廣利灌區總干渠水質及氮磷污染初步評價

谷少委，劉杰云，范習超，秦京濤，忠智博，呂謀超*，高劍民

（1.中國農業科學院 農田灌溉研究所/農業農村部節水灌溉工程重點實驗室，河南 新鄉453002；2.中國農業科學院 研究生院，北京100081；3.連云港市通榆河北延送水工程管理處，江蘇 連云港222000）

0 引 言

【研究意義】灌區是中國農業規模化生產的重要基地和農業、農村及國民經濟發展的重要基礎設施，同時也是一個開放式生態系統。目前灌區水環境惡化、農業面源污染嚴重、生物多樣性減少等一系列問題嚴重影響著灌區的持續發展[1]。河流水質是流域地形、地貌等自然條件和人類生產、生活綜合作用的結果[2]。水體富營養化是河流污染的一個典型問題[3]，已經嚴重影響到水資源的可持續利用和經濟社會的可持續發展[4]。氮、磷是影響水體富營養化的主要因素，氮、磷等營養物質進入湖泊、河口等水體中，導致水體中的藻類大量繁殖，使得水體的富營養化程度日益嚴重[5]。因此，對灌區水質及氮磷污染狀況進行研究對進一步促進生態灌區建設具有重要意義。

【研究進展】在中國污染物排放中，農業生產排放的污染物成了重要排放源，超過了工業和生活污染，其中氮磷污染占50%以上[6]。農業面源污染已成為當前形勢下最嚴重的面源污染[7-9]。灌區內大量廢水的排放，導致灌溉回歸水中的氮、磷等普遍超標，已成為灌區河道的主要污染來源[10]；寧夏引黃灌區排水溝水環境的研究表明，農業面源污染及工業廢水是影響其水環境的主要原因[11]。河套灌區秋澆導致溝道中總氮、氨態氮質量濃度明顯增大，對地表水及地下水環境都產生了很大的影響[12]，控水控肥有利于控制農田面源污染[13]。【切入點】而廣利灌區流經城鎮生活區、工業區和農業生產區，面臨著諸多污染和富營養化等問題，而且村鎮級小河流數目眾多且狹窄，大多是監測盲點。且灌區水環境的改善和河流污染綜合治理在加強農村污染治理和生態環境保護，推動農業農村綠色發展等方面承擔著重要的角色。因此，有必要對廣利灌區總干渠水質及氮磷污染進行研究。

【擬解決的關鍵問題】本文從灌區尺度出發，研究灌區總干渠總氮（TN）、總磷（TP）、CODCr和BOD5等的負荷特征及趨勢，全面了解河流水環境及氮磷污染和富營養化狀況，有助于準確掌握灌區的水環境狀況，可為灌區總干渠的水環境治理，尤其是氮磷污染控制與治理提供基礎和依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況與樣品采集

廣利灌區位于河南省焦作市西南部，北緯34°55′—35°11′，東經112°37′—113°13′，屬暖溫帶大陸性季風氣候，多年平均氣溫14.2～14.8 ℃，年平均降水量為585 mm，多年平均蒸發量為1 668 mm，無霜期216～240 d。灌區是集灌溉、補源等功能為一體的井渠結合大型灌區，涉及濟源市東北部、沁陽市沁南地區、溫縣以北、武陟沁南西部24 個鄉（鎮、辦事處）、441 個行政村，人口50 余萬人；現有總干渠1 條、干渠10 條、支渠33 條，設計自流灌溉面積1.2 萬hm2，以灌代補面積0.87 萬hm2，補源面積1.33 余萬hm2；作物種植模式以冬小麥-夏玉米輪作為主，并有少量水稻以及花生、油菜等經濟作物。本研究選取灌區內最具有代表性的輸水總干渠為研究對象，沿總干渠在鄉鎮下游排水溝渠交匯點、渠道轉折點，分別在五龍口渠首、二號閘、水東站、三號閘、補源進水口和龍澗節制閘，設置6 個取樣點進行水質監測。于2019年6—12月期間每月采集1 次樣品，另外在降雨能形成有效徑流的8月7日取樣。采樣時，每個取樣點均勻設置3 個斷面、并于監測斷面水下0.5 m 處采集水樣，裝入采樣瓶中低溫保存，在24 h 內送到實驗室分析。

圖1 廣利灌區灌排系統示意Fig.1 Schematic diagram of irrigation and drainage system in Guangli irrigation district

1.2 樣品分析與數據處理方法

TN 采用堿性過硫酸鉀消解-紫外分光光度法（HJ636—2012）測定；TP 采用鉬銻抗-分光光度法（GB11893—1989）測定；氨氮采用納氏試劑-分光光度法（HJ535—2009）測定；化學需氧量（CODCr）采用重鉻酸鹽法（HJ828—2017）測定；5 d 生化需氧量（BOD5）使用培養箱采用稀釋與接種法（HJ505—2009）測定。具體操作方法參照水和廢水監測分析方法[14]。所有數據采用Excel 進行分析和圖形制作。

1.3 河流綜合水質標識指數計算方法

采用適用于我國河流水質綜合評價的綜合水質標識指數法來綜合評價河流水質，并根據綜合水質標識指數的各級分級標準（Ⅰ類：0≤X1.X2≤2.0；Ⅱ類：2.0＜X1.X2≤3.0；Ⅲ類：3.0＜X1.X2≤4.0；Ⅳ類：4.0＜X1.X2≤5.0；Ⅴ類：5.0＜X1.X2≤6.0；劣Ⅴ類但不黑臭：6.0＜X1.X2≤7.0；劣Ⅴ類并黑臭：X1.X2＞7.0），對研究區河流的綜合水質類別，水質情況與水環境功能區類別進行評價與劃分。其計算式[15]為：

其中：

式中：Iwq為綜合水質評價指數；X1.X2由計算獲得，X3和X4根據比較結果獲得；其中X1為河流總體的綜合水質類別，X2為綜合水質在X1類水質變化區間內所處位置，X3為參與綜合水質評價的水質指標中，劣于水環境功能區目標的單項指標個數，X4為綜合水質類別與水體功能區類別的比較結果、視綜合水質的污染程度而定；m為參加綜合水質評價的水質單項指標的數目；P1′、P2′、Pm′分別為第1、第2、第m個水質因子的單因子水質指數，為對應單因子水質標識指數中的整數位和小數點后第1 位，單因子水質標識指數的中的X1.X2計算方法見參考文獻[16]。

1.4 河流富營養化指數計算方法

采用廣泛適用于我國湖、庫和地面河流水體的富營養化評價的對數型冪函數普適指數公式，計算廣利灌區區域內河流水體富營養化評價綜合指數（EI）；根據富營養化狀態的各級分級標準（貧：EI≤20；中：20≤EI≤39.42；富：39.42≤EI≤61.29；重富：61.29≤EI≤76.28；極富：76.28≤EI≤99.77），評價灌區內河流各個取樣點處水體的富營養化狀態，其計算式[17]為：

式中：Wj為指標j的歸一化權重值，本次研究將各個指標作等權重處理；EIj為指標j的富營養化評價普適指數；Yj為由“規范表示式”計算得到的指標j的“規范值”，由于不同評價指標的單位、量綱并不完全相同，致使不同指標的同級標準值差異很大，有的甚至相差幾個數量級。本文中對各個指標分別設定一個適當的“參照值”Cj，對不同指標，構造相對于指標“參照值”Cj的不同“規范變換式”，最后可計算出各指標的“規范值”Yj，具體計算方法見參考文獻[17]。

表1 2019年廣利灌區沁陽站降水量Table 1 Qinyang station in Guangli irrigation district in 2019

圖2 廣利灌區總干渠主要污染物變化特征Fig.2 Variation characteristics of main pollutants in main canal of Guangli irrigation district

2 結果與分析

2.1 廣利灌區總干渠主要污染物的時空變化特征

廣利灌區總氮（TN）、總磷（TP）、CODCr和BOD5隨時間和空間變化明顯。廣利灌區6—11月的引水量分別為75.2 萬、180.9 萬、419.5 萬、683.0 萬、1 329.7 萬和757.1 萬m3，6、7月廣利灌區引水量較少，6月河道基本處于斷流狀態（水流不連續，故未取樣）。如圖2 所示，在7月枯水期，各個監測指標質量濃度都相對較高，TN 質量濃度為5.95～17.40 mg/L，為Ⅴ類水標準的3～8.7 倍，都處于劣Ⅴ類水標準；在8月，TN 質量濃度相對其他月份較低，大多為Ⅳ類水或Ⅴ類水，最高在三號閘斷面（2.79 mg/L），超出了Ⅴ類水標準39.5%；9月TN 質量濃度呈現出和7月相同的趨勢，相對于8月增加了3 倍以上；10、11月情況類似，TN 質量濃度相對于9月有所降低。總體上整個灌區內TN 質量濃度都較高，平均質量濃度為5.30 mg/L，為地表水Ⅴ類水標準的2.65 倍。TP質量濃度在7月枯水期質量濃度較高，為0.06～0.66 mg/L，最高為Ⅴ類水標準的1.65 倍。在8月上旬，水質相對于7月逐漸轉好，但TP 質量濃度大多還處在Ⅳ類水或Ⅴ類水之間，在補源進水口處為劣Ⅴ類水，從8月下旬開始，TP 質量濃度逐漸降低，最高在三號閘斷面為0.21 mg/L，為Ⅴ類水標準的52.5%，渠道水質大多處在Ⅱ類水或Ⅲ類水。進入冬季之后，TP 質量濃度處于較低水平，但在城市下游龍澗節制閘斷面TP 質量濃度相對較高。灌區內總干渠內的TP質量濃度除夏季枯水期之外都相對較低，灌區內氮、磷比為33.97∶1，利于藻類的生長與繁殖。總干渠水體內CODCr及BOD5質量濃度較低，能滿足農業功能區用水要求，在監測期內，91%的水體都在Ⅴ類水標準以下，污染程度較輕，CODCr和BOD5呈現出的變化趨勢大致相同，7、8月質量濃度相對較高，上游水質大多為Ⅲ類水，而在9、10、11月CODCr和BOD5質量濃度逐漸回落，水質相對較好，大多為Ⅲ類水。沿總干渠走向，從上游到下游，TN 質量濃度總體上逐漸升高，最高在水東站斷面達到了17.4 mg/L。但從水東站斷面到三號閘斷面，河道為無襯砌土質渠道，TN 質量濃度呈降低趨勢，相比水東站下降了23.6%。從三號閘斷面到龍澗節制閘斷面，TN 質量濃度又呈逐漸升高的趨勢。TP 質量濃度沿總干渠走向直至補源進水口，質量濃度逐漸升高，且在水東站大幅度升高，在水東站到補源進水口，都處于Ⅴ類水標準及以下。之后在龍澗節制閘斷面質量濃度顯著降低。隨著河流經過城鎮，CODCr和BOD5質量濃度逐漸升高，最高在水東站，達到了8.10 mg/L 和35.00 mg/L，水質僅為Ⅳ類水或Ⅴ類水標準。

2.2 廣利灌區河流水質綜合變化特征

采用廣泛適用于我國河流水質綜合評價的綜合水質標識指數法來評價各取樣點不同時期的水質。由圖3 可知，在7月，隨著水流從渠首進入灌區，水質逐漸惡化，在水東站已經超出了Ⅴ類水標準，屬于劣Ⅴ類水但不黑臭，但在三號閘和補源進水口已經屬于劣Ⅴ類并產生了黑臭水體，遠遠超出了功能區所要求的水質。隨著水流經過無襯砌的土渠，水質在龍澗節制閘有所轉好，但也超出了功能區所要求的標準。在8月整個灌區內的水質相對較好，灌區總干渠內水質大多不超過Ⅳ類水標準，僅在8月上旬的補源進水口為Ⅴ類水。9月水質相對于8月下旬變差，但9月整個灌區內水質較好且穩定，在三號閘水質為Ⅲ類，其余監測點水質都為Ⅳ類。10月總干渠內水質較好，都為Ⅲ類水。11月總干渠內在三號閘和補源進水口為Ⅳ類水，其余監測點都為Ⅲ類水。

圖3 廣利灌區綜合水質標識指數Fig.3 Comprehensive water quality identification index of Guangli irrigation district

綜上所述，灌區內除7月外，在下半年水質都能滿足農業用水和一般景觀要求用水的水質要求，但在7月，整個灌區內66.7%的區域都超出了此類標準，有些地方還出現了黑臭水體。灌區總干渠內水質從渠首進入灌區內基本上都呈現出水質變差的規律，但在水東站到三號閘這2 個監測點，在50%監測時間，水質呈現出變好的趨勢。在其他時間水質增加幅度也較小，從補源進水口到龍澗節制閘，渠道經過長距離無襯砌土渠，水質相對于補源進水口處呈變好的趨勢。

2.3 廣利灌區河流水質富營養化變化特征

廣利灌區總干渠水體富營養化評價綜合指數結果如圖4 所示。

圖4 廣利灌區富營養化評價綜合指數Fig.4 Comprehensive index of evaluation status of eutrophication in Guangli irrigation district

灌區內河流富營養化水平較高，水體100%處于富營養狀態，且41.6%的水體處于重富營養化狀態。EI最低值出現在10月（51.4），EI最高值出現在7月（69.1）。富營養化水平在7月遠遠高于其他月份，屬于重富營養化水平，其中在7月補源進水口EI值達到最高值（80.5），屬于極富營養化狀態；伴隨著雨季的降雨，富營養化水平在8月呈下降趨勢；但在9月富營養化水平又有所升高，處于重富營養化水平的邊緣；10月灌區引水量加大而使富營養化水平處于下半年歷史最低點；11月富營養化水平又有所升高。就空間分布而言，所有水體都處于富營養化狀態。水體從渠首進入灌區之后，伴隨著水體經過城鎮和農業工業區，水體富營養化程度逐漸升高，但在水東站至三號閘這段除7月和10月之外，富營養化程度都有所降低，這與水質綜合評價結果一致。水體在補源進水口進行了分流，大部分水體進入補源區，另一部分水體隨總干渠往下游到達龍澗節制閘，在龍澗節制閘水體富營養化程度相對于補源進水口有所下降，但仍處于富營養化或重富營養化水平。

3 討論

3.1 總干渠水質及氮磷污染時間變化特征分析

灌區內水體水質在7月污染較為嚴重，綜合水質標識指數最高值為7.64，平均值為5.81，超出Ⅴ類水標準52.8%，屬于劣Ⅴ類水。EI最高值出現在7月的補源進水口（80.5），處于極富營養化水平；且TN、TP最大值也均出現在7月，這主要是由于7月灌區引水量較小，因此對農業面源污染和工業點源污染的稀釋作用較小，導致7月整體水質較差[18]。有研究表明，河流水體中的氮磷質量濃度隨河流流量的增加而降低[19]，但河流水體中的氮磷質量濃度并不是隨著流量的增大而一直降低，當流量達到一定值后，其質量濃度會趨于穩定[20]。TN質量濃度在8月降至較低水平。分析其原因，主要是因為河流自凈能力與降雨呈相關關系，8月降雨較多，雨水進入渠道對污染物進行了一定的稀釋，增強了河流自凈能力，致使水質變好[21]，經過對水質和降雨線性回歸分析，廣利灌區的水質與降雨之間的相關系數為0.32，呈一定的相關關系。在雨季，河流水體中的氮磷質量濃度有一定的降低，而9—11月，氮磷質量濃度顯著增加，分析原因，可能是由于雨季藻類的大量繁殖吸收了一定的氮、磷等營養元素[22]，但隨著降雨減少，氣溫降低，存在藻類死亡的情況，導致氮磷質量濃度增加[23]。廣利灌區內富營養化程度嚴重，整個灌區內的所有監測斷面都處于富營養化狀態，在8月，TP質量濃度和富營養化水平較高，這主要是受降雨的影響，降雨對地面產生沖刷，使地面污染物和土壤中的氮磷隨地表徑流進入水體中[24]，同時周圍農業生產過程中的大量化肥和農藥，牲畜糞便等也徑流到河流中[25]，但由于磷在土壤中易形成難溶或不溶的磷酸鹽，隨雨水進入水體后造成水體中磷質量濃度增高[26]，這與劉峰等[27]研究結果一致，其認為河底沉積物承擔著“匯”和“源”的作用，河流中水體的擾動使其不斷釋放磷而使水體中磷質量濃度增加，但隨著降雨量的增大，其增長幅度會逐漸變緩。對富營養化和降雨經過線性回歸分析，廣利灌區的富營養化狀況與降雨之間的相關系數為0.23，呈一定的相關關系。廣利灌區TP質量濃度在10月和11月相對于9月有所減少，且10月富營養化水平較低，這主要是由于10月灌區引水量較大，對氮磷及其他影響水質的因子進行了稀釋，使水體中TP質量濃度處于較低水平[19]，進而使EI值下降[28]。以往研究表明，一定的生態流量可以滿足河流生態系統的保護和修復需要，并在一定程度上可保障敏感河段的生態系統健康[29]。CODCr和BOD5質量濃度變化趨勢一致且隨時間變化顯著，CODCr和BOD5質量濃度在7—9月質量濃度較高，根據調查與查閱資料，CODCr主要污染源為畜禽養殖和農業種植，BOD5受到農業種植、工業廢水與生活污水影響[30]，在7—9月伴隨著降雨，農業面源污染進入渠道和工業生活污水的排放導致這段時間內的CODCr和BOD5質量濃度較高。進入10月，廣利灌區引水量達到了1 329.7萬m3，分別為7、8、9月的7.35、3.17、1.95倍，對CODCr和BOD5質量濃度進行了一定的稀釋，使CODCr和BOD5質量濃度在10月降低的一個主要原因。11月灌區引水量減少，導致11月的CODCr和BOD5質量濃度又有所升高。

3.2 總干渠水質及氮磷污染空間變化特征分析

廣利灌區流經城市生活區、村鎮工業區和農業區，污染來源較為復雜，TN、TP、CODCr及BOD5質量濃度空間變化大。灌區總干渠水質、富營養化情況、TN、TP質量濃度等從渠首進入灌區內都呈逐漸升高的趨勢。分析其原因，主要是因為廣利灌區總干渠流經城鎮生活區，區域內生活污水、工業廢水的匯集以致渠道內的TN、TP質量濃度升高，且區域內的人類活動也會引發了較多的河流生態問題[31-32]。有研究表明，水質與土地利用類型關系密切[33-35]，渠首斷面的TN、TP質量濃度較低，這主要是由于其位于五龍口沁河出山口，山區主要以林地為主，林地利于減少水土流失和水質的污染[36]。水東站斷面的水質綜合指數及TN質量濃度平均值最高，富營養化水平較高，分析原因，一方面是由于此處位于城鎮，水體中氮磷污染物受生活污水、工業廢水等排放的影響較大[37]，且城鎮排水系統較差，生活污水直接進入河道，加劇了污染程度[38]；另一方面由于城鎮污染物的排放對水生植物產生了毒害，不利于氮磷的降解，人類活動加劇了河道的富營養化水平[39]。三號閘斷面位于水東站下游，但其水質綜合指數、富營養化水平及TN質量濃度都有所減少。分析原因，主要是由于從水東站至三號閘是一段長達8 km的無襯砌土質渠道，兩岸與護坡上生長著許多水生植物。以往研究表明，渠道襯砌不僅減少了淺層地下水補給，而且影響河道護坡上草本植物的生長，影響渠道周邊的生態環境[40]，不利于水體的自我凈化，面源污染很容易通過襯砌護坡進入水體加劇水體的污染負荷[41]。從生態角度來說，土質渠道是多種草、水生生物、昆蟲等繁衍棲息的場所[1]，且水生植物對于水體中的氮磷有很好的吸收作用，對農業面源污染有很好的攔截效果[42]；其自我凈化能力相對較好。隨著水體流過村莊、鄉鎮和城市，CODCr和BOD5質量濃度逐漸升高，但從水東站到三號閘，同樣出現了質量濃度降低的情況，這與TN所呈現的規律一致，這表明土質渠道同樣對CODCr和BOD5有一定的凈化能力。

4 結論

1）廣利灌區總干渠水體內CODCr和BOD5質量濃度較低，在監測期內，91%的水體都在Ⅴ類水標準以下，污染程度較輕。

2）廣利灌區總干渠水體中主要污染物（TN、TP）時空分布特征明顯，平水期氮磷污染嚴重，豐水期氮污染嚴重。TN平均質量濃度為5.30 mg/L，為地表水Ⅴ類水標準的2.65倍，氮、磷比為33.97∶1，利于藻類的生長；氮污染是影響廣利灌區水質的最主要因素，需重點加強水體氮污染的監測與削減。

3）廣利灌區總體水質尚能滿足農業功能區用水要求，但富營養化水平較高，水體100%處于富營養化狀態，且41.6%的水體處于重富營養化狀態。因此，加大氮磷污染物在不同環節的最優滯留時間與凈化效果的研究；同時構建田間節水灌溉、溝系控制排水和河道吸收凈化的系統模式，以改變灌區氮磷污染現狀。

4）廣利灌區水質和富營養化狀況在原生態土渠和水生植物生長區有明顯改善趨勢，渠道襯砌要考慮生態環境，配比生態襯砌和原生態土渠；河道搭配水生植物，進而對河水中的氮磷等污染物進行吸附，以改善灌區水環境。