临桂新区环城水系及会仙岩溶湿地水污染时空特征

邢梦龙,李海翔,姜 磊,凃 月,曾鸿鹄,王敦球

(桂林理工大学 a.环境科学与工程学院;b.广西环境污染控制理论与技术重点实验室,广西 桂林 541006)

0 引 言

作为国家历史文化名城和国家重点风景游览城市,“山水甲天下”的桂林市在国内外享有较高的知名度，但是桂林在世界旅游城生态建设中存在的主要问题是水环境保护及其生态功能恢复,具体表现在三方面:第一,桂林世界旅游城服务核心区(临桂新区)的环城水系上游(如兰塘河、 沙塘河、 蔡塘河、 太平河等)水质逐渐恶化、水生态功能严重受损,对服务核心区景观生态构建产生不利,从而影响服务核心区在桂林世界旅游城核心功能作用的发挥;第二,环城水系下游的会仙岩溶湿地(简称会仙湿地)生态旅游区水生态功能退化严重，多年来,人类的生活和生产活动已经使会仙湿地面积逐渐萎缩、消失和退化,并引发了严重的生态问题,保护和恢复湿地已成为生态建设的重点内容;第三,环城水系内工业园区行业废水排放及城区生活源排水对上游河段及下游会仙湿地的水污染问题。

目前关于临桂新区的水环境调查研究缺乏深入分析。汤曼琳等[1]指出临桂新区规划区内地表水为Ⅴ类水,主要受上游污染源、区域农业面源的影响，以及生活污水乱排乱放造成。该结论可以为本文污染源解析提供参考。睦洞湖属于会仙湿地核心区,秦云红[2]对睦洞湖的七星码头至古桂柳运河下游布点采样,监测其水位、水温、pH、DO、CODCr、氨氮、TP、TN、CODMn、叶绿素a(chla),分析得出污染源主要是七星码头周边居民生活污水、生活垃圾、畜禽养殖粪便及其他废弃物,且七星码头断面的水质等级为Ⅴ类,即最差水质。林鹏等[3]对会仙湿地下游良丰河的水质进行监测，并用单因子水质标识指数评价法处理数据,得出其TN污染最为严重。文云峰[4]对睦洞湖布点1个,监测指标为TP、TN、CODMn、叶绿素a(chla)、 透明度(SD),得出睦洞湖综合营养指数为58.02,属于轻度富营养,结合实地调查得出睦洞湖主要受生活污染源的影响。以上研究均表明临桂新区环城水系与会仙湿地水体受人为干扰因素影响较大,但是均未对水体主要污染因子及不同季节水体的差异作进一步分析。

本研究使用卫星地图软件Google Earth，并结合实地调查,对临桂新区环城水系和会仙湿地进行等间距布点,水质监测项目包括总DO、pH、TN、氨氮、CODCr、TP和浊度等水质常规指标,采用单因子评价法对研究区域的水质进行评价,并结合地形分析各指标的空间分布特征。用主成分分析法[5]对研究区域的水质主要污染因子和污染源进行识别和解析,探索水环境存在的问题和解决的对策,以期为临桂新区环城水系的水污染治理与会仙湿地的恢复重建提供建议。

1 研究区域与研究方法

1.1 研究区域概况

桂林市临桂区地处低纬度地区, 属于中亚热带季风气候。 每年2—11月, 均有暴雨出现, 一般在4—7月较多, 以6月频率最大, 占全年的28.7%。 2010年,全镇人口97 042人,其中非农业人口41 595人。耕地总面积44.57 km2,其中水田42.00 km2。青狮潭水库西干渠自北向南纵贯境内,水利条件优越。临桂新区环城水系(简称环城水系)所包含的沙塘河、蔡塘河、 兰塘河以及中心环形的水域面积分别为0.17、 0.39、 0.21和0.94 km2, 最小水深均为1 m, 长度分别为2.17、 1.6、 3.02和6.8 km, 水面平均宽度分别为60、 60、 80和90 m。

会仙湿地位于桂林市城区西南部(图1),是我国目前已知中低纬、低海拔岩溶地区规模最大的天然湿地,也是我国乃至世界上热带、亚热带岩溶峰林地貌中最具研究价值的典型湿地。会仙湿地主要地表河流有良丰江、相思江,分属桂江、柳江水系[6]。此外,还有沟通良丰江、相思江，穿越会仙岩溶湿地的古桂柳运河、青狮潭水库的西干渠和分布于湿地内众多规模不一的人工引、排水沟渠。自1969年以来,由于人为活动的干扰,自然湿地(湖泊、 沼泽)面积已经从超过30 km2减少到目前不足13 km2,湿地的地表水蓄积能力减弱,水域面积的季节性变化明显,枯水季节湖泊水域面积已萎缩到不足4 km2[7-9]。

1.2 样品采集与测定

使用Google Earth Pro和GPS工具箱对研究区域进行布点、 采样路线规划, 于2017年7月和10月, 对临桂新区环城水系区域(涉及水体为兰塘河、 蔡塘河、 沙塘河和西干渠)布置的30个断面(图2)、 会仙湿地(涉及水体主要有睦洞湖、 睦洞河、 古桂柳运河、 会仙河、 太平河)的41个点(图3)采集地表水水样。 环城水系的布点: 蔡塘河与兰塘河中间左右两河道各布1点(9和29号); 蔡塘河布点见图2中10～16、 26～28号点, 其中16号点为其上游, 14号点为汇入蔡塘河的鸭禽养殖场污水渠, 13号点为该养殖场污水渠汇入蔡塘河后布点;兰塘河布点见图2中4～8号点， 其中8号点位于其上游, 蔡塘河与兰塘河中间左右两河道汇合前的上下游布置4点(4～7号点); 西干渠布点见图2中2、17、 18、 20～22、 24号点, 其中在鲁山工业园区污水渠汇入西干渠前21号点、 汇合后为19和20号点, 2号点为横跨兰塘河的沟渠水, 并未汇入兰塘河; 沙塘河布点为3、19、 23、 25～27、 30, 其中19号点既是西干渠左支流, 也可以看作沙塘河上游。 西干渠左支流的水作为整个环城水系的主要补水来源; 兰塘河、 沙塘河、 蔡塘河、 西干渠汇合后下游300 m处布置1号点, 该点为整个环城水系的下游, 汇合了各河道的污水。

会仙湿地的布点见图3:古桂柳运河布点为1～7、26、27,其中2～4号点位于雁山工业园区附近,该处有养殖场与工业污水排入;5～8号点位于分水塘附近水域,河流方向自分水塘后分东西两个方向,向左(6号点)流经睦洞河,向右(8号点)流入良丰河;清水河布点为19和20号点;睦洞河布点为9～14号点,其中9和10号点为睦洞河上游,流经睦洞湖后,其下游为11～14;会仙河布点为23～25号点,丰水期,会仙河水会部分溢流入睦洞湖;睦洞湖布点为28～41号点,该水域为目前会仙湿地公园主要旅游景点区域,其中28号点为七星码头。

使用专业采样器采集水样, 并按《水质采样样品的保存和管理技术规定》(HJ 493—2009)固定和保存水样。 使用便携式pH计与DO溶解氧仪现场监测pH、 DO， 其他指标在实验室内完成。 氨氮用纳氏试剂分光光度法(HJ 535—2009)测定； TP用钼酸铵分光光度法(GB 11893—89)测定； 浊度和CODCr使用连华多参数水质测定仪测定； TN用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法(HJ 636—2012)测定。

图1 研究区域水系图Fig.1 Water system diagram of the study area

1.3 分析方法

用ArcGIS 10.4制作采样布点图。根据《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)使用单因子评价方法[10]对样品进行水质分类评价。 在软件SPSS 22.0中进行以下数据处理:Shapiro-Wilk(W检验)功能进行数据正态性检验; 独立样本T检验判断两总体均值是否存在显著差异; 采用Spearman相关系数分析各指标之间的相关关系;主成分分析法[11-13]采用Kaiser-Meyer-Olkin(KMO)和Bartlett球形检验法[5]验证数据主成分因子分析的适用性。

2 结果与讨论

2.1 水质指标含量

环城水系各监测指标均波动较大(表1),属于标准《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)Ⅰ—Ⅴ类基本都有, 尤其以氮磷污染较重。 环城水系丰水期和枯水期的DO均值5.85 mg/L，属于Ⅲ类水质, pH均值8.05，属于弱碱性, 符合标准要求的pH值(6～9),其偏碱性是受桂林市处于岩溶地区的影响。TN均值3.13 mg/L,超出Ⅴ类水质标准0.56倍,氨氮均值2.52 mg/L,超过Ⅴ类标准0.26倍。TP均值0.36 mg/L,属Ⅴ类水质。结果表明环城水系氮磷污染严重。

图2 临桂新区环城水系采样点Fig.2 Water sampling sites in the round-the-city water system of Lingui

会仙湿地水体也是氮磷超标, 各指标波动范围也较大。 同环城水系类似, 会仙湿地Ⅰ—劣Ⅴ类水质均存在， 丰水期和枯水期的TN均值为2.87 mg/L, 超出Ⅴ类标准0.43倍, TP按照湖泊的Ⅴ类标准计算， 超出0.3倍。 天然水体是否处于富营养化状态的氮磷浓度临界值为: TP 0.02 mg/L, TN 0.2 mg/L, 一旦超过这一标准则认为水体处于富营养化状态[15]。环城水系、会仙湿地的水体都显示富营养化,而水葫芦泛滥成灾也印证了这个结论。

采用单因子评价法对每个样品进行评价,判断水质为Ⅴ类和劣Ⅴ类的水样指标统计见表2。可以看出,环城水系为Ⅴ类和劣Ⅴ类的原因主要是TN和氨氮超标, 其次是TP。 而会仙湿地不同于环城水系,主要是TP超标使得水质为Ⅴ类和劣Ⅴ类。国家标准(GB 3838—2002)对湖泊TP的Ⅴ类的水质要求是0.1～0.2 mg/L,河流是0.3～0.4 mg/L,从水质评价标准来看,这是导致直接判别为Ⅴ类和劣Ⅴ类且成为主导因素的重要原因。

总体上,环城水系与会仙湿地的水环境污染相当严重,按照单因子评价法,Ⅴ类和劣Ⅴ类水质样品居多。

丰水期，环城水系的TN(3.34 mg/L)、 CODCr(15.67 mg/L)和浊度(42.47 NTU)显著(p<0.05)高于会仙水体(2.00、14.04、20.70 mg/L), 氨氮(2.47 mg/L)和TP(0.39 mg/L)的平均值高于后者(0.74、 0.24 mg/L)，表明丰水期环城水系比会仙湿地污染更严重。枯水期，环城水系的TP(0.33 mg/L)显著(p<0.05)高于会仙湿地(0.28 mg/L), 氨氮(2.57 mg/L)和浊度(64.00 NTU)的平均值高于后者(1.05 mg/L、19.48 NTU),表明降雨对环城水系与会仙湿地的水质影响差异较大,但无论是丰水期还是枯水期,环城水系的水污染都重于会仙湿地,表明环城水系受人为干扰因素影响相对更大。

图3 会仙湿地采样点布图Fig.3 Distribution of water sampling sites in Huixian wetland

Table 1 Monitoring data of the samples mg/L

表2 单个指标中判别为Ⅴ类和劣Ⅴ类水质的样品所占比例

不同季节同一水体的比较。丰水期环城水系的TN(3.34 mg/L)和TP(0.39 mg/L)含量显著(p<0.05)高于枯水期(2.91、0.33 mg/L),表明丰水期的环城水系水污染物浓度高于其枯水期,可能是因为降雨带来的径流污染物浓度较高。然而相反的是丰水期会仙湿地水体TN(2.00 mg/L)、 氨氮(0.74 mg/L)、 CODCr(14.04 mg/L)和TP(0.24 mg/L)都显著(p<0.05)低于枯水期(3.73、 1.05、 17.46、 0.28 mg/L)。可能是因为会仙湿地丰水期汇集了更多的水体稀释了污染物。

从以上对不同水体和不同季节的指标含量比较可得,因降雨径流污染和人为因素干扰,环城水系水体水质丰水期和枯水期污染都重于会仙湿地,环城水系丰水期的水污染重于其枯水期,然而会仙湿地丰水期的水污染轻于其枯水期。

2.2 水质指标时空分布特征

2.2.1 DO 丰水期环城水系DO波动较大(0.5～11.8 mg/L、劣Ⅴ类—Ⅰ类), 均值5.1 mg/L(Ⅲ类), 中位值5.4 mg/L(Ⅲ类)。 在明显浑浊水质、 排污处DO值均显著较低。 鲁山工业园西干渠支流21号点处DO值最低(0.5 mg/L, 劣Ⅴ类), 同时是pH最低(6.86)、 CODCr最大处(54.65 mg/L、 劣Ⅴ类)。因为此处接收了沙塘村大量的生活污水、农业面源污染、养殖废水以及工业污水。丰水期会仙湿地工业园区附近古桂柳运河DO集中在小于2 mg/L,属劣Ⅴ类水质。睦洞湖西北部睦洞河DO在2～3 mg/L(Ⅴ类)。

枯水期，环城水系与会仙湿地的DO均值均高于丰水期,可能与6月多雨稀释了水中好氧化合物的浓度,而枯水期又高温少雨有关。环城水系枯水期DO主要集中于Ⅰ、Ⅱ类(≥6 mg/L), 均值由丰水期的Ⅳ类(5.1 mg/L)变为Ⅱ类(6.6 mg/L),但是在污染排放区DO仍相对较低。枯水期会仙湿地DO与丰水期相同的是工业园区附近的古桂柳运河，仍属劣Ⅴ类；睦洞湖荷花塘DO为劣Ⅴ类；会仙河DO还是集中为Ⅳ类；睦洞湖七星码头25号点和龙山脚下DO值仍然较高。不同的是睦洞湖DO值属I类的布点数量较丰水期多。

2.2.2 TN 根据TN判别环城水系水质为劣Ⅴ类的占绝大多数,表明氮营养盐污染严重。丰水期蔡塘河TN从上游12.14 mg/L降至2.36 mg/L(28号点),该河段样品均为劣Ⅴ类水质；兰塘河上游鸭禽鱼塘养殖、挖掘围堵河道、沿岸生活污水排放等使得兰塘河水质样品均为劣Ⅴ类；沙塘河样品也均为劣Ⅴ类，表明环城水系TN污染极其严重。相比丰水期,枯水期TN劣Ⅴ类水质样品数量稍有减少,可能是因为丰水期的多雨天气带来的径流及面源污染较多。

会仙湿地分布在睦洞湖中心水域的TN含量以Ⅱ类为主,在码头、鱼塘附近TN含量以Ⅴ类为主，表明人为活动和水体流速对湿地的影响较大,使得睦洞湖岸边污染重于湖中心。

2.2.3 氨氮 环城水系蔡塘河—中间河道(29号点)—兰塘河河段,氨氮丰水期与枯水期变化趋势类似,都从蔡塘河上游劣Ⅴ类降至下游Ⅴ类,表明氨氮污染物浓度沿河流方向下降；而西干渠—沙塘河—蔡塘河河段,氨氮丰水期与枯水期变化趋势均为上升趋势(Ⅰ—劣Ⅴ类),变化幅度较大,表明氨氮污染输入沿河流方向逐渐累积增加。

会仙湿地水体,丰水期、枯水期氨氮均以Ⅱ类为主,尤其是睦洞湖。会仙河丰水期氨氮主要为Ⅲ类,枯水期主要为Ⅱ类,表明会仙河枯水期氨氮负荷小于丰水期。会仙工业园区处古桂柳运河，氨氮枯水期较丰水期高,主要为劣Ⅴ类。这可能是高温少雨、水位浅,致使污染物不容易被分解和稀释进而使得氨氮浓度较高。

2.2.4 CODCr环城水系丰水期与枯水期CODCr主要以Ⅰ类为主,但丰水期CODCr值较高的样点比较多,蔡塘河上游铁炉村16号点为Ⅳ类(28.08 mg/L)、 陆家村15号点Ⅴ类(34.66、 30.86 mg/L), 鲁山工业园西干渠支渠的支流21号点为劣Ⅴ类(54.65 mg/L)；枯水期铁炉村16号点为31.88 mg/L,较丰水期有所下降。结果表明在这些区域水质有机物污染较重。

会仙湿地丰水期CODCr睦洞湖主要集中在Ⅰ、Ⅲ类,古桂柳运河、会仙河主要为Ⅰ类,睦洞湖西北部睦洞河主要为Ⅲ类;枯水期主要为Ⅰ类,而在雁山工业园处的古桂柳运河以Ⅲ类为主,表明在鱼塘养殖场和工业园区附近的水体有机物含量较高,类似于环城水系。

2.2.5 TP 环城水系蔡塘河上游—中间河道—兰塘河下游,丰水期与枯水期TP浓度总体都呈下降趋势：在蔡塘河上游都为劣Ⅴ类；铁炉村枯水期(2.17 mg/L)比Ⅴ类标准上限(0.4 mg/L)高442.5%, 丰水期(1.65 mg/L)比其高312.5%； 鲁山工业园西干渠支流TP丰水期与枯水期均为劣Ⅴ类(0.91、0.47 mg/L)，表明养殖场和工业污水对环城水系影响较大。

《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)对河流与湖库的TP含量分类等级不同,对湖泊的TP含量要求较严格：会仙湿地丰水期TP含量所属水质类别在睦洞湖水域主要以Ⅴ类为主；在睦洞湖西部的睦洞河和会仙河,以及东部的会仙工业园区处的古桂柳运河段均以劣Ⅴ类为主；会仙湿地枯水期同样在睦洞湖水域以Ⅴ类为主,其西北部睦洞河上游以Ⅴ类为主,下游却为劣Ⅴ类,这与沿岸的鱼塘养殖场排污废水有关；会仙工业园区处的古桂柳运河段水质同样是劣Ⅴ类。

2.3 污染源解析

首先应用Kaiser-Meyer-Olkin(KMO)和Bartlett球形方法对地表水体监测数据进行相关矩阵检验。环城水系丰水期和枯水期,会仙湿地丰水期和枯水期计算的KMO值分别为0.532、0.594和0.583(去除指标DO)、0.590。Bartlett的显著性分别为0.00、0.00和0.002、0.00,满足p<0.05置信区间,检验结果表明主成分分析是有效的。根据特征因子大于1的原则,对环城水系丰水期和枯水期、会仙湿地丰水期和枯水期分别提取3、3个因子和3、2个因子,累计贡献率分别为83.56%、90.61%和71.74%、71.68%(表3)。

环城水系丰水期期间,F1的贡献率为44.85%,表征因子为DO、TN、氨氮和TP,除DO外都显示正相关,且由表4可知,TN、氨氮和TP之间有显著相关性,表明F1代表城市生活污水和好氧有机物污染。F2的贡献率为20.47%,表征因子为DO与pH,其Spearman相关系数达到0.858(表4),表示好氧性有机物对水体酸碱度的影响。F3的贡献率为18.24%,表征因子为浊度,表示工业废水与生活污水对水质浑浊度的干扰。

环城水系枯水期,F1的贡献率为42.70%,表征因子为TN、氨氮和TP,与环城水系丰水期相比,相同的是F1中都有TN、氨氮和TP,不同的是枯水期DO与浊度在F1中的负荷都减少。可能是由于丰水期多雨，且6月底的持续大暴雨带来的地表径流携带大量的悬浮物进入水体,以及降雨对水体底泥的扰动相关。F2的贡献率为28.54%,表征因子DO与pH呈正相关,与丰水期环城水系F2表征因子基本一致。不同的是枯水期DO与pH的Spearman相关系数(0.414)明显低于丰水期(0.858)(表4),可能是因为枯水期的高温少雨河水浅,水体表层温度较高,且工业废水和生活污水在水体中的浓度发生变化,进而对DO与pH的干扰不同。F3的贡献率为19.37%,表征因子为浊度,同环城水系丰水期一致,而浊度与TP、pH正相关且相关性显著,可能是由于水体中泥沙悬浮物吸附TP,使得TP与浊度正相关。

表3 水质指标主成分分析结果

会仙湿地丰水期,F1的贡献率34.48%,表征因子为氨氮和TP,代表营养物质污染,主要来自养殖场的污废水排放;F2的贡献率为19.16%,表征因子为pH;F3的贡献率为18.10%,表征因子为浊度,可能是降雨带来的径流悬浮物所致。

会仙湿地枯水期,F1的贡献率为40.15%,表征因子为氨氮和TP,与会仙湿地丰水期的F1基本一致,氨氮和TP的相关系数(0.670)也与丰水期相差不大(0.664)(表4),表明降雨使得丰水期的氨氮和TP污染负荷小于枯水期高温少雨的情况,而氨氮和TP的来源主要是遍布会仙湿地的养殖场污废水和工业污水的排放。F2的贡献率为31.52%,表征因子为浊度,相比会仙湿地的丰水期F3中浊度的污染负荷(18.10%)明显增大,且浊度与氨氮、TP正相关且相关性显著,表明枯水期高温少雨的天气使得水中污染物浓度较高且浑浊。这种情况与枯水期环城水系浊度污染负荷高于丰水期的情况类似。

综上,环城水系在不同月份的TN、氨氮和TP的污染负荷均较高,主要受生活污水、工业废水和养殖场污水的影响。会仙湿地在不同月份的氨氮和TP污染负荷较高,主要是遍布会仙湿地的家禽和鱼塘养殖场、生活污水及会仙工业园区的污废水排放所致。

3 结 论

(1)含量分析表明环城水系和会仙湿地的水体均属于氮磷富营养化。 环城水系TN均值3.13 mg/L, 超过Ⅴ类水质标准0.56倍; 氨氮均值2.52 mg/L, 超过Ⅴ类标准0.26倍; TP均值0.36 mg/L, 属Ⅴ类水质。会仙湿地丰水期和枯水期的TN均值为2.87 mg/L,超标Ⅴ类标准0.43倍;TP按照湖泊的Ⅴ类标准计算,超标0.3倍。

(2)单因子评价表明环城水系为Ⅴ类和劣Ⅴ类的原因主要是TN和氨氮超标,其次是TP。而会仙湿地不同于环城水系,主要是TP超标使得水质为Ⅴ类和劣Ⅴ类,主要原因在于水质标准对于湖泊TP的含量限制高于河流。

(3)环城水系的水体水质丰水期和枯水期污染都重于会仙湿地,环城水系丰水期的水污染重于其枯水期,然而会仙湿地丰水期的水污染轻于其枯水期。造成这种现象的原因可能是环城水系排洪防涝工程尚未完工,其城市河道堤岸生态护坡工程为新覆盖的泥土,经雨水冲刷土壤易随雨水汇入河道,使得丰水期环城水系水体虽然水量增大,但是因岸边土壤随雨水冲刷剥蚀作用使得污染物浓度也相应增加,故使环城水系丰水期污染重于枯水期。且环城水系区域城镇化程度高于会仙湿地,受人为干扰排入的污染大于会仙湿地,所以其丰枯水期的水质均劣于会仙湿地。

表4 水质指标间的Spearman相关系数

注:**在0.01水平(双侧)上显著相关,*在0.05水平(双侧)。

会仙湿地地形总体上南北高、 东西较低、 中间低平。 这种地形使得会仙湿地丰水期汇集大量雨水, 如2017年6月连续暴雨造成会仙湿地洪灾泛滥，丰水期水量的增加稀释了其水体的污染物浓度, 故使得会仙湿地丰水期水污染轻于其枯水期。

(4)从各指标的空间分布特征来看,环城水系与会仙湿地在明显污染排放处水质指标都较高,且睦洞湖岸边污染普遍重于湖中心。主成分分析法结果表明,环城水系的主要污染指标TN、氨氮及TP污染负荷较大,主来是由于生活污水、养殖场废水和鲁山工业园区的工业污水的乱排汇入导致。会仙湿地的氨氮和TP污染负荷较高主要是来自于家禽鱼塘等养殖场的污废水、村民生活污水和会仙工业园区的工业污水。