漓江流域上游水質(zhì)評(píng)價(jià)與生態(tài)需水量研究

徐寧濤，黃　丹

(1.遼寧省白石水庫(kù)管理局，遼寧 朝陽(yáng) 122000；2.遼寧省朝陽(yáng)市水務(wù)局，遼寧 朝陽(yáng) 122000)

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漓江流域上游水質(zhì)評(píng)價(jià)與生態(tài)需水量研究

徐寧濤1，黃丹2

(1.遼寧省白石水庫(kù)管理局，遼寧 朝陽(yáng) 122000；2.遼寧省朝陽(yáng)市水務(wù)局，遼寧 朝陽(yáng) 122000)

取樣分析漓江流域流域上游河水中TN、TP、COD、NH3-N并計(jì)算稀釋每種污染物的生態(tài)需水量。分析結(jié)果顯示，漓江流域上游TP、COD、NH3-N的含量符合桂林市水功能區(qū)劃要求的III類水質(zhì)，TN排放超標(biāo)較嚴(yán)重，近桂林市區(qū)TN含量?jī)H達(dá)到V類水質(zhì)。計(jì)算得到滿足桂林市水功能區(qū)劃要求的TN、TP、COD、NH3-N生態(tài)需水量分別是60.72 m3/s(19.15m3)、39.98m3/s(12.61m3)、28.30m3/s(8.92m3)、37.95 m3/s(11.97m3)。運(yùn)用7Q10法近10年最枯月流量和90%保證率最枯月流量計(jì)算所得需水量分別為30.23m3/s(9.53 億 m3)和24.89 m3/s(7.85 億 m3)。為保生態(tài)環(huán)境安全，確定完全滿足水質(zhì)要求的生態(tài)需水量是60.72m3/s(19.15m3)；防止污染基本生態(tài)需水量是30.23m3/s(9.53 億 m3)。

漓江流域上游；生態(tài)需水量；水質(zhì)評(píng)價(jià)；研究

河流生態(tài)需水量研究是生態(tài)水文學(xué)領(lǐng)域重要研究課題之一，也是國(guó)內(nèi)外學(xué)者重點(diǎn)關(guān)注的問題。文章基于漓江流域上游水文水質(zhì)條件、河流生態(tài)系統(tǒng)基本要素、河流生態(tài)功能等基礎(chǔ)資料，初步計(jì)算了漓江流域上游生態(tài)需水量，可作為漓江流域上游水資源管理的理論依據(jù)。因漓江流域上游水資源時(shí)空分布極不均勻，且過去在水資源配置中對(duì)生態(tài)需水量考慮甚少，致使生態(tài)用水長(zhǎng)期被生產(chǎn)生活用水?dāng)D占。漓江在水文學(xué)上的定義起源于貓兒山，流經(jīng)興安縣、靈川縣、臨桂縣、桂林市區(qū)、陽(yáng)朔縣、平樂縣城之后與恭城河交匯，流域全長(zhǎng)214km，面積約為1.23×104km2。通常情況下所講的漓江僅僅包括從興安縣流經(jīng)桂林市區(qū)，最后至陽(yáng)朔間河段，流域全長(zhǎng)191km，面積約為0.83×104km2。文章研究的區(qū)域?yàn)槔旖饔蛏嫌危话◤呐d安縣至桂林水文站這一河段，漓江流域上游干流長(zhǎng)度約為105km，流域面積約為0.28×104km2[1]，其經(jīng)緯度范圍為E110°05′～E110°40′，N25°15′～N25°55′。漓江流域上游包括桂林市區(qū)，流經(jīng)桂林市區(qū)的河段長(zhǎng)約50km，漓江流域上游是桂林市的重要水源地，對(duì)桂林社會(huì)經(jīng)濟(jì)健康快速發(fā)展具有重要支撐和保障作用。

1　研究區(qū)域水污染現(xiàn)狀

根據(jù)桂林市環(huán)保局檢測(cè)資料表明漓江流域上游干流的水質(zhì)明顯比支流好，原因主要為政府環(huán)保政策的影響，對(duì)干流保護(hù)力度大于支流。漓江流域上游是有名的風(fēng)景區(qū)，旅游作為桂林支柱產(chǎn)業(yè)之一，對(duì)水質(zhì)要求較高，曾有水質(zhì)惡化而影響旅游收入的情況出現(xiàn)，使政府加大力度保護(hù)漓江干流水環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)。雖然漓江流域上游水質(zhì)有一定程度好轉(zhuǎn)，但還有不盡如人意的地方，對(duì)城市污水和污染物的處理力度不夠，許多污水并沒有凈化就被直接排放到河流中造成污染，目前漓江流域上游污水處理廠的能力低于排污水平，污水管道的配置并不合理和全面，污水處理的情況也不樂觀，而在上游的鄉(xiāng)鎮(zhèn)并沒有污水處理廠所以大部份生活污水都直接排入河里[2]。

理論上講不同時(shí)期干流的水質(zhì)情況應(yīng)該是豐水期>平水期>枯水期，主要原因是枯水期水量小，其自身的凈化處理能力相對(duì)較低，而豐水期由于水量大，可稀釋的污染物也較多。即使流域水資源較為豐富，但研究區(qū)域降雨量年內(nèi)分布極不均勻，導(dǎo)致枯水期相當(dāng)漫長(zhǎng)，所以在這時(shí)期干流污染情況較為嚴(yán)重。漓江流域上游曾出現(xiàn)豐水期水質(zhì)與平水期和枯水期相比反而較差的情況，原因主要是徑流量迅速增加，把沿河的污染物帶入河流，流域周邊農(nóng)業(yè)發(fā)展中所用的農(nóng)藥和化肥造成了面源污染，市區(qū)和郊區(qū)的養(yǎng)殖業(yè)、水產(chǎn)業(yè)也造成了一定的有機(jī)污染，所以在豐水期，水量增大，污染反而較為嚴(yán)重[3]。

2　水質(zhì)評(píng)價(jià)

桂林市環(huán)保局1994—2003年這10 a監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明漓江流域上游主要污染物種類隨著時(shí)間會(huì)發(fā)生變化。98年以前的主要污染物為：石油類等；98年以后主要的污染物為：氨氮等。這說明計(jì)算不同時(shí)期稀釋污染物的需水量應(yīng)當(dāng)選取的污染物種類應(yīng)不相同。根據(jù)目前的污染情況，本文對(duì)漓江流域上游進(jìn)行污染物研究主要分析TN、TP、NH3-N和COD這四類[4]。對(duì)于漓江干流來講，綜合污染指數(shù)一般為豐水區(qū)時(shí)期最小，枯水時(shí)期最大，而實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)也顯示漓江流域上游的干流這一對(duì)比情況相對(duì)比較明顯[5]。所以對(duì)漓江干流來講一般是枯水期的水質(zhì)比較差，因此本文著重對(duì)枯水期(9月—次年2月)進(jìn)行研究。圖1～2分別為漓江流域上游最小流量變化情況和最枯月平均徑流量變化情況。根據(jù)桂林市中小河流水功能區(qū)劃，漓江流域上游干流的水質(zhì)目標(biāo)為Ⅲ類。

圖1　漓江流域上游1958—2003年最小流量變化情況

圖2　漓江流域上游1958—2003年最枯月平均徑流量變化情況

漓江流域上游徑流量變化呈上升趨勢(shì)，圖1和圖2趨勢(shì)線也顯示漓江最枯月平均徑流量和最小流量也處于上升狀態(tài)。出現(xiàn)這一現(xiàn)象原因并不僅僅受降雨量的影響，還有1個(gè)原因是青獅潭水庫(kù)從1987—2000年開始向漓江流域上游河道補(bǔ)水[6]?？菟谒康脑黾訒?huì)對(duì)漓江流域上游水質(zhì)產(chǎn)生有利的影響，但事實(shí)上漓江流域上游的水質(zhì)卻并沒有得到根本好轉(zhuǎn)，因此考慮從水質(zhì)要求方面計(jì)算漓江流域上游的生態(tài)需水量。漓江上游流經(jīng)靈川，興安和市區(qū)，因此本文1號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于興安縣的大埠頭、2號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于靈川縣的靈河大橋、3號(hào)取樣點(diǎn)位于市區(qū)桂林水文站附近的凈瓶山大橋。取樣時(shí)間為2003年9月—次年3月，頻率為每月1次，取水點(diǎn)位置如圖3。分析水樣中TN、TP、NH3-N和COD含量，結(jié)果如表1。

圖3　取水點(diǎn)位置圖

表1　取水點(diǎn)污染物濃度　mg/L

在計(jì)算漓江流域上游生態(tài)需水量之前，本文先對(duì)水樣中各污染物濃度進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià)，其評(píng)價(jià)方法有2種，分別為單因子評(píng)價(jià)與綜合指數(shù)評(píng)價(jià)，本文分別采用這2種方法來評(píng)價(jià)漓江流域上游水質(zhì)狀況[7]。

某種污染物的污染指數(shù)Pi與綜合污染指數(shù)P的計(jì)算公式為：

(1)

式中：Pi為單因子評(píng)價(jià)指數(shù)；Ci為第i種污染物的實(shí)際測(cè)量濃度；C0為水環(huán)境功能區(qū)對(duì)水質(zhì)要求的限制濃度；P為綜合評(píng)價(jià)指數(shù)；n為年份數(shù)。

根據(jù)公式對(duì)污染物進(jìn)行水質(zhì)分析，計(jì)算其污染物指數(shù)得到結(jié)果如表2。

表2　各取水點(diǎn)污染物指數(shù)

根據(jù)《桂林市地表水環(huán)境保護(hù)功能區(qū)劃》、綜合污染指標(biāo)評(píng)價(jià)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(表3)和GB3838—2002中規(guī)定的幾種污染物等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(表4)可以對(duì)各取水點(diǎn)水質(zhì)的各項(xiàng)污染情況進(jìn)行評(píng)價(jià)[8]結(jié)果如表5。

表3　綜合污染指標(biāo)評(píng)價(jià)分級(jí)(GB3838—2002)

表4　GB3838—2002中規(guī)定的幾種污染物等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)　mg/L

表5　各取水點(diǎn)污染物指標(biāo)評(píng)價(jià)情況

根據(jù)表5可以看出漓江流域上游污染最為嚴(yán)重的是TN，大多地區(qū)的大多時(shí)候都污染，而其它污染指標(biāo)在每次取樣中都合格，因?yàn)門N的超標(biāo)排放，所以導(dǎo)致12月和2月份在凈瓶山大橋檢查的綜合污染指數(shù)是基本合格。這說明市區(qū)的污染比源頭嚴(yán)重。根據(jù)表4規(guī)定的幾種污染物等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)可以列出各取水點(diǎn)的污染物等級(jí)情況，如表6。

表6　各取水點(diǎn)污染物等級(jí)

由表可知COD污染狀況最好，TN的排放量過大，漓江流域上游的水質(zhì)目標(biāo)Ⅲ類[9]，TN含量超過了其環(huán)保要求，在流量不能增大的情況下應(yīng)該減少對(duì)TN的排放。所以稀釋污染物的需水量中TN的需水量應(yīng)該最大，COD則為最小。

以防止河流污染、保障流域生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定為目的，在承載污染物質(zhì)河流中，需要一定生態(tài)需水量以滿足水體對(duì)這些污染物稀釋凈化要求,桂林市水功能區(qū)劃明確指出漓江流域上游水質(zhì)要求為III類[10]。稀釋污染物需水量是生態(tài)需水量的重要組成部分。計(jì)算公式為：

(2)

式中：W0為河段污染防治需水量，m3/s;T為換算系數(shù),其值為31.536×106s;WP為河段允許的納污量，mg/s;q1為排污斷面污水量，L/s;cs為目標(biāo)水質(zhì)污染物的濃度，mg/L；c0為上斷面污染物濃度，mg/L;x1為河段長(zhǎng)度，km；k為污染物降解系數(shù)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室模型實(shí)驗(yàn)得到為：0.363;u為水流流速，m/s。

根據(jù)式(2)可以對(duì)漓江流域上游滿足這四種污染物要求排放的需水量進(jìn)行估算。根據(jù)污染物現(xiàn)有的排放量計(jì)算凈瓶山大橋到靈河橋段生態(tài)需水量，當(dāng)流量分別為60.72m3/s、39.98m3/s、28.30m3/s、37.95m3/s時(shí)，TN、TP、COD、NH3-N的排放分別可以達(dá)到III類水質(zhì)。對(duì)于污染物現(xiàn)有的排放量計(jì)算靈河橋到大埠頭段生態(tài)需水量，當(dāng)流量分別為51.63m3/s、31.75m3/s、27.17m3/s、30.67m3/s時(shí)，TN、TP、COD、NH3-N的排放分別可以達(dá)到III類水質(zhì)。

表7　漓江流域上游稀釋污染物的生態(tài)需水量

對(duì)于漓江流域上游生態(tài)需水量，本文認(rèn)為為了安全因素取兩段的最大值，所以稀釋TN、TP、COD、NH3-N需水量分別為60.72m3/s、39.98m3/s、28.30m3/s、37.95m3/s。

圖4　漓江流域上游稀釋污染物需水量與枯水期月平均流量對(duì)比

如圖4為漓江流域上游生態(tài)需水量與枯水期(9月—次年2月)的月平均流量對(duì)比[11]?？梢园l(fā)現(xiàn)只有稀釋TN的生態(tài)需水量大于枯水期的月平均徑流量，證明在現(xiàn)有徑流狀況下漓江流域上游的TN超標(biāo)，需要在枯水期對(duì)漓江流域上游進(jìn)行補(bǔ)水才能保證漓江流域上游水質(zhì)滿足水功能區(qū)劃要求，在現(xiàn)有徑流情況下可以滿足稀釋TP、NH3-N、COD的需水量。

3　運(yùn)用7Q10法計(jì)算防止水質(zhì)污染生態(tài)需水量

利用7Q10計(jì)算漓江流域上游的基本生態(tài)環(huán)境需水量，計(jì)算防止流域水質(zhì)污染生態(tài)需水量。7Q10法最先在美國(guó)被應(yīng)用，把最枯的連續(xù)7 d平均水量作為河流最小流量的設(shè)計(jì)值。該方法于70年代來到中國(guó)[12],主要用于計(jì)算污染物有允許排放量，但該標(biāo)準(zhǔn)要求較高,不適宜中國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平，所以對(duì)該方法進(jìn)行了修改。在《制定地方水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)原則和方法》中有規(guī)定,要滿足河流防止污染的基本生態(tài)需水量，一般情況下采取近10年的最枯月平均徑流量或90%保證率最枯月平均徑流量。

Wd=Min(Wij)

(3)

式中：Wd為河流防止污染基本生態(tài)需水量；Wij為河流近10d最枯月平均徑流量或90%保證率最枯月平均徑流量。

圖5　漓江流域上游1958—2003年最枯月平均徑流量變化情況

所以采用1958—2003年90%保證率最枯月平均徑流量來計(jì)算基本生態(tài)需水量Wb=24.89 m3/s；

根據(jù)近10 a(1993—2003年)保證率最枯月平均徑流量來計(jì)算基本生態(tài)需水量Wb=30.23 m3/s。

漓江流域上游的防止污染的需水量用90%最枯月平均徑流量和用近10a最枯月平均徑流量計(jì)算的結(jié)果分別為24.89 m3/s和30.23 m3/s。

圖6　漓江流域上游稀釋四種污染物的生態(tài)需水量與7Q10法計(jì)算生態(tài)需水量對(duì)比

5　結(jié)　論

計(jì)算所得結(jié)果為凈瓶山大橋到靈河橋這一段滿足TN、TP、COD、NH3-N要求的生態(tài)需水量分別為60.72 m3/s、39.98 m3/s、28.30 m3/s、37.95 m3/s；靈河橋到大埠頭段滿足TN、TP、COD、NH3-N要求的生態(tài)需水量分別為51.63 m3/s、31.75 m3/s、27.17 m3/s、30.67 m3/s。采用10a最估流量進(jìn)行計(jì)算的結(jié)果24.89 m3/s比90%最估月的結(jié)果30.23 m3/s偏大，其原因是1993—2003年期間枯水期對(duì)漓江采取了補(bǔ)水措施，使其枯水期流量增加，如青獅潭水庫(kù)對(duì)漓江補(bǔ)水工程就是從1986—2000年開始的。所以采用的近10a最估月流量要比90%保證率最估月流量大。稀釋NH3-N生態(tài)需水量遠(yuǎn)大于7Q10法的計(jì)算結(jié)果，而其它3種污染物的需水量與7Q10法(近10a)相近，說明漓江流域上游TN排放超標(biāo)，應(yīng)該采取措施減少TN的排放。

本文認(rèn)為完全滿足水質(zhì)要求在桂林市附近的需水量應(yīng)該達(dá)到60 .72 m3/s，漓江流域上游上半段的需水量應(yīng)該達(dá)到51.63 m3/s。建議漓江流域上游減少TN的排放或向漓江補(bǔ)水這樣才可以滿足水質(zhì)的要求。防止河流污染的基本生態(tài)需水量為30.23 m3/s。

[1]梁薇,梁冬梅,蘇偉.生態(tài)環(huán)境需水研究評(píng)述及應(yīng)用[J].甘肅水利水電技術(shù), 2009,45(11): 4.

[2]葉桂忠,劉俊.漓江桂林市區(qū)段水環(huán)境容量研究[J].水資源保護(hù),2003,9(3):10-12.

[3]繆鐘靈.漓江流域上游主要環(huán)境問題[J].中國(guó)巖溶.1997,16(2):161-166.

[4]Freeze R A,Harlan R L.Blueprint for a physically-based digitally-simulated hydrological respouse model[J].Journal of Hydrology.2009,12(3):237-258.

[5]Karl-Erich Lindensehmidt.Testing for the transferability of a water quality model to areas of similarspatial and temporal scale based on an uncertainty vs.complexity hypothesis[J].ecologieal complexity .2006,23(3),241-252.

[6]李永軍，彭蘇萍，陳余道，等.漓江桂林市區(qū)段水環(huán)境自凈容量地理信息模型探討[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2004,33(5):596-599.

[7]王西琴,楊志峰,劉昌明.河道最小環(huán)境需水量確定方法及其應(yīng)用研究(I)—理論[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2001,9(21)5:544-547.

[8]粟維斌,康峰峰.漓江水資源環(huán)境問題的景觀生態(tài)學(xué)思考[J].北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2005,27(2):149-155.

[9]蔡德所,馬祖陸.漓江流域上游的主要生態(tài)環(huán)境問題研究[J].廣西師范大學(xué)學(xué)報(bào)，2008,26(1):110-112.

[10]黃宗萬.漓江流域上游水資源形勢(shì)分析[J]．廣西科學(xué)院學(xué)報(bào)，2005,21(1)：56-60.

[11]李永軍，彭蘇萍，陳余道，等.漓江桂林市區(qū)段水環(huán)境自凈容量地理信息模型探討[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2004,33(5):596-599.

[12]王西琴,楊志峰,劉昌明.河道最小環(huán)境需水量確定方法及其應(yīng)用研究(I)—理論.環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2001,9(21):544-547.

1007-7596(2016)06-0020-05

2016-04-12

徐寧濤(1987-)，男，遼寧朝陽(yáng)人，助理工程師；黃丹(1987-)，女，四川樂山人，助理工程師。

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