滇池高原内陆湖泊水环境现状与治理对策

滇池高原内陆湖泊水环境现状与治理对策

云南省最大的内陆湖泊，水量约15.7亿3m。它是云南省重要的水源。近年来，污染逐渐加剧。目前，整个湖泊的水质属于较差的v类。虽然已经投入大量资金进行管理，但效果并不明显。本文应用时空地质统计学模拟滇池水体水质的时空分布,强调水质分布的时空位置和适度外推预测,用时空变异函数揭示水质指标的时空变异规律,并据此用时空普通克立格方法估计其水质指标浓度在不同时间的空间分布。1草海海域水质指标的频率直方图滇池位于昆明市的西南边,有29条河道汇入其中,是整个昆明生产和生活污水的接纳体。滇池整体呈弓形凸向东侧,以海埂为界分为南北两个部分,北部为草海,南部为外海,整个水域约300km2,分布有10个观测站(草海2个,外海8个),见图1。由于草海水域狭长且与外海仅有一条很窄的航道连通,其所得的测量具有很大的特殊性,从水质指标的频率直方图来看,其明显与外海的测量数据不属同一分布,因此本文仅选择使用了外海8个观测站的数据,包括总氮(TN)、总磷(TP)、高锰酸盐指数(CODMn)、溶解氧(DO)、生化需氧量(BOD)、叶绿素a(Chl-a)等6个指标在2005～2006年每个月的观测数据,共192×6个数据。从6个指标与时间或空间的位置关系来看,未见其有明显的依赖于时间或空间的规律性联系,同时各个指标在经自然对数转换后多服从单峰正态分布(TP除外),因此这些水质指标可以看作时空域内的随机变量。TP的分布不具有单峰正态分布特征,而是呈双峰特征,表明磷至少有两个不同的来源,这与磷主要来源于滇池东岸的农业面源污染和滇池南岸的昆阳磷矿的事实相符。2时空变异函数的应用实际上,自然界中的多数变量,尤其是环境变量,均一定程度地存在依赖时间、空间变化的规律,可以用时空变异函数(Space-timeSemivariogram)来描述。时空变异函数γ(hs,ht)是描述时空变量Z(s,t)与时空变化(hs,ht)之间规律的一种工具,在Z(s,t)满足二阶平稳(Second-orderstationary)假设的条件下,其定义为:2γ(hs,ht)=E[Z(s+hs,t+ht)-Z(s,t)]2(1)其中:Z(s,t)为时空点(s,t)处的值,hs、ht分别为空间、时间间隔变量,s=(s1,s2,…,sd)∈D⊆Rd(一般地d=3)代表空间坐标,t∈T⊆R为时间坐标,且D×T=Rd+1。据此可计算实验时空变异函数,而理论时空变异函数则一般用乘积模型、乘积-和模型、张量积三次光滑曲面法等及其修正方法来模拟,其中的乘积-和模型为本文使用的模拟方法,其定义如下:γ(hs,ht)=γ(hs,0)+γ(0,ht)-K×γ(hs,0)×γ(0,ht)(2)其中‚K=sill[γ(hs,0)]+sill[γ(0,ht)]−sill[γ(hs,ht)]sill[γ(hs,0)]×sill[γ(0,ht)]其中‚Κ=sill[γ(hs,0)]+sill[γ(0,ht)]-sill[γ(hs,ht)]sill[γ(hs,0)]×sill[γ(0,ht)]且K必需满足充分必要条件0<K≤1max{sill[γ(hs,0)];sill[γ(0,ht)]}‚sill0<Κ≤1max{sill[γ(hs,0)];sill[γ(0,ht)]}‚sill为变异函数的基台值。应用上述乘积-和模型,可以求得时空变异函数的理论模型,据此可以计算任意时空点上(一般是变程以内)的时空变异函数值。图2列出了其中3种水质指标的实验时空变异函数及其积-和理论模型。从计算结果来看,时间边界变异函数的拟合度比空间边界变异函数更好,其拱高明显较大,具有更好的连续性。表明水质指标随时间变化的变异规律较明显,而随空间变化的变异规律则较差。根据滇池水体的空间展布形态,需考虑其空间变异函数的各项异性,即分别计算NS和EW向的实验变异函数。从计算结果来看,NS方向和EW方向的空间变异函数的差异不大,且由于本文中所用数据仅限于样本数很少的8空间点,因此本文未考虑空间变异函数的各向异性。为了检验时空变异函数在应用时空克立格插值方法模拟滇池水质时空分布中的有效性,需要计算其交叉验证系数。应用上述理论时空变异函数计算了6种指标各观测时空点(192×6)的估计值(其中参与克立格估计的样品点为距待估点最近的时间、空间点各3个,但不包括待估点本身),求出了各样品时空点的实测值与估计值之间的相关系数。从结果来看,TN(0.7)、Mn(0.76)、叶绿素a(0.7)的交叉验证系数较高,均达0.7以上,具有较高的可信度;溶解氧(0.53)、BOD(0.53)的交叉验证系数均>0.5,但<0.6,可信度一般;而TP(0.38)则<0.5,可信度低,这主要是由于TP的来源不是同一母体导致的。总的来看,本文积-和模型构建理论是时空变异函数,是可以被接受的(TP除外),较好地揭示了水质指标与时空变化之间的规律,由其得到的克立格估计因此是可信的。3u3000求解克立格估计在时空变异函数的基础上,可以用时空标准普通克立格(Space-timeStandardizedOrdinaryKriging)对其进行时空域内的估计。时空普通克立格可从一般意义上的空间普通克立格(SpaceOrdinaryKriging)估计直接外延得到,即令估计值为其周围已知样品值的线性加权平均值,同时要求估计值与真实值之间的无偏且误差最小,即:Z∗(s‚t)=∑i=1NλiZi(s,t)(i=1,2,⋯,N)(3)Ζ*(s‚t)=∑i=1ΝλiΖi(s,t)(i=1,2,⋯,Ν)(3)Z*(s,t)、Z(s,t)分别为时空点(s,t)的估计值和真实值,λ为克立格加权系数,N为参估样品点数目。时空普通克立格估计需要同时满足无偏性条件M=E[Z*(s,t)-Z(s,t)]=0和估计方差最小条件σ2=Var[Z*(s,t)-Z(s,t)],因此需要应用拉格朗日乘数法求解目标函数F=σ2-2μM(μ为拉格朗日乘数),从中可以推导出求解克立格系数λ的方程组,即:[γII0]×[λμ]=[γ∗1](4)[γΙΙ0]×[λμ]=[γ*1](4)其中:γ=[γij(hs,ht)]为由γij(hs,ht)组成的N×N矩阵,γij(hs,ht)是由时空点i与j之间的时空间隔决定的时空变异函数值;γ*=[γi*(hs,ht)]为由γi*(hs,ht)组成的N×1矩阵,γi*(hs,ht)是由时空点i与待估点之间的时空间隔决定的时空变异函数值;I为N×1单位矩阵;λ=[λ1,λ2,…,λn]′,i,j=1,2,…,N。得到克立格系数λ后,即可代入估计公式(3),求出估计值。本文水质指标的估计区域为滇池整个水域,时间跨度为2005～2006年,分为1920000(400×200×24)个估计单元格,每个单元格的大小约100m×100m×1月。根据时空变异函数的交叉验证中得到的参数,对研究区域内的各待估点进行了时空克立格估计,参与估计的样品点数为距待估点最近的时间、空间点各3个,其估计结果见图3。从估计值结果来看,草海区域的估计结果没有可信度,只作参考,因为草海与外海仅有一窄航道连通,基本可以看作是两个独立的水体;TP则由于其交叉验证系数仅为0.38,且来源两个母体,也不可信,仅作参考。总的来看,模拟结果可以直观地显示滇池水质在具体的空间、时间位置上的分布,较好地反映了滇池水质指标的时空变化规律:空间上污染严重区域主要集中在靠近北部的昆明海埂、西山等市区,以及东北部的呈贡县周围等工业、农业发达地区;时间上则在冬季污染较轻,然后逐渐加剧,在夏季达到高峰,其后又逐渐减轻。具体来看,TN主要集中在北部靠近草海一带、西北部西山一带、东北部呈贡一带等三个区域;TP则主要集中在东北部的呈贡和北部的昆明城区(仅供参考);CODMn高的区域主要集中在北部的昆明城区、东部的大渔乡等地区;DO在滇池的中部地区含量较高,变化也较大,表明该区域的水质较好;BOD高的区域主要为北部的昆明城区、西部的西山等地;叶绿素a含量高的区域主要为北部的昆明城区和东北部的呈贡一带。时间上,TN在冬季污染最轻,然后逐渐加剧,到夏季达到最高峰,其后逐渐降低;TP与之相同;CODMn在冬季较低,其他时间较高,没有明显的规律;DO在春夏季含量最低,秋冬季含量变高;BOD则与DO相反,春夏季含量最高,秋冬季含量变低;叶绿素a含量一般在冬季最低,春季逐渐增高,夏季达到最高,秋季逐渐降低。可见滇池污染程度高的地区主要为北部的昆明城区和东北部的呈贡地区,其次为东部的大渔乡,时间上主要为夏秋季。可以看出:昆明城区主要为生活污水和工业污染,呈贡主要为农业污染,大渔主要为工业污染,因此治理滇池污染应着重从上述区域入手,从源头上减少污染物的产生,加强污染治理,减少污染物的排放。4环境变量在时空上的分布特征(1)时空变异函数可以较好地揭示环境随机变量中的时空变化规律,能较好地刻划环境变量与时空变化之间的关系。时空克立格在应用变异函数的基础上,能更精确地估计环境变量在时间和空间的分布,可以直观地获得环境变量在时空域上的分布变化特征。(2)滇池的污染严重区域主要