王 穎

(遼寧省葫蘆島水文局，遼寧 葫蘆島 125000)

針對水污染問題日趨嚴峻的發(fā)展趨勢，我國環(huán)保部門逐漸加強了對城鎮(zhèn)居民生活與工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)廢污水等水環(huán)境治理力度，其中點源污染治理已取得一定的成效。點源污染問題的深入解決促使我國水環(huán)境污染治理的重點逐漸轉(zhuǎn)向為非點源污染。在降水淋溶與沖刷作用下流域面上非特定地點的污染物，通過地下徑流、地表徑流的驅(qū)動流入塘壩、水庫、河湖等受納水體，從而對水體環(huán)境造成污染的過程即為非點源污染。非點源污染的遷移過程在流域范圍內(nèi)的變化特征非常復雜，污染形成機制涉及生態(tài)學、環(huán)境科學、植物學、土壤學及水文學等多個學科[1]。

非點源污染的重要表現(xiàn)形式為向水體中輸入過度的氮、磷等富營養(yǎng)化物質(zhì)，磷素進入水體的主要途徑有植物固氮、大氣沉降、人為排放等，排入水體的形式多樣且來源較為廣泛。沉積型過程為磷素循環(huán)的典型特征，農(nóng)藥化肥在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的過量施用、居民生活污水或工業(yè)廢水等人為活動為增加天然水體磷素含量的主要來源。研究表明，淡水水體富營養(yǎng)化控制的關鍵因子為磷素含量。所以，為改善水體環(huán)境和控制水體富營養(yǎng)變化有必要深入研究磷素的輸出規(guī)律。流域水文過程具有明顯的不確定性特征，磷素流失的內(nèi)在驅(qū)動力為降雨徑流作用，研究分析磷素遷移規(guī)律的重要方法是對磷素遷移過程與原位水位過程開展野外觀測相關研究。在非點源磷素輸出規(guī)律方面國內(nèi)外許多學者開展了大量研究，主要集中在磷素污染防控措施、磷素流失影響因素、隨降雨徑流作用磷素濃度的變化規(guī)律以及磷素負荷計算等。Pionke H等[2]研究認為，雖然暴雨徑流時段在農(nóng)業(yè)小流域暴雨事件總降雨徑流中的占比較短，但在此時段擁有的溶解態(tài)與顆粒態(tài)磷素的輸出濃度最高；張麗等[3]以撫順境內(nèi)的杜河流域為例，根據(jù)水量水質(zhì)監(jiān)測資料揭示了磷素流失受降雨徑路過程的影響規(guī)律，探討了洪峰流量與磷素濃度峰值之間的對應關系；王鵬等[4]以環(huán)太湖丘陵區(qū)為例，揭示了隨地表徑流作用各形態(tài)磷素的動態(tài)變化特征。

本文以遼寧省西部具有代表性的大凌河流域為例，通過同步監(jiān)測流域水質(zhì)水量等數(shù)據(jù)資料，揭示了流域不同連續(xù)天數(shù)磷素最大輸出負荷占全年的比例特征和總磷濃度及其輸出負荷的時程變化特征，可為評估水功能區(qū)納污能力和非點源污染輸入負荷提供一定理論參考，為控制與延緩河流、塘壩、水庫等水體富營養(yǎng)化進程提供技術支撐，以及為制定非點源污染防控策略提供一定決策依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 流域概況

大凌河流域位于遼寧省西部，主脈貫穿遼西、東南匯入渤海，流域全長為398km，總面積2.35萬km2，其中98%為山丘區(qū)，其他極少地區(qū)為平原區(qū)。大凌河主干支流縱橫交錯，主要有細河、清河、牤牛河、沙河、涼水河等，流域?qū)儆跍貛Ъ撅L氣候，四季分明，冬冷夏熱，日超充足，年降水量在450～600mm范圍，年均氣溫8.0～12.6℃，≥10℃積溫3536.5℃，平均日照時數(shù)為2254h，平均風速2.0m/s，無霜期146d，最大凍土深度為1.2m。資料顯示，每年的7—8月為降雨汛期，60.0%以上的降水發(fā)生在汛期且多以強降雨和暴雨形式出現(xiàn)。大凌河主干流以上有3條支流匯入，分別為北源、西源與南源，流域內(nèi)景觀變化比較劇烈、經(jīng)濟增長速度較快，不僅是遼寧省經(jīng)濟發(fā)展的重點區(qū)域，而且在促進區(qū)域工農(nóng)業(yè)發(fā)展和居民生活用水等方面發(fā)揮著不可替代的作用。研究區(qū)內(nèi)多輕亞黏土、亞黏土、淤泥質(zhì)粉黏土以及粉黏土，另外存在少量砂壤土且土質(zhì)屬于柔弱、中軟，交通用地、農(nóng)村用地、水域、耕地、林地及其他用地為流域內(nèi)土地利用主要類型。近年來，大凌河朝陽河段、喀左至凌源河段等水質(zhì)污染問題日趨突出，水體中揮發(fā)酚、BOD5、COD等污染物含量均大于地表水Ⅲ類水質(zhì)標準，對流域內(nèi)用水安全和生態(tài)平衡構成潛在威脅[5- 10]。

1.2 水質(zhì)與水量監(jiān)測方法

通過對大凌河已建水文站觀測設施的適當改造建立同步監(jiān)測水質(zhì)與水量設施，然后對2015、2016年的水質(zhì)水量進行高頻次監(jiān)測獲取相應的數(shù)據(jù)資料，野外監(jiān)測數(shù)據(jù)主要有地表水水質(zhì)、地表徑流流量計降水數(shù)據(jù)等資料。

采用自動雨量計監(jiān)測大凌河流域降水數(shù)據(jù)，根據(jù)大城子、朝陽、凌海、義縣等具有代表性雨量站的降水量算術平均值確定大凌河流域面平均降水量，各雨量站的統(tǒng)計時段為1h。選擇凌海水文站監(jiān)測斷面作為大凌河流域出口斷面，為實時記錄該斷面監(jiān)測水位數(shù)據(jù)采用HOBO壓力式自計水位計，斷面流量監(jiān)測時段為1h，然后根據(jù)水位流量關系曲線確定斷面流量。

采用ISC06712型便攜式水樣自動采集器對凌海水文站控制斷面進行水樣采集，考慮到采樣斷面水位在降雨期間將明顯上漲的實際情況，因此可按照1次/h的采樣頻率利用便攜式自動采樣儀對控制斷面進行水質(zhì)采樣；采樣斷面水位在非降雨時段未出現(xiàn)明顯的上漲，因此可按照2～3d一次的采樣頻率進行人工采樣。水樣采集后，將濃度為0.05mL的稀硫酸加入至每個水樣，然后進行冷凍儲存，對水樣中總磷濃度的測定采用紫外分光光度法和堿性過硫酸鉀氧化法[11]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

(1)污染負荷計算方法。在一定的時段內(nèi)徑流某出口斷面的污染物質(zhì)量即為流域出口污染負荷，單位為kg、t。根據(jù)上述定義，為確定某監(jiān)測斷面在某特定時段內(nèi)的污染負荷，需要掌握在該監(jiān)測時段內(nèi)流域出口控制斷面的污染物濃度、流量數(shù)據(jù)，計算方法如下：

(1)

式中，Qj、Qj+1—第j時刻與第j+1時刻在一次徑流過程中的監(jiān)測流量；Cj、Cj+1—第j時刻與第j+1時刻在一次徑流過程中監(jiān)測的污染物濃度；n、Δt—一次徑流過程中的采樣次數(shù)及相鄰兩次采樣的時間間隔。

(2)濃度變差系數(shù)的計算方法。為準確反映總磷濃度監(jiān)測結(jié)果的離散程度本研究引入變差系數(shù)Cv，其表達式為：

(2)

(3)全年輸出負荷中不同連續(xù)天數(shù)最大負荷占比。流域每日總磷負荷根據(jù)監(jiān)測方案計算得到的水質(zhì)、流量數(shù)據(jù)確定，計算單元選擇為日歷年2015、2016年，設定移動窗口變量為不同連續(xù)天數(shù)，以每年的1月1日為基準計算確定總磷輸出負荷在不同連續(xù)天數(shù)內(nèi)的總和，計算確定總磷輸出負荷在不同連續(xù)天數(shù)的總和最大值及其占全年的比例，從而實現(xiàn)在不同時間尺度上反映全年總磷輸出負荷的集中程度。

2 結(jié)果分析

2.1 總磷濃度年內(nèi)變化特征

大凌河流域2015、2016年地表徑流總磷濃度、流量與降雨年內(nèi)變化過程如圖1所示。

由圖1可知，大凌河流域降雨徑流過程與年內(nèi)總磷濃度變化總體趨勢之間具有一一對應的關系，總磷濃度隨流域出現(xiàn)降雨時程顯著增大，隨降雨過程結(jié)束逐漸降低；相對于非汛期時段總磷濃度在汛期6—9月普遍較高。通過對比分析年內(nèi)總磷濃度在2015、2016年的變化過程可知，研究期間總磷濃度變化存在一定差異，相對于2015年的總磷濃度偏高時段2015年的歷時較長。大凌河流域2015、2016年平均降水量約為542、630mm，大凌河流域

圖1 大凌河流域2015年、2016年總磷濃度年內(nèi)變化過及水文特征

年份20152016雨洪時段汛期非汛期全年汛期非汛期全年徑流量/104m320178052820323013624586水樣個數(shù)/個4069448626867332總磷濃度/(mg·L-1)最小值0.0330.0060.0080.0200.0170.015最大值1.1820.1711.1820.7350.1040.738最大/最小35.828.5147.836.86.149.2均值0.3400.0480.2840.2260.0400.188變差系數(shù)0.670.810.850.660.570.80

總磷濃度變化過程存在差異的另一關鍵因素為年降水量偏多。

統(tǒng)計分析大凌河流域總磷濃度與水文要素在2015、2016年的監(jiān)測結(jié)果特征值，見表1。由表1可知，大凌河流域年內(nèi)總磷濃度變化較大，2015、2016年的全年總磷濃度倍比分別為147.8、49.2，汛期、非汛期倍比分別為35.8、28.5與26.8、6.1，非汛期總磷濃度變化幅度普遍低于汛期。非汛期總磷濃度顯著低于汛期，2015年非汛期、汛期的總磷濃度值分別為0.048、0.340mg/L，二者相差約7.08倍，2016年非汛期、汛期的總磷濃度值分別為0.040、0.226mg/L，二者相差約5.65倍。通過對比分析總磷濃度在地表水環(huán)境質(zhì)量標準中的標準限值與汛期、非汛期及全年的平均值，大凌河流域2015年全年、汛期、非汛期水質(zhì)標準分別為Ⅳ、Ⅴ、Ⅱ類水質(zhì)，而2016全年、汛期、非汛期水質(zhì)標準分別為Ⅲ、Ⅳ與Ⅱ類水質(zhì)。

根據(jù)大凌河流域2015、2016年水質(zhì)水量年內(nèi)同步監(jiān)測結(jié)果分布狀況，總磷濃度在非汛期能夠滿足Ⅱ類水質(zhì)要求，水質(zhì)狀況良好；而在非汛期處于Ⅳ～Ⅴ類水質(zhì)，水質(zhì)最差。流域降雨徑流變化與總磷濃度變化幅度保持較好的一致性，該變化特征與總磷遷移方式、形態(tài)特征等因素相關，另外由于磷易附著于土壤顆粒且不溶于水，所以地表徑流是引起磷遷移的主要因素。地表土壤中的磷在降雨開始時刻隨發(fā)生遷移，因此隨著地表徑流過程的變化總磷濃度發(fā)生改變，如果降水徑流主要為地下與壤中徑流，則可顯著降低總磷濃度。

2.2 總磷輸出負荷年內(nèi)分配特征

2015、2016年大凌河流域總磷輸出負荷在非汛期、汛期、雨洪時段、全年內(nèi)的計算結(jié)果見表2。流域2015—2016年期間出現(xiàn)明顯雨洪過程的時段總數(shù)即為表2中的雨洪時段，雨洪起漲時刻為雨洪過程的開始時刻，而結(jié)束時刻可分為后續(xù)無洪水與后續(xù)緊接著洪水兩種情況。對于后續(xù)無洪水過程的情況，雨洪過程結(jié)束時刻至雨峰時刻的時段長為T，其計算公式為T=0.8×A0.2，A為流域面積。針對后續(xù)緊接著洪水的情況，下次雨洪過程的起漲時刻即為本次雨洪過程結(jié)束時刻。

表2 大凌河流域不同時段的總磷輸出負荷

根據(jù)表2特征值統(tǒng)計結(jié)果，大凌河流域總磷年輸出負荷的主要時段發(fā)生在6—9月汛期，2015、2016年汛期總磷輸出負荷分別占全年的93.3%、90.2%。雨洪時段輸出負荷在汛期總磷輸出負荷中占比較大，2015、2016年占比為81.5%、76.2%。研究表明，汛期的雨洪時段為大凌河流域總磷輸出負荷集中期。2015全年時段的8.25%和2016全年時段的6.74%，分別為對應時間內(nèi)大凌河流域的雨洪時段，全年總磷輸出負荷占比分別為75.0%、68.3%。根據(jù)上述統(tǒng)計結(jié)果，大凌河流域總磷輸出負荷在不到全年9%的時段內(nèi)占年總輸出的60%以上。

為便于對比分析，以單位面積負荷輸出量反映大凌河流域凌海水文站控制斷面的總磷負荷變化特征，2015、2016年大凌河流域單位面積總磷負荷輸出強度在汛期分別為0.70、0.82，全年為0.75、0.91，雨洪時段為0.55、0.63。在72kg/(hm2·a)常規(guī)施肥條件下，大凌河流域部分地區(qū)的農(nóng)田土壤磷素徑流損失系數(shù)均值及其變化區(qū)間見表3。

表3 不同土壤類型下大凌河流域單位面積磷素輸出負荷強度 單位：kg/(hm2·a)

根據(jù)表3計算結(jié)果，凌源部分地區(qū)的輸出負荷較低，而凌?？刂茢嗝娴目偭纵敵鲚^強，二者計算結(jié)果基本保持一致屬于相同量級，由此表明大凌河流域單位面積總磷輸出負荷強度基本能夠反映我國東北地區(qū)部分區(qū)域的實際磷素分布狀況。

2.3 總磷濃度輸出負荷季節(jié)變化特征

結(jié)合大凌河流域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動特點和氣候特征，將每年的12月—次年2月、9—11月、6—8月、3—5月分別設定為流域的冬、秋、夏、春季節(jié)。然后統(tǒng)計分析2015—2016年各個季節(jié)中的地表徑流磷素負荷，由此計算確定總磷濃度在大凌河流域的輸出負荷與統(tǒng)計特征值，見表4。

表4 不同季節(jié)內(nèi)大凌河流域總磷濃度輸出負荷與統(tǒng)計特征值

根據(jù)表4計算結(jié)果可知，夏季的總磷濃度均值達到最大，2015、2016年夏季大凌河流域總磷濃度均值分別為0.380、0.221mg/L，水質(zhì)類別分別為Ⅴ、Ⅳ。大凌河流域夏季的總磷輸出負荷達到最大，2015、2016年夏季總磷輸出負荷分別為5067、5248kg。監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，夏季為大凌河流域磷負荷輸出最大期間。該計算結(jié)果與文獻資料對遼河流域相關研究結(jié)論保持一致，由于夏季降雨較為頻繁，進一步說明流域總磷輸出受降雨徑流過程的影響較為顯著。

2.4 最大輸出負荷不同連續(xù)天數(shù)占比

大凌河流域全年60%以上的降雨集中在汛期，且?guī)状屋^大的降水徑流過程承擔了汛期大部分降水。隨著降水徑流過程非點源污染負荷輸出，因此較大場次的降雨徑流事件為非點源污染負荷的主要輸出，換而言之就是短時間內(nèi)脈沖式輸出為大凌河流域非點源污染負荷輸出的特征。2015—2016年期間，大凌河流域全年總磷負荷輸出中不同連續(xù)天數(shù)最大負荷占比見表5。

大凌河流域1d總磷負荷最大輸出在2015、2016年占比分別為10.01%、11.72%，2015、2016年大凌河流域總磷負荷最大占比超過50%的

表5 不同連續(xù)天數(shù)下大凌河流域總磷負荷最大占比 單位：%

連續(xù)天數(shù)為14、38d。隨著連續(xù)天數(shù)的增加大凌河流域總磷輸出分布規(guī)律存在一定差異。在1～20d內(nèi)隨著連續(xù)天數(shù)的增大2014年的總磷負荷輸出占比快速增大，而在2016年的增加程度相對平緩，因此在2014年的少數(shù)幾次強降雨事件中總磷輸出負荷占比較大。凌海水文站控制斷面總磷負荷的主要來源于地表累計的總磷，隨地表徑流作用總磷輸出不斷增大，影響總磷輸出的關鍵因素為全年降雨量的分布特征。統(tǒng)計分析2015、2016年大凌河流域降雨情況見表6。

表6 2015—2016年大凌河流域降雨情況統(tǒng)計表 單位：d

大凌河流域2015、2016年全年降雨量分別為542、630mm，2015年出現(xiàn)大暴雨和暴雨、大雨和中雨的天數(shù)分別為2、11、15d，而在2016年分別為5、11、20d。相對于2015年，大凌河流域2016年日降雨強度在10mm以上的天數(shù)多7d；2016年總磷占全年總量輸出負荷比例由于較多的降雨量與降雨事件呈一定的下降趨勢。

短時間內(nèi)聚集的非點源磷負荷輸出研究對于流域水環(huán)境治理具有重要的現(xiàn)實意義，非點源污染控制的關鍵時期為幾次或一次雨洪過程中較短時間內(nèi)的集中輸出負荷，全年負荷輸出中連續(xù)最大日負荷占比呈非線性增加特征，非點源污染控制時間成本的邊際效應隨污染負荷輸出的增大呈逐漸下降的變化趨勢。應結(jié)合脈沖式輸出的非點源負荷特征制定流域污染負荷控制策略，在該過程中為使之處于穩(wěn)定有效的處理狀態(tài)應首先采取緩沖措施儲存污染負荷。

3 結(jié)論

(1)大凌河流域降雨徑流過程與年內(nèi)總磷濃度變化總體趨勢之間具有一一對應的關系，總磷濃度隨流域出現(xiàn)降雨降雨時程顯著增大，隨降雨過程的結(jié)束逐漸降低；相對于非汛期時段總磷濃度在汛期6—9月普遍較高。大凌河流域年內(nèi)總磷濃度變化較大，2015、2016年的全年總磷濃度倍比分別為147.8、49.2。

(2)凌河流域總磷年輸出負荷的主要時段發(fā)生在6—9月汛期，2015、2016年汛期總磷輸出負荷分別占全年的93.3%、90.2%。雨洪時段輸出負荷在汛期總磷輸出負荷中占比較大，2015、2016年占比為81.5%、76.2%。大凌河流域總磷輸出負荷在不到全年9%的時段內(nèi)占年總輸出的60%以上，研究表明主導大凌河流域總磷輸出的關鍵因素為雨洪過程。

(3)大凌河夏季的總磷濃度均值、總磷輸出負荷達到最大，2015、2016年夏季大凌河流域總磷濃度均值分別為0.380、0.221mg/L，水質(zhì)類別分別為Ⅴ、Ⅳ。計算結(jié)果與文獻資料對遼河流域相關研究結(jié)論保持一致，由于夏季降雨較為頻繁，進一步說明流域總磷輸出受降雨徑流過程的影響較為顯著。

(4)大凌河流域1d總磷負荷最大輸出在2015、2016年占比分別為10.01%、11.72%，2015、2016年大凌河流域總磷負荷最大占比超過50%的連續(xù)天數(shù)為14、38d。非點源污染控制的關鍵時期為幾次或一次雨洪過程中較短時間內(nèi)的集中輸出負荷，全年負荷輸出中連續(xù)最大日負荷占比呈非線性增加特征，非點源污染控制時間成本的邊際效應隨污染負荷輸出的增大呈逐漸下降的變化趨勢。因此，應結(jié)合流域耐受高強沖擊負荷的特點制定針對整個系統(tǒng)的負荷消減控制措施，在流域面上采用增加植被緩沖帶、水塘等緩沖措施，可有效控制流域非點源污染。