基于分形理论的昆明市主要水源区总氮变化分析

基于分形理论的昆明市主要水源区总氮变化分析

0水源区面源污染现象突出水源区域是水环境的重要组成部分。这是水环境功能区划中使用最广泛的水域。水源生态系统在水分调节和水质净化等服务功能上具有更高的要求。国家明确提出要加强生态文明制度建设,水源区生态保护问题受到高度重视。水库水源区既是水库蓄水的源泉,又是水库水质的保护屏障,如何保护水源区,将直接影响全市居民安全用水。在《关于实行最严格水资源管理制度的意见》中明确提出加强水功能区限制纳污红线管理,严格控制入河湖排污总量,加强饮用水水源保护。昆明市是一个严重缺水的城市,松华坝水库是昆明市的主要优质水源和滇池水体交换的重要水源,为昆明市的经济和社会发展做出了巨大的贡献,但近年来由于松华坝水源保护区内经济活动强度的增大,加之特殊的地形条件导致保护区内的水土流失相对比较严重,使得水源区内的面源污染一度存在,且有逐渐加重的趋势,严重威胁到昆明市的城市供水安全。因此,文章分析松华坝水库水质变化规律及突变点的基础上,通过对水质突变点的研究分析,进一步诊断水源区水质,从而为采取针对性的水库相应调度措施及保护治理对策提供技术依据,为昆明城市饮水安全和水源区的可持续利用提供保障。1数据和方法1.1年主要水质指标的r/s分析本文选取了松华坝水库1996-2010年的主要水质作为分析因子进行R/S分析,探讨了总氮、总磷、氨氮、高锰酸盐指数年平均及枯水期、丰水期、平水期的变化特征。1.2hurst指数分级R/S分析法是英国学者H.E.Hurst于1965年提出的一种处理时间序列的方法,Hurst本人曾利用此法对河流流量、泥浆沉积量、树木年轮、降雨量等许多自然现象研究,同时,该方法在水文水资源中也得到了广泛的应用。为定量描述趋势性成分的持续性或者反持续性强度的大小,提出了Hurst指数的分级表,见表1。Hurst指数分级强度由弱到强分为5级,其中持续性强度用Ⅰ~Ⅴ级表示,反持续性强度则用-Ⅰ~-Ⅴ级表示,以主要污染指标作为分式布朗运动取值{x(i)},i=1,2,…,15},取1996-2010年总氮、总磷、氨氮、高锰酸盐指数序列,计算其Hurst指数,并绘制其R/S分析图。2结果与分析2.1总氮、氨氮、高锰酸盐指数、终支干的年、月内水期及党员、水资源量动态变化水源区水质受自然及人类大规模活动影响,自然条件、下垫面条件改变,这些因素都会使主要水质指标时间序列的分形特征值(H指数、分维D)发生明显的变化,此时主要污染指标时间序列成为非平稳序列。因此,可以通过主要污染指标时间序列的分形特征值,找出该时间序列的变异点。研究结果表明,H总氮=0.6558>0.5,意味着总氮总体趋势将与过去呈正关。图2(a)利用三阶幂函数拟合得到的总氮年平均值的长期趋势线,从长期趋势线图可以看出:松华坝水库总氮年平均值自1996年以来呈轻微持续上升趋势,初步判定总氮未来的总体变化趋势将与过去一致,并且将表现出一定的持续性,即未来年总氮值可能出现1996年以来持续上升的趋势,同时也预示总氮年平均值序列表现出一定的非随机性。应用三阶幂函数拟合得到总氮枯水期、丰水期和平水期趋势线以及总磷、氨氮、高锰酸盐指数系列的年和不同水期值的趋势线,结果见图2。应用R/S模型分析总氮、总磷、氨氮、高锰酸盐指数年纪、枯水、丰水和平水期的变化趋势,得到这4个水质指标年及不同水期指标值的变化趋势图和变化趋势Hurst指数,结果见图3和表2。限于篇幅,图2和图3仅绘出总氮变化趋势线和R/S趋势分析图。研究结果表明:(1)松华坝水库总氮、总磷、氨氮、高锰酸盐指数的年及不同水期值从1996年以来除总磷呈下降趋势外,其余3个指标都呈上升趋势,总氮、总磷、氨氮、高锰酸盐指数存在明显的Hurst现象,枯水期除高锰酸盐指数外,其余3个指标的趋势性强度明显高于全年、丰水期和平水期。这主要是因为受经济活动影响,松华坝水库水源区人类活动加剧,从而导致面源污染严重、局部水质下降。反映松华坝水库可能在未来枯水期的指标值变化趋势较强,污染物浓度的增加将会导致水质恶化,直接影响昆明主城区的供水安全,因此采取针对性对策和措施,以应对松华坝水库未来可能出现的干旱对水质的综合影响。(2)松华坝水库总氮、总磷、氨氮、高锰酸盐指数的年平均值Hurst指数均大于0.5,意味着这4个水质指标的变化趋将持续发展,0.65<H总氮<0.75,总氮持续性强度较强;0.55<H总磷<0.65,总磷持续性强度较弱;0.65<H氨氮<0.75,氨氮持续性强度较强;0.65<H高锰酸盐指数<0.75,高锰酸盐指数持续性强度较强。平水期类似,总氮持续性强较强;总磷持续性强度较弱;氨氮持续性强较强;高锰酸盐指数持续性强度较强。(3)松华坝水库枯水期总氮、总磷、氨氮、高锰酸盐指数的Hurst指数均大于0.5,意味着这4个水质指标的变化趋将持续发展,0.75<H总氮<0.85,总氮持续性强度强;0.65<H总磷<0.75,总磷持续性强度较强;0.75<H氨氮<0.85,氨氮持续性强度强;0.65<H高锰酸盐指数<0.75,高锰酸盐指数持续性强度较强。丰水期类似,总氮持续性强度较弱;总磷持续性强度弱;氨氮持续性强较弱;高锰酸盐指数持续性强度较强。2.2各水源总氮年增长率为进一步分析松华坝水库水质的突变点,根据云南省水环境中心的水质监测和分析,影响松华坝水库水质的主要因素是总氮,因此选取总氮指标开展突变检验分析研究。分段分析计算结果见表3。从表3可得,在序号12对应的点处(对应于2008年),|H1-H2|最大。因此,该水源总氮年平均值序列变异年份诊断为2008年。以诊断变异年份2008年所对应的数据作为分段点,分别对1996-2008年数据和2008-2010年数据进行R/S分析并分段拟合,样本(1996-2008年)的H指数为0.6509,其回归方程为R(τ)/S(τ)=0.5721τ0.6509,样本(2008-2010年)的H指数为0.6081,回归方程为R(τ)/S(τ)=0.6241τ0.6081。由此可见,变异点后的时间序列的H明显低于之前序列的H,说明后序列的持续增加趋势小于前序列。2.3趋势变化和突变的原因分析2.3.1水源区面源污染的原因分析(1)总氮呈上升趋势的原因。1996-2008年期间,政府加大对水源区保护及综合治理,水源区禁止引进带有污染的工业企业,但是由于农业种植产业结构的调整,以花卉、蔬菜基地为主的大水大肥规模种植发展迅速,使用的化肥不仅量大,而且不合理以及目前水源区内没有建立垃圾及污水处理系统,农业生产成为水源区面源污染的最大贡献者,使水源区的总氮呈逐步上升的趋势。(2)总磷呈下降趋势的原因。1996-2010年期间,松华坝水库水源区实施了多项生态保护和综合治理工作:植树造林、退耕还林、完成水源保护区水土流失治理面积174.81km2,水源区的水土流失量呈减少趋势,地表径流带走的泥沙含量也呈减少趋势,而水质总磷含量与水中泥沙含量呈正相关,因而总磷浓度表现一定的下降趋势。(3)氨氮呈上升趋势的原因。随着生活水平的提高,水源区生活污水排放量呈增加趋势,且未达标处理就排放,含氮有机物的量也随之增加,水中含氮有机物受微生物作用的分解产物氨氮也呈上升趋势。(4)高锰酸钾指数呈上升趋势的原因。由于水源区汛期汇水区内的面污染源随地表径流汇入水库,水中的亚硝酸盐含量提高使高锰酸盐指数增大;随着水源区增施腐熟农家肥、增施有机肥和秸秆还田措施的推广实施,一定程度了提高了土壤的有机质含量,土壤中的高有机质在雨季会随地表径流汇入水库,从而使得水库中有机物含量增加,高锰酸盐指数相对升高。2.3.2大河流生态水质污染结合历史观测资料对比分析后,2008年产生突变的主要影响因素是:(1)2008年以前松华坝水库主要入库河道冷水河流域由于大规模开展花卉、蔬菜种植,导致在2008年其水质类别连续10个月都是劣Ⅴ类类水质,主要超标污染物为总氮,水库上游的来水的总氮浓度直接影响水库的总氮浓度,2009年后国家加强流域保护,取缔流域内花卉、蔬菜种植基地,不良影响显著下降;(2)2008年,管理部门在松花坝水库开展清淤、拦污工作,限于工作经费及对主要淤库坝清淤等工作存在一定不足,库区底泥黏底泥清淤不彻底导致氮的二次污染使水体氮的浓度增加。3水源区水质变化趋势及策略(1)通过对松华坝水库1996-2010年的总氮、总磷、氨氮、高锰酸盐指数R/S趋势分析,上述4个指标的年平均值极其枯水期、丰水期、平水期的值变化均存在趋势性成分,存在明显的Hurst现象,总体上延续1996年以来持续上升的趋势效应,即:总氮、氨氮、高锰酸盐指数的年平均值、枯水期值、丰水期值、平水期值将出现持续上升的趋势;总磷的年平均值、枯水期值、丰水期值、平水期值将表现一定的下降趋势。(2)松华坝水库总氮、总磷、氨氮、高锰酸盐指数存在明显的Hurst现象,这4个水质指标序列的变化趋势总体上表现为上升趋势,其中3个指标的趋势性强度明显高于全年、丰水期和平水期。(3)松华坝水库总氮年平均值变异点出现在2008年,变异点前后时间序列的增加值持续性特征差异显著,后序列明显弱于前序列。根据松华坝水库水源区水质变化趋势和突变特点,分析提出如下建议:(1)水源区污染源头控制。针对水源区农业种植使用的化肥不仅量大,而且利用效率较低,给松华坝水库的水质带来不利影响,建议调整水源区农业发展结构,水源区全面禁止花卉种植、减少蔬菜种植,控制农药化肥的使用量。针对目前水源区内没有建立垃圾及污水处理系统,人们的生活垃圾随意处置现状,建议开展清洁小流域综合治理,在松华坝水源区内人口集中的白邑乡、阿子营乡、小河乡等修建生态型截污设施、生态型厕所和垃圾回收处理系统,有效解决水源区所产生的点污染源。(2)水源区库坝的疏浚、清淤。针对淤库坝清淤工作存在一定不足,对谷昌坝和松华坝水库主、副坝进行彻底清淤,提高水流速度、改善水力条件,建立有利于污染物稀释、降解