降雨徑流對江淮丘陵區農業流域磷素輸出影響研究

陸海明，張 麗，王 妞，鄒 鷹

（1.南京水利科學研究院，水文水資源與水利科學國家重點實驗室，南京 210029；2.宜水環境科技(上海)有限公司，上海 200233）

隨著我國對入河排污口等點源污染監管力度的顯著增強，以點源污染形式輸出的磷素將得到有力的控制，以面源污染形式流失的磷素占受納水體負荷比例將會逐漸提高，成為影響水功能區達標和造成水體富營養化的主要因子。準確掌握流域磷素輸出規律是開展磷素面源污染控制的前提和基礎，原位觀測試驗是開展磷素輸出規律研究重要的途徑和方法[1-4]。

研究表明，地表徑流是流域磷素輸出主要驅動力，發生雨洪徑流頻率較高的春季與夏季和產生融雪徑流的春季是磷素輸出主要時期[5-7]。密西西比河上游農業流域磷素輸出集中在1月中旬至6月[8]。澳大利亞位于亞熱帶的Richmond河流域，1995—1996年全年98%的磷素輸出集中在全年6%的時間內，年際總磷輸出負荷相差2.9倍，年內不同月份總磷輸出負荷相差達1061倍[5]。美國Missisquo灣，2014年春季徑流輸出全年83%的溶解態磷素和74%的顆粒態磷素[7]。湖南亞熱帶小流域春季和夏季總磷輸出負荷占全年的56.3%～82.0%[6]。江西紅壤小流域野外觀測結果表明在3月底至7月初雨量相對集中的濕潤季節和7月中旬至9月底或者10月初雨量較少的高溫干旱季節總磷濃度較高[9]，磷素輸出負荷隨著降雨徑流顯著增加[10]。雨強影響地表徑流磷素輸出形態[11]，日本沿海農業流域觀測到總磷濃度隨著雨強增加而升高[12]。

江淮丘陵區地處我國長江和淮河過渡區域，是我國重要的糧食和農副產品主產區，也是人口密度較高的區域，農業流域面源污染是引起水庫塘壩水體富營養化的重要原因。江淮丘陵區降水年內分配不均，全年降水主要集中在梅雨和臺風雨形成時期，然而該地區年內分配不均的降水對農業流域磷素負荷輸出特征的影響卻鮮有報道。本研究以花山流域為代表流域，開展為期3個水文年高頻次的水量水質同步監測，期望揭示江淮丘陵區農業流域磷素負荷輸出受降雨年內分配不均的影響機制，為該區域磷素污染防治提供科學支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

花山流域位于安徽省滁州市南譙區，屬于滁州市城市飲用水源地城西水庫上游小沙河流域，氣候類型為北亞熱帶向暖溫帶過渡區域，四季分明，雨熱同季。多年平均氣溫15.2℃，多年平均降水量為1043 mm，多年平均蒸發量為922 mm。梅雨期主要出現在6月和7月，梅雨量約占全年降水量的30%左右，受臺風影響的臺風雨主要出現在7月中下旬至9月，偶爾出現在10月。

花山流域出口控制斷面胡莊（三）以上面積為80.13 km2，主河長13.7 km，河溝的坡度為0.47%，坡度變化范圍為0～32°，平均坡度為6°。花山流域具有典型的江淮丘陵區地貌特征，流域內土壤類型主要是石灰巖土和黏壤土。土地利用類型主要是林地、耕地、水域以及農村居民用地、道路交通用地等，分別占整個流域面積的67.7%、22.3%、3.8%和6.2%。花山流域為水源地上游區域，流域內沒有大型工業企業活動，耕地以種植雙季稻、稻麥/稻油菜輪作與單季稻等為主，施肥品種以復合肥和氮肥為主。畜禽養殖以家庭散養生豬和雞為主，還有較小規模集中養殖的羊、肉雞和肉鴨養殖專業戶。花山流域常住人口約1萬人，農村居民生活污水經過簡單的化糞池處理后直排。花山流域所在位置及流域概況如圖1所示。

圖1 花山流域示意圖Figure 1 Sketch map of Huashan watershed

1.2 數據資料采集

降水數據通過滁州市水文局在流域內布置的5個雨量站獲取（圖1）。胡莊（三）斷面建立了水量和水質同步監測設施，出口斷面為梯形量水堰，采用HOBO壓力式自記水位計實時記錄出口斷面水位，利用水位流量關系計算斷面流量。利用便攜式可編程ISCO6712型自動水樣采集器采集水樣。降雨徑流期間，水樣采集頻率為每小時采集1個樣品；非降雨時段，采樣頻率為2～3 d 1個樣品。研究期間共采集約500個降雨徑流過程樣品，其他時期共采集600余個水樣。水樣采集后，每個水樣及時加0.05 mL稀硫酸后冷凍儲存。總磷（TP）含量采用過硫酸鉀消化（120℃，200 kPa，消化30 min），鉬銻抗還原比色法測定[13]。

1.3 數據資料處理方法

1.3.1 時間尺度劃分方法

水文年統計時間段為10月1日至次年的9月30日，從2012年10月1日至2015年9月30日分為2013、2014和2015三個水文年；每年汛期為5月1日至9月30日，非汛期為10月1日至次年的4月30日，從2012年10月1日至2015年9月30日共有三個非汛期和三個汛期；每年的3、4、5月為春季，6、7、8月為夏季，9、10、11月為秋季、12、1、2月為冬季，從2012年9月1日至2015年11月30日共統計4個秋季、3個冬季、3個春季和3個夏季。

1.3.2 負荷計算方法

流域污染負荷是指在特定時間內通過流域出口斷面的污染物質量，用L表示，常用單位有t、kg等。監測得到流域出口斷面的流量、污染物濃度及其相應的監測時間，采用公式（1）計算某個時段通過監測斷面污染物負荷。

式中：Cj和Cj+1分別是指徑流過程中第j時刻和第j+1時刻監測得到的污染物濃度；Qj和Qj+1是指徑流過程中第j時刻和第j+1時刻的監測流量；Δt是指相鄰兩次采樣的間隔時間；n是指徑流過程中的采樣次數。

1.3.3 徑流分割方法

由降雨徑流過程基本原理可知，降雨引起的徑流過程大體可以分為兩部分：一是本次降雨引起的直接徑流，包括表層徑流和淺層壤中流；二是基流，包括深層壤中流和地下徑流。本文利用Eckhardt K于2005年提出的遞歸數字濾波法將徑流分割為直接徑流和基流[14]。該計算方法如下：

式中：qb（t）為 t時刻的基流；qb（t-1）為 t-1 時刻的基流；qt為t時刻實測河川徑流量；t為時間；α為退水常數；BFImax為最大基流指數。

上述公式中需要確定兩個參數，退水常數和最大基流指數。Eckhardt，K提出對于多年流量不間斷、具有透水孔隙層的河流，以d為單位時，退水常數取值為0.97，最大基流指數為0.8。花山流域出口控制斷面基本不斷流，流域地質為透水孔隙層，因此確定花山流域退水常數取值為0.97，最大基流指數取值為0.8。

2 結果與分析

2.1 徑流磷素濃度時程分布

2013—2015三個水文年降水量分別為1 000.5、1 105.3 mm和1 349.5 mm，分別比花山流域多年平均降水量（1044 mm）低44.5 mm、高61.3 mm和高305.5 mm。監測期間，花山流域出口徑流總磷濃度與降雨、徑流變化過程基本同步，汛期降水量增加、流量變大的同時徑流總磷濃度升高，汛期徑流總磷濃度顯著高于非汛期（圖2）。流域出口流量變幅從0.13 m3·s-1到126 m3·s-1，最高值是最低值的984倍，變異系數為2.11；總磷濃度最高為 2.31 mg·L-1，最低為 0.01 mg·L-1，兩者相差230倍，變異系數為1.00。2013年至2015年監測到有49%和24%的水樣超過地表水環境質量標準（GB 3838—2002）總磷Ⅲ和Ⅴ類標準濃度值，我國江淮丘陵區類似農業流域徑流磷素污染較為嚴重，流域磷素控制對于減緩受納水體富營養化程度具有重要意義。

2.2 流域總磷輸出負荷時程分布

研究期間不同時間尺度降水量、徑流深和總磷負荷統計如表1所示。3年期間，汛期降水量和徑流深占全年的比例均高于70%，總磷輸出負荷占全年的比例則超過90%。降水量最為集中的夏季是全年徑流磷素輸出負荷比例最高的季節，2013—2015年3年期間相應的比例為66%、88%和87%，冬季徑流總磷輸出負荷僅占全年比例為1%～2%。

圖2 研究期間花山流域平均降水量以及出口斷面流量、徑流總磷濃度變化Figure 2 Mean precipitation within Huashan watershed and the variation of flow and TP concentration at the outlet during the study period

圖3 2012年9月至2015年11月花山流域每月降水量、徑流深和總磷輸出負荷變化Figure 3 Variation of monthly precipitation,runoff depth and TP load during the period between September,2012 to November,2015

2012年9月至2015年11月共39個月內花山流域月降水量、徑流深和總磷負荷如圖3所示。總體趨勢是月總磷輸出負荷隨著月降水量和月徑流深增加而變大，6—8月是磷素負荷輸出最集中的月份。2015年6月降水量和徑流深最大，月降水量和徑流深分別為455.2 mm和296.1 mm。2015年7月花山流域總磷月輸出負荷最高，該月總磷輸出負荷為10 569.7 kg；其次是6月，該月總磷輸出負荷為9 395.7 kg。2013年12月降水量僅觀測到1.3 mm，2014年1月徑流深和輸出負荷最小，分別為9.0 mm和22.2 kg。研究期間，月降水量、徑流深和總磷輸出負荷最大值分別是最小值的392、33倍和505倍。

表1 不同時間尺度降水量、徑流深、直接徑流深和總磷負荷統計Table 1 Precipitation,runoff depth,direct runoff depth and total phosphorus load during various temporal scales

花山流域2012年9月1日至2015年11月30日期間日降水量、徑流深和總磷負荷如圖4所示。2013水文年花山流域全年日降水量最大值出現在梅雨期的7月7日，日降水量為89.2 mm，日總磷輸出負荷最大值為1 051.74 kg，占全年總磷輸出負荷的18%。2014水文年受臺風“麥德姆”影響，7月24日降水量達128.9 mm，全年日總磷輸出負荷最大值出現在7月25日，負荷值為1 331.58 kg，占全年總磷輸出負荷的18%。2015水文年，花山流域梅雨期間降雨偏多，全年日降水量、日徑流深和日總磷輸出負荷最大值出現在6月16日、6月17日和7月17日，分別為155.9、74.3 mm和3 599.68 kg，占全年比例為12%、8%和12%。

2.3 梅雨和臺風雨期間磷素負荷輸出特征

研究期間花山流域梅雨和臺風雨期間降水量、徑流深和總磷輸出負荷及其占相應水文年比例如表2。2013年梅雨期為6月19日—7月8日，梅雨期間降水量290.8 mm，占全年平均降水量29%，與多年梅雨期平均降水量持平，梅雨期間輸出的總磷占全年總磷輸出負荷的59%。2014年，花山流域6月25日入梅，7月6日出梅，梅雨期較常年偏少11 d，梅雨期間降水量114.2 mm，梅雨量僅為多年平均的37%，梅雨期間總磷輸出負荷占全年負荷的11%；受臺風“麥德姆”影響，花山流域7月23—25日出現一次強降雨過程，降水量達130 mm，占全年降水量的12%，該次降雨過程磷素輸出負荷占全年的22%，輸出負荷是該年梅雨期間的2倍。

2015年，花山流域梅雨期間降雨偏多，6月16日入梅，7月25日出梅，梅雨期持續40 d，梅雨期間降水量達673.9 mm，占全年降水量的50%，共有5次明顯降雨過程（6月15—16日、6月25—30日、7月5—8日、7月16—18日及7月23—24日）。梅雨期徑流深占全年徑流深的54%，總磷輸出負荷占全年輸出負荷的62%。

2.4 雨洪徑流磷素負荷輸出特征

圖4 2012年9月至2015年11月花山流域每日降水量、徑流深和總磷輸出負荷變化Figure 4 Variation of daily precipitation,runoff depth and TP load during the period between September,2012 and November,2015

表2 梅雨和臺風影響期間降水量、徑流深和總磷負荷Table 2 Precipitation,runoff depth and total phosphorus load during the plum rain season and typhoon period

圖5 2013年雨洪過程時長、直接徑流量、直接徑流輸出總磷負荷占全年的百分比（白色表示雨洪事件，灰色表示非雨洪事件）Figure 5 Percentage of duration,direct runoff and TP load exported through direct runoff within those storm runoff events to annual ones in the year of 2013（white part indicates storm runoff events,grey part indicates those not being storm runoff events）

圖6 2014年雨洪過程時長、直接徑流量、直接徑流輸出總磷負荷占全年的百分比（白色表示雨洪事件，灰色表示非雨洪事件）Figure 6 Percentage of duration,direct runoff and TP load exported through direct runoff within those storm runoff events to annual ones in the year of 2014（white part indicates storm runoff events,grey part indicates those not being storm runoff events）

2013年和2014年花山流域分別監測到5次和10次明顯的雨洪過程。圖5和圖6分別是花山流域2013年和2014年雨洪過程時長、直接徑流量和通過直接徑流輸出的總磷負荷分別占全年的比例。2013年，僅占全年時間9%的雨洪過程發生時間內，花山流域雨洪過程徑流量占全年徑流量的32%，通過直接徑流總磷輸出負荷比例占全年總負荷的46%。2014年，花山流域雨洪過程發生時間占全年時間的16%，雨洪過程事件中輸出的直接徑流量占全年徑流量的36%，通過直接徑流輸出總磷負荷比例分別占全年總負荷的52%。總體來說，花山流域每年在10%的時間內發生的5～10次雨洪過程（降雨引起流域出口斷面流量超過1 m3·s-1的降雨徑流過程）中，通過約30%的直接徑流量輸出的總磷負荷約占全年總負荷的50%，直接徑流是流域磷素輸出的主要途徑。

3 討論

2013—2015年3個水文年花山流域單位面積總磷輸出負荷分別為0.72、0.91 kg·hm-2·a-1和 3.86 kg·hm-2·a-1，相比于其他小流域，本研究結果年單位面積總磷輸出負荷偏高（表3）。2015水文年總磷輸出負荷明顯高于2013水文年和2014水文年，主要原因包括兩個方面：一是降水量增加導致直接徑流明顯偏高，攜帶污染物的地表徑流量顯著增加；二是梅雨期強降水過程形成的徑流將累積在流域末梢河道內污染物沖刷攜帶至流域出口，該部分污染物在較小降水時通常難以被沖刷至流域出口。2015年6月徑流量高于7月，但7月總磷負荷高于6月，6月梅雨期間連續降水導致施肥等農事活動推遲到7月可能是重要原因。

國內外許多研究表明，強降雨形成的徑流過程是地表磷素負荷輸出的主要驅動力[15-16]。2011年9月熱帶風暴李（Tropical Storm Lee）在美國東北地區形成的洪水過程通過薩斯奎哈納河（Susquehanna river）向下游切薩皮克灣輸送了670萬t泥沙，相當于年均輸沙量的6倍[16]；該次熱帶風暴僅用過去10年（2002—2011）1.8%的水量，向切薩皮克灣輸出了5%的氮素、22%的磷素和39%的泥沙[17]。美國東北部切薩皮克灣上游面積為7.4 km2的WE-38流域溶解態總磷濃度較高集中在5月至12月，而顆粒態總磷濃度較高時期為暴雨徑流集中的1月至6月[18]。在本研究中，2013年和2015年花山流域全年60%的總磷負荷輸出發生在梅雨期，2014年梅雨期間降水量偏少，磷素輸出比例較低，受臺風“麥德姆”影響，一次強降雨過程總磷輸出負荷占全年的22%。梅雨和臺風帶來的強降雨是江淮丘陵區農業流域磷素負荷輸出的主要驅動力。

花山流域日TP輸出負荷與日平均流量相關系數超過0.8（1095個數據，P值等于2.2e-16，圖7），因此可以建立基于日平均流量的TP負荷預測模型（式1），估算花山流域日TP輸出負荷。

式中：L總磷為日總磷負荷，kg；Q為日流量，m3·s-1。

流域徑流產生量不僅與當日降水量密切相關，而且也受流域前期降水量影響。花山流域日總磷負荷與前3日降水量表現為兩個階段（圖7）。當前3日累積降水量低于50 mm時，日總磷負荷僅有較小幅度的增加，前3日累積降水量超過50 mm時，TP輸出負荷隨著降水量增加有較大幅度增加，但是TP輸出負荷值變幅較寬。

花山流域全年磷素負荷輸出集中在梅雨和臺風雨期間幾次暴雨徑流過程，輸出負荷主要受雨洪過程中直接徑流影響，因此在制定流域磷素污染源負荷削減方案時，不僅需要從“肥料”的角度控制磷素污染源，也需要從“水量”的角度，降低徑流特別是直接徑流產生量。太湖流域丘陵山區研究結果同樣表明削減流域磷素輸出負荷時，控制水比控制肥更有效果[25]。水土保持措施不僅可以減少土壤侵蝕，也可以增加土壤入滲，減少雨洪徑流產生量。我國南方丘陵地區廣泛分布的水塘同樣可以減少雨洪徑流磷素負荷輸出[26]。相對而言，河流溝渠等遷移廊道由于其儲存容量較小，徑流流速較快停留時間較短，削減雨洪徑流過程磷素負荷效果有限。

表3 花山流域單位面積年總磷輸出負荷和其他流域比較Table 3 Comparison of annual TP load per unit area between Huashan watershed and other watersheds

圖7 花山流域日平均流量、前3日累積降水量和日總磷輸出負荷相關關系Figure 7 Relationship between daily average flow,accumulated antecedent precipitation with three days and daily total phosphorus export

4 結論

（1）花山流域出口徑流總磷濃度與降雨、徑流變化過程基本同步，研究期間監測到有49%和24%的水樣超過地表水環境質量標準（GB 3838—2002）總磷Ⅲ和Ⅴ類標準濃度值，主要集中在汛期。2013—2015三個水文年花山流域單位面積徑流總磷輸出負荷分別為0.72、0.91 kg·hm-2·a-1和3.86 kg·hm-2·a-1。

（2）汛期（5—9月）總磷輸出負荷占全年的比例超過90%。2013—2015三個水文年夏季徑流磷素輸出負荷占全年負荷比例分別為66%、88%和87%。梅雨期是花山流域總磷負荷輸出主要時期，受臺風影響形成的降雨徑流過程也是流域磷素輸出重要時期。2013年和2015年梅雨時期總磷輸出負荷占全年負荷約60%，2014年受臺風“麥德姆”影響，一次暴雨過程磷素輸出負荷占全年負荷的22%。

（3）花山流域每年在10%的時間內發生的5～10次雨洪過程中，通過約30%的直接徑流量輸出的總磷負荷約占全年負荷的50%。流域磷素輸出負荷控制不僅需要控制磷素投入，而且需要從完善水土保持措施、增加土壤入滲，保持和強化水塘調蓄等調控“水量”、減少雨洪徑流的角度采取綜合措施。