巢湖入湖河流不同污染物對降雨的響應(yīng)關(guān)系分析

錢 華 錢 圓 高 芮

(安徽省巢湖管理局湖泊生態(tài)環(huán)境研究院,安徽 合肥 238000)

巢湖是安徽境內(nèi)最大湖泊,也是我國五大淡水湖泊之一。 巢湖流域人口密度大,經(jīng)濟(jì)強(qiáng)度高,隨著流域內(nèi)城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快,人類活動產(chǎn)生的大量污染物通過降雨徑流、排放等形式進(jìn)入河道,最終匯入巢湖。 2019年下半年,巢湖流域持續(xù)干旱,而2019 年底至2020 年初,巢湖流域降水量漸增。 本文通過探究2019 年從持續(xù)干旱到降水量增強(qiáng),結(jié)合巢湖湖區(qū)及主要入湖河口水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù),研究降水量對巢湖流域水質(zhì)的響應(yīng)關(guān)系。

1 流域概述

巢湖流域位于東經(jīng)117°00′～118°29′、北緯30°56′～32°02′之間,總面積為13486km2,占安徽省總面積的9.66%。 巢湖流域?qū)俦睙釒駶櫦撅L(fēng)氣候區(qū),年均氣溫為15.8℃,年降水量約為1120mm[1]。 流域內(nèi)主要出入湖河流有杭埠河、南淝河、派河、兆河、白石天河、柘皋河、十五里河、雙橋河,其中杭埠河、南淝河、白石天河3 條河流入湖徑流量占75%以上。

由圖1 可知,2019 年巢湖流域平均降水量為754mm,較流域常年降水量偏少32.6%。 從流域平均降水量的年內(nèi)分布來看,6 月降水量最多(183mm),其次為2 月(105mm)和8 月(77mm)。 9 月、10 月降水量分別僅為10mm 和11mm,為2019 年降水量最少的連續(xù)兩個月份。

圖1 巢湖流域2019 年1—12 月降水量

2 數(shù)據(jù)來源及儀器設(shè)備、分析方法

為確保分析數(shù)據(jù)具有良好的連續(xù)性和研究意義,本文的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)取自于南淝河施口國家水質(zhì)自動監(jiān)測站和杭埠河北閘渡口國家水質(zhì)自動站,數(shù)據(jù)尺度為2019 年1 月至2020 年1 月。 南淝河施口站分析儀器為深圳宇星公司的YX-NH3-N-Ⅲ氨氮水質(zhì)自動分析儀,YX-CODMn 高錳酸鹽指數(shù)水質(zhì)自動分析儀,YXTNP 總氮、總磷水質(zhì)自動分析儀,杭埠河北閘渡口站分析儀器為日本島津公司的NHN-4210 氨氮自動水質(zhì)分析儀、美國哈希公司的DKK203A 高錳酸鹽指數(shù)水質(zhì)和DKK NPW-160 總磷、總氮自動分析儀,兩個站點(diǎn)的儀器監(jiān)測方法均為《水和廢水監(jiān)測分析方法》(第四版)(增補(bǔ)版)[2]中各指標(biāo)的分析方法。 降水量數(shù)據(jù)取自數(shù)字巢湖平臺撮鎮(zhèn)建華氣象站與豐樂氣象站,數(shù)據(jù)尺度均為2019 年,其中水質(zhì)數(shù)據(jù)平均4h 自動監(jiān)測一次,全天共有6 組數(shù)據(jù),降雨數(shù)據(jù)全天共有24 個。 采用數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的方法研究水質(zhì)與降水量間的響應(yīng)關(guān)系。

3 巢湖流域水質(zhì)總體情況

根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)中規(guī)定的項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)限值對巢湖湖區(qū)水質(zhì)進(jìn)行評價。 從水質(zhì)類別來看,2019 年巢湖全湖水質(zhì)由Ⅴ類好轉(zhuǎn)為Ⅳ類,總氮、總磷、氨氮、化學(xué)需氧量均呈下降趨勢;全湖總氮和總磷全年平均濃度為1.18mg/L 和0.078mg/L,較2018 年分別下降18.4%和23.5%,見表1。 2020 年1 月,巢湖東半湖水質(zhì)為Ⅲ類,水質(zhì)良好;西半湖水質(zhì)為Ⅳ類,呈輕度污染;全湖平均水質(zhì)為Ⅳ類,呈輕度污染。 全湖總氮、總磷濃度均值分別為1.30mg/L、0.054mg/L,與2018 年同期相比,分別下降19% 和29%。

表1 2015—2020 年巢湖全湖及東、西半湖水質(zhì)類別

巢湖主要入湖河流中,南淝河是主要的河流之一,干流上游為董鋪水庫的攔蓄,平時基本無水量下泄,水文特征主要受大氣降水影響,河流量季節(jié)性變化很大。其主河道流經(jīng)合肥市區(qū),接納合肥市眾多污水處理廠尾水、城市生活污水和工業(yè)廢水[3],水質(zhì)為劣Ⅴ類。 杭埠河位于巢湖流域西南側(cè),發(fā)源于皖西大別山山區(qū),為直接入巢湖最大支流。 從污染結(jié)構(gòu)分析,入河污染主要來自于農(nóng)村生活污染、農(nóng)業(yè)面源污染、規(guī)模化畜禽養(yǎng)殖及底泥釋放。 農(nóng)村生活污染及種植業(yè)是第一大污染源[4],為典型的農(nóng)業(yè)面源污染型河流,河流水質(zhì)為Ⅲ類。 主要指標(biāo)中,2019 年南淝河和杭埠河均較2018 年同期明顯下降,其中總磷和氨氮下降幅度較大。 具體情況見表2。

表2 2019 年巢湖主要出、入湖河流營養(yǎng)鹽濃度單位:mg/L

3.1 2019 年巢湖水質(zhì)變化情況

3.1.1 湖區(qū)水質(zhì)

對巢湖湖區(qū)8 個國控?cái)嗝?019 年1 月至2020 年1 月巢湖主要污染指標(biāo)逐月水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行的分析表明,東、西半湖及全湖的總氮、氨氮濃度總體呈下降趨勢,2019 年12 月和2020 年1 月,西半湖和全湖反彈明顯;總磷濃度年內(nèi)波動較大,2019 年8 月后總體呈下降趨勢;除2019 年1 月和9 月外,東、西半湖及全湖化學(xué)需氧量總體變化不大。 具體變化情況見圖2。

圖2 2019 年1 月至2020 年1 月巢湖主要指標(biāo)逐月濃度

3.1.2 河流水質(zhì)

對2019 年1 月至2020 年1 月南淝河、杭埠河主要污染指標(biāo)逐月水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行的分析結(jié)果見圖3,從中可以看出,總氮均呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢,至12 月開始反彈,并持續(xù)到2020 年1 月;南淝河氨氮與總氮趨勢一致,其他河流氨氮全年處于低位波動。 值得注意的是,氨氮與總氮一樣,自2019 年12 月開始反彈,并持續(xù)到2020 年1 月。 總磷的變化差異較大,其中南淝河總體呈逐漸下降趨勢,杭埠河在12 月出現(xiàn)明顯反彈,而南淝河在2020 年1 月出現(xiàn)明顯反彈。 化學(xué)需氧量全年呈波動態(tài)勢,且上半年波動幅度較大,自7 月開始波動幅度收窄,并持續(xù)至2020 年1 月。

圖3 2019 年1 月至2020 年1 月出入湖河流主要指標(biāo)逐月濃度

3.2 干旱對巢湖主要入湖河流水質(zhì)的影響分析

2019 年下半年,巢湖流域干旱少雨,2019 年底至2020 年初,巢湖流域降水量漸增,流域監(jiān)測數(shù)據(jù)表明,主要入湖河流污染物濃度在2019 年12 月和2020 年1月均出現(xiàn)環(huán)比上升的態(tài)勢。 巢湖入湖支流中,南淝河與杭埠河入湖徑流量較大,約占75%以上,以南淝河和杭埠河為例,分析2019 年以來降水情況對河流水質(zhì)的影響。

2019 年南淝河流域降水量為472.9mm,其中1 月底至2 月中旬、6 月中旬、11 月下旬為年內(nèi)主要降雨時段。 2020 年1—2 月,南淝河流域共計(jì)降水144.9mm,較2018 年同期的164.9mm 減少12%。 結(jié)合水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析(圖4)可以看出,南淝河氨氮和總磷在2019 年6—9月、2019 年12 月至2020 年2 月隨著降水量的增加而反彈的趨勢較為明顯。 總氮、高錳酸鹽指數(shù)濃度受降水影響不明顯,氨氮、總磷最高濃度與降水量有正相關(guān)。

圖4 南淝河降水量與水質(zhì)變化

杭埠河流域2019 年降水量為651.8mm(豐樂雨量站),其中2 月、6—8 月為年內(nèi)主要降雨時段。 2020 年1—2 月,杭埠河流域共計(jì)降水87.3mm,較2018 年同期的146.8mm 減少40%。 結(jié)合水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析(圖5)可以看出,杭埠河總磷在2019 年3—8 月、2019 年12 月至2020 年2 月隨著降水量的增加而反彈的趨勢較為明顯。 2019 年內(nèi)總氮雖然受降水量變化不明顯,但自2020 年1 月總氮的濃度有著明顯抬升。

圖5 杭埠河降水量與水質(zhì)變化

3.3 降雨典型時段對水質(zhì)的影響分析

進(jìn)一步選取降水量大于20mm 的持續(xù)降雨期及前后3d 為統(tǒng)計(jì)時段,分析降水對南淝河與杭埠河水質(zhì)的影響。 2019 年的4 次大于20mm 的持續(xù)性降雨均引起了南淝河氨氮和總磷的反彈,且降水量越大,響應(yīng)越快,見圖6。 2019 年6 月20 日的降水量為全年最大(66.5mm),南淝河總磷當(dāng)天即開始反彈,隨后持續(xù)晴天,總磷在次日達(dá)到峰值,第3 日開始逐漸降低,第4日恢復(fù)至降雨前水平。 從2020 年1 月7 日開始的持續(xù)性降雨期間,南淝河氨氮和總磷均持續(xù)上升。 而杭埠河流域土地利用類型主要為農(nóng)用地,形成徑流所需的降水量要大于南淝河,2019 年的5 次降水量大于20mm 的單次降雨均引起了杭埠河總磷的反彈,但響應(yīng)時間與降水量并不成正比;總氮濃度對降雨強(qiáng)度并無明顯響應(yīng),見圖7。 值得注意的是,2020 年1 月下旬的持續(xù)性降雨期間,杭埠河總氮和總磷濃度均持續(xù)上升。

圖6 持續(xù)性降雨對南淝河水質(zhì)影

圖7 持續(xù)性降雨對杭埠河水質(zhì)影

4 討 論

降雨是水質(zhì)波動的影響因素之一,而降雨特征(降水量、降雨強(qiáng)度和雨前干旱天數(shù))、土地利用類型對水質(zhì)變化有著重要影響[5]。 巢湖流域8 條主要入湖河流污染源結(jié)構(gòu)復(fù)雜,南淝河流經(jīng)合肥城區(qū),其水質(zhì)受城市污染影響較大,水質(zhì)污染較為嚴(yán)重。 杭埠河水質(zhì)較好,污染源以農(nóng)業(yè)面源為主[6]。 入湖的污染負(fù)荷不僅受到污染因子濃度的影響,也與入湖河流的水量有關(guān)。 參照王書航、蔡林穎等[6-7]研究成果對巢湖入湖河流進(jìn)行劃分,以入湖水量較大的南淝河與杭埠河作為典型的城市污染型河流與農(nóng)村污染型河流,探究不同污染類型的河流水質(zhì)對降雨強(qiáng)度的響應(yīng)關(guān)系。

由于巢湖流域2019 年為大旱年[8],入湖水量較往年大幅下降,導(dǎo)致入湖污染物總量偏低。 一方面,使得巢湖入湖河流主要污染物指標(biāo)在2019 年下半年較往年偏低;另一方面,隨著干旱無雨天數(shù)的增加,降雨徑流所產(chǎn)生的污染負(fù)荷趨勢也會增加[9],使得污染物在未來的降雨期隨著地表徑流沖刷進(jìn)入下游水體,造成入湖河流水質(zhì)下降的風(fēng)險增加。 通過對巢湖流域典型河流入湖斷面的降雨和水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,可以得出結(jié)論:降雨對巢湖水質(zhì)變化影響明顯,降雨與水質(zhì)的響應(yīng)關(guān)系表現(xiàn)了流域污染特征,兩條入湖河道水體總磷的影響均較為明顯,對總氮的影響不大,但對城市河流的氨氮影響顯著。

南淝河流域內(nèi)多為城市硬化地面,產(chǎn)生徑流的時間及蓄水量均小于自然地面,且在有較大強(qiáng)度降雨前干旱期較長,有大量的地表滯留、管網(wǎng)沉積等污染物,極易隨著徑流排入流域收納水體,引起水體污染物濃度上升[9]。 從數(shù)據(jù)分析結(jié)果看,南淝河總氮、高錳酸鹽指數(shù)受降雨影響不明顯,氨氮、總磷隨著降水量增加而迅速上升,且降水量越大,響應(yīng)時間越短。 據(jù)有關(guān)研究表明,南淝河城區(qū)段表層含磷沉積物分布受排口影響較大,而城市污水處理廠的尾水在很大程度上是受納水體的重要磷源[10];而總氮與氨氮對降雨的響應(yīng)規(guī)律不一致,在降雨初期沖刷效益不明顯,可能是因?yàn)榻涤炅芟创髿庵械腘H4+-N 占總氮的主要部分[11]。

杭埠河監(jiān)測點(diǎn)附近多為農(nóng)田,由于農(nóng)田土壤的透水性,在小雨期間由于降雨強(qiáng)度小,未超過土壤自身的載水負(fù)荷,徑流形成需要時間[12],因此杭埠河水質(zhì)對降雨的響應(yīng)一般發(fā)生在大到暴雨期間,并呈現(xiàn)出滯后性。 從數(shù)據(jù)分析結(jié)果看,杭埠河水質(zhì)只有總磷對降雨有明顯的響應(yīng),總氮和氨氮并無明顯響應(yīng),可能由于以下原因:該流域顆粒態(tài)磷負(fù)荷較大,高于巢湖流域平均水平[13],在雨水沖刷與水土流失的作用下進(jìn)入河流,致使水體總磷濃度的上升;而氮的轉(zhuǎn)化途徑多樣,降雨徑流會帶來氮負(fù)荷,反硝化作用又會去除氮[14]。 所以,杭埠河的總磷對降雨有明顯的響應(yīng),總氮和氨氮并無明顯響應(yīng)。

5 結(jié) 論

a.2019 年1 月至2020 年1 月巢湖東、西半湖及全湖的總氮、氨氮濃度總體呈下降趨勢,但在2019 年12 月和2020 年1 月,巢湖流域雨量漸增,西半湖和全湖總氮反彈明顯;而總磷濃度年內(nèi)波動較大,主要入湖河流污染物濃度均呈現(xiàn)環(huán)比上升的態(tài)勢。 這是由于2019 年的持續(xù)干旱,地表蓄積的氮、磷污染物極易在強(qiáng)降雨沖刷下隨徑流大量進(jìn)入湖體,使湖區(qū)水質(zhì)突發(fā)性下降和氮、磷營養(yǎng)鹽升高。

b.2019 年南淝河流域降水量為472.9mm,較2018 年同期減少12%。 全年4 次降雨量大于20mm 及前后3 天的持續(xù)性降雨與水質(zhì)數(shù)據(jù)的比對分析顯示,在年度最大降雨量最大的2019 年6 月20 日(66.5mm),總磷濃度從前一天的0.398mg/L 上升到當(dāng)天的0.425mg/L,并于6 月21 日達(dá)到高點(diǎn)0.533mg/L,隨后降至6 月22 日的0.347mg/L,并持續(xù)下降。 氨氮濃度范圍在1.071 ～2.477mg/L,最高濃度為5.39mg/L,出現(xiàn)在最大降雨量的前一天,隨后呈下降趨勢,總氮、高錳酸鹽指數(shù)濃度則受降雨影響不明顯,氨氮、總磷最高濃度與降水量正相關(guān)。

c.2019 年杭埠河流域降水量為651.8mm。 全年5次降水量大于20mm 及前后3 天的持續(xù)性降雨與水質(zhì)數(shù)據(jù)的比對分析顯示,在年度最大降水量最大的2019年6 月20 日(54.5mm),總磷濃度范圍在0.118 ～0.230mg/L,最高濃度為0.336mg/L,出現(xiàn)在最大降水量的第三天,與降水量呈正相關(guān),但顯示出延后性,總氮、氨氮和高錳酸鹽指數(shù)濃度受降雨影響不明顯。