2014-2017年）周期為主，還會出現4～6個月的次周期，出現時間不一。DO存在相似的約1～3個月的共振周期，分別出現在2015年、2017年、2020年，較長的主周期出現在2017年-2020年；NH₃-N以1～5個月周期為主，分別出現在2015年-2017年；TP主周期發生時段在2016年-2017年，次周期為1～2個月，出現時間不定。總體來看，三個國控監測站存在多尺度顯著周期波動，且短周期變化為主。

3結束語

利用db小波分析水質污染物時間分布的規律為：COD_Mn、TP、TN年際變化趨勢6-7月、10-11月濃度出現高值，2021年以后逐漸降低并趨于穩定。發生污染時水質污染物空間分布表現為：石嘴的COD_Mn濃度超標最嚴重、火電廠DO濃度不達標次數最多、武林渡口NH₃-N和TP、TN超標次數最多。采用Morlet小波分析的水質指標日均濃度序列，年際變化趨勢與db小波較吻合，COD_Mn、NH₃-N、TP小波方差圖的主周期為340 d，并且有相同的次周期140 d，DO小波方差圖的主周期為260 d。采用連續小波變換（CWT）分析得出火電廠、石嘴、武林渡口存在多尺度顯著周期波動，且短周期變化為主。說明貴港市地表水水質主要受到農業生產周期性活動的富余氮、磷營養物和農藥殘留物等面源影響。