滇池東南岸農(nóng)業(yè)和富磷區(qū)入湖河流地表徑流及污染特征

李發(fā)榮，邱學禮，周 璟，劉 永，劉淑春，郭懷成

1.昆明市環(huán)境監(jiān)測中心，云南 昆明 650028

2.云南省農(nóng)業(yè)科學研究院，云南 昆明 650205

3.北京大學環(huán)境科學與工程學院，教育部水沙科學重點實驗室，北京 100871

4.云南省高原湖泊流域污染過程與管理重點實驗室，云南 昆明 650034

5.北京林業(yè)大學，北京 100083

目前，水體富營養(yǎng)化是許多國家密切關(guān)注的環(huán)境問題［1-2］。非點源污染是造成水體富營養(yǎng)化的重要原因，隨著點源污染治理程度的逐步加深，非點源污染成為關(guān)注的焦點［3-4］。土壤以及人為活動產(chǎn)生的氮、磷等營養(yǎng)元素受到降雨的沖刷，隨著地表徑流及泥沙遷移匯入受納水體，造成水質(zhì)退化并產(chǎn)生富營養(yǎng)化，由此帶來的環(huán)境、經(jīng)濟及社會問題已引起國內(nèi)外普遍關(guān)注［5-9］。研究者主要通過實地監(jiān)測［9-10］和模型模擬［4，11-12］等研究非點源營養(yǎng)負荷的排放規(guī)律，但由于受到氣候、降雨、植被、土壤、地形、耕作方式等多個因素的影響，非點源污染具有隨機性強、涉及范圍廣、時空差異大等特點，導致其監(jiān)測和模擬十分困難。流域尺度的模型預測是今后研究和評價非點源污染的主要技術(shù)手段和發(fā)展趨勢［15］，但該方面的研究需要建立在詳盡的實地監(jiān)測資料的基礎(chǔ)之上。在流域內(nèi)開展小尺度的源區(qū)監(jiān)測研究，有助于識別地表徑流產(chǎn)生的關(guān)鍵源區(qū)及其水質(zhì)污染特征［16］，探討湖泊等水體的外源輸入，進而有針對性地采取管理措施。實地監(jiān)測結(jié)果能更準確地反映匯入受納水體的地表徑流來源及其污染特征，為流域尺度上的模擬預測及實現(xiàn)流域生態(tài)系統(tǒng)管理提供基礎(chǔ)。

滇池流域是云南省人口最密集、經(jīng)濟最發(fā)達的地區(qū)。由于毗鄰昆明主城區(qū)，滇池水質(zhì)受到人為活動的嚴重影響，隨著污染物產(chǎn)生量迅速增加，滇池富營養(yǎng)化已成為主要的環(huán)境問題。滇池位于流域下游，寶象河、馬料河等20多條河流匯入湖體。已有研究表明，流域地表徑流使得大量的氮、磷等進入滇池［17］，加重水體富營養(yǎng)化并導致藍藻水華頻繁發(fā)生［18］。進入滇池的營養(yǎng)負荷主要來自工業(yè)廢水、城市污水等點源及農(nóng)田地表徑流流失和磷礦開采［19］。隨著滇池流域點源污染控制工程的實施，農(nóng)田地表徑流流失、磷礦開采成為滇池水體富營養(yǎng)化控制的重要內(nèi)容［20-21］，探索并研究其相關(guān)規(guī)律已成為滇池治理的重點。因此，開展對滇池東南岸農(nóng)業(yè)區(qū)和富磷采礦區(qū)的入湖河流野外布點監(jiān)測，通過實地采樣、降雨徑流監(jiān)測，結(jié)合室內(nèi)分析，識別各入湖河流的地表徑流及其水質(zhì)污染特征，探索其污染物的時空分布特征及其變化規(guī)律，以期為滇池污染物入湖時空分布規(guī)律研究、流域非點源污染的控制、滇池環(huán)境保護管理決策提供科學依據(jù)。

1 實驗部分

1.1 研究區(qū)概況

滇池流域位于云貴高原的中部，流域面積2 920 km2，其海拔為1 880.6～2 837.6 m。滇池湖體面積約為 309 km2，占整個流域面積的10.6%。流域?qū)賮啛釒駶櫄夂?，年平均氣溫?4.7℃，年平均降雨量為1 007 mm，年平均相對濕度為73%。一年內(nèi)干濕季節(jié)分明，80%以上的年降雨集中在5—10月，汛期主要集中在7、8月。11月至次年4月為干季，日照充足，雨量稀少。流域多年平均陸地徑流量約為9.7 m3/s［19］，常年匯入滇池的有盤龍江、寶象河、馬料河等20多條入湖河流。農(nóng)業(yè)用地約占整個流域面積的20%;流域內(nèi)最具代表性的富磷區(qū)域位于滇池南岸的晉寧縣上蒜鄉(xiāng)，區(qū)域常年集中開采磷礦［21］。大規(guī)模的磷礦開采在創(chuàng)造良好經(jīng)濟效益的同時，卻造成了磷礦開發(fā)區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的嚴重破壞和流域水環(huán)境污染。

1.2 布點及采樣方案

滇池東南岸是整個流域農(nóng)業(yè)用地的主要分布區(qū)，農(nóng)業(yè)非點源污染也主要集中在這一區(qū)域。如圖1所示，選擇滇池東南岸10條主要入湖河流，在其下游設置監(jiān)測斷面，斷面靠近入湖口并不受滇池回水影響。由表1可見，這10條河流的流域面積幾乎占整個流域面積的一半，且具有相同的特征，即徑流量較大、匯水面積大、水土流失嚴重、非點源污染突出。其中，上蒜礦區(qū)所帶來的污染主要通過次巷河(8#)匯入滇池，因此對次巷河的監(jiān)測綜合反映了農(nóng)業(yè)面源和磷礦開采帶來的污染特征。

由于7—9月為滇池流域集中降雨時間，從2008年8月16日至9月25日對上述10條河流進行監(jiān)測。在無降雨狀態(tài)下，每隔5或7 d進行一次常規(guī)監(jiān)測，8月24—26日期間出現(xiàn)了連續(xù)降雨，因而在降雨前(8月24日)和降雨后(8月27日)分別對各河流加測一次，共進行了8次常規(guī)監(jiān)測。由于降雨存在空間差異性，為了解污染物在降雨過程中的流失特征，選取了降雨過程相同的3條河流，即大河(7#)、次巷河(8#)、甸心河(10#)開展降雨徑流分析。共監(jiān)測了2次降雨徑流全過程，分別發(fā)生在8月25日和8月26日，降雨量分別為35、24 mm。在降雨過程中，從降雨產(chǎn)生徑流開始，每隔10 min或30 min取1次樣，取樣頻率取決于河流水位上漲或回落的快慢程度，直至徑流水質(zhì)趨于穩(wěn)定。樣品采集時，將采樣器放至河道中，采集二分之一水深處的水樣，然后將水樣放到預先準備好的水樣瓶中，并根據(jù)分析項目，添加固定劑、貼上標簽，帶回實驗室分析。

圖1 入湖河流監(jiān)測斷面分布圖

表1 河流基本概況

1.3 樣品分析及指標測定

同時進行水量、水質(zhì)指標的分析。水量指標包括降雨量、河流斷面面積、水位、流速、流量。水位現(xiàn)場采用水文標尺測量，同時用流速儀按水文監(jiān)測規(guī)范進行記錄，流速測定采用信控流速儀(XHW-1型)，流量則根據(jù)流速與斷面面積計算。常規(guī)監(jiān)測的水質(zhì)分析指標包括 pH、總氮(TN)、總 磷 (TP)、溶解性磷(DP)、氨氮硝酸鹽氮化學需氧量(COD)、懸浮物(SS);在進行降雨徑流監(jiān)測時，水質(zhì)分析指標包括 pH、TN、TP、COD、SS、氟化物(F－)、硫化物(S－)、砷(As)、鉛(Pb)。分析方法按照《水和廢水監(jiān)測分析方法(第四版)》進行，河流采樣按照《水質(zhì)采樣技術(shù)指導》(HJ 494—2009)進行。

1.4 數(shù)據(jù)處理與研究方法

分別分析常規(guī)監(jiān)測和降雨徑流監(jiān)測的數(shù)據(jù)，8次常規(guī)監(jiān)測共有80個樣品，一次降雨過程中每條監(jiān)測河流的取樣數(shù)為7～10個，2次降雨徑流監(jiān)測共采集樣品52個。對于常規(guī)監(jiān)測，首先通過系統(tǒng)聚類的方法探討水質(zhì)污染的空間分布特征，進而通過因子分析方法分析水質(zhì)影響因子，識別污染源。數(shù)據(jù)預處理與統(tǒng)計分析過程采用 SPSS.19.0。

1.4.1 系統(tǒng)聚類分析

系統(tǒng)聚類分析是一種應用廣泛的聚類分析方法，其實質(zhì)是先將每一個個體看做一類，然后將相近程度最高的2類進行合并組成一個新類，再將該新類與相似度最高的類進行合并，直到所有的個體都歸為一類。此方法主要用于分析流域的水質(zhì)時空變化特征［22］。分析采用歐氏距離平方，計算方法采用離差平方和法(Ward法)，即以平方歐式距離作為2類之間的距離，先將集合中每個樣本自成一類，在進行類別合并時，計算類重心間方差，將離差平方和增加的幅度最小的2類首先合并，再依次將所有類別逐級合并。

1.4.2 因子分析

因子分析法通過研究眾多變量之間的內(nèi)部依賴程度，探求觀測數(shù)據(jù)之間的基本結(jié)構(gòu)，從多個實測的原變量中提取出較少的、互不相關(guān)的抽象綜合指標，即因子，用于反映原來眾多變量的主要信息，每個原變量可以用這些提取出的因子的線性組合表示。此方法主要用于提取水質(zhì)污染因子和識別污染源［23］。

2 結(jié)果與討論

2.1 常規(guī)監(jiān)測

2.1.1 入湖河流流量及其水質(zhì)污染特征

在8次常規(guī)監(jiān)測中，各河流的流量情況見圖2。由圖2可知，新寶象河的流量最大，其平均流量達到2.6 m3/s，占總?cè)牒髁康?6.5%;其次為洛龍河，平均流量為1.47 m3/s，占總?cè)牒髁康?5.0%。入湖流量最低的是甸心河，平均流量僅為0.16 m3/s。

圖2 河流入湖流量監(jiān)測結(jié)果

表2 河流水質(zhì)指標統(tǒng)計描述

2.1.2 聚類分析

10條入湖河流水質(zhì)在空間上大體可分為3組(圖3):海河、新寶象河和馬料河、其余河流。在其余河流中，洛龍河、東大河、甸心河可歸為一組，大河、次巷河、南沖河、撈魚河又可歸為一組。結(jié)合水質(zhì)污染程度可看出，10條河流水質(zhì)狀況具有明顯的空間分布特征。海河最靠近昆明主城區(qū)，人類活動與工業(yè)活動最為頻繁，水資源開發(fā)強度大，水質(zhì)污染程度最為嚴重。新寶象河與馬料河區(qū)域，仍然有一定的人為活動，但工業(yè)活動已略有減少，因而這2條河的水質(zhì)要好于海河。其余河流受人類活動和工業(yè)活動的影響相對較少，主要以農(nóng)業(yè)面源污染為主，因而水質(zhì)狀況在10條河流中相對較好。

圖3 入湖河流水質(zhì)聚類樹狀圖

2.1.3 因子分析

按照特征值大于1的原則，提取3個公因子用以反映入湖河流的水質(zhì)特征，即 F1、F2、F3，累計貢獻率為82.573%(表3)，能較好地反映原始數(shù)據(jù)的基本信息。F1貢獻率為53.636%，其中 TN、TP、DP、NO－3-N所占的因子載荷較大，且均與F1呈較強的正相關(guān)，主要代表了水體中的N、P含量;F2貢獻率為16.601%，其中 NH+4-N、COD、SS所占的因子載荷較大，且均與 F2呈正相關(guān)關(guān)系，主要為水體中SS及COD含量水平;F3貢獻率為12.336%，只有 pH在其中占有較大載荷且與F3呈較強的正相關(guān)關(guān)系，主要代表水體的酸堿度。

因子得分反映了各監(jiān)測斷面的污染狀況。得分越高，說明水質(zhì)越差。由表4可見，海河綜合得分最高，污染程度也最為嚴重。位于南岸的東大河，得分最低，其水質(zhì)狀況最好。這一結(jié)果也反映了水質(zhì)的空間分異性，上游的海河、新寶象河、馬料河主要受F1影響，含有較高的因子得分，頻繁的人類活動會使大量的 N、P排入河道，加重污染。東岸的大河、次巷河、南沖河、撈魚河等主要受F2影響，這些地區(qū)農(nóng)耕地較為集中，以農(nóng)業(yè)面源污染為主。下游的甸心河，在常規(guī)監(jiān)測中其平均入湖流量為最低，但由于臨近滇池出口，受下游人為活動的影響，其水質(zhì)污染程度在10條河流中排在第4位，可見人為活動與生活污水對流域河流水質(zhì)的影響較大。

表3 空間分析的旋轉(zhuǎn)因子載荷矩陣

表4 監(jiān)測斷面因子得分

2.2 降雨徑流監(jiān)測

通過對大河(7#)、次巷河(8#)、甸心河(10#)3條河流2次降雨徑流過程監(jiān)測，探討污染物的流失特征，監(jiān)測結(jié)果見圖4。由圖4可見，在降雨徑流的初期，污染物濃度開始升高，中期增長迅速，當流量到達峰值或接近峰值時，污染物也開始接近其濃度最高值，此后濃度開始下降并最終趨于穩(wěn)定。COD、SS的濃度變化比 TN、TP劇烈得多，4個指標的濃度變化范圍均為甸心河＞次巷河＞大河，這也反映了3條河流不同的狀況。在常規(guī)監(jiān)測中次巷河的水質(zhì)狀況要好于大河，但由于受磷礦開采區(qū)的影響，在降雨條件下，其污染物濃度變化比大河高許多，降雨量較大時，這種現(xiàn)象更加明顯。甸心河由于受到下游人為活動的影響，其污染物濃度變化最大。值得注意的是，在25日降雨過程中，3條河流SS濃度在流量到達峰值前其濃度最高值已經(jīng)出現(xiàn)。8月25日的降雨量(35 mm)大于8月26日(24 mm)?？梢?，當降雨量較大時，由于降雨徑流初期的溶解沖刷作用，地表徑流能攜帶大量的SS進入河流并迅速達到最大值，徑流中后期稀釋作用逐漸占主導地位，使得SS濃度開始下降。表5列出了甸心河在8月25日降雨過程中的污染物濃度變化，由于 N、P等營養(yǎng)元素大多吸附于SS上，因而使得污染物濃度也不斷增加。

圖4 甸心河、次巷河、大河在2次降雨過程中污染物濃度隨地表徑流的流失過程

表5 8月25日降雨過程中甸心河污染物濃度的變化

3條河流降雨徑流中，流量、SS與其余指標的相關(guān)性見表6。由表6可知，在次巷河，流量與SS呈極顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)達到0.93。除COD、As、Pb外，次巷河的流量、SS與其余水質(zhì)指標均呈正相關(guān)或顯著正相關(guān)，這也說明在次巷河，過大的地表徑流量將會帶來更為嚴重的水質(zhì)污染。除農(nóng)業(yè)面源外，磷礦開采過程中會產(chǎn)生大量的揚塵，降雨時會隨地表徑流產(chǎn)生大量水土流失，并攜帶營養(yǎng)物質(zhì)進入到滇池湖體。而在以農(nóng)業(yè)面源為主的大河，流量與SS呈顯著正相關(guān)(相關(guān)系數(shù)為0.66)，但流量、SS與其余指標的相關(guān)性均不強。其產(chǎn)生原因在于:①在降雨過程中可能沒有采集足夠的樣本以正確反映污染物流失過程;②2次降雨持續(xù)時間都較長，因而使得降雨強度不大，沒有帶來更多的污染物;③還與該河流控制面積內(nèi)的土地利用(如林地)和土壤性質(zhì)有關(guān)。在受下游人為活動影響的甸心河，除 S－、Pb外，SS與其余指標均為顯著相關(guān)，說明地表徑流過大仍然會產(chǎn)生較嚴重的水質(zhì)污染。

表6 降雨徑流監(jiān)測中河流流量、SS與其余指標的相關(guān)性

3 結(jié)論與建議

3.1 結(jié)論

1)在8次常規(guī)監(jiān)測中，新寶象河的平均流量為2.6 m3/s，占總?cè)牒髁康?6.5%;南岸的甸心河入湖流量最低，平均流量僅為0.16 m3/s。最為靠近昆明主城區(qū)的海河，除NH4+-N外，其余指標濃度均比其他河流高。TN、TP、COD、SS是滇池的主要污染指標，許多河流均已嚴重超標。

2)河流水質(zhì)狀況在空間上可分為3類，反映了不同河流的水質(zhì)污染程度;3類結(jié)果包括:①海河，靠近昆明主城區(qū)，其水質(zhì)污染最為嚴重;②海河的新寶象河、馬料河;③其余河流，水質(zhì)狀況相對較好。

3)N、P含量是河流水質(zhì)污染的主要貢獻因子，TN、TP、DP 和 NO3－-N對水質(zhì)污染的貢獻率達到了53.636%;因子得分結(jié)果表明，受人為活動和工業(yè)活動影響較大的海河、新寶象河、馬料河，是研究區(qū)域中污染最嚴重的3條河流，東大河水質(zhì)最好。

4)降雨條件下COD、SS濃度增長尤為迅速，磷礦開采對河流水質(zhì)的影響在降雨條件下更加明顯，其SS濃度在降雨條件下比只受農(nóng)業(yè)面源影響的河流最高高出1.9倍。流量、SS與大多數(shù)水質(zhì)指標均有相關(guān)性，當降雨量較大時，由于降雨徑流初期的溶解沖刷作用，SS能迅速達到最大值。

3.2 建議

研究發(fā)現(xiàn)，TN、TP、COD、SS是滇池的主要污染負荷，降雨情況下COD、SS增長尤為迅速，將帶來更多的水質(zhì)污染。結(jié)合滇池以山地為主的地形特征，農(nóng)業(yè)面源污染防治的主要措施應在進入滇池河道的徑流區(qū)建立生態(tài)型溝渠，同時在周邊建立生態(tài)隔離帶，以阻截地表徑流攜帶的泥沙和負荷，并在隔離帶內(nèi)種植植物以吸收徑流中的養(yǎng)分;其次是在進入湖泊的下游建設緩沖池，以沉降N、P等營養(yǎng)物質(zhì)［25-26］，達到控制地表徑流，減少養(yǎng)分排放的目的。雖然經(jīng)過了生態(tài)溝渠、生態(tài)攔截系統(tǒng)以及緩沖滯留池的阻截，但仍會有一部分養(yǎng)分進入河道，可再利用滇池的陸生湖濱帶地區(qū)建設生態(tài)型人工濕地以充分阻攔泥沙、吸收養(yǎng)分，從而有效消減N、P入湖負荷。監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，河流水質(zhì)狀況呈現(xiàn)明顯的空間差異性，因而今后在進行水環(huán)境模型建立、污染物目標控制等研究時，必須考慮水質(zhì)參數(shù)的時空變化。不同區(qū)域的河流，如靠近主城區(qū)、以農(nóng)業(yè)面源為主和綜合農(nóng)業(yè)面源、磷礦開采為主的河流，其水質(zhì)特征差異顯著，需根據(jù)具體的特征考慮不同的水質(zhì)參數(shù)。

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