漓江流域不同土地利用類型下水體污染類型與成因

林 鵬，陳余道，夏 源

（桂林理工大學(xué)　　環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，廣西桂林 541004）

漓江流域不同土地利用類型下水體污染類型與成因

林 鵬，陳余道，夏 源

（桂林理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，廣西桂林 541004）

土地利用類型、社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)直接影響著區(qū)域水體污染特征。本文以漓江流域?yàn)檠芯繉?duì)象，在其干流和11條支流設(shè)置14個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，進(jìn)行1個(gè)水文年的取樣監(jiān)測(cè)，用綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià)，并對(duì)比分析不同土地利用方式下水體污染類型與成因，分析得出以下結(jié)論：（1）研究區(qū)主要污染物是TN。（2）污染最嚴(yán)重的是漓江中游，上游水質(zhì)總體情況比中下游好；水質(zhì)最差的是桃花江，為Ⅳ類水質(zhì)；水質(zhì)最好的是六洞河和小溶江，達(dá)到Ⅰ類水質(zhì)。（3）在季節(jié)上，上游枯水期污染比豐水期稍嚴(yán)重；中游枯水期污染較豐水期嚴(yán)重；下游豐水期污染重于枯水期。（4）土地利用類型影響水體的污染類型：上游河流林地覆蓋廣，污染輕；中游城鎮(zhèn)用地和耕地面積廣，受工業(yè)和生活污水影響，污染較其他河流嚴(yán)重，以點(diǎn)源污染為主；下游河流園地面積比重大，在豐水期水土流失加重，以農(nóng)業(yè)面源污染為主。

漓江流域；土地利用類型；水質(zhì)特征；綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法

土地利用方式直接影響著污染物質(zhì)的遷移轉(zhuǎn)化、地表徑流、地形地貌、耕作方式等因素［1］。大量的研究表明，人類活動(dòng)以及土地利用方式與區(qū)域水體污染物濃度具有較高的相關(guān)關(guān)系，并且被認(rèn)為是解釋所有水質(zhì)參數(shù)變化的一個(gè)重要的因素［2-4］。近年來(lái)，流域景觀格局結(jié)構(gòu)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)、農(nóng)業(yè)活動(dòng)等因素對(duì)河流水質(zhì)的影響逐漸得到重視［5］。但是由于流域土地利用現(xiàn)狀、土壤構(gòu)成、點(diǎn)源污染、人類活動(dòng)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平等外在因素的存在，導(dǎo)致土地利用與水質(zhì)之間的關(guān)聯(lián)被抵消或掩蓋［1］。

漓江是桂林市主要供水水源，隨著近幾十年來(lái)工農(nóng)業(yè)、旅游業(yè)的快速發(fā)展，漓江水環(huán)境、生態(tài)環(huán)境惡化加劇。喻澤斌、李永軍［6-7］等對(duì)漓江水環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)得出，漓江干流市區(qū)段的水體污染總體上受城市生活污水和工業(yè)廢水影響，污染最嚴(yán)重，而且豐水期污染大于枯水期，污染物主要為氨氮和COD。漓江流域不同的地形地貌、地質(zhì)條件和經(jīng)濟(jì)活動(dòng)強(qiáng)度，使得不同的土地利用類型與水質(zhì)間響應(yīng)關(guān)系可能存在差異。因此，為確定漓江流域不同土地利用類型下區(qū)域水質(zhì)污染特征，本研究選取漓江流域11條支流為研究對(duì)象，通過(guò)設(shè)置14個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，進(jìn)行1個(gè)水文年的取樣監(jiān)測(cè)，并評(píng)價(jià)水質(zhì)和對(duì)比分析不同土地利用類型流域的水質(zhì)時(shí)空變化特征，為漓江流域面源污染防治提供科學(xué)依據(jù)。

1　研究區(qū)概況

漓江位于珠江流域，是桂江的上游河段。漓江主要有11條支流，由上至下分別是：上游黃柏江、川江、靈渠、小溶江，中游甘棠江、桃花江、良豐河、黃沙河，下游潮田河、龍頸河、遇龍河，如圖1所示。研究區(qū)總面積5 580 km2，處中亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫為16.5～20.0℃，雨量充沛，年平均降雨量為1 367.5～1 932.9 mm，降雨量和流量的豐枯相差懸殊，每年3～8月是豐水期，9月至次年2月為枯水期。研究區(qū)地形以山地、平原地貌為主，丘陵、盆地、巖溶地貌兼而有之，屬中低山和丘陵地形，整個(gè)流域以漓江為軸線，呈南北向狹長(zhǎng)帶狀分布。

圖1　漓江流域范圍及土地利用現(xiàn)狀圖Fig.1 Basin range and current land use of Lijiang River

上游河流林地面積大于85%，夾少量耕地和城鎮(zhèn)用地。中游支流林地面積在52%～78%，耕地和城鎮(zhèn)用地在22%～48%，耕地和城鎮(zhèn)用地相對(duì)較高。下游支流林地面積在72%～87%，而園地面積相對(duì)較高，在8%～14%，如圖2所示。

2　斷面設(shè)置、評(píng)價(jià)方法及結(jié)果

2.1監(jiān)測(cè)斷面設(shè)置及監(jiān)測(cè)項(xiàng)目

本文在漓江干流及11條支流出口處共設(shè)置14個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，斷面位置和編號(hào)如圖1所示。采樣時(shí)間為2012年9月至2013年9月，監(jiān)測(cè)頻率為每月1次。用采樣儀收集水樣，裝入聚乙烯瓶（600 mL）中，帶回實(shí)驗(yàn)室冷藏保存并分析。實(shí)驗(yàn)室分析指標(biāo)為：TN、TP、COD和NH3-N，TN采用堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法（HJ 636—2012）測(cè)定，檢出下限為0.05 mg/L；TP采用鉬酸銨分光光度法（GB 11893—1989）測(cè)定，檢出下限為0.01 mg/L；COD采用高錳酸鉀法（GB 11892—1989）測(cè)定，檢出下限為0.5 mg/L；NH3-N采用納氏試劑分光光度法（HJ 535—2009）測(cè)定，檢出下限為0.5 mg/L。

圖2　漓江流域土地利用類型Fig.2 Percentage of land use types in Lijiang River Basin

2.2 水質(zhì)評(píng)價(jià)方法

2.2.1單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)的組成 單因子水質(zhì)指數(shù)Pi由1位整數(shù)、小數(shù)點(diǎn)后2位或3位有效數(shù)字組成，表示為

式中：X1為第i項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)的水質(zhì)類別；X2為監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在X1類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)下限值與X1類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)上限值變化區(qū)間中所處的位置，按四舍五入的原則計(jì)算確定；X3為參與綜合水質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)中，劣于水環(huán)境功能區(qū)目標(biāo)的單項(xiàng)指標(biāo)個(gè)數(shù)［8-9］。

2.2.2綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)的組成 綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)由單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)總和的平均值、代表水質(zhì)類別與功能區(qū)劃設(shè)定類別比較結(jié)果、參加整體水質(zhì)評(píng)價(jià)的指標(biāo)中劣于功能區(qū)標(biāo)準(zhǔn)的水質(zhì)指標(biāo)個(gè)數(shù)組成，其公式為［10-11］

其中：X1.X2為單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法總和的平均值；m為參加水質(zhì)評(píng)價(jià)因子個(gè)數(shù)；X3為參與綜合水質(zhì)評(píng)價(jià)的水質(zhì)指標(biāo)中，劣于水環(huán)境功能區(qū)目標(biāo)的單項(xiàng)指標(biāo)個(gè)數(shù)；X4為綜合水質(zhì)類別與水體功能區(qū)類別的比較結(jié)果。如果綜合水質(zhì)類別好于功能區(qū)類別，則X4=0；如果X4=1或X4=2，表明綜合水質(zhì)劣于功能區(qū)1或2個(gè)類別，以此類推。通過(guò)綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)Iwq的整數(shù)位和小數(shù)點(diǎn)后第1位X1. X2，可以判定綜合水質(zhì)級(jí)別以及綜合水質(zhì)隨時(shí)空變化評(píng)價(jià)的取值范圍，判定關(guān)系見(jiàn)表1。

表1　綜合水質(zhì)評(píng)價(jià)級(jí)別標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Comprehensive water quality assessment standards for water level

2.3評(píng)價(jià)結(jié)果

選取 TN、TP、COD和NH3-N作為評(píng)價(jià)因子，進(jìn)行綜合水質(zhì)級(jí)別評(píng)價(jià)和綜合水質(zhì)隨時(shí)間變化評(píng)價(jià)。

2.3.1單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)評(píng)價(jià) 由表2的單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)可知，4個(gè)指標(biāo)中，污染最為嚴(yán)重的是TN，其余依次是TP、NH3-N、COD。除六洞河和小溶江外，其余斷面的TN表示指數(shù)均未達(dá)到功能區(qū)要求，而且中、下游河流TN標(biāo)識(shí)指數(shù)明顯大于上游，其中最高的是中游的桃花江、桂林水文站和良豐河。因此，控制氮污染是控制水質(zhì)的關(guān)鍵所在。TP標(biāo)識(shí)指數(shù)最高的是川江，這可能是TP主要來(lái)源于水土流失，而川江上游剛完成修建水庫(kù)，水土流失嚴(yán)重。

表2　單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法對(duì)單項(xiàng)指標(biāo)評(píng)價(jià)結(jié)果Table 2 Result of water quality assessment using single factor water quality identification index

漓江3個(gè)干流斷面的綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)分別為六洞河2.000、桂林水文站3.310和陽(yáng)朔大橋2.910，中游污染最嚴(yán)重，上游污染較輕。根據(jù)空間變化指數(shù)，從六洞河斷面到桂林水文站水質(zhì)顯著惡化了65.5%；從桂林水文站到陽(yáng)朔大橋，水質(zhì)輕微改善了12.1%。

漓江上游水質(zhì)較好，小溶江為Ⅰ類水質(zhì)，黃柏江和靈渠為Ⅱ類水質(zhì)，川江為Ⅲ類水質(zhì)，均達(dá)到地表水水功能區(qū)劃要求。除川江外，其余斷面NH3-N和COD標(biāo)識(shí)指數(shù)均達(dá)到Ⅰ類水質(zhì)。漓江中游污染最嚴(yán)重是桃花江，其綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)是4.141，為Ⅳ類水質(zhì)，其次為良豐河的3.410，Ⅲ類水質(zhì)，甘棠江和黃沙河為Ⅱ類水質(zhì)。漓江下游斷面均達(dá)到Ⅱ類水質(zhì)，但污染由上至下呈加重的趨勢(shì)，綜合污染標(biāo)識(shí)指數(shù)由2.410增加到2.910。

2.3.2綜合標(biāo)識(shí)指數(shù)評(píng)價(jià) 對(duì)各斷面枯水期和豐水期水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果如表3和圖3所示。上游：靈渠和小溶江枯水期和豐水期水質(zhì)基本沒(méi)有變化；六洞河、黃柏江和川江為枯水期水質(zhì)劣于豐水期，其中前兩者為輕微變化，后者為顯著變化。中游：甘棠江枯水期水質(zhì)稍差于豐水期，桃花江枯水期水質(zhì)顯著劣于豐水期，良豐河枯水期污染輕微大于豐水期；黃沙河豐水期污染輕微大于枯水期，桂林水文站豐水期污染稍大于枯水期。下游：除龍頸河污染綜合指數(shù)相同外，其余均為豐水期大于枯水期，遇龍河為輕微變化，其余為基本不變。

表3　各監(jiān)測(cè)斷面綜合標(biāo)識(shí)指數(shù)及時(shí)間變化評(píng)價(jià)Table 3 　Comprehensive water quality identification index of monitoring sections and evaluation of change with time

3　水體污染類型與成因分析

由以上評(píng)價(jià)結(jié)合圖2分析不同土地利用類型造成的水質(zhì)特征，由于靈渠為外源水，所以不參與以下討論。

漓江干流上游六洞河林地面積大，受人類活動(dòng)影響小，中游城鎮(zhèn)面積大，接納了桂林市工業(yè)和生活廢水，所以桂林水文站斷面較六洞河斷面水質(zhì)惡化了65.5%，而經(jīng)77 km的河道自凈后，到下游陽(yáng)朔大橋，水質(zhì)較桂林水文站改善了12.1%。

上游支流流域內(nèi)林地面積大于90%，城鎮(zhèn)用地和耕地面積小于8%。林地覆蓋面積廣，水土流失量小，受人類影響小，水質(zhì)均達(dá)到功能區(qū)要求。根據(jù)相關(guān)研究表明涵養(yǎng)林對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽具有一定的攔截作用［12-13］，進(jìn)而使得污染物減少。由于川江上游修建水庫(kù)施工點(diǎn)離監(jiān)測(cè)斷面較近，為Ⅲ類水質(zhì)，而且枯水期污染明顯大于豐水期，屬于水土流失型點(diǎn)源污染為主。

中游支流流域內(nèi)林地面積在52%～77%，城鎮(zhèn)用地和耕地在22%～47%。城鎮(zhèn)、農(nóng)村生活污水比重大，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及養(yǎng)殖造成的有機(jī)污染，使這些支流污染較其他地區(qū)嚴(yán)重。4個(gè)評(píng)價(jià)因子的標(biāo)識(shí)指數(shù)明顯高于上游和下游。桃花江和良豐河林地面積相近，但其城建用地面積是良豐河的2.3倍，因而桃花江的 TP、NH3-N和COD單因子標(biāo)識(shí)指數(shù)明顯高于良豐河，尤其NH3-N單因子標(biāo)識(shí)指數(shù)是良豐河的2.0倍。已有研究發(fā)現(xiàn)，城市建設(shè)用地面積與NH3-N、COD濃度存在顯著的正相關(guān)［2，14］。此外，城市化導(dǎo)致徑流量的增多也增加了進(jìn)入河流的泥沙量和污染負(fù)荷［15］。除黃沙河外，其余斷面枯水期綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)高于豐水期，可推斷其主要污染物來(lái)源于城鎮(zhèn)工業(yè)和生活廢水等點(diǎn)源污染。可見(jiàn)，城鎮(zhèn)用地面積大小與河流水質(zhì)呈顯著負(fù)相關(guān)性。黃沙河城鎮(zhèn)用地多為農(nóng)村居民點(diǎn)用地，工業(yè)廢水和生活污水相對(duì)較少，而耕地面積比例大，所以豐水期污染重于枯水期，以農(nóng)業(yè)面源污染為主。甘棠江水域占有率遠(yuǎn)大于黃沙河，而其他土地類型差不多，但甘棠江的水質(zhì)優(yōu)于黃沙河，可見(jiàn)河流上游大面積的水域可以有效改善河道水質(zhì)。

圖3　監(jiān)測(cè)斷面綜合標(biāo)識(shí)指數(shù)隨時(shí)間變化Fig.3 Comprehensive marking index of monitoring sections changes with time

下游支流潮田河、遇龍河的林地面積在71%～88%，園地面積在8%～14%，園地比例相對(duì)其他河流大。潮田河與遇龍河相比，隨著園地面積和耕地面積增大，水質(zhì)污染加重，而且隨時(shí)間變化更大。這是由于園地面積大，在豐水期水土流失加重，以農(nóng)業(yè)面源污染為主。由黃沙河與遇龍河相比，前者耕地比例大，后者園地比例大，而遇龍河的TN、TP單因子標(biāo)識(shí)指數(shù)明顯大于黃沙河，水質(zhì)也劣于黃沙河，可以看出園地造成的農(nóng)業(yè)面源污染要大于耕地，以水土流失型為主。而龍頸河園地比例大于潮田河，但其枯水期與豐水期水質(zhì)變化不大，可能是由于監(jiān)測(cè)斷面下游60 m處筑有2 m高的水壩，受庫(kù)區(qū)蓄水影響，掩蓋了水質(zhì)與土地類型的相關(guān)性。

4　結(jié)論與建議

通過(guò)對(duì)漓江流域14個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的監(jiān)測(cè)、水質(zhì)評(píng)價(jià)和結(jié)合各支流土地利用類型對(duì)比分析，得出以下結(jié)論：

（1）研究區(qū)的主要污染物質(zhì)是TN。除六洞河和小溶江外，其余斷面的TN標(biāo)識(shí)指數(shù)均未達(dá)到功能區(qū)要求。

（2）漓江污染最嚴(yán)重的是中游的干流、支流，上游水質(zhì)總體情況比中下游好。污染最嚴(yán)重的支流是桃花江，為Ⅳ類水質(zhì)，其次是良豐河和川江，為Ⅲ類水質(zhì)。水質(zhì)最好的是六洞河和小溶江，達(dá)到Ⅰ類水質(zhì)。

（3）在季節(jié)上，上游斷面，總體體現(xiàn)為枯水期污染稍大于豐水期；中游支流除黃沙河外，均為枯水期污染較豐水期嚴(yán)重，以桃花江和良豐河最為明顯；下游支流除龍頸河外，均為豐水期污染重于枯水期。

（4）不同土地利用類型影響水體的污染類型：上游河流林地覆蓋廣，攔截了部分營(yíng)養(yǎng)物，使得污染物入河量低，水質(zhì)較好；中游城鎮(zhèn)用地和耕地面積廣，受工業(yè)廢水和生活污水以及農(nóng)業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)影響，污染較其他河流嚴(yán)重，以點(diǎn)源污染為主；下游河流園地面積占有率大，在豐水期水土流失加重，從而使豐水期污染大于枯水期，以農(nóng)業(yè)面源污染為主。城鎮(zhèn)用地面積大小與河流水質(zhì)呈顯著負(fù)相關(guān)性，而水域面積大小與河流水質(zhì)呈正相關(guān)性，另外園地造成的農(nóng)業(yè)面源污染要大于耕地。

漓江流域TN污染最為嚴(yán)重，因此建議對(duì)漓江流域的氮污染進(jìn)行治理，并且應(yīng)側(cè)重于整治桃花江、良豐河和遇龍河等支流。對(duì)于桃花江和良豐河流域，主要著重于工業(yè)廢水和城鎮(zhèn)生活污水的處理或增加涵養(yǎng)林面積等措施；而遇龍河流域需要加強(qiáng)農(nóng)業(yè)面源污染控制，如建設(shè)施肥和施藥技術(shù)體系，同時(shí)推廣生態(tài)攔截溝渠、人工濕地和稻田消納等技術(shù)，能高效攔截、凈化氮磷污染物，并兼具生態(tài)景觀美化之功能［16-17］。

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Types and causes of water pollution under different land use types in Lijiang River Basin

LIN Peng，CHEN Yu-dao，XIA Yuan
（College of Environmental Science and Engineering，Guilin University of Technology，Guilin 541006，China）

Water pollution characteristics of the region are affected by land use types as well as social and economic activities.This paper takes Lijiang River Basin as the research object，14 monitoring sections are set up along the Lijiang River and 11 tributaries.Monitoring and sampling were done during a hydrological year to evaluate the water pollution according to different land uses，by the comprehensive water quality identification indexes.The results show that（1）TN is the main pollutant in Lijiang River Basin；（2）The most serious pollution is the middle reaches of Li River.The upstream water quality is the best.The most polluted tributary is Taohua River，as the IV water quality.The water quality of Liudong River and Xiaorong River is the best，class I water quality；（3）In terms of season，the pollution in dry season is a little serions than wet season in upstream.The pollution in dry season is worse than wet season in the middle tributaries，and the downstream to the contrary；（4）The types of water pollution are influenced by the land use types.The upstream pollution is not so bad，because of large area of woodland.The midstream pollution is more serious because of the industrial and domestic sewage.The main type of pollution is point source.In the downstream river，garden area is at a major ratio. Soil erosion increases in wet season.The main type of pollution is agricultural non-point source pollution.

Lijiang River Basin；land use types；water quality；comprehensive water quality identification indexes

X522

A

1674-9057（2016）03-0539-06

10.3969/j.issn.1674-9057.2016.03.019

2014-12-18

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41362012）；國(guó)家科技支撐課題項(xiàng)目（2012BAC16B02）

林 鵬 （1987—），男，碩士，研究方向：污染水文地質(zhì)學(xué)，linpeng198812@163.com。

陳余道，博士，教授，博士生導(dǎo)師，cyd0056@vip.sina.com。

引文格式：林鵬，陳余道，夏源.漓江流域不同土地利用類型下水體污染類型與成因［J］.桂林理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2016，36（3）：539-544.