漓江流域上游非点源污染负荷估算

代俊峰,全秋慧,方荣杰,4,曾鸿鹄,4,张红艳,徐勤学,4,杨利超

(1.国土资源部广西岩溶动力学重点实验室,广西 桂林 541004;2.联合国教科文组织国际岩溶研究中心,广西 桂林 541004; 3. 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; 4. 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)

漓江流域上游非点源污染负荷估算

代俊峰1,2,3,4,全秋慧3,方荣杰3,4,曾鸿鹄3,4,张红艳3,徐勤学3,4,杨利超1,2

(1.国土资源部广西岩溶动力学重点实验室,广西 桂林 541004;2.联合国教科文组织国际岩溶研究中心,广西 桂林 541004; 3. 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; 4. 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)

采用径流分割法(丰枯径流差值法)、降雨量差值法和径流量差值法,基于2005—2014年各月水文和水质数据,进行漓江流域上游非点源污染负荷量的估算。结果表明,径流分割法的非点源污染负荷计算精度最高,丰枯水期污染物负荷差值和流量差值的拟合方程决定系数在0.88以上;基于径流分割法的污染物总负荷计算值和实测值的决定系数在0.91以上,计算值与实测值的结果接近。与氨氮和高锰酸盐指数相比,不同方法计算的总磷非点源污染比例呈现较强的稳定性。径流分割法的计算结果显示,2005—2014年高锰酸盐指数的非点源比例平均值为0.70,氨氮的非点源比例平均值为0.73,总磷的非点源比例平均值为0.74,说明非点源污染对漓江流域上游水质的贡献率较高。

非点源污染;径流分割法;降雨量差值法;径流量差值法;漓江

非点源污染由于涉及范围广、控制难度大，已成为影响流域水环境的重要污染源。国际上20世纪70年代开始重视对非点源污染的研究，这个时期定量化研究较少，主要研究非点源污染产生的原因，以及土地利用[1]等诸多因素对污染物负荷的影响。随后，国内外学者关注非点源污染的定量化计算，提出了适合特定资料条件的非点源污染负荷估算方法，如污染分割法、降雨量差值法、输出系数法、相关关系法等，以及非点源污染模型。不同气象和下垫面条件的流域非点源污染定量估算，可以为区域非点源污染控制和管理[2]、改善水体环境提供参考和决策依据。

漓江流域位于广西东北部,属典型喀斯特(岩溶)区,是世界喀斯特地貌代表性区域,2013 年CNN 评选15 条全球最美河流,漓江是唯一入选的中国河流。由于漓江枯水期水量小,河流稀释、自净能力低,以及农业污水、生活污水的排放,使得漓江的水环境质量不容乐观。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。2014年6月,桂林喀斯特作为“中国南方喀斯特二期”重要提名地,成功入选世界自然遗产名录。桂林喀斯特地貌以漓江流域为代表,如何保护漓江生态环境值得关注。

一些学者开展了漓江氮磷的试验研究[3-5],以及漓江流域中游会仙湿地氮磷的试验分析[6],但漓江流域氮磷非点源污染的定量估算研究较少。由于缺少全面的、连续的氮磷污染负荷监测资料,且不同地区氮磷非点源污染的产生机理和过程复杂且有所不同,非点源污染的估算较为困难。理论上分析,降雨的大小和强度,降雨产生的径流量大小和流速,都对非点源污染负荷有影响。建立降雨量和径流量与非点源污染负荷之间的相关关系,可为流域非点源污染负荷的预测和治理提供参考[7]。本文基于2005—2014年月尺度水文和水质数据,采用径流分割法(丰枯径流差值法)、降雨量差值法[8]和径流量差值法[9],对漓江上游非点源污染负荷量进行估算。

1 研究区域概况

漓江属于珠江水系,发源于华南第一峰猫儿山,全长214 km,流域面积12 285 km2,漓江流域水系见图1。漓江流域为上、下游两头较窄,而中间宽的长形多支流河系[10]。桂林水文站以上为漓江流域上游,集水面积为2 762 km2,流域平均宽度为39.2 km,干流长105 km,其中大溶江至桂林之间为岩溶峰林平原,河床比降为0.094%,桂林市区段河床平均比降为0.044%。本文的具体研究范围为漓江流域上游。

图1 漓江流域及其上游水系分布示意图

1.1 地貌特征

漓江流域属亚热带季风气候,年平均气温19℃,冬季较短,夏季较长,雨水丰沛。漓江流域上游的上部和中部森林植被发育较好,主要分布着由碎屑岩组成的常态中低山,地表沟谷深切,使得地表水系发育,土壤以深厚的黄壤和红黄壤为主。漓江流域上游的下部为典型岩溶地貌区,主要是由碳酸盐岩溶蚀为主形成的峰丛洼(谷)地、峰林平原,土壤主要有红黄壤和红壤,集中分布于洼地、平原和缓坡;而山区土壤的厚度浅薄甚至基岩裸露,地表水系不太发育[11]。

1.2 水文特征

漓江流域多年平均降水量为1 900 mm,降水分布从西北向东南递减[12]。漓江属于雨源型河流,水资源相对丰富,年最大径流模数为55.8 dm3/(s·km2),平均为38.8 dm3/(s·km2)。漓江流域上游多年平均径流量为40.3亿m3,年内各月径流分配与流域降水量年内分配相似,高值期与低值期相差8.4倍，其中丰水期4—8月径流量占全年的77.5%,主汛期5—6月占37.7%,枯水期12月到次年1月占4.5%。

漓江的泥沙主要来源于上游的兴安、灵川和桃花江,由暴雨洪水冲刷形成,泥沙主要类型为悬沙,河床主要由卵石、砂等组成。漓江含沙量少,年输沙量约172万t,是含沙量最小的广西河流。

1.3 工农业生产

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。漓江流域上游的点源污染主要是工业废水和城市生活污水,其中工业废水主要来自纸品、水泥、矿业、医药、电子等行业,以及污水处理厂。

漓江流域上游的主要生产活动是农业与渔业,粮食作物以水稻为主,漓江沿岸也种植蔬菜和水果、苗木等经济作物。漓江流域内农业灌溉面积为416万hm2,农田内施用的农药、化肥,农村水产家禽养殖和生活污水等随地表水、地下水运动而进入漓江,导致漓江氮、磷污染。

2 非点源污染负荷估算方法

流域水质监测的污染物成分包括点源和非点源污染物,如何采用简单、有效的方法,从有限的水质监测资料中定量分离出非点源负荷,并获得合理的、可以接受的计算精度,是相关学者一直关心的问题。径流分割法、降雨量差值法、径流量差值法是常用的几种非点源污染负荷估算方法。

图2 相邻丰水期与枯水期断面污染物通量差值与径流量差值的相关关系

2.1 径流分割法

径流Q包括地表径流Qs和河川基流Qg,降雨径流的冲刷是非点源污染负荷Ln产生的原动力,径流排水是非点源污染物运移的载体。为简化非点源污染负荷计算过程,假定非点源污染主要由汛期地表径流引起,而枯水季节的水质污染主要由点源污染所引起[13]。进行非点源污染负荷估算时,径流分割法[14-15]先由降水量推求径流量或者直接利用径流量实测值,将径流量分割为汛期地表径流和枯季径流,以枯水期的平均流量作为河川基流量,平均浓度作为基流浓度,然后进行污染物的分割计算。

2.2 降雨量差值法

无降雨量或者降雨量小而不产生地表径流时,流域的污染主要由点源污染引起。当降雨产生地表径流时,流域同时发生点源污染和非点源污染。一般来说,点源污染相对稳定,降雨量插值法视年内(或一段时间内)点源污染负荷变化波动不大。任意两年洪水(或任意两月,任意两场)产生的污染总负荷(包括点源和非点源)之差ΔL应为这两年降水量之差ΔP引起的非点源污染负荷Ln。据此,可以建立降水量差值ΔP与非点源污染负荷差值ΔLn之间的相关关系,降雨量差值法的计算公式详见文献[8]。

降雨量差值法避开了污染物从产生到流出流域出口的迁移转化过程,直接估算流域出口的非点源污染负荷,属于黑箱模型,可应用于径流量观测资料缺乏的地区[7,16]。

2.3 径流量差值法

一般来说,如果没有地表径流Qs的产生,非点源污染物很难进入受纳水体。因此,非点源污染负荷Ln与地表径流Qs存在密切关系。

假定流域各年(月)点源污染负荷排放量为常数,则流域相邻各年(月)出口断面总负荷差值ΔL可认为是由径流过程引起的非点源污染负荷Ln。据此,ΔL与相邻各年(月)地表径流量差值ΔQs之间存在函数关系。利用径流量差值法计算非点源污染负荷Ln的方法详见文献[9]。

3 非点源污染负荷估算

本文收集了桂林水文站1980—2014年各月流量资料和2005—2014年各月水质资料,考虑到水量水质资料的同步性,以2005—2014年各月的水质和流量资料为基础,采用径流分割法、降雨量差值法和径流量差值法,建立降水量P或径流量Q与非点源负荷Ln的相关关系,对漓江流域上游的主要非点源污染物高锰酸盐指数(CODMn)、氨氮(NH3-N)和总磷(TP)进行分析。

3.1 基于径流分割法的非点源污染负荷估算

对于漓江流域,4—8月为丰水期,2—3月、9—11月为平水期,12月至翌年1月为枯水期。计算丰水期与枯水期的流量差值和相应的断面污染物通量差值,建立其相关关系(图2)。结果显示,丰、枯水期的断面污染物通量差值和流量差值拟合方程的决定系数在0.887～0.929之间,说明两者的相关性较好。

按丰水期、平水期、枯水期分别统计监测断面的CODMn、NH3-N和TP质量浓度(表1),进而计算得到非点源污染负荷和点源污染负荷(表2)。其中,年污染物负荷实测值由月污染物负荷实测值加和求得,月污染物负荷实测值由月流量与月污染物实测平均质量浓度的乘积来计算。

表1 不同水情条件下的断面污染物质量浓度

表2 径流分割法污染负荷计算结果 t

图3 基于径流分割法的污染物总负荷计算值与实测值的相关关系

为了评价径流分割法的计算结果,采用线性回归法分析径流分割法计算的污染物总负荷与实测值的符合程度(图3)。结果表明,污染物总负荷的计算值和实测值的决定系数在0.918～0.949之间,散点均匀地分布在拟合直线的两侧,说明径流分割法的计算结果合理、可信。

3.2 基于降雨量差值法的非点源污染负荷估算

根据月降水量差值和断面污染物通量差值,建立其相关关系如图4所示。图4显示,在月降水量差小于150 mm时,相关关系图的散点较为集中,分布于拟合直线的附近。但当月降水量差值大于150 mm,尤其是大于300 mm时,散点偏离拟合直线的程度较大。

拟合得到月污染物通量差值与降水量差值的函数关系为

(1)

ΔLNH3-N=0.449ΔP-0.929

(2)

ΔLTP=0.100ΔP-0.091

(3)

式中：ΔLCODMn、ΔLNH3-N、ΔLTP分别为相邻月份CODMn、NH3-N、TP通量的差值,t;ΔP为相应月份降水量差值,mm。此式可理解为非点源污染单一地由降水引起。

图4 相邻月份污染物通量差值与降水量差值的相关关系

将各月降水量分别代入式(1)(2)(3),计算得到出口断面各污染物的非点源负荷Ln,出口断面实测污染物通量减去Ln即为流域点源污染负荷[17]。

3.3 基于径流量差值法的非点源污染负荷估算

以当年的最枯月径流为基流,计算各月的地表径流,建立相邻月地表径流量差值和断面污染物通量差值的相关关系如图5所示。

图5 相邻月份污染物通量差值与地表径流量差值的相关关系

图6 不同方法计算的污染物非点源比例

拟合得到相邻月污染物通量差值与地表径流量差值的函数关系为

(4)

ΔLNH3-N=0.650ΔQs-0.948

(5)

ΔLTP=0.156ΔQs-0.096

(6)

式中ΔQs为相邻月地表径流量差值,m3/s。此式可理解为非点源污染单纯地由地表径流引起。

将流域各月径流量值分别代入式(4)(5)(6),可计算得到各污染物的非点源负荷Ln,出口断面污染物实测通量减去Ln即得点源污染负荷。

3.4 污染物非点源比例分析

3种方法计算的CODMn、NH3-N、TP的非点源污染负荷占实测总污染负荷的比例(以下简称非点源比例)如图6所示。图6表明,径流分割法计算的2005—2014年CODMn的非点源比例为0.60～0.89,平均值为0.70;NH3-N的非点源比例为0.51～0.86,平均值为0.73;TP的非点源比例为0.60～0.91,平均值为0.74。总体而言,漓江流域上游非点源污染比例较大,对漓江水质的贡献率较高。

图6(a)显示,降雨量差值法和径流量差值法计算的CODMn非点源比例平均值分别是0.86和0.90。这两个方法计算的CODMn非点源比例大于径流分割法的计算结果,高出22.86%～28.57%,在个别年份明显偏高,例如,2006、2008、2010、2011、2014年的CODMn非点源比例接近或大于1.0。

图6(b)表明,降雨量差值法和径流量差值法计算的NH3-N非点源比例平均值分别为0.72和0.68,与径流分割法的计算值比较接近,相差-1.37%～-6.85%,但在个别年份相差较大。

图6(c)显示,降雨量差法和径流量差法计算的TP非点源比例平均值分别为0.71和0.72,与径流分割法的计算值相差不大(-4.11%～-1.37%),且在各年的变化趋势一致。

如上分析,针对2005—2014年数据的分析结果而言,径流分割法(丰枯径流差值法)计算的漓江流域上游非点源比例合理。与径流分割法相比,降雨量差值法和径流量差值法计算的TP非点源比例较为合理,两种方法计算的NH3-N非点源比例的精度也可接受,但其计算的CODMn非点源比例精度不高。

4 讨 论

径流分割法、降雨量差值法和径流量差值法3种计算方法在漓江流域上游的计算结果表明,径流分割法的丰枯径流量差值与非点源污染负荷的相关性最好,决定系数在0.88以上。月径流量差值和月降雨量差值与非点源污染的相关性低于丰枯径流差值的,其决定系数在0.331～0.656之间,说明非点源污染负荷与降雨和径流量不是简单的线性关系,还与降雨的强度和径流的流速等因素有关,漓江流域的岩溶地貌也是影响非点源污染负荷不可忽视的因素。漓江流域岩溶发育等复杂的下垫面条件,影响着污染物到达流域出口的运动过程。由于岩溶发育地区土壤厚度薄、不连续或土壤表层缺失,表层储水介质的孔隙率、裂隙率高,导致其降水入渗透率较高,再加上岩溶裂隙的存在,使得非点源污染物可以随着壤中流和基流而运动,从而减弱了非点源污染与地表径流的相关性。

由于非点源污染的产生受气候、水文、下垫面和农业管理等因素的综合影响,使得非点源污染的产生具有不确定性,采用不同方法进行非点源污染负荷估算时,其结果可能具有一定的差异性。本文的计算结果表明,漓江流域上游NH3-N和CODMn的非点源比例在不同计算方法之间呈现较大的差异性,说明其计算结果具有一定的不确定性。而TP则呈现较强的稳定性,不同方法计算得到的非点源比例相差不大。

漓江流域上游地形较为复杂,不同地区气象条件存在一定差异,采用一个站点的降水资料表征漓江流域整个面的降水情况,会给计算结果带来一定的误差。另外,采用2005—2014年一个站点的月水质数据,数据序列也较短。今后有必要搜集多站点、更长时间的水量水质数据,进行进一步的分析。

5 结 论

a. 2005—2014年水质数据分析结果显示,径流分割法(丰枯径流差值法)计算的漓江流域上游CODMn、NH3-N和TP非点源污染负荷结果合理,丰水期与枯水期的污染物负荷差值和丰枯流量差值拟合方程的决定系数在0.88以上,说明两者的拟合程度较好。径流分割法的污染物负荷计算值和实测值的决定系数在0.91以上,计算值与实测值的结果接近。

b. 采用降雨量差法和径流量差法计算TP的非点源比例较为合理,而采用降雨量差法和径流量差法计算CODMn非点源比例偏高。

c. 基于径流分割法计算的2005—2014年漓江流域上游CODMn的非点源比例平均值为0.70,NH3-N的非点源比例平均值为0.73,TP的非点源比例平均值为0.74,说明这3种污染物的非点源比例较为接近,非点源污染对漓江流域上游水质污染的贡献率较大。

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Estimationofnon-pointsourcepollutionloadinupstreamofLijiangRiver

DAI Junfeng1, 2, 3, 4, QUAN Qiuhui3, FANG Rongjie3, 4, ZENG Honghu3, 4, ZHANG Hongyan3, XU Qinxue3, 4, YANG Lichao1,2

(1.KeyLaboratoryofKarstDynamicsofMLR&Guangxi,Guilin541004,China; 2.InternationalResearchCenteronKarstUndertheAuspicesofUNESCO,Guilin541004,China; 3.GuangxiKeyLaboratoryofEnvironmentalPollutionControlTheoryandTechnology,GuilinUniversityofTechnology,Guilin541004,China; 4.CollaborativeInnovationCenterforWaterPollutionControlandWaterSafetyinKarstArea,GuilinUniversityofTechnology,Guilin541004,China)

Based on the hydrological and water quality data during 2005-2014, runoff division method, rainfall deduction method and runoff deduction method were used to evaluate the non-point source pollution respectively in the upstream of Lijiang River. Compared with rainfall deduction method and runoff deduction method, the accuracy of runoff division method is the highest. The relationship between pollution load difference and runoff difference in wet and dry period can be described by a linear equation, withR2values greater than 0.88. The calculated values of pollution load using runoff division method were significantly correlated with the measured values, and theR2reached 0.91. Compared with NH3-N and CODMn, the ratio of non-point source pollution to total pollution load of TP calculated by the different methods showed strong stability. The Average value caculated by runoff division method showed that the ratio of non-point source pollution to total pollution load of CODMn, NH3-N and TP was 0.70, 0.73 and 0.74 respectively. It shows that non-point source pollution load highly contributes to the water quality in the upstream of Lijiang River.

non-point source pollution; runoff division method; rainfall deduction method; runoff deduction method; Lijiang River

国家自然科学基金(51569007);国际岩溶研究中心国际合作项目开放课题(KDL201601);广西壮族自治区自然科学基金(2015GXNSFCA139004)

代俊峰(1980—),男,教授,博士,主要从事水资源高效利用与水环境研究。E-mail:whudjf@163.com

10.3880/j.issn.1006-7647.2017.05.010

TV121+.1,X522

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：1006-7647(2017)05-0057-07

2016-11-12 编辑：郑孝宇)