巢湖烔煬河水體氮磷營(yíng)養(yǎng)物變化特征及成因分析

廖榮明， 洪天求， 李如忠

(合肥工業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，安徽合肥 230009)

河流是污染物及氮磷營(yíng)養(yǎng)物進(jìn)入湖泊水體的主要通道，入湖河流水質(zhì)的污染程度直接影響湖泊水體水質(zhì)。很多研究表明，近年來(lái)我國(guó)大型河流水體中的營(yíng)養(yǎng)元素含量有升高的趨勢(shì)[1-6]。文獻(xiàn)[7]研究表明，美國(guó)大多數(shù)河流的氮、磷營(yíng)養(yǎng)物濃度在近幾十年中也不斷升高。巢湖流域內(nèi)共有大小入湖河流33條，其中南淝河、十五里河、派河和雙橋河等入湖河流自2000年以來(lái)，水質(zhì)常年維持在劣Ⅴ類(lèi)[8]。文獻(xiàn)[9]研究發(fā)現(xiàn)，2005年巢湖水體主要處于中營(yíng)養(yǎng)—中富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)。文獻(xiàn)[10]研究表明，在巢湖非點(diǎn)源營(yíng)養(yǎng)物入湖總量上，經(jīng)入湖河道輸入的總磷占68%，總氮占74%。因此，研究入湖河道污染物的衰減變化規(guī)律，對(duì)削減和控制入湖污染物含量具有重要意義。本文基于對(duì)烔煬河5次水質(zhì)采樣(2008年10月—2009年7月)分析的結(jié)果，對(duì)河流水體中的氮、磷營(yíng)養(yǎng)物的年際變化特征及其成因進(jìn)行了初步探討。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)域概況

巢湖流域?qū)賮啛釒Ш团瘻貛н^(guò)渡性的副熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，氣候溫和濕潤(rùn)，四季分明，雨量適中，無(wú)霜期長(zhǎng)(224～252 d)，熱量充裕(≥10℃的年積溫4 900～5 100℃。年平均溫度15～16℃，年降雨量為630～1 450 mm。烔煬河位于巢湖北岸，始于巢湖市烔煬鎮(zhèn)，流經(jīng)6個(gè)自然村，最后匯入巢湖[11]。河道全長(zhǎng)約3 km，寬約20～30m，平均水深約1.4m。流域污染主要來(lái)源于城鎮(zhèn)居民生活用水以及河道兩側(cè)農(nóng)田地表徑流，河道兩側(cè)農(nóng)田主要種植水稻、棉花等作物。在部分河段河道中心分布有季節(jié)性菱角，成熟季節(jié)常有漁民劃船采摘。入湖河口處常年有漁民泊船于此，漁民生活用水直接排入河口。

1.2 樣品采集

從烔煬河上游源頭至入湖河口，大約每隔600 m設(shè)置1個(gè)采樣斷面，如圖1所示。在每個(gè)斷面上設(shè)置1個(gè)采樣點(diǎn)，共6個(gè)采樣點(diǎn)。每個(gè)采樣點(diǎn)采集水樣5次，采樣時(shí)間分別為2008年10月、12月和2009年3月、5月、7月。

在每個(gè)采樣點(diǎn)，利用水質(zhì)采樣器采集水樣2 000m L，其中的1 000 m L采用聚乙烯塑料瓶盛滿，加1∶1H2SO410 m L，使pH＜2.0，4℃保存，測(cè)定氨氮(NH 4+-N)、硝態(tài)氮(NO3--N)、亞硝態(tài)氮(NO2--N)、化學(xué)需氧量(CODMn)和總氮(TN);另1 000 m L用聚乙烯塑料瓶盛裝，4℃低溫保存，以測(cè)定總磷(TP)。本文主要是對(duì)烔煬河水體氮磷營(yíng)養(yǎng)物變化特征及其成因進(jìn)行分析，下面僅就其中氮磷營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)進(jìn)行分析。

1.3 分析測(cè)定方法

采用文獻(xiàn)[12]中推薦方法分析測(cè)定各項(xiàng)指標(biāo)，即:氨氮采用納氏試劑分光光度法測(cè)定，亞硝態(tài)氮采用N-(1-萘基)-乙二胺光度法測(cè)定，硝態(tài)氮采用紫外分光光度法測(cè)定，總氮采用堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法測(cè)定，總磷采用鉬酸銨分光光度法測(cè)定。

圖1 烔煬河水質(zhì)采樣點(diǎn)布置示意圖

2 河道氮、磷營(yíng)養(yǎng)物衰減變化特征

2.1 含氮營(yíng)養(yǎng)物變化特征

2.1.1 無(wú)機(jī)氮變化特征

氮在地表水體中的化學(xué)形態(tài)較為復(fù)雜，主要包括無(wú)機(jī)態(tài)的硝酸鹽、亞硝酸鹽、氨氮和有機(jī)氮[13]。不同時(shí)期，烔煬河水體硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮、氨氮變化情況如圖2～圖4所示。

從圖2可知，硝酸鹽氮質(zhì)量濃度在2009年3月相對(duì)較高，最高點(diǎn)位于起始采樣點(diǎn)1，質(zhì)量濃度為0.815mg/L;2008年10月相對(duì)較低，最低值出現(xiàn)在入湖河口處，質(zhì)量濃度為0.065 mg/L。在同一采樣點(diǎn)，其它各次硝酸鹽氮質(zhì)量濃度均介于2008年10月和2009年3月之間，且相差不大，具有較明顯的同步變化性。由圖2還可以看出，2008年10月在各采樣點(diǎn)處硝酸鹽氮總體質(zhì)量濃度比其它各月小得多。

由圖3可知，2009年3月亞硝酸鹽氮質(zhì)量濃度相對(duì)最高，且最高值為0.068mg/L，而2008年10月份相對(duì)最低，最低值為0.010 mg/L。7月亞硝酸鹽氮質(zhì)量濃度與5月相比，出現(xiàn)了先高后低的現(xiàn)象。同樣10月和12月也出現(xiàn)類(lèi)似現(xiàn)象，且其總體亞硝酸鹽氮質(zhì)量濃度與其它各月相比相差較大，但在入湖河口處又基本接近。

由圖4可以看出，相對(duì)于硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮變化，河道中氨氮變化較為平緩，除2009年3月外，其它各采樣點(diǎn)質(zhì)量濃度值差別不大，基本維持在1.5～2.0m g/L之間。而且除3月較為疏遠(yuǎn)外，其它各月的氨氮質(zhì)量濃度呈現(xiàn)交錯(cuò)疊加變化的特點(diǎn)。直至入湖河口處，各時(shí)期的氨氮質(zhì)量濃度趨于相同。

總之，在時(shí)間上，氨氮、硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮變化規(guī)律基本一致，即均為3月相對(duì)最高，10月相對(duì)最低。除少數(shù)情況外，各含氮營(yíng)養(yǎng)物呈現(xiàn)一定的同步變化特點(diǎn)，且在入湖河口處，不同時(shí)期各指標(biāo)質(zhì)量濃度相差不大;空間上，硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮及氨氮變化趨勢(shì)大體相同，即從上游至下游污染物質(zhì)量濃度均呈衰減變化規(guī)律。

2.1.2 總氮變化特征

烔煬河總氮變化趨勢(shì)如圖5所示。

由圖5可見(jiàn)，在河流起始河段的采樣點(diǎn)1處，不同時(shí)期河流總氮質(zhì)量濃度較為接近，說(shuō)明源頭處點(diǎn)源入河污染負(fù)荷較為穩(wěn)定。在烔煬河水體中TN質(zhì)量濃度最高值出現(xiàn)在2009年3月，位置在上游采樣點(diǎn)1處，其值為2.138 mg/L;最低值出現(xiàn)在2008年10月，位置在下游采樣點(diǎn)5處，其值僅為0.415 mg/L。河流TN質(zhì)量濃度上游較高，屬于地表水體Ⅳ～Ⅴ類(lèi)，中游污染程度有所減輕，下游已達(dá)Ⅲ類(lèi)水質(zhì)。由圖5可以看出，2008年10月和12月，采樣點(diǎn)2處總氮質(zhì)量濃度值分別達(dá)1.585m g/L和1.521 mg/L，而在采樣點(diǎn)3處迅速下降為0.489m g/L和0.677mg/L，TN質(zhì)量濃度落差較大，這與其它月份明顯不同。采樣點(diǎn)3、4之間TN質(zhì)量濃度變化相對(duì)平穩(wěn)，至入湖口處總氮質(zhì)量濃度變化與無(wú)機(jī)氮質(zhì)量濃度變化特征基本相同，且各月相差不大，這可能與巢湖水體的沖刷稀釋作用有關(guān)。烔煬河水體TN與其它溶解性無(wú)機(jī)態(tài)氮空間變化規(guī)律基本一致，即為從上游至下游污染物質(zhì)量濃度呈衰減變化規(guī)律。

圖5 烔煬河總氮變化趨勢(shì)

2.2 總磷變化特征

烔煬河水體中TP質(zhì)量濃度在0.066～0.186mg/L之間，屬地表水體Ⅱ～Ⅲ類(lèi)水質(zhì)。TP最高值出現(xiàn)在2009年3月，最低值在2008年10月。在采樣點(diǎn)2處，各月的TP質(zhì)量濃度相近，在采樣點(diǎn)3、4之間變化相對(duì)平穩(wěn)，到采樣點(diǎn)5處質(zhì)量濃度達(dá)到最低，而至入湖河口的采樣點(diǎn)6處又再次升高，如圖6所示。

圖6 烔煬河總磷變化趨勢(shì)

入湖河口處TP質(zhì)量濃度與含氮營(yíng)養(yǎng)物具有共同的特點(diǎn)，即各營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)量濃度在不同時(shí)期趨于相同或相近。空間上，烔煬河水體TP質(zhì)量濃度變化規(guī)律與含氮污染物略有不同，即表現(xiàn)為上游＞下游＞中游。

3 河流水體氮磷變化原因

通過(guò)實(shí)地調(diào)查和實(shí)驗(yàn)室分析，筆者以為影響烔煬河水體氮磷營(yíng)養(yǎng)物衰減變化的原因主要可以概括為3個(gè)方面，即水生植物的影響、排污不確定影響以及河流水溫變化的影響等。

3.1 水生植物的影響

為了揭示氮磷營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)的衰減變化與河道水生植物生長(zhǎng)的關(guān)系，研究中選取了水生植物相對(duì)較為稀疏的河段3作為對(duì)照河段，并定期清除河道內(nèi)水生植物。根據(jù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算各河段(包括對(duì)照河段)單位河長(zhǎng)上各項(xiàng)營(yíng)養(yǎng)物指標(biāo)的降解量，結(jié)果見(jiàn)表1所列?？傮w上看，河段3各營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)單位河長(zhǎng)的降解量低于同一時(shí)期其它各河段，尤其是在水生植物生長(zhǎng)較為旺盛的季節(jié)。

表1 單位長(zhǎng)度河段各指標(biāo)降解量10-4 m g/L

例如，對(duì)氨氮而言，各河段2009年5月、2009年7月和2008年10月單位河長(zhǎng)降解量均大于2009年3月和2008年12月。由調(diào)查可知，巢湖流域5月—10月為烔煬河主要水生植物水花生的生長(zhǎng)、開(kāi)花和成熟期。進(jìn)入12月水花生陸續(xù)枯萎，而3月水花生等尚未生長(zhǎng)。由表1可以看出，除了河段5受人為因素影響外，在有水生植物生長(zhǎng)的河段，各月份單位河段氮磷營(yíng)養(yǎng)物的降解量均高于對(duì)照河段3，這證明了水生植物對(duì)烔煬河水體營(yíng)養(yǎng)物的衰減變化具有重要影響。同樣，對(duì)其它各項(xiàng)營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)的分析，也得到了類(lèi)似結(jié)論。

3.2 污染物排污不確定性的影響

由圖2～圖6可以看出，在入湖河口處不同時(shí)期各氮磷營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)量濃度總體差別不大，筆者以為這可能與河流水量相對(duì)較小，在入湖河口處湖水的混合稀釋作用下，使得不同時(shí)期各指標(biāo)在入湖河口處質(zhì)量濃度值趨于相同。圖6中TP質(zhì)量濃度在入湖河口處又逐漸升高，筆者以為，這可能是由于入湖河口處常年有漁民居住，漁民生活用水在湖水的頂托作用下影響河口水質(zhì)，使得河口處TP質(zhì)量濃度升高。同樣，在表1中，氨氮、總氮和總磷等的單位河長(zhǎng)降解量部分出現(xiàn)負(fù)值，可能也是由這一原因造成的。由于該流域處于水稻種植區(qū)，除源頭處的點(diǎn)源排污外，農(nóng)田徑流也成為烔煬河水體氮磷營(yíng)養(yǎng)物不可忽視的來(lái)源。表1中，部分營(yíng)養(yǎng)物在對(duì)照河段3中出現(xiàn)單位河長(zhǎng)的降解量比其它時(shí)期高的反?，F(xiàn)象，筆者以為可能與非點(diǎn)源污染影響有關(guān)。

3.3 水溫變化的影響

文獻(xiàn)[14]研究表明，挺水植物在20～30℃環(huán)境中生長(zhǎng)最旺，對(duì)污染物吸附能力最強(qiáng)。由圖2～圖6可以看出，各氮磷營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)量濃度變化規(guī)律表現(xiàn)為2009年3月最高，2008年10月最低。筆者以為，導(dǎo)致這種現(xiàn)象的因素除水生植物的影響外，溫度的變化也是影響因素之一。具體表現(xiàn)為2008年10烔煬河水體溫度在25℃左右，為水生植物吸附能力最強(qiáng)時(shí)期，且適宜中溫型微生物生長(zhǎng)。而2009年3月烔煬河水體平均水溫在15.2℃左右，此時(shí)微生物活性較低，水生植物剛剛萌芽，尚不具備污染凈化能力。

4 結(jié) 論

(1)烔煬河含氮污染物在時(shí)間和空間上的變化規(guī)律基本相同。時(shí)間上，3月份最高，10月份最低;空間上，從上游至下游污染物質(zhì)量濃度呈衰減變化趨勢(shì)。含磷污染物與含氮污染物在時(shí)間上變化基本一致，但在空間上有所差異。

(2)水生植物對(duì)烔煬河水質(zhì)變化有直接影響。烔煬河各水質(zhì)指標(biāo)的變化隨水生植物生長(zhǎng)季節(jié)的變化而變化，由水生植物的發(fā)芽、開(kāi)花、成熟到枯萎，水體營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)量濃度變化呈現(xiàn)出從高到低再到高的變化情勢(shì)。在無(wú)植物生長(zhǎng)的季節(jié)或河段，單位長(zhǎng)度河段各指標(biāo)降解量低;反之，單位長(zhǎng)度河段各指標(biāo)降解量則高。正是由于水生植物對(duì)氮磷營(yíng)養(yǎng)物具有很好的凈化效果，在烔煬河水質(zhì)修復(fù)過(guò)程中，生態(tài)修復(fù)技術(shù)可能是一項(xiàng)較為理想的選擇。

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