漓江流域上游水质评价与生态需水量研究

徐宁涛，黄　丹

(1.辽宁省白石水库管理局，辽宁 朝阳 122000；2.辽宁省朝阳市水务局，辽宁 朝阳 122000)



漓江流域上游水质评价与生态需水量研究

徐宁涛1，黄丹2

(1.辽宁省白石水库管理局，辽宁 朝阳 122000；2.辽宁省朝阳市水务局，辽宁 朝阳 122000)

取样分析漓江流域流域上游河水中TN、TP、COD、NH3-N并计算稀释每种污染物的生态需水量。分析结果显示，漓江流域上游TP、COD、NH3-N的含量符合桂林市水功能区划要求的III类水质，TN排放超标较严重，近桂林市区TN含量仅达到V类水质。计算得到满足桂林市水功能区划要求的TN、TP、COD、NH3-N生态需水量分别是60.72 m3/s(19.15m3)、39.98m3/s(12.61m3)、28.30m3/s(8.92m3)、37.95 m3/s(11.97m3)。运用7Q10法近10年最枯月流量和90%保证率最枯月流量计算所得需水量分别为30.23m3/s(9.53 亿 m3)和24.89 m3/s(7.85 亿 m3)。为保生态环境安全，确定完全满足水质要求的生态需水量是60.72m3/s(19.15m3)；防止污染基本生态需水量是30.23m3/s(9.53 亿 m3)。

漓江流域上游；生态需水量；水质评价；研究

河流生态需水量研究是生态水文学领域重要研究课题之一，也是国内外学者重点关注的问题。文章基于漓江流域上游水文水质条件、河流生态系统基本要素、河流生态功能等基础资料，初步计算了漓江流域上游生态需水量，可作为漓江流域上游水资源管理的理论依据。因漓江流域上游水资源时空分布极不均匀，且过去在水资源配置中对生态需水量考虑甚少，致使生态用水长期被生产生活用水挤占。漓江在水文学上的定义起源于猫儿山，流经兴安县、灵川县、临桂县、桂林市区、阳朔县、平乐县城之后与恭城河交汇，流域全长214km，面积约为1.23×104km2。通常情况下所讲的漓江仅仅包括从兴安县流经桂林市区，最后至阳朔间河段，流域全长191km，面积约为0.83×104km2。文章研究的区域为漓江流域上游，只包括从兴安县至桂林水文站这一河段，漓江流域上游干流长度约为105km，流域面积约为0.28×104km2[1]，其经纬度范围为E110°05′～E110°40′，N25°15′～N25°55′。漓江流域上游包括桂林市区，流经桂林市区的河段长约50km，漓江流域上游是桂林市的重要水源地，对桂林社会经济健康快速发展具有重要支撑和保障作用。

1　研究区域水污染现状

根据桂林市环保局检测资料表明漓江流域上游干流的水质明显比支流好，原因主要为政府环保政策的影响，对干流保护力度大于支流。漓江流域上游是有名的风景区，旅游作为桂林支柱产业之一，对水质要求较高，曾有水质恶化而影响旅游收入的情况出现，使政府加大力度保护漓江干流水环境生态系统。虽然漓江流域上游水质有一定程度好转，但还有不尽如人意的地方，对城市污水和污染物的处理力度不够，许多污水并没有净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处理厂的能力低于排污水平，污水管道的配置并不合理和全面，污水处理的情况也不乐观，而在上游的乡镇并没有污水处理厂所以大部份生活污水都直接排入河里[2]。

理论上讲不同时期干流的水质情况应该是丰水期>平水期>枯水期，主要原因是枯水期水量小，其自身的净化处理能力相对较低，而丰水期由于水量大，可稀释的污染物也较多。即使流域水资源较为丰富，但研究区域降雨量年内分布极不均匀，导致枯水期相当漫长，所以在这时期干流污染情况较为严重。漓江流域上游曾出现丰水期水质与平水期和枯水期相比反而较差的情况，原因主要是径流量迅速增加，把沿河的污染物带入河流，流域周边农业发展中所用的农药和化肥造成了面源污染，市区和郊区的养殖业、水产业也造成了一定的有机污染，所以在丰水期，水量增大，污染反而较为严重[3]。

2　水质评价

桂林市环保局1994—2003年这10 a监测数据表明漓江流域上游主要污染物种类随着时间会发生变化。98年以前的主要污染物为：石油类等；98年以后主要的污染物为：氨氮等。这说明计算不同时期稀释污染物的需水量应当选取的污染物种类应不相同。根据目前的污染情况，本文对漓江流域上游进行污染物研究主要分析TN、TP、NH3-N和COD这四类[4]。对于漓江干流来讲，综合污染指数一般为丰水区时期最小，枯水时期最大，而实测数据也显示漓江流域上游的干流这一对比情况相对比较明显[5]。所以对漓江干流来讲一般是枯水期的水质比较差，因此本文着重对枯水期(9月—次年2月)进行研究。图1～2分别为漓江流域上游最小流量变化情况和最枯月平均径流量变化情况。根据桂林市中小河流水功能区划，漓江流域上游干流的水质目标为Ⅲ类。

图1　漓江流域上游1958—2003年最小流量变化情况

图2　漓江流域上游1958—2003年最枯月平均径流量变化情况

漓江流域上游径流量变化呈上升趋势，图1和图2趋势线也显示漓江最枯月平均径流量和最小流量也处于上升状态。出现这一现象原因并不仅仅受降雨量的影响，还有1个原因是青狮潭水库从1987—2000年开始向漓江流域上游河道补水[6]。枯水期水量的增加会对漓江流域上游水质产生有利的影响，但事实上漓江流域上游的水质却并没有得到根本好转，因此考虑从水质要求方面计算漓江流域上游的生态需水量。漓江上游流经灵川，兴安和市区，因此本文1号监测点位于兴安县的大埠头、2号监测点位于灵川县的灵河大桥、3号取样点位于市区桂林水文站附近的净瓶山大桥。取样时间为2003年9月—次年3月，频率为每月1次，取水点位置如图3。分析水样中TN、TP、NH3-N和COD含量，结果如表1。

图3　取水点位置图

表1　取水点污染物浓度　mg/L

在计算漓江流域上游生态需水量之前，本文先对水样中各污染物浓度进行水质评价，其评价方法有2种，分别为单因子评价与综合指数评价，本文分别采用这2种方法来评价漓江流域上游水质状况[7]。

某种污染物的污染指数Pi与综合污染指数P的计算公式为：

(1)

式中：Pi为单因子评价指数；Ci为第i种污染物的实际测量浓度；C0为水环境功能区对水质要求的限制浓度；P为综合评价指数；n为年份数。

根据公式对污染物进行水质分析，计算其污染物指数得到结果如表2。

表2　各取水点污染物指数

根据《桂林市地表水环境保护功能区划》、综合污染指标评价分级标准(表3)和GB3838—2002中规定的几种污染物等级标准(表4)可以对各取水点水质的各项污染情况进行评价[8]结果如表5。

表3　综合污染指标评价分级(GB3838—2002)

表4　GB3838—2002中规定的几种污染物等级标准　mg/L

表5　各取水点污染物指标评价情况

根据表5可以看出漓江流域上游污染最为严重的是TN，大多地区的大多时候都污染，而其它污染指标在每次取样中都合格，因为TN的超标排放，所以导致12月和2月份在净瓶山大桥检查的综合污染指数是基本合格。这说明市区的污染比源头严重。根据表4规定的几种污染物等级标准可以列出各取水点的污染物等级情况，如表6。

表6　各取水点污染物等级

由表可知COD污染状况最好，TN的排放量过大，漓江流域上游的水质目标Ⅲ类[9]，TN含量超过了其环保要求，在流量不能增大的情况下应该减少对TN的排放。所以稀释污染物的需水量中TN的需水量应该最大，COD则为最小。

以防止河流污染、保障流域生态系统稳定为目的，在承载污染物质河流中，需要一定生态需水量以满足水体对这些污染物稀释净化要求,桂林市水功能区划明确指出漓江流域上游水质要求为III类[10]。稀释污染物需水量是生态需水量的重要组成部分。计算公式为：

(2)

式中：W0为河段污染防治需水量，m3/s;T为换算系数,其值为31.536×106s;WP为河段允许的纳污量，mg/s;q1为排污断面污水量，L/s;cs为目标水质污染物的浓度，mg/L；c0为上断面污染物浓度，mg/L;x1为河段长度，km；k为污染物降解系数，根据实验室模型实验得到为：0.363;u为水流流速，m/s。

根据式(2)可以对漓江流域上游满足这四种污染物要求排放的需水量进行估算。根据污染物现有的排放量计算净瓶山大桥到灵河桥段生态需水量，当流量分别为60.72m3/s、39.98m3/s、28.30m3/s、37.95m3/s时，TN、TP、COD、NH3-N的排放分别可以达到III类水质。对于污染物现有的排放量计算灵河桥到大埠头段生态需水量，当流量分别为51.63m3/s、31.75m3/s、27.17m3/s、30.67m3/s时，TN、TP、COD、NH3-N的排放分别可以达到III类水质。

表7　漓江流域上游稀释污染物的生态需水量

对于漓江流域上游生态需水量，本文认为为了安全因素取两段的最大值，所以稀释TN、TP、COD、NH3-N需水量分别为60.72m3/s、39.98m3/s、28.30m3/s、37.95m3/s。

图4　漓江流域上游稀释污染物需水量与枯水期月平均流量对比

如图4为漓江流域上游生态需水量与枯水期(9月—次年2月)的月平均流量对比[11]。可以发现只有稀释TN的生态需水量大于枯水期的月平均径流量，证明在现有径流状况下漓江流域上游的TN超标，需要在枯水期对漓江流域上游进行补水才能保证漓江流域上游水质满足水功能区划要求，在现有径流情况下可以满足稀释TP、NH3-N、COD的需水量。

3　运用7Q10法计算防止水质污染生态需水量

利用7Q10计算漓江流域上游的基本生态环境需水量，计算防止流域水质污染生态需水量。7Q10法最先在美国被应用，把最枯的连续7 d平均水量作为河流最小流量的设计值。该方法于70年代来到中国[12],主要用于计算污染物有允许排放量，但该标准要求较高,不适宜中国的经济发展水平，所以对该方法进行了修改。在《制定地方水污染物排放标准的技术原则和方法》中有规定,要满足河流防止污染的基本生态需水量，一般情况下采取近10年的最枯月平均径流量或90%保证率最枯月平均径流量。

Wd=Min(Wij)

(3)

式中：Wd为河流防止污染基本生态需水量；Wij为河流近10d最枯月平均径流量或90%保证率最枯月平均径流量。

图5　漓江流域上游1958—2003年最枯月平均径流量变化情况

所以采用1958—2003年90%保证率最枯月平均径流量来计算基本生态需水量Wb=24.89 m3/s；

根据近10 a(1993—2003年)保证率最枯月平均径流量来计算基本生态需水量Wb=30.23 m3/s。

漓江流域上游的防止污染的需水量用90%最枯月平均径流量和用近10a最枯月平均径流量计算的结果分别为24.89 m3/s和30.23 m3/s。

图6　漓江流域上游稀释四种污染物的生态需水量与7Q10法计算生态需水量对比

5　结　论

计算所得结果为净瓶山大桥到灵河桥这一段满足TN、TP、COD、NH3-N要求的生态需水量分别为60.72 m3/s、39.98 m3/s、28.30 m3/s、37.95 m3/s；灵河桥到大埠头段满足TN、TP、COD、NH3-N要求的生态需水量分别为51.63 m3/s、31.75 m3/s、27.17 m3/s、30.67 m3/s。采用10a最估流量进行计算的结果24.89 m3/s比90%最估月的结果30.23 m3/s偏大，其原因是1993—2003年期间枯水期对漓江采取了补水措施，使其枯水期流量增加，如青狮潭水库对漓江补水工程就是从1986—2000年开始的。所以采用的近10a最估月流量要比90%保证率最估月流量大。稀释NH3-N生态需水量远大于7Q10法的计算结果，而其它3种污染物的需水量与7Q10法(近10a)相近，说明漓江流域上游TN排放超标，应该采取措施减少TN的排放。

本文认为完全满足水质要求在桂林市附近的需水量应该达到60 .72 m3/s，漓江流域上游上半段的需水量应该达到51.63 m3/s。建议漓江流域上游减少TN的排放或向漓江补水这样才可以满足水质的要求。防止河流污染的基本生态需水量为30.23 m3/s。

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1007-7596(2016)06-0020-05

2016-04-12

徐宁涛(1987-)，男，辽宁朝阳人，助理工程师；黄丹(1987-)，女，四川乐山人，助理工程师。

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