涪江流域遂寧段總氮時空分布特征及趨勢分析

蔡斌琴，楊永安，張海柱，許肖云，蔣紅斌

(遂寧市環(huán)境監(jiān)測中心站,四川 遂寧 629000)

探索與實踐水環(huán)境中主要污染物排放總量控制，我國已走過數(shù)10年的發(fā)展歷程，目前已逐步形成約束化、量化管理的總量控制體系。在總量控制制度的推動下，化學需氧量和氨氮排放總量大幅下降，水環(huán)境質(zhì)量指標明顯改善[1]。但作為水生物生長的必要元素-氮，通過大量生活污水、農(nóng)田排水或含氮工業(yè)廢水排入水體，使水中有機氮和各種無機氮化物含量增加，生物和微生物的大量繁殖，消耗水中溶解氧，使水體質(zhì)量惡化。湖泊、水庫中含有超標的氮、磷類物質(zhì)時，造成浮游植物繁殖旺盛，出現(xiàn)富營養(yǎng)化狀態(tài)[2]，故總氮是衡量水質(zhì)的重要指標之一[3]，加之大量農(nóng)耕化肥碳銨、尿素及農(nóng)家肥的使用，沉積殘留的氮元素隨地表徑流進入水體，導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化，甚至水體污染異臭，出現(xiàn)赤潮現(xiàn)象。因此本文研究了涪江流域遂寧境內(nèi)總氮的時空分布及時間變化趨勢，為及時掌握涪江流域遂寧段水污染動態(tài)奠定了基礎(chǔ)，為有效控制總氮的排放，改善該涪江流域遂寧段水質(zhì)質(zhì)量提供了有力的技術(shù)依據(jù)。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

涪江，發(fā)源于四川省松潘縣與平武縣之間的岷山主峰雪寶頂，是長江支流嘉陵江的右岸最大支流。涪江流經(jīng)四川省綿陽市、遂寧市、重慶市等區(qū)域，在重慶市合川區(qū)匯入嘉陵江。涪江作為遂寧境內(nèi)最大的河流，由北而東南縱貫全市，境內(nèi)全長171 km，流域面積5115.05 km2，多年平均徑流量550 m3/s[4]，占涪江流域面積的14%。

1.2 水樣采集和監(jiān)測方法

為研究涪江流域遂寧段水質(zhì)中總氮的時間和空間分布特征，每月月初選取了涪江干流的香山(入境斷面)、桂花、米家橋(2個控制斷面)和老池(出境斷面)作為研究點，具體點位詳見圖1。為了便于比較，根據(jù)監(jiān)測斷面位置，把涪江流域遂寧段分成3段，即香山-桂花(香-桂)段、桂花-米家橋(桂-米)段、米家橋-老池(米-老)段。

圖1 涪江遂寧段水系圖

水樣采集時，在河道中央處采集水樣1個，并加硫酸，使pH值≤2[3]。采樣結(jié)束后，立即對樣品進行分析處理。氮素分析指標為總氮，采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法測定，分析時均采取分析空白樣，平行雙樣和加標回收樣的質(zhì)控措施，分析結(jié)果為扣除空白后平行樣的均值。

1.3 評價方法

采用Spearman秩相關(guān)系數(shù)(γs)分析水質(zhì)變化趨勢[5-6]。

式中：γs-秩相關(guān)系數(shù)；di-變量Xi與Yi的差值；Xi-周期1到周期n按濃度值從小到大排列的序號；Yi-按時間排列的序號。

將秩相關(guān)系數(shù)γs的絕對值同Spearman秩相關(guān)系數(shù)統(tǒng)計表的臨界值Wp進行比較。本文采用置信度在95%的臨界值Wp，n為12時，Wp取0.506。

當|γs|>W則表明變化趨勢有顯著意義；

如果γs是負值，則表明在評價時段內(nèi)有關(guān)統(tǒng)計量指標變化呈下降趨勢或好轉(zhuǎn)趨勢；

如果γs為正值，則表明在評價時段內(nèi)有關(guān)統(tǒng)計量指標變化呈上升趨勢或加重趨勢；

當|γs|≤Wp則表明變化趨勢沒有顯著意義,說明在評價時段內(nèi)水質(zhì)變化穩(wěn)定或平穩(wěn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 監(jiān)測結(jié)果

涪江干流遂寧段2018年度總氮變化情況，如圖2所示。從整體上分析，4個監(jiān)測斷面總氮的變化趨勢基本一致，呈現(xiàn)出先下降后升高再下降的趨勢，即“W”型，其原因可能是年初因降水量較少和氣溫較低，水流量較少，水力交換和自凈能力較弱，總氮濃度相對較高，隨著氣溫的升高和降水量增加，水力交換和自凈能力逐步增加，動植物活動增強，消耗氮素的量增加，監(jiān)測結(jié)果顯示總氮濃度在逐漸下降。但隨著雨季的到來，強降水導(dǎo)致農(nóng)耕化肥隨地表徑流進入水體，致使總氮濃度顯著升高，遂寧市屬于亞熱帶濕潤季風氣候，降水主要集中在5～9月(見圖3)，該時段的降水量占全年降水量的90%以上。隨著降雨量減少，總氮濃度開始下降，逐步達到平穩(wěn)狀態(tài)[7]，特別是氣溫進一步降低，水力交換和自凈能力逐步減弱，動植物活動降低，總氮的濃度開始逐漸升高。

圖2 涪江干流遂寧段總氮變化情況

圖3 遂寧市近8年來降雨量隨時間變化趨勢

為了更直觀地反映出大氣降水對涪江流域遂寧段總氮濃度的影響，研究了涪江流域干流總氮在枯水期、豐水期、平水期的變化趨勢。據(jù)報告[8]，四川一般1-4月及12月為枯水期、6-10月為豐水期、5月及11月為平水期。如圖4所示，4個監(jiān)測斷面在平水期時的總氮濃度顯著低于枯水期和豐水期，這與圖2中呈現(xiàn)出的兩個波谷情況是一致的。

圖4 涪江干流遂寧段枯、豐、平水期總氮變化

Fig.4 Tendency of total nitrogen in Suining section of Fujiang River during dry,rich and normal periods

就4個斷面的監(jiān)測結(jié)果分析，整體上香山入境斷面總氮濃度最低，在1.46～2.63 mg/L范圍內(nèi)波動；其月均值(1.80 mg/L)比出境斷面老池(2.18 mg/L)低17.4%，說明涪江干流的總氮在遂寧境內(nèi)沒有受到嚴重污染。就分段具體分析來看，對總氮貢獻量最大的是香-桂段，總氮濃度上升了0.35 mg/L，占整個上升幅度為92.1%，其原因可能是：一是香-桂段流程較長，該段流程長約90 km，占涪江流域遂寧段的52.6%；二是香-桂段流經(jīng)了農(nóng)業(yè)大縣-射洪縣，大量農(nóng)藥化肥施用和畜禽養(yǎng)殖對水體中總氮的濃度影響顯著，據(jù)統(tǒng)計射洪縣規(guī)模化畜禽養(yǎng)殖有298家；三是涪江流域香-桂段分別有梓江、郪江和芝溪河匯入涪江，其中2018年郪江和芝溪河水質(zhì)類別分別為Ⅲ類和劣Ⅴ類，盡管郪江水質(zhì)達標，但其總氮濃度年均值為3.88 mg/L，且分別流經(jīng)同為農(nóng)業(yè)為主的大英縣和蓬溪縣，規(guī)模化畜禽養(yǎng)殖分別176家和190家。而桂-米段和米-老段總氮濃度共上升了0.03 mg/L，這說明了涪江干流水質(zhì)總氮受遂寧市城區(qū)城市生活污水排放和工業(yè)園區(qū)工業(yè)廢水排放影響不大。

2.2 涪江流域干流水質(zhì)秩相關(guān)性分析

為了進一步考察涪江干流遂寧段總氮的變化趨勢，采用Spearman秩相關(guān)系數(shù)法對4個斷面2018年總氮的監(jiān)測結(jié)果定量分析，結(jié)果見表1。

表1 涪江流域干流水質(zhì)秩相關(guān)性

Spearman秩相關(guān)系數(shù)γs計算結(jié)果表明，涪江干流4個監(jiān)測斷面總氮月均值的γs為0.8，表明整個水質(zhì)總氮呈上升趨勢，變化明顯；其中米家橋和老池斷面總氮呈下降趨勢，但變化不顯著，即水質(zhì)有所改善；香山斷面總氮有所上升，但變化都不顯著；而桂花斷面受郪江流域的影響總氮有上升趨勢，但不明顯，這可能與郪江和芝溪河支流水質(zhì)較差以及面源污染密切相關(guān)。

3 結(jié)論

(1)本文通過分析2018年涪江流域遂寧段4個斷面的總氮監(jiān)測結(jié)果，研究發(fā)現(xiàn)4個斷面整體上隨時間的變化趨勢是一致的，呈“W”型變化，其原因可能與氣溫、降水量等因素有關(guān)。

(2)通過分段分析發(fā)現(xiàn)，香-桂段對涪江流域遂寧段總氮濃度貢獻最大，高達92.1%，這與流程距離、農(nóng)村面源污染程度以及支流水質(zhì)狀況有關(guān)，同時也說明了涪江干流流經(jīng)遂寧市主城區(qū)后水質(zhì)沒有受到嚴重污染，市城區(qū)生活污水、工業(yè)園區(qū)排放的廢水對總氮濃度影響不大。

(3)通過Spearman秩相關(guān)系數(shù)分析，涪江流域遂寧段總氮呈上升趨勢，變化明顯；米家橋和老池斷面總氮呈下降趨勢、香山斷面總氮有所上升，但變化均不顯著。