基于分形理論的昆明市主要水源區(qū)總氮變化分析

基于分形理論的昆明市主要水源區(qū)總氮變化分析

0水源區(qū)面源污染現(xiàn)象突出水源區(qū)域是水環(huán)境的重要組成部分。這是水環(huán)境功能區(qū)劃中使用最廣泛的水域。水源生態(tài)系統(tǒng)在水分調(diào)節(jié)和水質(zhì)凈化等服務(wù)功能上具有更高的要求。國家明確提出要加強生態(tài)文明制度建設(shè),水源區(qū)生態(tài)保護問題受到高度重視。水庫水源區(qū)既是水庫蓄水的源泉,又是水庫水質(zhì)的保護屏障,如何保護水源區(qū),將直接影響全市居民安全用水。在《關(guān)于實行最嚴(yán)格水資源管理制度的意見》中明確提出加強水功能區(qū)限制納污紅線管理,嚴(yán)格控制入河湖排污總量,加強飲用水水源保護。昆明市是一個嚴(yán)重缺水的城市,松華壩水庫是昆明市的主要優(yōu)質(zhì)水源和滇池水體交換的重要水源,為昆明市的經(jīng)濟和社會發(fā)展做出了巨大的貢獻,但近年來由于松華壩水源保護區(qū)內(nèi)經(jīng)濟活動強度的增大,加之特殊的地形條件導(dǎo)致保護區(qū)內(nèi)的水土流失相對比較嚴(yán)重,使得水源區(qū)內(nèi)的面源污染一度存在,且有逐漸加重的趨勢,嚴(yán)重威脅到昆明市的城市供水安全。因此,文章分析松華壩水庫水質(zhì)變化規(guī)律及突變點的基礎(chǔ)上,通過對水質(zhì)突變點的研究分析,進一步診斷水源區(qū)水質(zhì),從而為采取針對性的水庫相應(yīng)調(diào)度措施及保護治理對策提供技術(shù)依據(jù),為昆明城市飲水安全和水源區(qū)的可持續(xù)利用提供保障。1數(shù)據(jù)和方法1.1年主要水質(zhì)指標(biāo)的r/s分析本文選取了松華壩水庫1996-2010年的主要水質(zhì)作為分析因子進行R/S分析,探討了總氮、總磷、氨氮、高錳酸鹽指數(shù)年平均及枯水期、豐水期、平水期的變化特征。1.2hurst指數(shù)分級R/S分析法是英國學(xué)者H.E.Hurst于1965年提出的一種處理時間序列的方法,Hurst本人曾利用此法對河流流量、泥漿沉積量、樹木年輪、降雨量等許多自然現(xiàn)象研究,同時,該方法在水文水資源中也得到了廣泛的應(yīng)用。為定量描述趨勢性成分的持續(xù)性或者反持續(xù)性強度的大小,提出了Hurst指數(shù)的分級表,見表1。Hurst指數(shù)分級強度由弱到強分為5級,其中持續(xù)性強度用Ⅰ~Ⅴ級表示,反持續(xù)性強度則用-Ⅰ~-Ⅴ級表示,以主要污染指標(biāo)作為分式布朗運動取值{x(i)},i=1,2,…,15},取1996-2010年總氮、總磷、氨氮、高錳酸鹽指數(shù)序列,計算其Hurst指數(shù),并繪制其R/S分析圖。2結(jié)果與分析2.1總氮、氨氮、高錳酸鹽指數(shù)、終支干的年、月內(nèi)水期及黨員、水資源量動態(tài)變化水源區(qū)水質(zhì)受自然及人類大規(guī)?；顒佑绊?自然條件、下墊面條件改變,這些因素都會使主要水質(zhì)指標(biāo)時間序列的分形特征值(H指數(shù)、分維D)發(fā)生明顯的變化,此時主要污染指標(biāo)時間序列成為非平穩(wěn)序列。因此,可以通過主要污染指標(biāo)時間序列的分形特征值,找出該時間序列的變異點。研究結(jié)果表明,H總氮=0.6558>0.5,意味著總氮總體趨勢將與過去呈正關(guān)。圖2(a)利用三階冪函數(shù)擬合得到的總氮年平均值的長期趨勢線,從長期趨勢線圖可以看出:松華壩水庫總氮年平均值自1996年以來呈輕微持續(xù)上升趨勢,初步判定總氮未來的總體變化趨勢將與過去一致,并且將表現(xiàn)出一定的持續(xù)性,即未來年總氮值可能出現(xiàn)1996年以來持續(xù)上升的趨勢,同時也預(yù)示總氮年平均值序列表現(xiàn)出一定的非隨機性。應(yīng)用三階冪函數(shù)擬合得到總氮枯水期、豐水期和平水期趨勢線以及總磷、氨氮、高錳酸鹽指數(shù)系列的年和不同水期值的趨勢線,結(jié)果見圖2。應(yīng)用R/S模型分析總氮、總磷、氨氮、高錳酸鹽指數(shù)年紀(jì)、枯水、豐水和平水期的變化趨勢,得到這4個水質(zhì)指標(biāo)年及不同水期指標(biāo)值的變化趨勢圖和變化趨勢Hurst指數(shù),結(jié)果見圖3和表2。限于篇幅,圖2和圖3僅繪出總氮變化趨勢線和R/S趨勢分析圖。研究結(jié)果表明:(1)松華壩水庫總氮、總磷、氨氮、高錳酸鹽指數(shù)的年及不同水期值從1996年以來除總磷呈下降趨勢外,其余3個指標(biāo)都呈上升趨勢,總氮、總磷、氨氮、高錳酸鹽指數(shù)存在明顯的Hurst現(xiàn)象,枯水期除高錳酸鹽指數(shù)外,其余3個指標(biāo)的趨勢性強度明顯高于全年、豐水期和平水期。這主要是因為受經(jīng)濟活動影響,松華壩水庫水源區(qū)人類活動加劇,從而導(dǎo)致面源污染嚴(yán)重、局部水質(zhì)下降。反映松華壩水庫可能在未來枯水期的指標(biāo)值變化趨勢較強,污染物濃度的增加將會導(dǎo)致水質(zhì)惡化,直接影響昆明主城區(qū)的供水安全,因此采取針對性對策和措施,以應(yīng)對松華壩水庫未來可能出現(xiàn)的干旱對水質(zhì)的綜合影響。(2)松華壩水庫總氮、總磷、氨氮、高錳酸鹽指數(shù)的年平均值Hurst指數(shù)均大于0.5,意味著這4個水質(zhì)指標(biāo)的變化趨將持續(xù)發(fā)展,0.65<H總氮<0.75,總氮持續(xù)性強度較強;0.55<H總磷<0.65,總磷持續(xù)性強度較弱;0.65<H氨氮<0.75,氨氮持續(xù)性強度較強;0.65<H高錳酸鹽指數(shù)<0.75,高錳酸鹽指數(shù)持續(xù)性強度較強。平水期類似,總氮持續(xù)性強較強;總磷持續(xù)性強度較弱;氨氮持續(xù)性強較強;高錳酸鹽指數(shù)持續(xù)性強度較強。(3)松華壩水庫枯水期總氮、總磷、氨氮、高錳酸鹽指數(shù)的Hurst指數(shù)均大于0.5,意味著這4個水質(zhì)指標(biāo)的變化趨將持續(xù)發(fā)展,0.75<H總氮<0.85,總氮持續(xù)性強度強;0.65<H總磷<0.75,總磷持續(xù)性強度較強;0.75<H氨氮<0.85,氨氮持續(xù)性強度強;0.65<H高錳酸鹽指數(shù)<0.75,高錳酸鹽指數(shù)持續(xù)性強度較強。豐水期類似,總氮持續(xù)性強度較弱;總磷持續(xù)性強度弱;氨氮持續(xù)性強較弱;高錳酸鹽指數(shù)持續(xù)性強度較強。2.2各水源總氮年增長率為進一步分析松華壩水庫水質(zhì)的突變點,根據(jù)云南省水環(huán)境中心的水質(zhì)監(jiān)測和分析,影響松華壩水庫水質(zhì)的主要因素是總氮,因此選取總氮指標(biāo)開展突變檢驗分析研究。分段分析計算結(jié)果見表3。從表3可得,在序號12對應(yīng)的點處(對應(yīng)于2008年),|H1-H2|最大。因此,該水源總氮年平均值序列變異年份診斷為2008年。以診斷變異年份2008年所對應(yīng)的數(shù)據(jù)作為分段點,分別對1996-2008年數(shù)據(jù)和2008-2010年數(shù)據(jù)進行R/S分析并分段擬合,樣本(1996-2008年)的H指數(shù)為0.6509,其回歸方程為R(τ)/S(τ)=0.5721τ0.6509,樣本(2008-2010年)的H指數(shù)為0.6081,回歸方程為R(τ)/S(τ)=0.6241τ0.6081。由此可見,變異點后的時間序列的H明顯低于之前序列的H,說明后序列的持續(xù)增加趨勢小于前序列。2.3趨勢變化和突變的原因分析2.3.1水源區(qū)面源污染的原因分析(1)總氮呈上升趨勢的原因。1996-2008年期間,政府加大對水源區(qū)保護及綜合治理,水源區(qū)禁止引進帶有污染的工業(yè)企業(yè),但是由于農(nóng)業(yè)種植產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整,以花卉、蔬菜基地為主的大水大肥規(guī)模種植發(fā)展迅速,使用的化肥不僅量大,而且不合理以及目前水源區(qū)內(nèi)沒有建立垃圾及污水處理系統(tǒng),農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成為水源區(qū)面源污染的最大貢獻者,使水源區(qū)的總氮呈逐步上升的趨勢。(2)總磷呈下降趨勢的原因。1996-2010年期間,松華壩水庫水源區(qū)實施了多項生態(tài)保護和綜合治理工作:植樹造林、退耕還林、完成水源保護區(qū)水土流失治理面積174.81km2,水源區(qū)的水土流失量呈減少趨勢,地表徑流帶走的泥沙含量也呈減少趨勢,而水質(zhì)總磷含量與水中泥沙含量呈正相關(guān),因而總磷濃度表現(xiàn)一定的下降趨勢。(3)氨氮呈上升趨勢的原因。隨著生活水平的提高,水源區(qū)生活污水排放量呈增加趨勢,且未達標(biāo)處理就排放,含氮有機物的量也隨之增加,水中含氮有機物受微生物作用的分解產(chǎn)物氨氮也呈上升趨勢。(4)高錳酸鉀指數(shù)呈上升趨勢的原因。由于水源區(qū)汛期匯水區(qū)內(nèi)的面污染源隨地表徑流匯入水庫,水中的亞硝酸鹽含量提高使高錳酸鹽指數(shù)增大;隨著水源區(qū)增施腐熟農(nóng)家肥、增施有機肥和秸稈還田措施的推廣實施,一定程度了提高了土壤的有機質(zhì)含量,土壤中的高有機質(zhì)在雨季會隨地表徑流匯入水庫,從而使得水庫中有機物含量增加,高錳酸鹽指數(shù)相對升高。2.3.2大河流生態(tài)水質(zhì)污染結(jié)合歷史觀測資料對比分析后,2008年產(chǎn)生突變的主要影響因素是:(1)2008年以前松華壩水庫主要入庫河道冷水河流域由于大規(guī)模開展花卉、蔬菜種植,導(dǎo)致在2008年其水質(zhì)類別連續(xù)10個月都是劣Ⅴ類類水質(zhì),主要超標(biāo)污染物為總氮,水庫上游的來水的總氮濃度直接影響水庫的總氮濃度,2009年后國家加強流域保護,取締流域內(nèi)花卉、蔬菜種植基地,不良影響顯著下降;(2)2008年,管理部門在松花壩水庫開展清淤、攔污工作,限于工作經(jīng)費及對主要淤庫壩清淤等工作存在一定不足,庫區(qū)底泥黏底泥清淤不徹底導(dǎo)致氮的二次污染使水體氮的濃度增加。3水源區(qū)水質(zhì)變化趨勢及策略(1)通過對松華壩水庫1996-2010年的總氮、總磷、氨氮、高錳酸鹽指數(shù)R/S趨勢分析,上述4個指標(biāo)的年平均值極其枯水期、豐水期、平水期的值變化均存在趨勢性成分,存在明顯的Hurst現(xiàn)象,總體上延續(xù)1996年以來持續(xù)上升的趨勢效應(yīng),即:總氮、氨氮、高錳酸鹽指數(shù)的年平均值、枯水期值、豐水期值、平水期值將出現(xiàn)持續(xù)上升的趨勢;總磷的年平均值、枯水期值、豐水期值、平水期值將表現(xiàn)一定的下降趨勢。(2)松華壩水庫總氮、總磷、氨氮、高錳酸鹽指數(shù)存在明顯的Hurst現(xiàn)象,這4個水質(zhì)指標(biāo)序列的變化趨勢總體上表現(xiàn)為上升趨勢,其中3個指標(biāo)的趨勢性強度明顯高于全年、豐水期和平水期。(3)松華壩水庫總氮年平均值變異點出現(xiàn)在2008年,變異點前后時間序列的增加值持續(xù)性特征差異顯著,后序列明顯弱于前序列。根據(jù)松華壩水庫水源區(qū)水質(zhì)變化趨勢和突變特點,分析提出如下建議:(1)水源區(qū)污染源頭控制。針對水源區(qū)農(nóng)業(yè)種植使用的化肥不僅量大,而且利用效率較低,給松華壩水庫的水質(zhì)帶來不利影響,建議調(diào)整水源區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展結(jié)構(gòu),水源區(qū)全面禁止花卉種植、減少蔬菜種植,控制農(nóng)藥化肥的使用量。針對目前水源區(qū)內(nèi)沒有建立垃圾及污水處理系統(tǒng),人們的生活垃圾隨意處置現(xiàn)狀,建議開展清潔小流域綜合治理,在松華壩水源區(qū)內(nèi)人口集中的白邑鄉(xiāng)、阿子營鄉(xiāng)、小河鄉(xiāng)等修建生態(tài)型截污設(shè)施、生態(tài)型廁所和垃圾回收處理系統(tǒng),有效解決水源區(qū)所產(chǎn)生的點污染源。(2)水源區(qū)庫壩的疏浚、清淤。針對淤庫壩清淤工作存在一定不足,對谷昌壩和松華壩水庫主、副壩進行徹底清淤,提高水流速度、改善水力條件,建立有利于污染物稀釋、降解