降雨事件下洱海北部主要入湖河流污染物特征分析*

聶菊芬 唐 誠# 王俊松 郭 豪 王 旭 黃智剛 和 弦 秦 江 楊順濤 李明民

(1.云南省生態環境科學研究院,云南高原湖泊流域污染過程與管理重點實驗室,云南 昆明 650034;2.廣西大學農學院,廣西農業環境與農產品安全重點實驗室,廣西 南寧 530004)

過量化肥投入提高了表層土壤養分富集,雨季暴雨事件的頻繁發生,加之劇烈的農田景觀異質性變化,導致徑流攜帶大量氮磷等營養鹽進入河流水系、湖泊等,加劇水體富營養化和水質退化,造成農業面源污染[1-6]。洱海是云南境內僅次于滇池的第二大湖泊,是中國第七大淡水湖泊。近年來,洱海流域農業墾殖活動不斷加強,加之該區域獨特的氣候特征,雨季暴雨徑流攜帶大量養分入湖,導致水體環境質量下降[7-8],特別是一系列人為活動導致的氮素等污染物輸入湖泊河流,造成水體中氮以氨氮、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮、溶解性有機氮等多種形式存在,其中硝酸鹽氮是導致水質惡化的主要形態[9-12]。同時不合理的耕種模式導致護岸生態功能脆弱等原因,造成洱海流域面源污染日趨嚴重,成為洱海生態環境治理的重點問題[13-14]。

目前針對洱海流域入湖污染物已進行大量研究[15-18]。黃明雨等[19]通過對洱海流域20條入湖河流進行水質、水量監測調查,闡述了洱海西岸入湖河流水質水量特征,估算了入湖污染負荷。張曉雪等[20]通過系統開展洱海流域海潮河灣沉積物總氮、總磷和有機質的含量分析與污染評價,明確了該區域沉積物營養物質的空間分布,為后續洱海流域河灣的保護治理提供了科學依據。石宏博等[21]和普燕爽等[22]的研究結果則表明了降雨徑流攜帶污染物進入湖體是洱海流域入湖污染物的主要來源貢獻。此類研究雖然探究了洱海流域部分入湖污染物,估算了入湖污染物負荷,但針對次降雨與洱海流域入湖典型污染物的特征和定量污染物入湖負荷的研究還較匱乏。

北三江流域(羅時江、彌苴河、永安江流域)作為洱海流域的主要補水流域,該流域內農田徑流氮磷污染嚴重,雖然目前環湖截污工作已完成,但湖體水質達到公眾期待仍有差距。且洱海湖體周圍已建成一定規模的調蓄帶,枯水期流域內生活用水、農業灌溉用水等幾乎無法進入湖體,只有在降雨豐水期,徑流攜帶一定污染物進入洱海,導致洱海水質雨季下降[23]。因此,控制雨季主要河道污染物隨水入湖成為洱海水環境保護的關鍵。同時,針對洱海流域雨季入湖污染物的來源,可依據以下標準進行判別:1)若河流中某污染物主要來自于點源時,其旱季時濃度應明顯高于雨季時;2)非點源引起的污染為主時,其雨季時濃度則應明顯高于旱季時。該規律可用來對污染物主要來自點源還是非點源作基本的判斷,進而對洱海流域雨季污染物來源做出判斷[24-27]。本研究以洱海流域北三江流域為研究對象,在河流入湖口布設監測設施,于雨季(7—9月)監測6場降雨事件下的主要入湖污染物,通過對洱海北三江降雨徑流污染負荷輸移變化的研究,闡明上游入湖暴雨徑流負荷時空分布特征,評估入湖負荷對北三江入湖水質的影響,為洱海的生態保護與治理提供依據。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

研究區位于洱海流域北部區域的羅時江(25.940 334 07°N,100.099 945 50°E)、彌苴河(25.921 159 75°N,100.134 488 38°E)和永安江(25.950 394 05°N,100.144 222 27°E),分別在入湖口布設了監測斷面(見圖1),收集河流基本信息與降雨事件下的入湖污染物特征數據。該區域以種植業為主,經濟產業結構基本保持農業、輕工業、旅游業等協調發展的模式。研究區內降水量的年際變化較強烈,是由于季風活動強弱差異和進退早遲而造成的。洱海流域年降水量由南向北、由西向東遞減,在流域西部和北部,降水量受地形影響較明顯,隨著高程升高而顯著增大。全年降水量主要集中在5—10月,占全年降水量的84.9%～93.2%,說明該時段降水量較大程度決定了年降水量,每年11月至次年4月降水量僅占全年降水量的6.8%～15.1%,最大月降水量出現在7或8月,最小月降水量出現在12月。洱海流域年降水量年際變化相對較穩定,但呈逐年減少趨勢,并存在豐→枯→豐等多個循環交替。

圖1 洱海北三江流域水系圖

1.2 監測斷面設置

環湖常規監測通常只能采集到降雨期間瞬時水樣,雨季時由于降雨特征、匯水區特征和污染物本身性質的影響,降雨徑流一次徑流污染過程中污染物濃度變化范圍較大,且隨機性強,單次采樣難以定量掌握暴雨期間入湖負荷。為表征徑流污染程度及其對洱海的影響,通過實地現場調查,依據匯流面積、河流污染源構成、地形地貌、土地利用形式、種植結構等特點,綜合考慮北三江空間分異類型單元,選擇在河流入湖口設置監測斷面進行暴雨徑流過程水質水量同步監測。表1為北三江3條入湖河流的基本信息。

表1 洱海流域北三江河流基本信息

1.3 監測方法

按照監測布點,對2019年度雨季北三江入湖河流6場降雨徑流水質水量過程調查觀測。水樣采集:2019年7—9月共采集到6次降雨事件,如果降雨事件的降雨過程不超過6 h,則采樣方式為在每次降雨事件的第0.5、1.0、1.5、2.0、3.0、4.0、5.0、6.0 h分別測定水深、流速并采集水樣,如果降雨過程超過6.0 h,前6.0 h采樣方法相同,在6.0 h后每2.0 h分別測定水深流速并采集水樣;由于流域匯流面積差異,前述采樣時間步長可根據實際情況調整,原則上水位每上漲5～10 cm采樣,到達水位峰值后,適當延長采樣間隔,直至回落到采樣前水位。參照《地表水和污水監測技術規范》(HJ/T 91—2002),監測項目化學需氧量(COD)、氨氮、硝態氮、正磷酸鹽、可溶性總氮(TDN)和可溶性總磷(TDP)分別采用重鉻酸鉀法、納氏試劑比色法、紫外分光光度法、鉬銻抗比色法、堿性過硫酸鉀消解-紫外分光光度法和鉬酸銨分光光度法測定。

1.4 污染物入湖負荷

入湖徑流量計算公式見式(1),污染物入湖負荷的計算公式見式(2)。

V=∑viDiWiΔti

(1)

M=∑viDiWiciΔti

(2)

式中:V為單場次降雨入湖徑流量,m3;vi為樣品i監測時的瞬時流速,m/s;Di為河流深度,m;Wi為河流寬度,m;Δti為采樣間隔時間,s;M為單次降雨事件徑流污染物入湖負荷,g;ci為樣品i在此徑流中的養分質量濃度,mg/L。

1.5 數據處理與分析

數據用Excel 2016和SPSS 21.0進行處理和分析。

2 結果與分析

2.1 洱海北部北三江降雨與入湖徑流量特征

監測場次降雨情況如表2所示。其中,R3的降雨達到了暴雨級別(>50 mm),其余的5場降雨均達到了大雨級別(25～50 mm)。R1時,北三江平均降雨時長最長為3 003.3 min,雨強也最小,平均為0.53 mm/h。R5時,降雨時長平均最短,平均約1 583 mim,平均雨強為1.10 mm/h。R3的降雨時長僅次于R1和R6,但平均雨強為6場降雨中最大,達到了1.33 mm/h。6場降雨北三江入湖總徑流量分別為R3(2 474.3×103m3)>R6(2 059.0×103m3)>R4(1 595.4×103m3)>R5(1 369.4×103m3)>R2(1 165.6×103m3)>R1(371.5×103m3)。6場降雨入湖總徑流量最大的是彌苴河,約占北三江入湖總徑流量的47%。

表2 2019年雨季6場降雨情況

R3降雨時,降雨量為6場降雨事件最大,達到了50.6 mm,彌苴河入湖徑流量為1 481.0×103m3,是羅時江和永安江入湖徑流量總和的1.49倍,占此次降雨事件北三江入湖總徑流量的59.9%。除R1降雨事件彌苴河入湖徑流量低于永安江和羅時江,其余均高于永安江和羅時江。6場降雨的入湖徑流量與降雨量趨勢相同,降雨量越大,入湖徑流量越大。北三江入湖徑流量呈現出彌苴河>永安江>羅時江。

2.2 雨季污染物入湖濃度特征

2019年雨季6場降雨事件下北三江污染物入湖平均質量濃度與降雨量見圖2。

圖2 2019年雨季6場降雨事件下北三江污染物入湖平均質量濃度與降雨量

硝態氮和TDN入湖平均濃度總體為彌苴河>羅時江>永安江,但氨氮只有在9月的兩場降雨R5、R6下是彌苴河>羅時江>永安江,整體上呈現羅時江>永安江>彌苴河,且入湖平均濃度最低值為R3的彌苴河。北三江氨氮入湖濃度整體上與降雨量有關,降雨量越大,氨氮入湖濃度越高。在6場降雨過程中,羅時江氨氮入湖質量濃度為0.23～0.76 mg/L,平均為0.34 mg/L;彌苴河氨氮入湖質量濃度為0.10～0.37 mg/L,平均為0.26 mg/L;永安江氨氮入湖質量濃度為0.20～0.40 mg/L,平均為0.27 mg/L。3條河流氨氮入湖質量濃度加權平均值均在0.50 mg/L以下。羅時江硝態氮入湖質量濃度為0.08～0.59 mg/L,平均為0.29 mg/L;彌苴河硝態氮入湖質量濃度為0.03～0.87 mg/L,平均為0.50 mg/L;永安江硝態氮入湖質量濃度為0.01～0.77 mg/L,平均為0.25 mg/L。硝態氮入湖質量濃度加權平均值均在0.80 mg/L以下。羅時江TDN入湖質量濃度為0.47～1.41 mg/L,平均為0.70 mg/L,最大值出現在R3;彌苴河TDN入湖質量濃度為0.43～1.21 mg/L,平均為0.83 mg/L;永安江TDN入湖質量濃度為0.41～1.28 mg/L,平均為0.60 mg/L。3條河流TDN入湖平均質量濃度均在1.0 mg/L以下。

正磷酸鹽入湖平均濃度為彌苴河>羅時江>永安江。羅時江正磷酸鹽入湖質量濃度為0.03～0.06 mg/L,平均為0.04 mg/L;彌苴河正磷酸鹽入湖質量濃度為0.03～0.07 mg/L,平均為0.05 mg/L;永安江正磷酸鹽入湖質量濃度為0.02～0.05 mg/L,平均為0.03 mg/L。3條河流正磷酸鹽均在0.07 mg/L以下。TDP與降雨量關系不明顯,R2時北三江TDP入湖平均濃度差異顯著(P<0.05),但其他5場降雨事件則差異不顯著(P>0.05),總體上呈現彌苴河>羅時江>永安江。羅時江TDP入湖質量濃度為0.05～0.13 mg/L,平均為0.08 mg/L;彌苴河TDP入湖質量濃度為0.06～0.21 mg/L,平均為0.10 mg/L;永安江TDP入湖質量濃度為0.04～0.09 mg/L,平均為0.06 mg/L。TDP入湖平均濃度均在0.2 mg/L以下。從氮磷指標來看,北三江入湖水質均為《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)中的Ⅱ類。

除R2外,彌苴河COD入湖平均質量濃度均高于20 mg/L;羅時江則在R1～R4時均高于20 mg/L;永安江則只有在R1時高于20 mg/L。6場降雨過程中,羅時江COD入湖質量濃度為10.31～44.44 mg/L,平均為21.79 mg/L,平均超標濃度0.1倍,最大超標濃度1.2倍,2019年雨季降雨羅時江COD為GB 3838—2002中Ⅲ類;彌苴河COD入湖質量濃度為12.44～34.49 mg/L,平均為25.79 mg/L,平均超標濃度0.3倍,最大超標濃度0.7倍,2019年雨季降雨彌苴河COD為GB 3838—2002中Ⅲ類;永安江COD入湖質量濃度為10.67～28.44 mg/L,平均為16.37 mg/L,平均濃度未超標。

綜合來看,羅時江、彌苴河R1下COD僅達到GB 3838—2002中Ⅳ類,雨季COD入湖平均濃度達到GB 3838—2002中Ⅲ類。說明暴雨徑流過程中還原性物質特別是有機類污染物集中入湖的情況較突出,對洱海水質影響較大。永安江COD入湖平均濃度可達GB 3838—2002中Ⅱ類。北三江雨季降雨徑流水質狀況較好,硝態氮、氨氮、TDN、正磷酸鹽和TDP入湖平均濃度均屬于GB 3838—2002中Ⅱ類。各降雨事件下污染物入湖平均濃度差異顯著(P<0.05),雨季時產生的大量降雨徑流及徑流過程中的污染物濃度波動,必然在雨季帶來較大的沖擊負荷。控制還原性物質特別是有機類污染物進入水體,是提升羅時江、彌苴河、永安江入湖水質的關鍵環節。

2.3 雨季污染物入湖負荷

2019年雨季6場降雨事件下北三江污染物入湖負荷見圖3。羅時江、彌苴河、永安江氨氮入湖總負荷分別為676.21、961.43、736.30 kg,彌苴河分別為羅時江、永安江的1.42、1.31倍,占北三江氨氮入湖總負荷的40.5%。單次降雨北三江氨氮入湖負荷順序為R3(560.70 kg)>R6(501.21 kg)>R5(424.09 kg)>R4(394.55 kg)>R2(367.14 kg)>R1(126.26 kg),最大入湖負荷為R6的彌苴河(239.13 kg),占同期北三江氨氮入湖總負荷的47.7%。

圖3 2019年雨季6場降雨事件下北三江污染物入湖負荷

硝態氮入湖負荷總體呈現出彌苴河>永安江>羅時江,羅時江與永安江硝態氮入湖負荷差異不顯著(P>0.05),與彌苴河差異顯著(P<0.05)。最大入湖負荷為R3的彌苴河(1 110.83 kg),占同期北三江硝態氮入湖總負荷的75.7%。彌苴河硝態氮入湖總負荷為2 638.93 kg,分別為羅時江、永安江的4.15、3.38倍,占北三江硝態氮入湖總負荷的65.0%。

TDN入湖負荷與硝態氮趨勢相同,總體呈現出彌苴河>永安江>羅時江,羅時江與永安江入湖TDN負荷差異不顯著(P>0.05),與彌苴河差異顯著(P<0.05)。最大入湖負荷為R3的彌苴河(1 403.53 kg),約占同期北三江TDN入湖總負荷的64%。彌苴河TDN入湖總負荷為3 859.20 kg,分別為羅時江、永安江的2.67、2.26倍,占北三江TDN入湖總負荷的55.0%。

正磷酸鹽入湖負荷與硝態氮、TDN趨勢相同,總體呈現彌苴河>永安江>羅時江,羅時江與永安江TDN入湖負荷差異不顯著(P>0.05),與彌苴河差異顯著(P<0.05)。最大入湖負荷為R3的彌苴河為83.84 kg,占同期北三江TDN入湖總負荷的64.9%。彌苴河正磷酸鹽入湖總負荷為224.38 kg,分別為羅時江、永安江的2.55、2.36倍,占北三江正磷酸鹽入湖總負荷的55.0%。

TDP入湖負荷與正磷酸鹽、硝態氮、TDN趨勢相同,總體呈現彌苴河>永安江>羅時江,羅時江與永安江TDN入湖負荷差異不顯著(P>0.05),與彌苴河差異顯著(P<0.05)。最大入湖負荷為R3的彌苴河(120.68 kg),占同期北三江TDP入湖總負荷的64.0%;R2時彌苴河TDP入湖負荷(118.20 kg)與R3差異不大,但占同期北三江TDP入湖總負荷的69.2%。彌苴河TDP入湖總負荷為402.97 kg,分別為羅時江、永安江的2.44、2.28倍,占北三江TDP入湖總負荷的54.1%。

羅時江和永安江的COD入湖負荷差異不顯著(P>0.05),與彌苴河差異顯著(P<0.05)。最大入湖負荷出現在R3的彌苴河(42.38 t),分別為同期的羅時江(9.44 t)、永安江(5.86 t)的4.49、7.23倍,占同期北三江COD入湖總負荷的73.5%。彌苴河COD入湖總負荷為108.98 t,分別為羅時江、永安江的2.78、2.56倍,占北三江COD入湖總負荷的57.1%。北三江COD入湖負荷整體呈現彌苴河>羅時江>永安江。

總體上看,雨季入湖河流暴雨徑流水質體現出強烈的氮、磷等營養物污染特征,對洱海水質穩定保持GB 3838—2002中Ⅱ類具有較大影響。根據流域水資源相關研究,雨季主要入湖河流徑流量約占全年的84.65%,結合較高的雨季降雨徑流氮、磷等營養物平均濃度,必然產生較高的營養物入湖負荷。

3 討 論

3.1 典型入湖污染物相關關系及其影響因素

TDN、TDP、氨氮、COD之間都存在著不同程度的相關性,具體見表3至表5。在羅時江,COD與氨氮呈顯著正相關、與硝態氮呈顯著負相關關系。氨氮是硝化反應的重要反應物,是水體中的主要耗氧污染物。在彌苴河,降雨量與氨氮呈顯著負相關、與硝態氮呈顯著正相關,正磷酸鹽與氨氮呈顯著負相關、與硝態氮呈顯著正相關。袁紹春等[28]利用SWMM模型對萬州龍寶河片區的入湖徑流污染物進行了探究,結果表明,低降雨強度下海綿城市設施可有效緩解徑流污染,但在高強度降雨條件下海綿城市設施控制徑流污染物入湖的效果隨著降雨強度增加逐漸變差。這說明,降雨是影響氮磷等污染物入湖的重要因素。在永安江,COD與硝態氮呈顯著負相關關系。這與洱海全流域正在推廣的有機肥、糞肥替代措施有關。有機肥和糞肥施入土壤,增加了土壤中還原性物質的含量,導致氮源主要以氨氮為主,降雨后徑流攜帶大量還原性物質入湖,導致COD升高。因此,雨季必須控制徑流攜帶污染物入湖。

表3 2019年雨季羅時江降雨事件降雨量及典型入湖污染物各因子間相關關系1)

表4 2019年雨季彌苴河降雨事件降雨量及典型入湖污染物各因子間相關關系

表5 2019年雨季永安江降雨事件降雨量及典型入湖污染物各因子間相關關系

本研究結果表明,北三江中入湖徑流量最大的為彌苴河,占北三江2019年雨季入湖徑流水量的47%,氨氮、硝態氮、TDN、正磷酸鹽、TDP和COD分別占北三江雨季入湖總負荷的40.5%、65.0%、55.0%、55.0%、54.1%和57.1%。吳文歡[29]在洱海流域的研究表明,北三江流域以44%的入湖徑流量貢獻了洱海流域25%的TDN、21%的TDP和27%的COD。這說明在整個洱海流域尺度上,彌苴河流域是洱海流域徑流與入湖污染物的重要貢獻來源。彌苴河流域是洱海流域最大的農業種植區,且該地區土壤侵蝕嚴重,雨季暴雨徑流極易攜帶污染物入湖。

3.2 北三江污染物特征分析

總體來看,北三江2019年雨季暴雨徑流水質較差,這與項頌等[30]基于2014年北三江監測數據所得出的結果一致,但本研究中羅時江、彌苴河COD屬于GB 3838—2002中Ⅳ類,與其發現的COD結果不同,如上述部分有機肥的大量使用導致土壤中還原性物質增加,從而使流域水體中COD升高,首要污染物從TDN變為COD。楊桐等[31]對洱海海潮灣流域沉積物污染物的研究結果表明,海潮河灣75%的區域存在有機氮污染,65%的區域TDP污染達到中度以上。也說明了洱海流域土壤中有機物質超量賦存的情況。而郝文彬等[32]利用Peeper技術獲取沉積物-水界面溶解性磷垂向分布,并計算潼湖平塘水庫磷釋放通量,結果表明,沉積污染物釋放的磷主要來源于上覆水,也就是降雨徑流入湖的水。藍雪春等[33]認為水土流失帶來的面源污染是影響水庫水質的重要因素,面源污染受降雨量的影響,其中總磷流失量受降雨量的影響更大。LI等[34-35]對那辣流域暴雨事件入河顆粒態和溶解態污染物的研究結果表明,降雨會驅動徑流攜帶侵蝕泥沙入河,增加入河湖氮磷污染物負荷,導致水體質量下降。本研究也發現,典型降雨事件下有大量的氮磷輸入洱海,說明洱海流域目前還是存在著較大的面源污染風險。吳文歡等[36]運用氮氧雙同位素對永安江硝酸根來源進行溯源解析的結果表明,永安江流域硝酸鹽以農業面源污染來源為主,其貢獻比例與河流流經村落位置及土地利用類型有關。王剛等[37]通過MixSIAR穩定同位素模型,解析了飛云江流域不同區域硝酸鹽氮來源及其貢獻,結果表明,飛云江流域上游地區農業種植導致的土壤和耕地侵蝕以及中下游人類活動等是入河硝酸鹽的主要來源。以上研究與本研究結果相似,雨季是污染物入湖的最主要時期,雨季大量的污染物入湖導致了入湖口水體質量下降。這可能是因為洱海流域具有獨特的氣候和農業墾殖特征以及人為活動所致,其具有降雨量大、雨季集中、河流沿程較短、泥沙以及營養物質向洱海遷移過程較短等特征。相較于洱海西岸,洱海北三江流域人口密度低,沿岸農地、城市用地分散,林地較低,降雨后易發生侵蝕,且洱海西岸有蔬菜種植,墾殖強度較高,同時大理古城也坐落于西岸流域,污染源排放不隨雨旱季變化,因此洱海北三江流域在雨季時污染物入湖量大,導致湖口水體質量下降,而海西片區則是旱季明顯高于雨季。季寧寧等[38]對洱海流域懸浮顆粒物有機碳氮同位素來源特征的研究結果表明,懸浮顆粒物有機碳來源旱季以陸源C3植物為主轉變為雨季以浮游植物為主(43.3%±6.1%),氮來源旱季以陸源植物為主轉變為雨季以水生、浮游植物為主。在雨季徑流攜帶大量養分入湖使水體養分濃度升高,藻類等水生植物急劇增加導致水體環境質量下降。同時,藻類等水生植物的生長快速消耗了水中的溶解氧,導致水中還原性物質增加,從而導致COD升高。李昆明等[39]對右江東筍斷面溶解氧監測顯示,夏季高溫會限制水體中溶解氧上線,也會導致水中還原性物質增加。這說明,北三江流域的主要污染物入湖含量偏高,有易產生藍藻水華的風險,不可忽視[40]。因此,雨季控制徑流攜帶污染物入湖,減少還原性物質進入水體,增加水體中溶解氧含量,對防控雨季羅時江、彌苴河水質下降具有重要意義。

4 結 論

1) 2019年雨季洱海流域北三江氨氮、硝態氮、TDN、正磷酸鹽和TDP入湖平均濃度達到GB 3838—2002中Ⅱ類。其中,R1下羅時江和彌苴河因COD超標水質為Ⅳ類。降雨條件下還原性物質特別是有機類污染物集中入湖,導致羅時江、彌苴河水質下降,需要引起足夠重視。

2) 彌苴河是北三江徑流與污染物入湖的重要貢獻,雨季入湖徑流量約占北三江入湖總徑流量的47%;氨氮、硝態氮、TDN、正磷酸鹽、TDP和COD入湖負荷分別占北三江入湖總負荷的40.5%、65.0%、55.0%、55.0%、54.1%和57.1%。

3) 雨季TDN、TDP、氨氮、COD之間都存在著不同程度的相關性。降雨是影響氮磷、還原性物質等污染物入湖的主要因素。因此,雨季控制徑流攜帶污染物入湖,減少還原性物質進入水體,對防控雨季洱海流域北三江水質下降具有重要意義。