降雨徑流對大連復州河流域氮磷變化影響研究

王主華

(遼寧省大連水文局，遼寧 大連 116023)

氮磷元素是河流污染的主要成分，會引發水體富營養化。過去的研究認為，河流中氮磷濃度過高，主要源于周圍農業生產和畜牧養殖大量污染物的直接排放[1]。隨著我國對入河排污口監管和治理的加強，由直接污染排放所引起的氮磷點源污染得到了有效的控制和解決。但農業的發展，使氮磷面源污染加重，且具有隱蔽性、不確定性和滯后性[2]，農業面源污染已成為水體富營養化的主要驅動力。雨水、融雪等降水沖刷以及土壤侵蝕和淋溶作用，使大量富集在農田土壤中的氮磷元素隨地表徑流進入河流，造成大規模的農業面源污染。

復州河作為大連市重要的農業生產水功能區，為大連普蘭店、瓦房店農業灌溉提供用水。多年來復州河流域降水分布不均，土壤營養元素富集程度高，降雨徑流使氮磷面源污染加劇，嚴重影響水功能區水環境穩定。因此有必要研究降雨條件下的復州河流域氮磷變化，分析遷移規律和污染影響。本文通過2019年8月10日由臺風“利奇馬”引起的強降雨，深入分析復州河氮磷元素變化特性，為復州河流域農業面源污染的防控提供依據。

1 研究概況

復州河是大連市第二大河流，流域全長137km，總面積1638km2，一級支流17條。復州河發源于普蘭店市同益鄉老帽山南麓，自東北向西南流經普蘭店安波，瓦房店得利寺、松樹等周邊共13個鄉鎮，最后經由瓦房店三臺子鄉流入渤海[3]。復州河流域地形復雜，多為山區丘陵地帶，周邊村莊70余個，涉及人口30多萬；其上游為山區，是普蘭店和瓦房店的重要果蔬種植地，中游為丘陵地帶，是重要的農作物生產種植地，下游為濱海地區，主要為工業、農業以及養殖業集中地[4]。復州河流域共5座水庫，其中2座大型水庫，即松樹水庫和東風水庫。下游設有關家屯水文站，是復州河的重要控制站。

復州河流域屬于具有海洋性特點的暖溫帶大陸性氣候，降水量隨季節變化明顯，分布嚴重不均，其中60%以上的降水集中在夏季，且多為暴雨形式[5]。

2 研究方法

2.1 水樣采集與監測

復州河下游流域設有水文站監測斷面，對2019年8月10日至9月8日(共30日)降雨徑流過程的徑流量、總氮、總磷濃度進行監測。水樣采集和徑流量監測從降雨產流時開始，時間間隔2h，強降雨期間，時間間隔增加為1h，直至降雨產流結束。非降雨產流期間，每12h采集監測一次，直至徑流量穩定。

采用壓力式自記水位計記錄斷面水位，利用水位流量關系計算斷面流量。總磷、總氮項目監測參照《水環境監測規范》(SL 219—2013)采用連續流動注射分析法測定。

2.2 分析方法

平均濃度計算[6]：污染物在徑流過程中的質量與總徑流量的比值(mg/L)按下式計算:

(1)

通量計算[6]：假定水量、水質在各時段保持不變，污染物輸出量W為各時段內污染物濃度與徑流量的乘積(kg/h)按下式計算：

W=∑QiCi

(2)

式中：Qi為i時刻的徑流量；Ci為i時刻的污染物濃度。

污染負荷計算[7]：特定時間段內，污染物通過監測斷面的總質量(kg、t)按下式計算：

(3)

式中：Cj和Cj+1分別為j時刻和j+1時刻的污染物濃度；Qj和Qj+1分別為j時刻和j+1時刻的徑流量；Δt為時間間隔；n為采樣次數。

3 結果與分析

3.1 徑流量變化

復州河流域下游降雨于2019年8月10日8時開始，次日16時降雨量達到最大，對應的徑流量從降雨開始時的5.16m3/s逐漸增大，分別于8月12日17時和8月14日9時達到峰值93.90m3/s和次峰值92.00m3/s。降雨結束后，徑流量逐漸降低，于8月24日12時后保持穩定，平均徑流量4.56m3/s(見圖1)。

圖1 徑流量隨時間變化情況

3.2 氮磷質量濃度變化

總氮濃度降雨初期為9.80mg/L，產流后濃度逐漸上升，于8月15日17時達到最大峰值19.00mg/L，隨后快速下降至3.65mg/L，而后又逐漸上升，于8月25日到達次峰值16.90mg/L，最后逐漸降低趨于穩定，平均濃度8.92mg/L；總磷濃度變化與總氮大致相似，降雨初期的濃度為0.166mg/L，隨產流影響濃度不斷提高，于8月16日8時到達高點濃度0.326mg/L，后降低至0.110mg/L，隨后迅速上升，于8月20日17時至最高點濃度0.414mg/L，最后逐漸降低趨于穩定，平均濃度0.042mg/L。

比較徑流量與氮磷濃度的變化(見圖2)，發現在產流開始后，氮磷濃度會隨著徑流量的提高而增大，隨徑流量達到最大，氮磷濃度會在一定時間后隨之到達峰值。經分析，該過程源于降雨對河道的沖刷作用，地表環境中的氮磷元素在降雨前長時間積累，在降雨后通過徑流沖刷大規模遷移至河流，導致其濃度水平隨徑流的增大而不斷提高。當徑流量到達最高點后，沖刷效應不能立即被水體稀釋作用代替，依然會在一段時間內占據主導地位，使氮磷濃度繼續增大。當降雨產流結束后，沖刷作用停止，這時淺層土壤的氮磷元素釋放殆盡，水體稀釋作用占主導地位，使水中氮磷濃度迅速降低[8]。

圖2 總氮、總磷濃度與徑流量隨時間變化比較

降雨徑流后期，氮磷濃度再一次升高，并到達第二次峰值，這與前期徑流量與氮磷濃度的正相關特征相悖。分析該過程，主要是河道的侵蝕和淋溶作用所致[9]。復州河流域周圍大部分為農業生產和生活用地，土層淺，土壤質地較為疏松，易發生水土流失；加上年降雨不均，使氮磷元素在土壤內部富集程度較高。隨著降雨徑流對淺層地表的長時間沖刷，河道附近土壤的侵蝕和淋溶效應嚴重加劇，內層土壤富集的氮磷元素隨泥沙和壤中流進入河流，使得氮磷濃度再次升高。從圖2、圖3可以看出，總磷濃度的二次上升要早于總氮，且波動更大，其二次峰值高于一次峰值，而總氮的二次上升較為平緩且滯后。經分析，該差異與氮磷在土壤中不同的賦存和遷移行為有關[10]。降雨后期磷素主要通過侵蝕作用隨泥沙遷移，而氮素主要通過雨水下滲、淋溶作用，隨壤中流遷移。奚同行等[11]、蔣銳等[12]的研究也證實磷素更易于被土壤顆粒固定，總磷在土壤內部的富集程度高于總氮，導致總磷在前期的流失較小，而后期總磷隨泥沙進入河流，流失量較大。而總氮在淺層土壤積累較多，前期更易流失，后期濃度上升主要由淋溶和壤中流引起[13]，因此相比總磷具有滯后性和持續性。

3.3 氮磷通量變化

氮磷通量在降雨后迅速上升，于8月12日到達峰值，分別為4698.4kg/h和78.1kg/h，隨后逐漸下降趨于穩定。通過比較發現(見圖3)，氮磷通量的變化與徑流量變化基本相似，通量的峰值和拐點大致與徑流量的時間點相同，具有比濃度曲線更好的同步性，表明降雨徑流條件下，氮磷通量主要由徑流量決定。總磷通量曲線在8月20日出現了比徑流量曲線波動更大的鋸齒狀高點，而總氮通量曲線在該時刻的波動較小，表明該時間段受到流量和濃度的共同影響。侵蝕作用使得總磷通量發生突發性增大，對于總氮通量的影響較小。可見，暴雨徑流后，復州河流域的氮磷元素輸出主要受徑流量影響，同時侵蝕效應引發的泥沙遷移會突發性地加劇磷素的輸出，氮素的輸出在淋溶和壤中流作用下相對穩定且具有持續性。

圖3 總氮、總磷通量與徑流量隨時間變化比較

3.4 氮磷濃度和通量與徑流的相關性分析

通過氮磷濃度和通量與徑流量的統計學分析發現(見表1)，氮磷濃度與徑流量變化無明顯相關性，而氮磷通量與徑流量變化具有很強的相關性，相關系數超過0.9，且具有極強的顯著性，證明徑流量是影響氮磷通量變化的重要因素。

表1 相關性分析結果

3.5 降雨徑流對氮磷污染負荷的影響

2019年全年(除8月)，復州河流域少有強降雨，徑流量波動不大，水文站斷面非汛期平均徑流量1.26m3/s，汛期平均徑流量5.34m3/s。此次強降雨的平均徑流量為33.60m3/s，超出年平均徑流量約10倍，徑流總量占全年總徑流量的28.8%。

復州河流域多年以來氮磷污染較為嚴重，水質類別為Ⅴ類[14]。總氮濃度在2.25～14.40mg/L之間，全年平均濃度8.55mg/L，常年超標嚴重；總磷濃度在0.04～0.37mg/L之間，全年平均濃度0.15mg/L。此次強降雨過程中總氮、總磷平均濃度分別為13.20mg/L、0.25mg/L，遠高于年平均濃度。經計算，此次強降雨過程的總氮、總磷平均通量分別為1656.8kg/h和28.2kg/h，而氮磷年平均通量分別為123.90kg/h和2.16kg/h，其值超出10倍以上。總氮、總磷污染負荷分別為595.4t和11.5t，占全年總污染負荷的39.2%和54.5%。表明復州河流域的氮磷流失主要經由降雨徑流，強降雨大幅提高了氮磷元素的輸出，是導致氮磷污染的主要驅動力。

4 結 論

a.氮磷元素主要通過降雨徑流進入河流。降雨徑流初期，氮磷元素通過降雨沖刷遷移至河流，使氮磷濃度達到峰值，而后由于稀釋作用下降。降雨徑流后期，總磷通過侵蝕作用隨泥沙遷移，而總氮則通過淋溶作用隨壤中流遷移，使氮磷濃度再次達到峰值。

b.氮磷通量總體變化與徑流量變化基本一致，且具有極強的相關性(相關系數>0.9)，證實徑流量是決定氮磷通量的主要原因。侵蝕作用使總磷通量發生突發性增大，淋溶作用和壤中流對于氮素通量影響平穩且持續性強。

c.降雨徑流過程使復州河流域氮磷濃度、通量大幅增加；同時氮磷污染負荷占全年污染總負荷的39.2%和54.5%。復州河流域的氮磷元素主要來源于降雨徑流引發的農業面源污染。