基于小波分析郁江、浔江（贵港段）水质特征研究
2023-04-29许艺馨全家庆吴成李双双
许艺馨 全家庆 吴成 李双双
关键词：水质；db小波；Morlet小波；连续小波变换（CWT）
中图分类号：X52 文献标志码：A
前言
贵港市境内所有河流均属于珠江流域西江水系，主要河流为西江一级支流郁江以及西江干流黔江段、浔江段。郁江、浔江作为广西省主要的粮食生产和水产养殖基地，长期保持分散式的传统农业生产方式，大量施用化肥农药和投放各类饵料，来自农业生产活动的富余氮、磷营养物和农药残留物等面源污染物将成为贵港地区水生态环境长期存在且难以得到有效治理的主要威胁。现阶段中国华南西江水系污染物变化趋势和成因的研究相对较少，以贵港市郁江、浔江为例对华南地区地表水时空分布及成因进行研究，拟采用小波分析法，针对污染变化尺度和突变周期进行分析。探究CODcr（化学需氧量）、BOD5（五日生化需氧量）、CODMn（高锰酸盐指数）、DO（溶解氧）、NH3-N（氨氮）、TP（总磷）之间的协同作用，并尝试对污染物进行溯源，为地表水水质的预测与评价提供新的思路和方法，以期为相关部门开展水污染防治工作和控制污染物排放提供决策支持。
1数据来源
郁江、浔江国控监测站点为3个，分别为火电厂（港北区）、石嘴（桂平市）、武林渡口（平南县），地理分布如图1所示。2014年-2021年国控监测站采测分离数据（月浓度）来源于贵港市环境监测中心、贵港市生态环境局城区监测站。2019年-2021年国控监测站自动监测数据（日浓度）来源于贵港市地表水管理平台（贵港市生态环境局）。水质按照《地表水环境质量标准》（GB 3838-2002）标准或对应的标准限值进行判定，评价方法按《地表水环境质量评价方法（试行）》（环办[2011]22号）进行。
2结果与分析
2.1 db小波分析水质污染物时空分布的结果
2.1.1 db小波高频分量D3研究水质污染物时间分布特征
基于地表水污染物本身的物理化学特征，根据水质指标日浓度时间变化趋势的一致性和差异性，并结合污染源企业的地理位置和排放特点、农业生产活动规律等因素，分析污染物的空间分布特征，尝试对污染物进行溯源。
图2（a）为火电厂国控监测站2019年-2021年CODMn、DO、NH3-N、TP、TN时间序列高频分量（D3）重构图。火电厂监测站隶属于郁江，地理位置在贵港市北环路以外港北区武乐镇，周边较多工业厂区，大型的市控污水排放源为粤桂产业园，拥有制糖厂、热电厂、纸厂、制浆厂，火电厂站点CODMn、TP、TN时间变化趋势较为接近，大体呈现出三个明显的周期，对应着6-7月、10-11月浓度出现高值，周围农作物种植为一年两熟制，浓度高值对应着农作物生长高峰期，表明污染源多为农田化肥，其中TP在2019年6-8月浓度出现三年来峰值。DO全年波动较大，无明显周期。NH3-N变化不明显，含量较低，在2021年10月出现较明显的波动，表面地表水中N元素的存在多以有机氮或硝态氮存在，在水中溶解氧充足时，NH3-N易被硝化菌氧化成硝酸盐。
石嘴国控监测站隶属于浔江，位于桂平市石咀镇，周边为农田，2019年的市控污水污染源广西金源生物化工实业有限公司、桂平市长安工业区污水处理厂在距离石嘴监测站约十几公里的浔江上游。石嘴站点（图略）2020年6-7月CODMn、TP、TN有波动同频的浓度高值，2021年以后逐渐降低并趋于稳定，这得益于政府部门对广西金源生物化工实业有限公司、桂平市长安工业区污水处理厂的严格监管，污水稳定达标排放。NH3-N波动不明显，在2021年5月、10月出现较明显的波动，此时DO充足，可能来源于有机氮肥的分解造成NH3-N增多。
武林渡口国控监测站隶属于浔江，位于平南武林镇，周边均为农田。上游约18公里有市控污水排放源平南县科达水务有限公司，武林渡口站点（图略）2019年6-7月CODMn、TP、TN含量相对较高，波动明显，同升同降，说明污染物来源一致，预计受上游污水排放源和春季农作物施肥影响。2020年以来CODMn、TP、TN含量呈现逐年降低的趋势，2021年基本没有明显的波动，水质改善明显，得益于政府加大力度对企业废水监测与治理的规范化。（见图2）
2.1.2 db小波低频分量A研究水质污染物空间分布特征
图3为db5小波分解CODMn的低频分量重构图，CODMn浓度具有明显的区域分布特征和季节性，三个监控站中CODMn浓度高值均出现夏季6-8月份，但只有火电厂站点的CODMn日浓度低于地表水环境质量Ⅲ类标准（6mg/L）。其中，石嘴、武林渡口站点的全年波动幅度较大，其中石嘴的CODMn浓度超标次数比武林渡口要多。但2021年起三个站点均出现了明显的下降趋势，说明贵港对水环境重点监管工作取得较好的成效。
2019年-2021年DO指标整体表现为武林渡口优于石嘴，火电厂最差（图略）。总体规律为夏季7-8月出现低值，夏季高温会引起水体中溶解氧降低，此外，水生动物和其他微生物在高温时的耗氧量也增大，导致水质变差。
NH3-N也存在着明显的空间差异性（图略），空间分布表现为武林渡口超标次数最多（7天），浓度值最高（10.5 mg/L），其次为石嘴（4天，3.71 mg/L），火电厂的NH3-N浓度均达标。时间变化规律为武林渡口的浓度高值多出现在夏季（6、7月）和秋季（9-11月），石嘴的浓度高值发生在春季4月。武林渡口和石嘴水质指标NH3-N在2020年-2021年表现较差。
TP的浓度空间差异性不明显（图略），石嘴和武林渡口超标3天，火电厂超标1天。时间规律表现为夏季波动较明显，偶有在冬季发生超标。TN发生超标的季节在夏季（6-7月）居多，偶有秋季（10 -11月），这和TP的时间分布相似，说明TN、TP污染物可能均为农田化肥。但是TN比TP超标程度严重得多，火电厂、武林渡口全年单因子超标，但不做评价。
2.2 Morlet小波分析水质污染物的结果
利用Morlet小波分析对2019年-2021年国控监测站自动监测数据CODMn、DO、NH3-N、TP、TN共5个水质指标日浓度序列，深入探讨贵港市地表水污染物的变化特征。
贵港市CODMn、DO、NH3-N、TP、TN日均浓度的年际尺度变化、突变点分布及相位结构可通过小波二维等值线图、小波方差图呈现（如图4所示），浓度的大小通过小波系数来体现，小波系数越大意味着浓度值越大。图4（a） Molet小波分析的2019年-2021年CODMn日均浓度数据年际变化趋势与db小波较为吻合，在每年丰水期（4-9月）出现一年的CODMn含量最高值，图4（b）CODMn小波方差图的主周期为340d，次周期为150 d、100 d；DO日均浓度数据年际变化趋势在每年枯水期（10月一次年3月）出现一年的DO含量最高值，表明水质较好。DO小波方差图的主周期为260 d，次周期为140 d；NH3-N日均浓度数据年际变化高值在2019年-2020年冬、春季（1-6月）、2021年的夏、秋季（7-10月），并且到了2021年水质NH3 -N浓度有降低迹象，NH3-N小波方差图的主周期为340 d，次周期为140 d、50天；TP、TN日均浓度数据年际变化与NH3-N相似，并且到了2021年水质浓度都有降低趋势，TP小波方差图的主周期为340 d，TN小波方差图的主周期为340 d，次周期140 d。原因是丰水期作物季节性生长，频繁使用化肥、农药，继而大部分未吸收的化肥、农药通过雨水冲刷作用通过径流排人江河水体，特别是NH3-N、TP、TN小波系数图和方差图相似（图略），表明污染源同源。
2.3连续小波变换（CWT）分析水质污染物结果
利用Matlab软件进行连续小波变换（CWT），分析2014年-2021年国控监测站6个指标化学需氧量CODcr、生化需氧量BOD5、高锰酸钾指数CODMn溶解氧DO、氨氮NH3-N、总磷TP月浓度序列（采测分离月数据）的周期特征。分析了贵港地区各站点的连续小波变换结果，火电站的水质指标图5中CODcr存在2个显著的共振周期，分别为1～2个月（2015年、2019、2021年），5～7个月（2015年）以5～7个月（2015年）周期为主；BODs存在2个显著的共振周期，分别为1～4个月（2014-2015年），4～6个月（2015年），以1～4个月（2014-2015年）为主；CODMn存在1个显著的共振周期，为1～4个月（2014-2016年）；DO存在3个显著的共振周期，分别为1～3个月（2015年），2～7个月（2017-2020年），1～2个月（2021年），以2～7个月（2017-2020年）周期为主；NH3-N存在2个显著的共振周期，分别为1～5个月（2016年），8～10个月（2016年），以1～5个月（2016年）周期为主，TP存在2个显著的共振周期，分别为1～2个月（2014-2015年），2～5个月（2016年），2～5个月（2016年）周期为主。（见图5）
石嘴、武林渡口的水质分析略。结合可知，火电厂、石嘴、武林渡口CODcr存在相似的约为1～2个月、5～7个月的共振周期，各站点出现时段均不相同；BOD5、CODMn存在以1～4个月（2014-2017年）周期为主，还会出现4～6个月的次周期，出现时间不一。DO存在相似的约1～3个月的共振周期，分别出现在2015年、2017年、2020年，较长的主周期出现在2017年-2020年；NH3-N以1～5个月周期为主，分别出现在2015年-2017年；TP主周期发生时段在2016年-2017年，次周期为1～2个月，出现时间不定。总体来看，三个国控监测站存在多尺度显著周期波动，且短周期变化为主。
3结束语
利用db小波分析水质污染物时间分布的规律为：CODMn、TP、TN年际变化趋势6-7月、10-11月浓度出现高值，2021年以后逐渐降低并趋于稳定。发生污染时水质污染物空间分布表现为：石嘴的CODMn浓度超标最严重、火电厂DO浓度不达标次数最多、武林渡口NH3-N和TP、TN超标次数最多。采用Morlet小波分析的水质指标日均浓度序列，年际变化趋势与db小波较吻合，CODMn、NH3-N、TP小波方差图的主周期为340 d，并且有相同的次周期140 d，DO小波方差图的主周期为260 d。采用连续小波变换（CWT）分析得出火电厂、石嘴、武林渡口存在多尺度显著周期波动，且短周期变化为主。说明贵港市地表水水质主要受到农业生产周期性活动的富余氮、磷营养物和农药残留物等面源影响。
