基于小波分析郁江、潯江（貴港段）水質(zhì)特征研究

許藝馨　全家慶　吳成　李雙雙

關(guān)鍵詞：水質(zhì)；db小波；Morlet小波；連續(xù)小波變換（CWT）

中圖分類號：X52 文獻標志碼：A

前言

貴港市境內(nèi)所有河流均屬于珠江流域西江水系，主要河流為西江一級支流郁江以及西江干流黔江段、潯江段。郁江、潯江作為廣西省主要的糧食生產(chǎn)和水產(chǎn)養(yǎng)殖基地，長期保持分散式的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，大量施用化肥農(nóng)藥和投放各類餌料，來自農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動的富余氮、磷營養(yǎng)物和農(nóng)藥殘留物等面源污染物將成為貴港地區(qū)水生態(tài)環(huán)境長期存在且難以得到有效治理的主要威脅?，F(xiàn)階段中國華南西江水系污染物變化趨勢和成因的研究相對較少，以貴港市郁江、潯江為例對華南地區(qū)地表水時空分布及成因進行研究，擬采用小波分析法，針對污染變化尺度和突變周期進行分析。探究COD_cr（化學需氧量）、BOD₅（五日生化需氧量）、COD_Mn（高錳酸鹽指數(shù)）、DO（溶解氧）、NH₃-N（氨氮）、TP（總磷）之間的協(xié)同作用，并嘗試對污染物進行溯源，為地表水水質(zhì)的預測與評價提供新的思路和方法，以期為相關(guān)部門開展水污染防治工作和控制污染物排放提供決策支持。

1數(shù)據(jù)來源

郁江、潯江國控監(jiān)測站點為3個，分別為火電廠（港北區(qū)）、石嘴（桂平市）、武林渡口（平南縣），地理分布如圖1所示。2014年-2021年國控監(jiān)測站采測分離數(shù)據(jù)（月濃度）來源于貴港市環(huán)境監(jiān)測中心、貴港市生態(tài)環(huán)境局城區(qū)監(jiān)測站。2019年-2021年國控監(jiān)測站自動監(jiān)測數(shù)據(jù)（日濃度）來源于貴港市地表水管理平臺（貴港市生態(tài)環(huán)境局）。水質(zhì)按照《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》（GB 3838-2002）標準或?qū)?yīng)的標準限值進行判定，評價方法按《地表水環(huán)境質(zhì)量評價方法（試行）》（環(huán)辦[2011]22號）進行。

2結(jié)果與分析

2.1 db小波分析水質(zhì)污染物時空分布的結(jié)果

2.1.1 db小波高頻分量D3研究水質(zhì)污染物時間分布特征

基于地表水污染物本身的物理化學特征，根據(jù)水質(zhì)指標日濃度時間變化趨勢的一致性和差異性，并結(jié)合污染源企業(yè)的地理位置和排放特點、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動規(guī)律等因素，分析污染物的空間分布特征，嘗試對污染物進行溯源。

圖2（a）為火電廠國控監(jiān)測站2019年-2021年COD_Mn、DO、NH₃-N、TP、TN時間序列高頻分量（D3）重構(gòu)圖。火電廠監(jiān)測站隸屬于郁江，地理位置在貴港市北環(huán)路以外港北區(qū)武樂鎮(zhèn)，周邊較多工業(yè)廠區(qū)，大型的市控污水排放源為粵桂產(chǎn)業(yè)園，擁有制糖廠、熱電廠、紙廠、制漿廠，火電廠站點COD_Mn、TP、TN時間變化趨勢較為接近，大體呈現(xiàn)出三個明顯的周期，對應(yīng)著6-7月、10-11月濃度出現(xiàn)高值，周圍農(nóng)作物種植為一年兩熟制，濃度高值對應(yīng)著農(nóng)作物生長高峰期，表明污染源多為農(nóng)田化肥，其中TP在2019年6-8月濃度出現(xiàn)三年來峰值。DO全年波動較大，無明顯周期。NH₃-N變化不明顯，含量較低，在2021年10月出現(xiàn)較明顯的波動，表面地表水中N元素的存在多以有機氮或硝態(tài)氮存在，在水中溶解氧充足時，NH₃-N易被硝化菌氧化成硝酸鹽。

石嘴國控監(jiān)測站隸屬于潯江，位于桂平市石咀鎮(zhèn)，周邊為農(nóng)田，2019年的市控污水污染源廣西金源生物化工實業(yè)有限公司、桂平市長安工業(yè)區(qū)污水處理廠在距離石嘴監(jiān)測站約十幾公里的潯江上游。石嘴站點（圖略）2020年6-7月CODMn、TP、TN有波動同頻的濃度高值，2021年以后逐漸降低并趨于穩(wěn)定，這得益于政府部門對廣西金源生物化工實業(yè)有限公司、桂平市長安工業(yè)區(qū)污水處理廠的嚴格監(jiān)管，污水穩(wěn)定達標排放。NH₃-N波動不明顯，在2021年5月、10月出現(xiàn)較明顯的波動，此時DO充足，可能來源于有機氮肥的分解造成NH₃-N增多。

武林渡口國控監(jiān)測站隸屬于潯江，位于平南武林鎮(zhèn)，周邊均為農(nóng)田。上游約18公里有市控污水排放源平南縣科達水務(wù)有限公司，武林渡口站點（圖略）2019年6-7月COD_Mn、TP、TN含量相對較高，波動明顯，同升同降，說明污染物來源一致，預計受上游污水排放源和春季農(nóng)作物施肥影響。2020年以來COD_Mn、TP、TN含量呈現(xiàn)逐年降低的趨勢，2021年基本沒有明顯的波動，水質(zhì)改善明顯，得益于政府加大力度對企業(yè)廢水監(jiān)測與治理的規(guī)范化。（見圖2）

2.1.2 db小波低頻分量A研究水質(zhì)污染物空間分布特征

圖3為db5小波分解COD_Mn的低頻分量重構(gòu)圖，COD_Mn濃度具有明顯的區(qū)域分布特征和季節(jié)性，三個監(jiān)控站中COD_Mn濃度高值均出現(xiàn)夏季6-8月份，但只有火電廠站點的COD_Mn日濃度低于地表水環(huán)境質(zhì)量Ⅲ類標準（6mg/L）。其中，石嘴、武林渡口站點的全年波動幅度較大，其中石嘴的COD_Mn濃度超標次數(shù)比武林渡口要多。但2021年起三個站點均出現(xiàn)了明顯的下降趨勢，說明貴港對水環(huán)境重點監(jiān)管工作取得較好的成效。

2019年-2021年DO指標整體表現(xiàn)為武林渡口優(yōu)于石嘴，火電廠最差（圖略）?？傮w規(guī)律為夏季7-8月出現(xiàn)低值，夏季高溫會引起水體中溶解氧降低，此外，水生動物和其他微生物在高溫時的耗氧量也增大，導致水質(zhì)變差。

NH₃-N也存在著明顯的空間差異性（圖略），空間分布表現(xiàn)為武林渡口超標次數(shù)最多（7天），濃度值最高（10.5 mg/L），其次為石嘴（4天，3.71 mg/L），火電廠的NH₃-N濃度均達標。時間變化規(guī)律為武林渡口的濃度高值多出現(xiàn)在夏季（6、7月）和秋季（9-11月），石嘴的濃度高值發(fā)生在春季4月。武林渡口和石嘴水質(zhì)指標NH₃-N在2020年-2021年表現(xiàn)較差。

TP的濃度空間差異性不明顯（圖略），石嘴和武林渡口超標3天，火電廠超標1天。時間規(guī)律表現(xiàn)為夏季波動較明顯，偶有在冬季發(fā)生超標。TN發(fā)生超標的季節(jié)在夏季（6-7月）居多，偶有秋季（10 -11月），這和TP的時間分布相似，說明TN、TP污染物可能均為農(nóng)田化肥。但是TN比TP超標程度嚴重得多，火電廠、武林渡口全年單因子超標，但不做評價。

2.2 Morlet小波分析水質(zhì)污染物的結(jié)果

利用Morlet小波分析對2019年-2021年國控監(jiān)測站自動監(jiān)測數(shù)據(jù)COD_Mn、DO、NH₃-N、TP、TN共5個水質(zhì)指標日濃度序列，深入探討貴港市地表水污染物的變化特征。

貴港市COD_Mn、DO、NH₃-N、TP、TN日均濃度的年際尺度變化、突變點分布及相位結(jié)構(gòu)可通過小波二維等值線圖、小波方差圖呈現(xiàn)（如圖4所示），濃度的大小通過小波系數(shù)來體現(xiàn)，小波系數(shù)越大意味著濃度值越大。圖4（a） Molet小波分析的2019年-2021年COD_Mn日均濃度數(shù)據(jù)年際變化趨勢與db小波較為吻合，在每年豐水期（4-9月）出現(xiàn)一年的COD_Mn含量最高值，圖4（b）COD_Mn小波方差圖的主周期為340d，次周期為150 d、100 d；DO日均濃度數(shù)據(jù)年際變化趨勢在每年枯水期（10月一次年3月）出現(xiàn)一年的DO含量最高值，表明水質(zhì)較好。DO小波方差圖的主周期為260 d，次周期為140 d；NH₃-N日均濃度數(shù)據(jù)年際變化高值在2019年-2020年冬、春季（1-6月）、2021年的夏、秋季（7-10月），并且到了2021年水質(zhì)NH3 -N濃度有降低跡象，NH₃-N小波方差圖的主周期為340 d，次周期為140 d、50天；TP、TN日均濃度數(shù)據(jù)年際變化與NH₃-N相似，并且到了2021年水質(zhì)濃度都有降低趨勢，TP小波方差圖的主周期為340 d，TN小波方差圖的主周期為340 d，次周期140 d。原因是豐水期作物季節(jié)性生長，頻繁使用化肥、農(nóng)藥，繼而大部分未吸收的化肥、農(nóng)藥通過雨水沖刷作用通過徑流排人江河水體，特別是NH₃-N、TP、TN小波系數(shù)圖和方差圖相似（圖略），表明污染源同源。

2.3連續(xù)小波變換（CWT）分析水質(zhì)污染物結(jié)果

利用Matlab軟件進行連續(xù)小波變換（CWT），分析2014年-2021年國控監(jiān)測站6個指標化學需氧量COD_cr、生化需氧量BOD₅、高錳酸鉀指數(shù)COD_Mn溶解氧DO、氨氮NH₃-N、總磷TP月濃度序列（采測分離月數(shù)據(jù)）的周期特征。分析了貴港地區(qū)各站點的連續(xù)小波變換結(jié)果，火電站的水質(zhì)指標圖5中COD_cr存在2個顯著的共振周期，分別為1～2個月（2015年、2019、2021年），5～7個月（2015年）以5～7個月（2015年）周期為主；BODs存在2個顯著的共振周期，分別為1～4個月（2014-2015年），4～6個月（2015年），以1～4個月（2014-2015年）為主；COD_Mn存在1個顯著的共振周期，為1～4個月（2014-2016年）；DO存在3個顯著的共振周期，分別為1～3個月（2015年），2～7個月（2017-2020年），1～2個月（2021年），以2～7個月（2017-2020年）周期為主；NH₃-N存在2個顯著的共振周期，分別為1～5個月（2016年），8～10個月（2016年），以1～5個月（2016年）周期為主，TP存在2個顯著的共振周期，分別為1～2個月（2014-2015年），2～5個月（2016年），2～5個月（2016年）周期為主。（見圖5）

石嘴、武林渡口的水質(zhì)分析略。結(jié)合可知，火電廠、石嘴、武林渡口COD_cr存在相似的約為1～2個月、5～7個月的共振周期，各站點出現(xiàn)時段均不相同；BOD₅、COD_Mn存在以1～4個月（2014-2017年）周期為主，還會出現(xiàn)4～6個月的次周期，出現(xiàn)時間不一。DO存在相似的約1～3個月的共振周期，分別出現(xiàn)在2015年、2017年、2020年，較長的主周期出現(xiàn)在2017年-2020年；NH₃-N以1～5個月周期為主，分別出現(xiàn)在2015年-2017年；TP主周期發(fā)生時段在2016年-2017年，次周期為1～2個月，出現(xiàn)時間不定?？傮w來看，三個國控監(jiān)測站存在多尺度顯著周期波動，且短周期變化為主。

3結(jié)束語

利用db小波分析水質(zhì)污染物時間分布的規(guī)律為：COD_Mn、TP、TN年際變化趨勢6-7月、10-11月濃度出現(xiàn)高值，2021年以后逐漸降低并趨于穩(wěn)定。發(fā)生污染時水質(zhì)污染物空間分布表現(xiàn)為：石嘴的COD_Mn濃度超標最嚴重、火電廠DO濃度不達標次數(shù)最多、武林渡口NH₃-N和TP、TN超標次數(shù)最多。采用Morlet小波分析的水質(zhì)指標日均濃度序列，年際變化趨勢與db小波較吻合，COD_Mn、NH₃-N、TP小波方差圖的主周期為340 d，并且有相同的次周期140 d，DO小波方差圖的主周期為260 d。采用連續(xù)小波變換（CWT）分析得出火電廠、石嘴、武林渡口存在多尺度顯著周期波動，且短周期變化為主。說明貴港市地表水水質(zhì)主要受到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)周期性活動的富余氮、磷營養(yǎng)物和農(nóng)藥殘留物等面源影響。