王主華

(遼寧省大連水文局，遼寧 大連 116023)

氮磷元素是河流污染的主要成分，會(huì)引發(fā)水體富營養(yǎng)化。過去的研究認(rèn)為，河流中氮磷濃度過高，主要源于周圍農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和畜牧養(yǎng)殖大量污染物的直接排放[1]。隨著我國對(duì)入河排污口監(jiān)管和治理的加強(qiáng)，由直接污染排放所引起的氮磷點(diǎn)源污染得到了有效的控制和解決。但農(nóng)業(yè)的發(fā)展，使氮磷面源污染加重，且具有隱蔽性、不確定性和滯后性[2]，農(nóng)業(yè)面源污染已成為水體富營養(yǎng)化的主要驅(qū)動(dòng)力。雨水、融雪等降水沖刷以及土壤侵蝕和淋溶作用，使大量富集在農(nóng)田土壤中的氮磷元素隨地表徑流進(jìn)入河流，造成大規(guī)模的農(nóng)業(yè)面源污染。

復(fù)州河作為大連市重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水功能區(qū)，為大連普蘭店、瓦房店農(nóng)業(yè)灌溉提供用水。多年來復(fù)州河流域降水分布不均，土壤營養(yǎng)元素富集程度高，降雨徑流使氮磷面源污染加劇，嚴(yán)重影響水功能區(qū)水環(huán)境穩(wěn)定。因此有必要研究降雨條件下的復(fù)州河流域氮磷變化，分析遷移規(guī)律和污染影響。本文通過2019年8月10日由臺(tái)風(fēng)“利奇馬”引起的強(qiáng)降雨，深入分析復(fù)州河氮磷元素變化特性，為復(fù)州河流域農(nóng)業(yè)面源污染的防控提供依據(jù)。

1 研究概況

復(fù)州河是大連市第二大河流，流域全長(zhǎng)137km，總面積1638km2，一級(jí)支流17條。復(fù)州河發(fā)源于普蘭店市同益鄉(xiāng)老帽山南麓，自東北向西南流經(jīng)普蘭店安波，瓦房店得利寺、松樹等周邊共13個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，最后經(jīng)由瓦房店三臺(tái)子鄉(xiāng)流入渤海[3]。復(fù)州河流域地形復(fù)雜，多為山區(qū)丘陵地帶，周邊村莊70余個(gè)，涉及人口30多萬；其上游為山區(qū)，是普蘭店和瓦房店的重要果蔬種植地，中游為丘陵地帶，是重要的農(nóng)作物生產(chǎn)種植地，下游為濱海地區(qū)，主要為工業(yè)、農(nóng)業(yè)以及養(yǎng)殖業(yè)集中地[4]。復(fù)州河流域共5座水庫，其中2座大型水庫，即松樹水庫和東風(fēng)水庫。下游設(shè)有關(guān)家屯水文站，是復(fù)州河的重要控制站。

復(fù)州河流域?qū)儆诰哂泻Ｑ笮蕴攸c(diǎn)的暖溫帶大陸性氣候，降水量隨季節(jié)變化明顯，分布嚴(yán)重不均，其中60%以上的降水集中在夏季，且多為暴雨形式[5]。

2 研究方法

2.1 水樣采集與監(jiān)測(cè)

復(fù)州河下游流域設(shè)有水文站監(jiān)測(cè)斷面，對(duì)2019年8月10日至9月8日(共30日)降雨徑流過程的徑流量、總氮、總磷濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。水樣采集和徑流量監(jiān)測(cè)從降雨產(chǎn)流時(shí)開始，時(shí)間間隔2h，強(qiáng)降雨期間，時(shí)間間隔增加為1h，直至降雨產(chǎn)流結(jié)束。非降雨產(chǎn)流期間，每12h采集監(jiān)測(cè)一次，直至徑流量穩(wěn)定。

采用壓力式自記水位計(jì)記錄斷面水位，利用水位流量關(guān)系計(jì)算斷面流量?？偭?、總氮項(xiàng)目監(jiān)測(cè)參照《水環(huán)境監(jiān)測(cè)規(guī)范》(SL 219—2013)采用連續(xù)流動(dòng)注射分析法測(cè)定。

2.2 分析方法

平均濃度計(jì)算[6]：污染物在徑流過程中的質(zhì)量與總徑流量的比值(mg/L)按下式計(jì)算:

(1)

通量計(jì)算[6]：假定水量、水質(zhì)在各時(shí)段保持不變，污染物輸出量W為各時(shí)段內(nèi)污染物濃度與徑流量的乘積(kg/h)按下式計(jì)算：

W=∑QiCi

(2)

式中：Qi為i時(shí)刻的徑流量；Ci為i時(shí)刻的污染物濃度。

污染負(fù)荷計(jì)算[7]：特定時(shí)間段內(nèi)，污染物通過監(jiān)測(cè)斷面的總質(zhì)量(kg、t)按下式計(jì)算：

(3)

式中：Cj和Cj+1分別為j時(shí)刻和j+1時(shí)刻的污染物濃度；Qj和Qj+1分別為j時(shí)刻和j+1時(shí)刻的徑流量；Δt為時(shí)間間隔；n為采樣次數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 徑流量變化

復(fù)州河流域下游降雨于2019年8月10日8時(shí)開始，次日16時(shí)降雨量達(dá)到最大，對(duì)應(yīng)的徑流量從降雨開始時(shí)的5.16m3/s逐漸增大，分別于8月12日17時(shí)和8月14日9時(shí)達(dá)到峰值93.90m3/s和次峰值92.00m3/s。降雨結(jié)束后，徑流量逐漸降低，于8月24日12時(shí)后保持穩(wěn)定，平均徑流量4.56m3/s(見圖1)。

圖1 徑流量隨時(shí)間變化情況

3.2 氮磷質(zhì)量濃度變化

總氮濃度降雨初期為9.80mg/L，產(chǎn)流后濃度逐漸上升，于8月15日17時(shí)達(dá)到最大峰值19.00mg/L，隨后快速下降至3.65mg/L，而后又逐漸上升，于8月25日到達(dá)次峰值16.90mg/L，最后逐漸降低趨于穩(wěn)定，平均濃度8.92mg/L；總磷濃度變化與總氮大致相似，降雨初期的濃度為0.166mg/L，隨產(chǎn)流影響濃度不斷提高，于8月16日8時(shí)到達(dá)高點(diǎn)濃度0.326mg/L，后降低至0.110mg/L，隨后迅速上升，于8月20日17時(shí)至最高點(diǎn)濃度0.414mg/L，最后逐漸降低趨于穩(wěn)定，平均濃度0.042mg/L。

比較徑流量與氮磷濃度的變化(見圖2)，發(fā)現(xiàn)在產(chǎn)流開始后，氮磷濃度會(huì)隨著徑流量的提高而增大，隨徑流量達(dá)到最大，氮磷濃度會(huì)在一定時(shí)間后隨之到達(dá)峰值。經(jīng)分析，該過程源于降雨對(duì)河道的沖刷作用，地表環(huán)境中的氮磷元素在降雨前長(zhǎng)時(shí)間積累，在降雨后通過徑流沖刷大規(guī)模遷移至河流，導(dǎo)致其濃度水平隨徑流的增大而不斷提高。當(dāng)徑流量到達(dá)最高點(diǎn)后，沖刷效應(yīng)不能立即被水體稀釋作用代替，依然會(huì)在一段時(shí)間內(nèi)占據(jù)主導(dǎo)地位，使氮磷濃度繼續(xù)增大。當(dāng)降雨產(chǎn)流結(jié)束后，沖刷作用停止，這時(shí)淺層土壤的氮磷元素釋放殆盡，水體稀釋作用占主導(dǎo)地位，使水中氮磷濃度迅速降低[8]。

圖2 總氮、總磷濃度與徑流量隨時(shí)間變化比較

降雨徑流后期，氮磷濃度再一次升高，并到達(dá)第二次峰值，這與前期徑流量與氮磷濃度的正相關(guān)特征相悖。分析該過程，主要是河道的侵蝕和淋溶作用所致[9]。復(fù)州河流域周圍大部分為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生活用地，土層淺，土壤質(zhì)地較為疏松，易發(fā)生水土流失；加上年降雨不均，使氮磷元素在土壤內(nèi)部富集程度較高。隨著降雨徑流對(duì)淺層地表的長(zhǎng)時(shí)間沖刷，河道附近土壤的侵蝕和淋溶效應(yīng)嚴(yán)重加劇，內(nèi)層土壤富集的氮磷元素隨泥沙和壤中流進(jìn)入河流，使得氮磷濃度再次升高。從圖2、圖3可以看出，總磷濃度的二次上升要早于總氮，且波動(dòng)更大，其二次峰值高于一次峰值，而總氮的二次上升較為平緩且滯后。經(jīng)分析，該差異與氮磷在土壤中不同的賦存和遷移行為有關(guān)[10]。降雨后期磷素主要通過侵蝕作用隨泥沙遷移，而氮素主要通過雨水下滲、淋溶作用，隨壤中流遷移。奚同行等[11]、蔣銳等[12]的研究也證實(shí)磷素更易于被土壤顆粒固定，總磷在土壤內(nèi)部的富集程度高于總氮，導(dǎo)致總磷在前期的流失較小，而后期總磷隨泥沙進(jìn)入河流，流失量較大。而總氮在淺層土壤積累較多，前期更易流失，后期濃度上升主要由淋溶和壤中流引起[13]，因此相比總磷具有滯后性和持續(xù)性。

3.3 氮磷通量變化

氮磷通量在降雨后迅速上升，于8月12日到達(dá)峰值，分別為4698.4kg/h和78.1kg/h，隨后逐漸下降趨于穩(wěn)定。通過比較發(fā)現(xiàn)(見圖3)，氮磷通量的變化與徑流量變化基本相似，通量的峰值和拐點(diǎn)大致與徑流量的時(shí)間點(diǎn)相同，具有比濃度曲線更好的同步性，表明降雨徑流條件下，氮磷通量主要由徑流量決定?？偭淄壳€在8月20日出現(xiàn)了比徑流量曲線波動(dòng)更大的鋸齒狀高點(diǎn)，而總氮通量曲線在該時(shí)刻的波動(dòng)較小，表明該時(shí)間段受到流量和濃度的共同影響。侵蝕作用使得總磷通量發(fā)生突發(fā)性增大，對(duì)于總氮通量的影響較小?？梢?，暴雨徑流后，復(fù)州河流域的氮磷元素輸出主要受徑流量影響，同時(shí)侵蝕效應(yīng)引發(fā)的泥沙遷移會(huì)突發(fā)性地加劇磷素的輸出，氮素的輸出在淋溶和壤中流作用下相對(duì)穩(wěn)定且具有持續(xù)性。

圖3 總氮、總磷通量與徑流量隨時(shí)間變化比較

3.4 氮磷濃度和通量與徑流的相關(guān)性分析

通過氮磷濃度和通量與徑流量的統(tǒng)計(jì)學(xué)分析發(fā)現(xiàn)(見表1)，氮磷濃度與徑流量變化無明顯相關(guān)性，而氮磷通量與徑流量變化具有很強(qiáng)的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)超過0.9，且具有極強(qiáng)的顯著性，證明徑流量是影響氮磷通量變化的重要因素。

表1 相關(guān)性分析結(jié)果

3.5 降雨徑流對(duì)氮磷污染負(fù)荷的影響

2019年全年(除8月)，復(fù)州河流域少有強(qiáng)降雨，徑流量波動(dòng)不大，水文站斷面非汛期平均徑流量1.26m3/s，汛期平均徑流量5.34m3/s。此次強(qiáng)降雨的平均徑流量為33.60m3/s，超出年平均徑流量約10倍，徑流總量占全年總徑流量的28.8%。

復(fù)州河流域多年以來氮磷污染較為嚴(yán)重，水質(zhì)類別為Ⅴ類[14]?？偟獫舛仍?.25～14.40mg/L之間，全年平均濃度8.55mg/L，常年超標(biāo)嚴(yán)重；總磷濃度在0.04～0.37mg/L之間，全年平均濃度0.15mg/L。此次強(qiáng)降雨過程中總氮、總磷平均濃度分別為13.20mg/L、0.25mg/L，遠(yuǎn)高于年平均濃度。經(jīng)計(jì)算，此次強(qiáng)降雨過程的總氮、總磷平均通量分別為1656.8kg/h和28.2kg/h，而氮磷年平均通量分別為123.90kg/h和2.16kg/h，其值超出10倍以上?？偟⒖偭孜廴矩?fù)荷分別為595.4t和11.5t，占全年總污染負(fù)荷的39.2%和54.5%。表明復(fù)州河流域的氮磷流失主要經(jīng)由降雨徑流，強(qiáng)降雨大幅提高了氮磷元素的輸出，是導(dǎo)致氮磷污染的主要驅(qū)動(dòng)力。

4 結(jié) 論

a.氮磷元素主要通過降雨徑流進(jìn)入河流。降雨徑流初期，氮磷元素通過降雨沖刷遷移至河流，使氮磷濃度達(dá)到峰值，而后由于稀釋作用下降。降雨徑流后期，總磷通過侵蝕作用隨泥沙遷移，而總氮?jiǎng)t通過淋溶作用隨壤中流遷移，使氮磷濃度再次達(dá)到峰值。

b.氮磷通量總體變化與徑流量變化基本一致，且具有極強(qiáng)的相關(guān)性(相關(guān)系數(shù)>0.9)，證實(shí)徑流量是決定氮磷通量的主要原因。侵蝕作用使總磷通量發(fā)生突發(fā)性增大，淋溶作用和壤中流對(duì)于氮素通量影響平穩(wěn)且持續(xù)性強(qiáng)。

c.降雨徑流過程使復(fù)州河流域氮磷濃度、通量大幅增加；同時(shí)氮磷污染負(fù)荷占全年污染總負(fù)荷的39.2%和54.5%。復(fù)州河流域的氮磷元素主要來源于降雨徑流引發(fā)的農(nóng)業(yè)面源污染。