灤河流域TN濃度時空變化特征與影響因素分析

張恩廣，王 艷，楊 坤,3，彭嘉玉，呂旭波，雷 坤*，程全國

1. 沈陽大學環(huán)境學院，遼寧 沈陽 110044

2. 中國環(huán)境科學研究院流域水環(huán)境污染綜合治理研究中心，北京 100012

3. 中國海洋大學環(huán)境科學與工程學院, 山東 青島 266100

氮是自然界中普遍存在的元素[1-2]，其循環(huán)涉及硝化、反硝化、氨化作用、生物固氮等諸多過程，水體中的氮通常以硝酸鹽氮、氨氮、亞硝酸鹽氮等無機氮以及蛋白質、氨基酸和有機胺等有機氮等多種形態(tài)存在[3]. 水體中氮素的水平受眾多因素影響[4-7]，包括地質構造、地形地貌、土壤質地、氣候氣象、社會經濟和水庫的調蓄等[8-11]. 在自然變化與人類活動的影響下[12-17]，水體中的氮循環(huán)過程和氮平衡會發(fā)生改變，導致過量的氮素輸入到地表或進入地下水，引發(fā)富營養(yǎng)化、藻華和飲用水安全等問題[18-20].

灤河是海河流域的重要水系之一. 研究表明，灤河流域內水資源時空分布不均，年內與年際變化均較大[21]；河流水化學特征表現為TN濃度偏高且時空變化顯著[22]；地下水污染特征表現為硝酸鹽氮濃度水平較高[23-24]. 2022年2月生態(tài)環(huán)境部等七部門聯(lián)合印發(fā)了《重點海域綜合治理攻堅戰(zhàn)行動方案》，提出要因地制宜加強TN控制，實施入海河流TN削減. 為進一步探究灤河流域氮的變化特征及其影響因素，本文分析了2018-2022年TN濃度時空變化特征，探討了地形地貌、地下水埋深、降雨量、徑流量等因素對灤河TN濃度的影響，以期為灤河流域TN污染治理與管控提供參考.

1 研究區(qū)域與研究方法

1.1 研究區(qū)域

灤河流域位于115°30'E～119°45'E、39°10'N～42°40'N之間，該區(qū)域年均氣溫12 ℃，屬暖溫帶濕潤-半濕潤氣候. 灤河發(fā)源于河北省承德市的豐寧縣西北巴彥圖古爾山麓，流經壩上草原，穿過燕山山脈，全長1 200 km，流域面積45 000 km2. 灤河中游建設有潘家口水庫和大黑汀水庫，其中潘家口水庫位于河北省唐山市與承德市地區(qū)的交界處，壩址以上控制面積占全流域面積的75%，多年平均徑流量為24.5×108m3，占全流域多年平均徑流量的53%. 該水庫下游約30 km有大黑汀水庫，該水庫為調節(jié)水庫，與潘家口聯(lián)合調度運行，發(fā)揮防洪、供水、灌溉和發(fā)電作用. 灤河流域的流域面積大于1 000 km2的河流總共有9條，分別為青龍河、瀑河、老牛河、澈河、柳河、武烈河、興洲河、小灤河和伊遜河(見)，最終匯入渤海. 灤河流域內的大中型城市有河北省石家莊市、承德市、唐山市和秦皇島市. 灤河流域的平水期為3-5月和10-11月，豐水期為6-9月，枯水期為12月-翌年2月.

1.2 數據來源

水質數據為灤河流域2018-2022年逐月監(jiān)測結果；降雨量數據來自中國氣象數據網站(http://data.cma.cn/data/detail/dataCode/A.0012.0001.html)；地下水埋深數據來自《河北省地下水位監(jiān)測情況通報》. 流域范圍內共布設18個水質監(jiān)測點位和3個降雨量監(jiān)測點位(見圖1)，其中降雨量監(jiān)測點位分別位于灤河流域源頭、中上游、下游3個區(qū)域.

圖1 灤河流域監(jiān)測點位分布Fig.1 Distribution of monitoring points in Luan River Basin

1.3 研究方法

聚類分析：根據不同斷面點位的相似性與關聯(lián)性進行系統(tǒng)聚類分析，并利用Origin 2021軟件制圖.

相關性分析：使用SPSS 22軟件處理降雨量數據并進行非線性擬合，對TN濃度與地下水埋深數據進行Pearson相關性分析，并利用Origin 2021軟件將結果進行可視化處理. 數據處理過程中，剔除了因河道干涸帶來的異常值.

2 TN濃度時空變化特征

2.1 TN濃度空間分布特征

由2018-2022年灤河流域TN濃度平均值的空間分布(見圖2)可知，灤河干流TN濃度總體上呈現上游低、中游高、下游低的分布特征. 各子流域中，潘家口-大黑汀水庫下游的青龍河、潮河TN濃度偏低，伊遜河、武烈河、瀑河與柳河流域中TN濃度顯著高于其他河流，其中瀑河TN濃度最高，平均值高于8.00 mg/L；位于上游的閃電河流域TN濃度常年較低.

圖2 2018—2022年灤河流域TN濃度的空間分布Fig.2 Spatial distribution of TN concentrations in the Luan River Basin from 2018 to 2022

通過收集研究區(qū)域地形地貌、水質、土地利用類型等數據，對灤河流域TN濃度進行聚類分析，且依據聚類分析結果，將灤河流域TN濃度劃分為低值區(qū)、中值區(qū)和高值區(qū)(見圖3). 低值區(qū)位于灤河流域源頭區(qū)，該區(qū)域地處蒙古高原，居民村落零散分布，種植業(yè)密度較低，S1、S2斷面TN濃度保持在2 mg/L左右，常年處于較低水平.

圖3 2018—2022年灤河流域TN濃度的聚類分析結果Fig.3 Cluster analysis of TN concentrations in the Luan River Basin from 2018 to 2022

高值區(qū)位于灤河流域中上游，該區(qū)的S5～S10斷面是TN濃度較高的斷面，平均值為5.85 mg/L，其中，S10斷面為全流域TN濃度最高的斷面，多年穩(wěn)定在8.50 mg/L左右. 研究表明，導致灤河中上游干流及各支流TN濃度偏高的原因有兩方面：①灤河中游干流流經承德市城區(qū)；支流伊遜河流經隆化縣、灤平縣，在承德市區(qū)匯入灤河；支流武烈河流經承德縣，在承德市城區(qū)匯入灤河. 該區(qū)域人口眾多，畜禽養(yǎng)殖業(yè)與農業(yè)規(guī)模均較大，2018年以來總人口達到380×104人，畜禽總存欄數超過3 000×104只，出欄數超過9 000×104只，種植面積達到3 743 km2，根據折純量計算的化肥施用量高達10.43×104t. 因此，流域范圍內居民生活污水排放、畜禽養(yǎng)殖污染以及化肥的施用和流失導致河流中TN濃度較高[25]. ②伊遜河和武烈河流域地處內蒙古高原向華北平原過渡帶，區(qū)域地形多樣，山脈縱橫，導致伊遜河和武烈河水土流失嚴重，伊遜河與武烈河流域的年產沙量分別為2.10～4.43和0.97～2.05 t/hm2，土壤經降水的沖刷隨產匯流進入河道，造成河流中氮濃度升高[26].

中值區(qū)位于灤河流域下游，分布于該區(qū)的S15、S17、S18斷面TN濃度平均值為3.77 mg/L，其中，入海斷面(S18)多年穩(wěn)定在2.82 mg/L左右，2021年和2022年有所上升，最高達到6.34 mg/L. 該區(qū)處于潘家口和大黑汀水庫下游，因此潘大水庫泄水對TN濃度影響顯著，且水庫的調節(jié)、凈化作用降低了出庫水體TN濃度，使得下游河段TN濃度顯著低于中游[27]. 然而，潘大水庫早年的網箱養(yǎng)殖造成了庫底沉積物污染，近年來庫底內源污染加速釋放，加之下游城鎮(zhèn)密集、人口集聚，因此下游區(qū)TN濃度雖相比于中上游較低，卻仍處于較高水平[28].

2.2 TN和NH4+-N濃度時間分布特征

由圖4可見，灤河流域源頭區(qū)、中上游區(qū)和下游區(qū)的TN濃度均表現為枯水期＞平水期＞豐水期，呈U型分布特征，即年初平水期TN濃度逐漸降低，豐水期達到全年最低值，之后TN濃度逐漸上升，年末枯水期達到TN濃度最高值，平水期TN濃度介于豐水期和枯水期之間. 源頭區(qū)豐水期、平水期、枯水期TN濃度分別為3.27、1.76、1.48 mg/L，平水期、豐水期TN濃度維持在2.00 mg/L以內；中上游區(qū)TN濃度最高，豐水期、平水期、枯水期分別為7.76、5.49、4.06 mg/L；下游區(qū)TN濃度略低于中上游區(qū)，豐水期、平水期、枯水期分別為3.93、3.30、2.83 mg/L. 灤河流域中上游區(qū)、下游區(qū)的NH4+-N濃度均表現為枯水期＞平水期＞豐水期，源頭區(qū)波動較小，全年穩(wěn)定在0.1 mg/L左右. 豐水期徑流量的增大對TN和NH4+-N濃度有一定稀釋作用[29]，降低了水體中TN、NH4+-N濃度；枯水期河流徑流量小、溫度低、水體的降解速率與自凈能力弱，水生生物的死亡會進一步分解釋放氮，使枯水期TN濃度達到最高值[30].

圖4 灤河流域不同水期TN、NH4+-N濃度的變化特征Fig.4 Characteristics of TN and NH4+-N concentrations in different water periods in the Luan River Basin

3 TN濃度影響因素分析

3.1 降雨量

選取位于灤河流域源頭區(qū)、中上游區(qū)、下游區(qū)監(jiān)測點位(S2、S7、S18)臨近的氣象站點(R1、R2、R3)，分析TN濃度與降雨量的相關關系(見圖5). 結果表明，總體上灤河流域TN濃度與降雨量具有較好的負相關關系(P＜0.01)，相關系數絕對值(|R|)均大于0.5，中上游區(qū)|R|達到了0.96，體現出灤河流域TN濃度隨著降雨量的增大而減小的變化特點，說明降雨產生徑流時，對河道TN濃度的稀釋作用較為明顯.

圖5 灤河流域源頭區(qū)、中上游區(qū)、下游區(qū)降雨量與TN濃度的響應關系Fig.5 Response relationship between rainfall and TN concentration in the source, upstream and downstream area of the Luan River Basin

然而在極端降雨條件下，降雨量與TN濃度的關系呈現不同特征(見圖6). 2018-2022年期間，灤河流域出現多次極端降雨過程，其中，2018年7-8月，灤河流域源頭區(qū)、中上游區(qū)與下游區(qū)月降雨量均達到300 mm；2021年7月灤河流域下游區(qū)降雨量達到300 mm，源頭區(qū)與中上游區(qū)降雨量均突破350 mm，相比于7月多年平均降雨量的增幅達到50%. 由圖6可知，受強降雨影響，灤河流域源頭區(qū)在2018年7月、2021年7月出現TN濃度顯著升高的現象，中上游區(qū)和下游區(qū)在2018年8月和2021年7月出現TN濃度顯著抬升的現象. 對應于相應的月降雨量可以發(fā)現，當月降雨量小于250 mm時，TN濃度隨降雨量增大而降低；當月降雨量大于250 mm時，TN濃度呈現隨降雨量的增大而顯著升高. 2021年7月，極端降雨情況下，灤河流域源頭區(qū)、中上游區(qū)和下游區(qū)TN濃度平均值分別為3.31、6.50、4.83 mg/L，而2020年7月，正常降雨情況下，灤河流域源頭區(qū)、中上游區(qū)和下游區(qū)TN濃度平均值分別為0.95、3.97、2.26 mg/L. 因此，極端降雨事件的發(fā)生，會導致TN濃度出現明顯波動，顯著高于正常降雨情形.

圖6 灤河流域源頭區(qū)、中上游區(qū)、下游區(qū)TN濃度和降雨量隨時間的變化Fig.6 Variations of TN concentration and precipitation over time in the source, upstream and downstream area of the Luan River Basin

綜上所述，降雨對TN濃度的影響不僅存在稀釋作用，還存在沖刷作用[31-33]. 在極端降雨條件下，會造成土壤中氮素的沖刷[34]，陸面上的氮隨地表徑流進入河道，并向下游水體輸送，導致河道內氮素負荷增加，造成TN濃度的升高[35]. 此外，極端降雨事件后的一段時間內，土壤中含水量增大，氮素會進一步浸泡溶出，進而持續(xù)影響河流TN濃度[36].

3.2 水庫調蓄

進一步分析位于潘大水庫下游的河流TN濃度可以發(fā)現，不同于源頭區(qū)和中上游區(qū)，2021年8月-2022年7月，TN濃度平均值為5.28 mg/L，較2020年8月-2021年7月(平均值為2.99 mg/L)整體抬升了2.29 mg/L. 考慮到降雨和水庫調蓄均會對水庫下游河道TN濃度產生影響，對潘大水庫的上游和下游的徑流量變化(見圖7)進行分析. 結果顯示，潘大水庫上游河道徑流的變化與降雨量的變化趨勢基本保持一致，說明水庫上游降雨帶來的徑流變化對河流TN濃度的影響較大，而在水庫下游受水庫調蓄影響，2021年6-10月與2022年6月，下游河道徑流量比相同時段上游河道徑流有顯著升高. 因水庫在大量流瀉的過程中，蓄積在底層沉積物中的氮素會在水流沖刷作用下釋放出來，從而顯著增大泄水的TN濃度[37]. 據《河北省水資源公報》與引灤工程管理局的統(tǒng)計結果顯示，潘大水庫多年年均來水量為24.5×108m3，而2021年潘大水庫來水量達到了41.36×108m3，泄水量累計達25.01×108m3，與往年出庫水量相比顯著升高，可見位于水庫下游的河道，TN濃度變化還受水庫調蓄過程的影響.

圖7 潘大水庫上下游的TN濃度、徑流量和降雨量隨時間的變化特征Fig.7 Temporal variation characteristics of TN concentration, runoff and rainfall in the upper and lower reaches of the Panjiakou-Daheiting Reservoir

3.3 地下水埋深

選取灤河流域高原、丘陵和平原3種不同地貌類型對應的監(jiān)測點位S2、S16、S18，探究地下水埋深與TN濃度間的相關關系，Pearson相關性分析結果(見圖8)顯示，位于丘陵地帶的S16斷面TN濃度隨地下水埋深的減少而增加，位于下游平原地帶的S18斷面TN濃度與地下水埋深相關性不顯著(P＞0.1)，而位于內蒙古高原的S2斷面TN濃度幾乎不受地下水的影響. 這是因為高原和平原地區(qū)地形平坦、地勢差較小，且地下水埋深較大. 其中高原地區(qū)地下水埋深基本上為10 m，平原地區(qū)在8～13 m之間，導致地下水常年無法補給到地表水，地表水與地下水之間難以發(fā)生交互作用[38-39]. 而在灤河流域丘陵地區(qū)，研究表明地表水與淺層地下水間存在密切的水力聯(lián)系，由地形控制地下水與地表水由高地勢向低地勢流動，且在水體遷移轉化的過程中存在不同程度的交互作用[40]，存在豐水期地表水補給地下水、枯水期地下水補給地表水的現象.

圖8 灤河流域不同地貌類型地下水埋深與TN濃度的響應關系Fig.8 Response relationship between groundwater depth and TN concentration in different landform types in the Luan River Basin

進一步探究丘陵地區(qū)地下水補給地表水過程中氮的遷移轉化規(guī)律，選取S16斷面分析NO3--N和NH4+-N濃度對地下水埋深的相關關系(見圖9). NO3--N濃度與地下水埋深的|R|值為0.75(P＜0.01)，相關性顯著，而NH4+-N與地下水埋深的|R|值僅為0.41. 究其原因是包氣帶中NH4+-N含量極少，在地下水與地表水的交互作用中，包氣帶中的氮素主要以NO3--N的形式進入地下水中且隨之遷移轉化，并在與地表水的交互作用中進入地表水體[41-44]. 有學者對灤河流域地下水水質變化特征進行研究[45]，結果表明，豐水期地表水對地下水的補給會造成地下水的污染，但地表水向地下水的運移存在滯后性，這一滯后性使地下水在枯水期NO3--N濃度達到最大值，并在枯水期地下水補給地表水的過程中影響河流NO3--N的濃度，進而造成TN濃度的升高. 因此在灤河流域中上游區(qū)丘陵地區(qū)，枯水期地下水可能側向補給地表水進而造成TN濃度的升高. 綜上所述，灤河流域丘陵地帶復雜的地表水-地下水交互作用是影響河流TN濃度變化的原因之一. 當然，地表水與地下水的交互過程復雜且影響因素諸多，僅通過地下水埋深的變化難以完全揭示二者之間的關系，需要結合地下水水質變化進行深入分析.

圖9 灤河流域丘陵地區(qū)地下水埋深與NO3—-N和NH4+-N濃度的響應關系Fig.9 Response relationship between groundwater depth and NO3--N and NH4+-N concentrations in the hilly area of the Luan River Basin

4 結論

a) 灤河流域TN空間分布異質性強，源頭區(qū)常年穩(wěn)定在2 mg/L左右的低濃度值；中上游區(qū)TN濃度最高，平均值為5.85 m/L，部分斷面超過了10 mg/L；下游區(qū)受到潘大水庫調節(jié)，TN濃度較中上游區(qū)有所下降，維持在5 mg/L左右.

b) 降雨量對TN濃度影響顯著，當月降雨量小于250 mm時，降雨量的增加對河流TN濃度有一定的稀釋作用，TN濃度隨降雨量的增加而減少；當月降雨量大于250 mm時，極端降雨沖刷作用導致地表與土壤中積蓄的氮進入水體，使得TN濃度顯著升高，并持續(xù)影響后續(xù)月份的TN濃度.

c) 潘大水庫的調蓄作用對TN濃度的影響顯著，水庫短期內的大量泄水會極大地增加河道徑流，從而使水庫底層沉積物中積蓄的氮素，在水流的沖刷作用下釋放，極大地增加泄水TN的濃度，造成水庫下游地區(qū)TN濃度的升高.

d) 地下水埋深對灤河流域TN濃度的貢獻，受局地地勢地貌影響較大. 灤河流域下游平原地區(qū)與源頭高原地區(qū)的地勢起伏小且地下水位較深，地下水常年無法補給到地表水；中上游的丘陵地區(qū)地勢起伏大且地下水埋深較淺，存在地下水與地表水的交互作用，表現為枯水期地下水補給地表水，地表水NO3--N濃度升高，進而影響了河流TN濃度.