磁湖非點源氮輸入負荷估算*

李于曉 肖文勝 王紅琴 姚瑞珍

(黃石理工學(xué)院環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,湖北黃石 435003)

隨著工業(yè)企業(yè)等點源污染的有效控制,非點源己成為水環(huán)境的一大污染源或首要污染源。在美國,60%的水環(huán)境污染起源于非點源。在奧地利北部地區(qū),據(jù)計算進入水環(huán)境的非點源氮量遠比點源大。丹麥 270條河流94%的氮負荷、52%的磷負荷是由非點源污染引起的[1]。在我國,非點源污染問題也日益嚴重,在太湖和滇池等重要湖泊,非點源污染已經(jīng)成為水質(zhì)惡化的主要原因之一[2]。

磁湖是黃石市區(qū)內(nèi)最大的淺水湖泊,位于東經(jīng) 115°01′～115°05′,北緯 30°11′～30°14′,面積8.12 km2,平均水深1.5～2.0m,平水期湖泊容積為1.748×107m3。

磁湖水環(huán)境中化學(xué)需養(yǎng)量(COD)、總氮(TN)、總磷(TP)均超標,其中TN超標率為100%,TP為 90%,水質(zhì)大多在 IV～V類水平,部分水域?qū)倭?V類,水質(zhì)污染嚴重,富營養(yǎng)化特征十分顯著[1]。湖北省及黃石市在“十一五”期間對磁湖進行了重點治理。目前環(huán)磁湖已基本完成截污,點源污染總體得到控制后,非點源污染問題還未根本解決,磁湖水質(zhì)仍然達不到地表水三類標準。

目前有關(guān)磁湖的富營養(yǎng)化狀態(tài)、磁湖非點源污染的研究完全是空白,而關(guān)于磁湖氮輸入負荷的研究也尚未見報道。本文以磁湖流域3次典型降雨產(chǎn)生的地表徑流為研究對象,通過室外連續(xù)采樣,分別就進入磁湖的城市地表徑流、農(nóng)田地表徑流、林區(qū)地表徑流的總氮進行分析,結(jié)合磁湖流域年降雨量初步估算進入磁湖的非點源污染氮負荷,為磁湖富營養(yǎng)化的控制提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣品的采集與處理

采樣點的選取:城市地表徑流監(jiān)測點為市區(qū)八卦嘴路口,農(nóng)田地表徑流監(jiān)測點為青湖蔬菜地,林地地表徑流監(jiān)測點為青龍山黃石理工學(xué)院校內(nèi)。磁湖流域土地利用狀況如表 1所示。

2009年 3月 -5月,連續(xù)采集 3次降雨產(chǎn)生的地表徑流。在降雨后開始產(chǎn)流時即開始采樣,每次采集500 mL,連續(xù)取樣2 h,依實際情況監(jiān)測至水量穩(wěn)定。采樣間隔為5 min, 5min,5min,15min,15min,15 min,30 min, 30min。樣品采集后迅速轉(zhuǎn)入實驗室進行分析,當(dāng)天來不及分析的樣品在 0～4℃的條件下保存,48 h內(nèi)分析完畢。

表1 磁湖流域土地利用狀況

1.2 實驗與數(shù)據(jù)處理方法

通過對試驗區(qū)降雨地表徑流水質(zhì)的監(jiān)測并利用SCS模型通過降雨量得出徑流量,估算出降雨徑流總氮的平均濃度。根據(jù) 1年降雨量可以估算出總氮的年入湖量。

1.2.1 地表徑流量計算方法

采用SCS徑流曲線法根據(jù)降水量數(shù)據(jù)模擬估算徑流量,其計算降雨徑流公式為:

式中:Q——地表徑流量(mm);

P——降雨量(mm);

S——流域最大雨水滯留量(mm);

CN——反應(yīng)降雨前期流域蓄水特征的無量綱綜合參數(shù),與土地利用類型、土壤、植被、農(nóng)業(yè)管理措施以及前期土壤濕潤程度有關(guān),反應(yīng)了降雨期間地表水文狀況。

1.2.2 SCS-CN系數(shù)的確定

SCS-CN法是當(dāng)前被廣泛應(yīng)用于降雨徑流關(guān)系研究的一種方法[3],SCS-CN值即徑流曲線數(shù)值綜合反映了土壤、土地利用、農(nóng)業(yè)耕作方式、水利條件等因素。但是由于地理環(huán)境的差異,直接將手冊中提供的 CN值應(yīng)用在試驗區(qū)時可能帶來一定的誤差,對此采用幾種方法來綜合確定試驗區(qū)的 CN值。CN的確定分為2個步驟,即:

1)按照土壤水分的滲透率將土壤分為 4類。

①A型土壤(透水):地表徑流產(chǎn)生能力小,在完全濕潤時應(yīng)有很高的下滲率,這類土壤主要是由深厚的、易大量排水的沙土和礫石組成,滲透系數(shù)為7.6～11.4 cm/h。

②B型土壤:滲透系數(shù)為3.8～7.6 cm/h,土壤質(zhì)地由中等細到中等粗,土壤中的砂礫含量少于 A型,這類土壤的產(chǎn)流能力屬于中等。

③C型土壤:滲透系數(shù)為1.3～3.8 cm/h,土壤產(chǎn)流能力較強,土層較淺,存在阻礙水向下運動的土層,土壤質(zhì)地常常由中到細。

④D型土壤:產(chǎn)流能力最強,滲透系數(shù) 0～ 1.3 cm/h,主要為含有高膨脹性的黏性土壤,以及含有幾乎不透水物質(zhì)的淺層土壤。

2)CN值的確定。在試驗區(qū)根據(jù)不同土地利用,參考國內(nèi)一些研究結(jié)果[4-5],最后根據(jù)土地利用方式、水土保持措施、水文土壤組以及CREAMS模型手冊提供的SCS-CN表得到研究區(qū)的 CN值,如表2所示。

表2 徑流曲線CN值

SCS-CN取值有3種狀態(tài),取決于雨前土壤的濕度狀況。雨前土壤的 3種狀況為:

Ⅰ:干旱,土壤濕度基本處于凋萎系數(shù),即最低產(chǎn)流條件。

Ⅱ:平均條件,介于Ⅰ和Ⅲ之間的狀態(tài)。Ⅲ:土壤水分為田間持水量,即最高產(chǎn)流條件。

1.2.3 地表徑流體積的計算

地表徑流體積的計算結(jié)果如表 3所示。

表3 地表徑流體積的計算結(jié)果

1.3 分析測試方法

總氮的測定采用微波消解過硫酸鉀氧化——紫外分光光度法;懸浮物的分析采用重量法。

1.4 儀器設(shè)備

1)MS-3型微波消解裝置,聚四氟乙烯密封消解罐(容量60mL)。

2)UV-1100型紫外可見光分光光度計(上海美普達儀器有限公司),10mm光程石英比色皿,50 mL比色管。

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 城市地表徑流

2009年 3月 23日、4月 2日、4月 23日城市徑流氮濃度變化趨勢分別如圖 1、圖 2、圖 3所示。

圖1 3月 23日城市地表徑流氮濃度變化趨勢圖

圖2 4月 2日城市地表徑流氮濃度變化趨勢圖

圖3 4月 23日城市地表徑流氮濃度變化趨勢圖

表4 城市地表徑流水質(zhì)

從表 4中可以看出,降雨初期隨徑流流失的顆粒態(tài)氮所占比例較大,隨著降雨延續(xù),顆粒態(tài)氮所占比例越來越小。城市地表徑流總氮的平均濃度為:

2.2 農(nóng)田地表徑流

2009年3月 23日、4月 12日、4月 23日農(nóng)田地表徑流氮濃度變化趨勢如圖 4、圖 5、圖 6所示。

圖4 3月 23日農(nóng)田地表徑流氮濃度變化趨勢圖

圖5 4月 12日農(nóng)田地表徑流氮濃度變化趨勢圖

圖6 4月 23日農(nóng)田地表徑流氮濃度變化趨勢圖

表5 農(nóng)田地表徑流水質(zhì)

從表 5中可以看出,隨徑流流失的溶解性氮占總氮的比例為 41%～96%,多數(shù)高于50%,農(nóng)田土壤中的氮主要以溶解性形式流失。農(nóng)田地表徑流總氮的平均濃度為:

2.3 林地地表徑流

2009年4月 5日、4月 19日、4月 25日林地地表徑流氮濃度變化趨勢圖如圖 7、圖 8、圖 9所示。

圖7 4月 5日林地地表徑流氮濃度變化趨勢圖

圖8 4月 19日林地地表徑流氮濃度變化趨勢圖

圖9 4月 25日林地地表徑流氮濃度變化趨勢圖

表6 林地地表徑流水質(zhì)

從表 6中可以看出,徑流中氮含量較低且土壤中吸附的氮很少。林地地表徑流總氮的平均濃度為:

3 氮流失特征分析

1)在整個降雨徑流過程中,污染物濃度在降雨初期較高,隨著降雨時間的延長而呈現(xiàn)下降趨勢,降雨初期是非點源污染物流失的高峰期。從徑流量變化與污染物流失特征看,污染物濃度與流量變化趨勢總體上基本相似,即隨著流量的減少,污染物輸出濃度也隨之呈下降趨勢,這與前人的研究結(jié)果類似[6-7]。

2)暴雨徑流經(jīng)過不同地表景觀,污染物濃度會發(fā)生相應(yīng)變化。

①城市地表徑流:從圖 1、2、3中可以看出,初期降雨總氮濃度較大,顆粒態(tài)氮含量較高。隨著降雨時間的推遲,總氮濃度下降的幅度比較大,顆粒態(tài)氮含量迅速下降。

②農(nóng)田地表徑流:在降雨強度不大時,總氮濃度和溶解性氮的濃度,隨徑流量的變化不大。對溶解性氮而言,其濃度變化幅度小。

③林地地表徑流:總氮濃度和溶解性氮的濃度變化幅度都小。降雨對林地的影響最小,林地對污染物有一定的截流作用。

4 結(jié)論

2009年外源氮入湖量估算結(jié)果如表 7所示。由 2009年地表徑流氮負荷估算的結(jié)果得知:磁湖流域城市面積最大且徑流總氮濃度最高,因此,城市地表徑流成為磁湖流域最大的外源污染源,對外源氮輸入磁湖負荷的貢獻最大。農(nóng)田和林地對外源氮輸入磁湖負荷的貢獻雖小,但也不可忽視。

表7 2009年外源氮入湖量估算

[1] RodeM,LindenschmidtK E.Distrbuted Sediment and Phosphours Transport Modeling on a Medium Sized Catchment in Central Germany[J].Physical and Chemical Earth,2001,26(7-8):635-640

[2] 郭紅巖,王曉蓉,朱建國,等.太湖流域非點源氮污染對水質(zhì)影響的定量化研究[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2003,22(2):150-153

[3] 袁藝,史培軍.土地利用對流域降雨 -徑流關(guān)系的影響——SCS模型在深圳的應(yīng)用[J].北京師范大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2001,37(1):198-203

[4] 徐秋寧,馬孝義,安夢雄,等.SCS模型在小集水區(qū)降雨徑流計算中的應(yīng)用[J].西南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,2002(2):97-107

[5] 黃滿湘,章申,唐以劍,等.模擬降雨條件下農(nóng)田徑流中氮的流失過程[J].土壤與環(huán)境,2001, 10(1):6-10

[6] 張榮保,姚琪,計勇.太湖典型小流域非點源污染物流失規(guī)律研究[J].人民長江,2004,38 (10):38-40

[7] 趙磊.非點源污染負荷核算方法研究[J].環(huán)境科學(xué)導(dǎo)刊,2008,27(4):9-13