臨桂新區環城水系及會仙巖溶濕地水污染時空特征

邢夢龍,李海翔,姜 磊,凃 月,曾鴻鵠,王敦球

(桂林理工大學 a.環境科學與工程學院;b.廣西環境污染控制理論與技術重點實驗室,廣西 桂林 541006)

0 引 言

作為國家歷史文化名城和國家重點風景游覽城市,“山水甲天下”的桂林市在國內外享有較高的知名度，但是桂林在世界旅游城生態建設中存在的主要問題是水環境保護及其生態功能恢復,具體表現在三方面:第一,桂林世界旅游城服務核心區(臨桂新區)的環城水系上游(如蘭塘河、 沙塘河、 蔡塘河、 太平河等)水質逐漸惡化、水生態功能嚴重受損,對服務核心區景觀生態構建產生不利,從而影響服務核心區在桂林世界旅游城核心功能作用的發揮;第二,環城水系下游的會仙巖溶濕地(簡稱會仙濕地)生態旅游區水生態功能退化嚴重，多年來,人類的生活和生產活動已經使會仙濕地面積逐漸萎縮、消失和退化,并引發了嚴重的生態問題,保護和恢復濕地已成為生態建設的重點內容;第三,環城水系內工業園區行業廢水排放及城區生活源排水對上游河段及下游會仙濕地的水污染問題。

目前關于臨桂新區的水環境調查研究缺乏深入分析。湯曼琳等[1]指出臨桂新區規劃區內地表水為Ⅴ類水,主要受上游污染源、區域農業面源的影響，以及生活污水亂排亂放造成。該結論可以為本文污染源解析提供參考。睦洞湖屬于會仙濕地核心區,秦云紅[2]對睦洞湖的七星碼頭至古桂柳運河下游布點采樣,監測其水位、水溫、pH、DO、CODCr、氨氮、TP、TN、CODMn、葉綠素a(chla),分析得出污染源主要是七星碼頭周邊居民生活污水、生活垃圾、畜禽養殖糞便及其他廢棄物,且七星碼頭斷面的水質等級為Ⅴ類,即最差水質。林鵬等[3]對會仙濕地下游良豐河的水質進行監測，并用單因子水質標識指數評價法處理數據,得出其TN污染最為嚴重。文云峰[4]對睦洞湖布點1個,監測指標為TP、TN、CODMn、葉綠素a(chla)、 透明度(SD),得出睦洞湖綜合營養指數為58.02,屬于輕度富營養,結合實地調查得出睦洞湖主要受生活污染源的影響。以上研究均表明臨桂新區環城水系與會仙濕地水體受人為干擾因素影響較大,但是均未對水體主要污染因子及不同季節水體的差異作進一步分析。

本研究使用衛星地圖軟件Google Earth，并結合實地調查,對臨桂新區環城水系和會仙濕地進行等間距布點,水質監測項目包括總DO、pH、TN、氨氮、CODCr、TP和濁度等水質常規指標,采用單因子評價法對研究區域的水質進行評價,并結合地形分析各指標的空間分布特征。用主成分分析法[5]對研究區域的水質主要污染因子和污染源進行識別和解析,探索水環境存在的問題和解決的對策,以期為臨桂新區環城水系的水污染治理與會仙濕地的恢復重建提供建議。

1 研究區域與研究方法

1.1 研究區域概況

桂林市臨桂區地處低緯度地區, 屬于中亞熱帶季風氣候。 每年2—11月, 均有暴雨出現, 一般在4—7月較多, 以6月頻率最大, 占全年的28.7%。 2010年,全鎮人口97 042人,其中非農業人口41 595人。耕地總面積44.57 km2,其中水田42.00 km2。青獅潭水庫西干渠自北向南縱貫境內,水利條件優越。臨桂新區環城水系(簡稱環城水系)所包含的沙塘河、蔡塘河、 蘭塘河以及中心環形的水域面積分別為0.17、 0.39、 0.21和0.94 km2, 最小水深均為1 m, 長度分別為2.17、 1.6、 3.02和6.8 km, 水面平均寬度分別為60、 60、 80和90 m。

會仙濕地位于桂林市城區西南部(圖1),是我國目前已知中低緯、低海拔巖溶地區規模最大的天然濕地,也是我國乃至世界上熱帶、亞熱帶巖溶峰林地貌中最具研究價值的典型濕地。會仙濕地主要地表河流有良豐江、相思江,分屬桂江、柳江水系[6]。此外,還有溝通良豐江、相思江，穿越會仙巖溶濕地的古桂柳運河、青獅潭水庫的西干渠和分布于濕地內眾多規模不一的人工引、排水溝渠。自1969年以來,由于人為活動的干擾,自然濕地(湖泊、 沼澤)面積已經從超過30 km2減少到目前不足13 km2,濕地的地表水蓄積能力減弱,水域面積的季節性變化明顯,枯水季節湖泊水域面積已萎縮到不足4 km2[7-9]。

1.2 樣品采集與測定

使用Google Earth Pro和GPS工具箱對研究區域進行布點、 采樣路線規劃, 于2017年7月和10月, 對臨桂新區環城水系區域(涉及水體為蘭塘河、 蔡塘河、 沙塘河和西干渠)布置的30個斷面(圖2)、 會仙濕地(涉及水體主要有睦洞湖、 睦洞河、 古桂柳運河、 會仙河、 太平河)的41個點(圖3)采集地表水水樣。 環城水系的布點: 蔡塘河與蘭塘河中間左右兩河道各布1點(9和29號); 蔡塘河布點見圖2中10～16、 26～28號點, 其中16號點為其上游, 14號點為匯入蔡塘河的鴨禽養殖場污水渠, 13號點為該養殖場污水渠匯入蔡塘河后布點;蘭塘河布點見圖2中4～8號點， 其中8號點位于其上游, 蔡塘河與蘭塘河中間左右兩河道匯合前的上下游布置4點(4～7號點); 西干渠布點見圖2中2、17、 18、 20～22、 24號點, 其中在魯山工業園區污水渠匯入西干渠前21號點、 匯合后為19和20號點, 2號點為橫跨蘭塘河的溝渠水, 并未匯入蘭塘河; 沙塘河布點為3、19、 23、 25～27、 30, 其中19號點既是西干渠左支流, 也可以看作沙塘河上游。 西干渠左支流的水作為整個環城水系的主要補水來源; 蘭塘河、 沙塘河、 蔡塘河、 西干渠匯合后下游300 m處布置1號點, 該點為整個環城水系的下游, 匯合了各河道的污水。

會仙濕地的布點見圖3:古桂柳運河布點為1～7、26、27,其中2～4號點位于雁山工業園區附近,該處有養殖場與工業污水排入;5～8號點位于分水塘附近水域,河流方向自分水塘后分東西兩個方向,向左(6號點)流經睦洞河,向右(8號點)流入良豐河;清水河布點為19和20號點;睦洞河布點為9～14號點,其中9和10號點為睦洞河上游,流經睦洞湖后,其下游為11～14;會仙河布點為23～25號點,豐水期,會仙河水會部分溢流入睦洞湖;睦洞湖布點為28～41號點,該水域為目前會仙濕地公園主要旅游景點區域,其中28號點為七星碼頭。

使用專業采樣器采集水樣, 并按《水質采樣樣品的保存和管理技術規定》(HJ 493—2009)固定和保存水樣。 使用便攜式pH計與DO溶解氧儀現場監測pH、 DO， 其他指標在實驗室內完成。 氨氮用納氏試劑分光光度法(HJ 535—2009)測定； TP用鉬酸銨分光光度法(GB 11893—89)測定； 濁度和CODCr使用連華多參數水質測定儀測定； TN用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法(HJ 636—2012)測定。

圖1 研究區域水系圖Fig.1 Water system diagram of the study area

1.3 分析方法

用ArcGIS 10.4制作采樣布點圖。根據《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)使用單因子評價方法[10]對樣品進行水質分類評價。 在軟件SPSS 22.0中進行以下數據處理:Shapiro-Wilk(W檢驗)功能進行數據正態性檢驗; 獨立樣本T檢驗判斷兩總體均值是否存在顯著差異; 采用Spearman相關系數分析各指標之間的相關關系;主成分分析法[11-13]采用Kaiser-Meyer-Olkin(KMO)和Bartlett球形檢驗法[5]驗證數據主成分因子分析的適用性。

2 結果與討論

2.1 水質指標含量

環城水系各監測指標均波動較大(表1),屬于標準《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)Ⅰ—Ⅴ類基本都有, 尤其以氮磷污染較重。 環城水系豐水期和枯水期的DO均值5.85 mg/L，屬于Ⅲ類水質, pH均值8.05，屬于弱堿性, 符合標準要求的pH值(6～9),其偏堿性是受桂林市處于巖溶地區的影響。TN均值3.13 mg/L,超出Ⅴ類水質標準0.56倍,氨氮均值2.52 mg/L,超過Ⅴ類標準0.26倍。TP均值0.36 mg/L,屬Ⅴ類水質。結果表明環城水系氮磷污染嚴重。

圖2 臨桂新區環城水系采樣點Fig.2 Water sampling sites in the round-the-city water system of Lingui

會仙濕地水體也是氮磷超標, 各指標波動范圍也較大。 同環城水系類似, 會仙濕地Ⅰ—劣Ⅴ類水質均存在， 豐水期和枯水期的TN均值為2.87 mg/L, 超出Ⅴ類標準0.43倍, TP按照湖泊的Ⅴ類標準計算， 超出0.3倍。 天然水體是否處于富營養化狀態的氮磷濃度臨界值為: TP 0.02 mg/L, TN 0.2 mg/L, 一旦超過這一標準則認為水體處于富營養化狀態[15]。環城水系、會仙濕地的水體都顯示富營養化,而水葫蘆泛濫成災也印證了這個結論。

采用單因子評價法對每個樣品進行評價,判斷水質為Ⅴ類和劣Ⅴ類的水樣指標統計見表2。可以看出,環城水系為Ⅴ類和劣Ⅴ類的原因主要是TN和氨氮超標, 其次是TP。 而會仙濕地不同于環城水系,主要是TP超標使得水質為Ⅴ類和劣Ⅴ類。國家標準(GB 3838—2002)對湖泊TP的Ⅴ類的水質要求是0.1～0.2 mg/L,河流是0.3～0.4 mg/L,從水質評價標準來看,這是導致直接判別為Ⅴ類和劣Ⅴ類且成為主導因素的重要原因。

總體上,環城水系與會仙濕地的水環境污染相當嚴重,按照單因子評價法,Ⅴ類和劣Ⅴ類水質樣品居多。

豐水期，環城水系的TN(3.34 mg/L)、 CODCr(15.67 mg/L)和濁度(42.47 NTU)顯著(p<0.05)高于會仙水體(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)，表明豐水期環城水系比會仙濕地污染更嚴重。枯水期，環城水系的TP(0.33 mg/L)顯著(p<0.05)高于會仙濕地(0.28 mg/L), 氨氮(2.57 mg/L)和濁度(64.00 NTU)的平均值高于后者(1.05 mg/L、19.48 NTU),表明降雨對環城水系與會仙濕地的水質影響差異較大,但無論是豐水期還是枯水期,環城水系的水污染都重于會仙濕地,表明環城水系受人為干擾因素影響相對更大。

圖3 會仙濕地采樣點布圖Fig.3 Distribution of water sampling sites in Huixian wetland

Table 1 Monitoring data of the samples mg/L

表2 單個指標中判別為Ⅴ類和劣Ⅴ類水質的樣品所占比例

不同季節同一水體的比較。豐水期環城水系的TN(3.34 mg/L)和TP(0.39 mg/L)含量顯著(p<0.05)高于枯水期(2.91、0.33 mg/L),表明豐水期的環城水系水污染物濃度高于其枯水期,可能是因為降雨帶來的徑流污染物濃度較高。然而相反的是豐水期會仙濕地水體TN(2.00 mg/L)、 氨氮(0.74 mg/L)、 CODCr(14.04 mg/L)和TP(0.24 mg/L)都顯著(p<0.05)低于枯水期(3.73、 1.05、 17.46、 0.28 mg/L)。可能是因為會仙濕地豐水期匯集了更多的水體稀釋了污染物。

從以上對不同水體和不同季節的指標含量比較可得,因降雨徑流污染和人為因素干擾,環城水系水體水質豐水期和枯水期污染都重于會仙濕地,環城水系豐水期的水污染重于其枯水期,然而會仙濕地豐水期的水污染輕于其枯水期。

2.2 水質指標時空分布特征

2.2.1 DO 豐水期環城水系DO波動較大(0.5～11.8 mg/L、劣Ⅴ類—Ⅰ類), 均值5.1 mg/L(Ⅲ類), 中位值5.4 mg/L(Ⅲ類)。 在明顯渾濁水質、 排污處DO值均顯著較低。 魯山工業園西干渠支流21號點處DO值最低(0.5 mg/L, 劣Ⅴ類), 同時是pH最低(6.86)、 CODCr最大處(54.65 mg/L、 劣Ⅴ類)。因為此處接收了沙塘村大量的生活污水、農業面源污染、養殖廢水以及工業污水。豐水期會仙濕地工業園區附近古桂柳運河DO集中在小于2 mg/L,屬劣Ⅴ類水質。睦洞湖西北部睦洞河DO在2～3 mg/L(Ⅴ類)。

枯水期，環城水系與會仙濕地的DO均值均高于豐水期,可能與6月多雨稀釋了水中好氧化合物的濃度,而枯水期又高溫少雨有關。環城水系枯水期DO主要集中于Ⅰ、Ⅱ類(≥6 mg/L), 均值由豐水期的Ⅳ類(5.1 mg/L)變為Ⅱ類(6.6 mg/L),但是在污染排放區DO仍相對較低。枯水期會仙濕地DO與豐水期相同的是工業園區附近的古桂柳運河，仍屬劣Ⅴ類；睦洞湖荷花塘DO為劣Ⅴ類；會仙河DO還是集中為Ⅳ類；睦洞湖七星碼頭25號點和龍山腳下DO值仍然較高。不同的是睦洞湖DO值屬I類的布點數量較豐水期多。

2.2.2 TN 根據TN判別環城水系水質為劣Ⅴ類的占絕大多數,表明氮營養鹽污染嚴重。豐水期蔡塘河TN從上游12.14 mg/L降至2.36 mg/L(28號點),該河段樣品均為劣Ⅴ類水質；蘭塘河上游鴨禽魚塘養殖、挖掘圍堵河道、沿岸生活污水排放等使得蘭塘河水質樣品均為劣Ⅴ類；沙塘河樣品也均為劣Ⅴ類，表明環城水系TN污染極其嚴重。相比豐水期,枯水期TN劣Ⅴ類水質樣品數量稍有減少,可能是因為豐水期的多雨天氣帶來的徑流及面源污染較多。

會仙濕地分布在睦洞湖中心水域的TN含量以Ⅱ類為主,在碼頭、魚塘附近TN含量以Ⅴ類為主，表明人為活動和水體流速對濕地的影響較大,使得睦洞湖岸邊污染重于湖中心。

2.2.3 氨氮 環城水系蔡塘河—中間河道(29號點)—蘭塘河河段,氨氮豐水期與枯水期變化趨勢類似,都從蔡塘河上游劣Ⅴ類降至下游Ⅴ類,表明氨氮污染物濃度沿河流方向下降；而西干渠—沙塘河—蔡塘河河段,氨氮豐水期與枯水期變化趨勢均為上升趨勢(Ⅰ—劣Ⅴ類),變化幅度較大,表明氨氮污染輸入沿河流方向逐漸累積增加。

會仙濕地水體,豐水期、枯水期氨氮均以Ⅱ類為主,尤其是睦洞湖。會仙河豐水期氨氮主要為Ⅲ類,枯水期主要為Ⅱ類,表明會仙河枯水期氨氮負荷小于豐水期。會仙工業園區處古桂柳運河，氨氮枯水期較豐水期高,主要為劣Ⅴ類。這可能是高溫少雨、水位淺,致使污染物不容易被分解和稀釋進而使得氨氮濃度較高。

2.2.4 CODCr環城水系豐水期與枯水期CODCr主要以Ⅰ類為主,但豐水期CODCr值較高的樣點比較多,蔡塘河上游鐵爐村16號點為Ⅳ類(28.08 mg/L)、 陸家村15號點Ⅴ類(34.66、 30.86 mg/L), 魯山工業園西干渠支渠的支流21號點為劣Ⅴ類(54.65 mg/L)；枯水期鐵爐村16號點為31.88 mg/L,較豐水期有所下降。結果表明在這些區域水質有機物污染較重。

會仙濕地豐水期CODCr睦洞湖主要集中在Ⅰ、Ⅲ類,古桂柳運河、會仙河主要為Ⅰ類,睦洞湖西北部睦洞河主要為Ⅲ類;枯水期主要為Ⅰ類,而在雁山工業園處的古桂柳運河以Ⅲ類為主,表明在魚塘養殖場和工業園區附近的水體有機物含量較高,類似于環城水系。

2.2.5 TP 環城水系蔡塘河上游—中間河道—蘭塘河下游,豐水期與枯水期TP濃度總體都呈下降趨勢：在蔡塘河上游都為劣Ⅴ類；鐵爐村枯水期(2.17 mg/L)比Ⅴ類標準上限(0.4 mg/L)高442.5%, 豐水期(1.65 mg/L)比其高312.5%； 魯山工業園西干渠支流TP豐水期與枯水期均為劣Ⅴ類(0.91、0.47 mg/L)，表明養殖場和工業污水對環城水系影響較大。

《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)對河流與湖庫的TP含量分類等級不同,對湖泊的TP含量要求較嚴格：會仙濕地豐水期TP含量所屬水質類別在睦洞湖水域主要以Ⅴ類為主；在睦洞湖西部的睦洞河和會仙河,以及東部的會仙工業園區處的古桂柳運河段均以劣Ⅴ類為主；會仙濕地枯水期同樣在睦洞湖水域以Ⅴ類為主,其西北部睦洞河上游以Ⅴ類為主,下游卻為劣Ⅴ類,這與沿岸的魚塘養殖場排污廢水有關；會仙工業園區處的古桂柳運河段水質同樣是劣Ⅴ類。

2.3 污染源解析

首先應用Kaiser-Meyer-Olkin(KMO)和Bartlett球形方法對地表水體監測數據進行相關矩陣檢驗。環城水系豐水期和枯水期,會仙濕地豐水期和枯水期計算的KMO值分別為0.532、0.594和0.583(去除指標DO)、0.590。Bartlett的顯著性分別為0.00、0.00和0.002、0.00,滿足p<0.05置信區間,檢驗結果表明主成分分析是有效的。根據特征因子大于1的原則,對環城水系豐水期和枯水期、會仙濕地豐水期和枯水期分別提取3、3個因子和3、2個因子,累計貢獻率分別為83.56%、90.61%和71.74%、71.68%(表3)。

環城水系豐水期期間,F1的貢獻率為44.85%,表征因子為DO、TN、氨氮和TP,除DO外都顯示正相關,且由表4可知,TN、氨氮和TP之間有顯著相關性,表明F1代表城市生活污水和好氧有機物污染。F2的貢獻率為20.47%,表征因子為DO與pH,其Spearman相關系數達到0.858(表4),表示好氧性有機物對水體酸堿度的影響。F3的貢獻率為18.24%,表征因子為濁度,表示工業廢水與生活污水對水質渾濁度的干擾。

環城水系枯水期,F1的貢獻率為42.70%,表征因子為TN、氨氮和TP,與環城水系豐水期相比,相同的是F1中都有TN、氨氮和TP,不同的是枯水期DO與濁度在F1中的負荷都減少。可能是由于豐水期多雨，且6月底的持續大暴雨帶來的地表徑流攜帶大量的懸浮物進入水體,以及降雨對水體底泥的擾動相關。F2的貢獻率為28.54%,表征因子DO與pH呈正相關,與豐水期環城水系F2表征因子基本一致。不同的是枯水期DO與pH的Spearman相關系數(0.414)明顯低于豐水期(0.858)(表4),可能是因為枯水期的高溫少雨河水淺,水體表層溫度較高,且工業廢水和生活污水在水體中的濃度發生變化,進而對DO與pH的干擾不同。F3的貢獻率為19.37%,表征因子為濁度,同環城水系豐水期一致,而濁度與TP、pH正相關且相關性顯著,可能是由于水體中泥沙懸浮物吸附TP,使得TP與濁度正相關。

表3 水質指標主成分分析結果

會仙濕地豐水期,F1的貢獻率34.48%,表征因子為氨氮和TP,代表營養物質污染,主要來自養殖場的污廢水排放;F2的貢獻率為19.16%,表征因子為pH;F3的貢獻率為18.10%,表征因子為濁度,可能是降雨帶來的徑流懸浮物所致。

會仙濕地枯水期,F1的貢獻率為40.15%,表征因子為氨氮和TP,與會仙濕地豐水期的F1基本一致,氨氮和TP的相關系數(0.670)也與豐水期相差不大(0.664)(表4),表明降雨使得豐水期的氨氮和TP污染負荷小于枯水期高溫少雨的情況,而氨氮和TP的來源主要是遍布會仙濕地的養殖場污廢水和工業污水的排放。F2的貢獻率為31.52%,表征因子為濁度,相比會仙濕地的豐水期F3中濁度的污染負荷(18.10%)明顯增大,且濁度與氨氮、TP正相關且相關性顯著,表明枯水期高溫少雨的天氣使得水中污染物濃度較高且渾濁。這種情況與枯水期環城水系濁度污染負荷高于豐水期的情況類似。

綜上,環城水系在不同月份的TN、氨氮和TP的污染負荷均較高,主要受生活污水、工業廢水和養殖場污水的影響。會仙濕地在不同月份的氨氮和TP污染負荷較高,主要是遍布會仙濕地的家禽和魚塘養殖場、生活污水及會仙工業園區的污廢水排放所致。

3 結 論

(1)含量分析表明環城水系和會仙濕地的水體均屬于氮磷富營養化。 環城水系TN均值3.13 mg/L, 超過Ⅴ類水質標準0.56倍; 氨氮均值2.52 mg/L, 超過Ⅴ類標準0.26倍; TP均值0.36 mg/L, 屬Ⅴ類水質。會仙濕地豐水期和枯水期的TN均值為2.87 mg/L,超標Ⅴ類標準0.43倍;TP按照湖泊的Ⅴ類標準計算,超標0.3倍。

(2)單因子評價表明環城水系為Ⅴ類和劣Ⅴ類的原因主要是TN和氨氮超標,其次是TP。而會仙濕地不同于環城水系,主要是TP超標使得水質為Ⅴ類和劣Ⅴ類,主要原因在于水質標準對于湖泊TP的含量限制高于河流。

(3)環城水系的水體水質豐水期和枯水期污染都重于會仙濕地,環城水系豐水期的水污染重于其枯水期,然而會仙濕地豐水期的水污染輕于其枯水期。造成這種現象的原因可能是環城水系排洪防澇工程尚未完工,其城市河道堤岸生態護坡工程為新覆蓋的泥土,經雨水沖刷土壤易隨雨水匯入河道,使得豐水期環城水系水體雖然水量增大,但是因岸邊土壤隨雨水沖刷剝蝕作用使得污染物濃度也相應增加,故使環城水系豐水期污染重于枯水期。且環城水系區域城鎮化程度高于會仙濕地,受人為干擾排入的污染大于會仙濕地,所以其豐枯水期的水質均劣于會仙濕地。

表4 水質指標間的Spearman相關系數

注:**在0.01水平(雙側)上顯著相關,*在0.05水平(雙側)。

會仙濕地地形總體上南北高、 東西較低、 中間低平。 這種地形使得會仙濕地豐水期匯集大量雨水, 如2017年6月連續暴雨造成會仙濕地洪災泛濫，豐水期水量的增加稀釋了其水體的污染物濃度, 故使得會仙濕地豐水期水污染輕于其枯水期。

(4)從各指標的空間分布特征來看,環城水系與會仙濕地在明顯污染排放處水質指標都較高,且睦洞湖岸邊污染普遍重于湖中心。主成分分析法結果表明,環城水系的主要污染指標TN、氨氮及TP污染負荷較大,主來是由于生活污水、養殖場廢水和魯山工業園區的工業污水的亂排匯入導致。會仙濕地的氨氮和TP污染負荷較高主要是來自于家禽魚塘等養殖場的污廢水、村民生活污水和會仙工業園區的工業污水。