丹江口水庫(kù)流域氮素時(shí)空分布特征

朱媛媛，劉 琰，周北海，江秋楓，吳德文

1.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院環(huán)境工程系，北京 100083

2.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，國(guó)家環(huán)境保護(hù)飲用水水源地保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100012

3.湖北省十堰市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)站，湖北 十堰 442000

丹江口水庫(kù)流域氮素時(shí)空分布特征

朱媛媛1，2，劉 琰2，周北海1，江秋楓2，吳德文3

1.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院環(huán)境工程系，北京 100083

2.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，國(guó)家環(huán)境保護(hù)飲用水水源地保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100012

3.湖北省十堰市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)站，湖北 十堰 442000

為全面了解丹江口水庫(kù)流域氮素污染狀況，對(duì)庫(kù)區(qū)26個(gè)點(diǎn)位及10條主要入庫(kù)河流入庫(kù)口處的表層水樣進(jìn)行了豐水期、平水期、枯水期采樣與監(jiān)測(cè)，探討了氮素時(shí)空分布特征。入庫(kù)口總氮檢出范圍為1.31～10.96 mg/L，其中泗河和神定河入庫(kù)口總氮最高?？偟獮閹?kù)區(qū)水質(zhì)主要限制因子，年均總氮質(zhì)量濃度為1.13～2.71 mg/L；漢江庫(kù)區(qū)整體上總氮污染水平略高于丹江庫(kù)區(qū)，且與丹江庫(kù)區(qū)相比，漢江庫(kù)區(qū)受點(diǎn)源排放的影響較大。10條入庫(kù)河流總氮的總年均輸入量為63 347.31 t/a，其中漢江的總氮輸入量最大;入庫(kù)河流總氮控制的關(guān)鍵在于溶解性有機(jī)氮和硝酸鹽氮的控制。

丹江口水庫(kù)；主要河流；氮素；時(shí)空變化

丹江口水庫(kù)是國(guó)家南水北調(diào)中線(xiàn)工程水源地、國(guó)家一級(jí)水源保護(hù)區(qū)以及重要的濕地保護(hù)區(qū)。隨著丹江口大壩加高，水庫(kù)蓄水位抬高，水體流速變小，污染物擴(kuò)散與遷移速率減慢。多年水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，丹江口水庫(kù)水質(zhì)較好，但隨著流域農(nóng)業(yè)化、城鎮(zhèn)化建設(shè)步伐加快，農(nóng)業(yè)面源及城鎮(zhèn)生活源的污染排放量持續(xù)增加，導(dǎo)致庫(kù)區(qū)總氮(TN)濃度呈上升趨勢(shì)，富營(yíng)養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)一步加大。2014年12月，南水北調(diào)中線(xiàn)工程正式通水，丹江口水庫(kù)的水質(zhì)狀況將直接影響到沿線(xiàn)河南、河北、北京、天津4省(市)20多座城市的飲水安全，因此，丹江口流域的生態(tài)環(huán)境保護(hù)備受關(guān)注[1-2]。

已有學(xué)者對(duì)十堰市的漢庫(kù)、南陽(yáng)市的丹庫(kù)以及部分入庫(kù)河流的氮素開(kāi)展了研究[3-5]，但是對(duì)整個(gè)丹江口水庫(kù)流域氮素進(jìn)行系統(tǒng)、全面的研究報(bào)道并不多見(jiàn)。研究通過(guò)對(duì)庫(kù)區(qū)及主要河流入庫(kù)口進(jìn)行豐水期、平水期、枯水期采樣，分析了TN及形態(tài)氮的時(shí)空分布特征、遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律，旨在為加強(qiáng)庫(kù)區(qū)水污染防治、確保受水區(qū)水質(zhì)安全提供依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 研究區(qū)概況

丹江口水庫(kù)位于漢江中上游，分布于湖北省丹江口市、鄖西縣等市(縣)和河南省南陽(yáng)市(下轄淅川縣)之間，水庫(kù)流域橫跨鄂、豫、陜3省，控制流域面積為9.5×104km2，多年平均入庫(kù)水量為394.8億m3，主要入庫(kù)河流有10條(丹江、老灌河、浪河、劍河、官山河、泗河、神定河、堵河、天河、漢江)。丹江口大壩加高后，正常蓄水位由157 m增至170 m，水域面積將達(dá)到1 050 km2，蓄水量達(dá)290.5億m3[1]。2014年12月12日，南水北調(diào)中線(xiàn)工程正式通水，年均調(diào)水量為95億m3。

該流域?qū)俦眮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，季風(fēng)和四季更換明顯，光照充足，雨量充沛。流域內(nèi)年平均降水量為800～1 000 mm，受地形和季風(fēng)影響，降水量時(shí)空分配極不平衡，多集中在5—10月且南多北少。流域內(nèi)土壤類(lèi)型主要為黃棕壤和黃褐土，兼有沼澤土、石灰土、水稻土及潮土等[6]。自然植被主要包括常綠落葉闊葉林及針闊混交林[7]。流域內(nèi)主要以傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)耕作及畜禽養(yǎng)殖業(yè)為主，兼有小型工業(yè)產(chǎn)業(yè)，主要農(nóng)作物有水稻、玉米、小麥等。從污染負(fù)荷產(chǎn)生來(lái)源看，農(nóng)業(yè)活動(dòng)和城鎮(zhèn)生活成為近年來(lái)流域氮素的主要來(lái)源。

1.2 采樣點(diǎn)設(shè)置及樣品采集

在丹江口庫(kù)區(qū)設(shè)置26個(gè)采樣點(diǎn)，其中D1～D14屬于河南的丹江庫(kù)區(qū)(用DK表示)，D15～D26屬于湖北的漢江庫(kù)區(qū)(用HK表示)。為了解主要入庫(kù)河流對(duì)庫(kù)區(qū)TN的影響，在主要河流入庫(kù)口位置設(shè)置了10個(gè)采樣點(diǎn)，其中R1(史家灣)、R2(淅川張營(yíng))分別位于丹江、老灌河上，R3(浪河口)、R4(劍河口)、R5(孫家灣)、R6(泗河口)、R7(神定河口)、R8(焦家院)、R9(天河口)和R10(羊尾)分別位于浪河、劍河、官山河、泗河、神定河、堵河、天河、漢江上。10個(gè)采樣點(diǎn)中，R1、R2屬于DK流域，R3～R10屬于HK流域。全部采樣點(diǎn)位示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 丹江口庫(kù)區(qū)及主要入庫(kù)河流采樣點(diǎn)位示意圖

根據(jù)流域內(nèi)降水特征及水文節(jié)律，7—9月為豐水期，5—6、10—11月為平水期，1—4、12月為枯水期。分別于2014年6、9、12月初在圖1所示的采樣點(diǎn)進(jìn)行水樣采集，用以代表3個(gè)水期的水質(zhì)狀況。

1.3 水質(zhì)分析方法

水體溶解氧(DO)、pH及溫度等基本理化指標(biāo)采用YSI 6600多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀(美國(guó))現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定，同時(shí)記錄采樣點(diǎn)周?chē)乩項(xiàng)l件、輸入源、所接納廢水來(lái)源等。

高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)由十堰市及南陽(yáng)市環(huán)境監(jiān)測(cè)站提供。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

實(shí)驗(yàn)樣品間誤差控制在5%內(nèi)，各形態(tài)氮標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)相關(guān)系數(shù)均大于0.999，溶解性無(wú)機(jī)氮(DIN)、顆粒態(tài)氮(PN)和溶解性有機(jī)氮(DON)的濃度計(jì)算方法如下[10-11]:

ρ(PN)=ρ(TN)-ρ(DTN)

ρ(DON)=ρ(DTN)-ρ(DIN)

低于檢出限的數(shù)據(jù)用1/2檢出限代替計(jì)算。

利用Excel 2010、Origin 8對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和繪圖；利用SPSS 16.0 Pearson相關(guān)系數(shù)法分析氮素之間的相關(guān)性；利用ArcGis 10.0反距離加權(quán)法(IDW)完成空間分布插值；庫(kù)區(qū)氮素在不同水期的時(shí)空差異顯著性檢驗(yàn)采用單因素方差法。

研究中各點(diǎn)位TN及形態(tài)氮的年均質(zhì)量濃度由3個(gè)水期的質(zhì)量濃度計(jì)算得出，計(jì)算公式為

(1)

式中：C為年均質(zhì)量濃度，mg/L；C豐、C平、C枯分別為豐水期、平水期、枯水期質(zhì)量濃度，mg/L。

主要入庫(kù)河流TN入庫(kù)量計(jì)算公式為

(2)

式中：Wi為第i條河流的TN入庫(kù)量，t/a；Qi為第i條河流多年年均徑流量，m3/s；Ci為第i條河流入庫(kù)口處TN的年均質(zhì)量濃度，mg/L。

2 結(jié)果與分析

2.1 水質(zhì)污染特征

2.2 氮素時(shí)空分布特征

2.2.1 主要河流入庫(kù)口氮素時(shí)空分布特征

2.2.1.1 TN

流域內(nèi)10條主要河流入庫(kù)口不同水期及TN年均質(zhì)量濃度見(jiàn)表1。

表1 主要河流入庫(kù)口TN質(zhì)量濃度水平 mg/L

由表1可知，入庫(kù)口TN質(zhì)量濃度檢出范圍為1.31～10.96 mg/L。從各點(diǎn)年均質(zhì)量濃度來(lái)看，R7處TN質(zhì)量濃度最高，達(dá)到10.81 mg/L，其次是R6，達(dá)到7.30 mg/L，說(shuō)明神定河和泗河氮污染較為嚴(yán)重。對(duì)比不同水期的TN質(zhì)量濃度可知，R7處TN質(zhì)量濃度隨水期改變無(wú)明顯變化，R5、R6、R10在豐水期TN質(zhì)量濃度略低于其他2個(gè)水期，其他采樣點(diǎn)TN質(zhì)量濃度在豐水期均顯示較高水平。分析原因可知，R7所在的神定河為十堰市主要納污河流，其氮素主要來(lái)自于城鎮(zhèn)生活污水、工業(yè)廢水等固定點(diǎn)源，排放量較為穩(wěn)定，受降水的影響較小，因此在不同水期TN質(zhì)量濃度差異不大；其他入庫(kù)河流受非點(diǎn)源影響較大，在豐水期受降水影響，來(lái)自非點(diǎn)源的污染物隨降水徑流匯入河流中，使得豐水期TN質(zhì)量濃度顯示較高水平，而R5、R6、R10所在的官山河、泗河、漢江在豐水期時(shí)水量大，對(duì)污染物起到一定的稀釋作用，因此TN質(zhì)量濃度在豐水期較其他2個(gè)水期低。由此可見(jiàn)，氮素來(lái)源及河流流量對(duì)入庫(kù)河流中氮濃度存在顯著影響。

2.2.1.2 形態(tài)氮

10條主要河流入庫(kù)口處形態(tài)氮年均質(zhì)量濃度及隨水期的變化情況見(jiàn)圖2。

圖2 主要河流入庫(kù)口形態(tài)氮時(shí)空分布

2.2.2 丹江口庫(kù)區(qū)氮素時(shí)空分布特征

2.2.2.1 TN

庫(kù)區(qū)TN質(zhì)量濃度年均值及隨水期變化情況見(jiàn)圖3。

圖3 丹江口庫(kù)區(qū)TN時(shí)空分布特征

由圖3可見(jiàn)，全庫(kù)年均TN質(zhì)量濃度范圍為1.13～2.71 mg/L，高于標(biāo)準(zhǔn)中TN的Ⅲ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)值要求(1.0 mg/L)。DK及HK年均TN質(zhì)量濃度分別為1.40、1.47 mg/L；2個(gè)庫(kù)區(qū)TN質(zhì)量濃度最高值分別為2.71、1.80 mg/L，分別位于D1和D16。總體而言，HK的TN污染水平略高于DK。全庫(kù)TN污染最為嚴(yán)重的區(qū)域位于DK北部，其次為HK的東部。DK北部區(qū)域位于南陽(yáng)市淅川縣，農(nóng)田覆蓋率大，來(lái)自于農(nóng)業(yè)面源的污染可能是導(dǎo)致該區(qū)域TN含量高的原因。HK東部區(qū)域存在少量網(wǎng)箱養(yǎng)殖，餌料投加和魚(yú)類(lèi)糞便可能是導(dǎo)致該區(qū)域TN質(zhì)量濃度高的原因之一，此外，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)HK東部周邊還存在少量的畜禽養(yǎng)殖源，也會(huì)對(duì)該區(qū)域TN產(chǎn)生一定的貢獻(xiàn)。

全庫(kù)平水期、豐水期、枯水期TN質(zhì)量濃度范圍分別為1.09～2.28、0.81～4.79、1.05～2.00 mg/L，均值分別為1.54、1.25、1.48 mg/L；由單因素方差可知，全庫(kù)TN質(zhì)量濃度平水期和豐水期差異明顯(P<0.05)，而在其他水期之間差異不明顯。DK的TN質(zhì)量濃度平水期、豐水期、枯水期范圍分別為1.09～2.28、0.81～4.79、1.05～1.97 mg/L，均值分別為1.39、1.37、1.42 mg/L，各個(gè)水期差異不顯著；HK的TN質(zhì)量濃度在平水期、豐水期、枯水期范圍分別為1.51～2.07、0.99～1.32、1.39～2.00 mg/L，均值分別為1.73、1.11、1.55 mg/L，平水期時(shí)HK的TN質(zhì)量濃度顯著高于豐水期。分析原因可知，2個(gè)庫(kù)區(qū)氮素污染來(lái)源及來(lái)水量存在差異，與DK相比，HK受點(diǎn)源排放的影響較大，同時(shí)HK來(lái)水量主要來(lái)自漢江，而漢江來(lái)水量約占庫(kù)區(qū)總來(lái)水量75%以上，在豐水期時(shí)受降水影響，污染物得到一定的稀釋?zhuān)虼素S水期時(shí)HK的TN質(zhì)量濃度低于其他水期，也低于豐水期時(shí)DK的TN質(zhì)量濃度，而在平水期和枯水期時(shí)，HK的TN質(zhì)量濃度總體高于DK。此外，由圖3可知，枯水期時(shí)在DK的西部和東部區(qū)域，以及HK的東部區(qū)域，TN的質(zhì)量濃度顯著高于其他水期相同區(qū)域的TN質(zhì)量濃度，可能是由于枯水期時(shí)水量較小，無(wú)法對(duì)來(lái)自于DK西部和東部區(qū)域畜禽養(yǎng)殖源以及HK東部的網(wǎng)箱養(yǎng)殖源所排放的污染物產(chǎn)生稀釋作用。

2.2.2.2 形態(tài)氮

圖4 丹江口庫(kù)區(qū)形態(tài)氮時(shí)空分布

3 討論

3.1 入庫(kù)河流對(duì)庫(kù)區(qū)TN的貢獻(xiàn)

入庫(kù)河流為庫(kù)區(qū)TN的重要輸入源。為了解不同河流對(duì)于庫(kù)區(qū)TN的貢獻(xiàn)，根據(jù)式(2)對(duì)各入庫(kù)河流年均TN輸入量進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 主要入庫(kù)河流TN入庫(kù)量

由表2數(shù)據(jù)可知，10條主要入庫(kù)河流中，漢江的TN輸入量最大，占總輸入量的68.79%；其次為堵河和老灌河，分別占總輸入量的15.38%和8.71%。雖然神定河及泗河入庫(kù)口處年均TN質(zhì)量濃度最高，但這2條河流的TN年輸入量?jī)H占總輸入量的1.93%和1.50%。由此可知，流量對(duì)于入庫(kù)河流TN的輸入量有重要影響。10條入庫(kù)河流TN的總年均輸入量為63 347.31 t/a，其中來(lái)自HK流域的TN年均輸入量占到90.67%，貢獻(xiàn)明顯高于DK流域。

3.2 入庫(kù)河流及庫(kù)區(qū)形態(tài)氮與TN的相關(guān)性

表3 入庫(kù)河流和庫(kù)區(qū)TN與形態(tài)氮的相關(guān)性分析

注:“**”表示P<0.01時(shí)極顯著相關(guān)。

3.3 丹江口流域氮濃度水平對(duì)比分析

文獻(xiàn)中報(bào)道的其他湖庫(kù)的氮素水平見(jiàn)表4。

表4 丹江口庫(kù)區(qū)與國(guó)內(nèi)其他湖庫(kù)比較 mg/L

4 結(jié)論

1)丹江口水庫(kù)10條主要入庫(kù)河流中，除泗河和神定河分別滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)中Ⅳ類(lèi)和Ⅲ類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)外，其他均能達(dá)到Ⅱ類(lèi)及以上水質(zhì)要求；TN參與庫(kù)區(qū)水質(zhì)評(píng)價(jià)時(shí)，水質(zhì)由Ⅱ類(lèi)降為Ⅳ類(lèi)水。

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The Temporal and Spatial Distribution of Nitrogen in Danjiangkou Reservoir Watershed

ZHU Yuanyuan1，2，LIU Yan2，ZHOU Beihai1，JIANG Qiufeng2，WU Dewen3

1.Department of Environmental Engineering，School of Civil and Environmental Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China

2.State Key Laboratory of Environmental Criteria and Risk Assessment，State Environmental Protection Key Laboratory of Drinking Water Source Protection，Chinese Research Academy of Environmental Sciences，Beijing 100012，China

3.Shiyan Environmental Protection Monitoring Station，Shiyan 442000，China

In order to investigate the pollution characteristic of nitrogen in Danjiangkou Reservoir watershed,surface water at 26 sampling sites in the reservoir area and 10 sampling sites in the main tributaries were collected and analyzed in different seasons. The concentrations of total nitrogen (TN) are in the range of 1.31-10.96 mg/L for the main tributaries,and the concentrations of TN in Sihe River and Shendinghe River are obviously higher than that in other rivers. TN is the limit factor for the water quality in Danjiangkou Reservoir,and the annual average concentration of TN is 1.13-2.71 mg/L. Generally,the concentration of TN in the reservoir area in Hanjiang watershed (HK) is higher than that in the reservoir area in Danjiang watershed (DK),and compared with DK,the HK is strongly influenced by the discharge of point sources. The annual average input amount of TN from 10 tributaries is 63 347.31 t,and among the 10 tributaries,Hanjiang River has a biggest contribution for inputting of TN. The result of nitrogen forms analysis shows that the key to control TN in tributaries is to control the input of dissolved organic nitrogen (DON) and nitrate-nitrogen.

Danjiangkou reservoir；main tributaries；Nitrogen forms；spatial-temporal changes

2015-04-17;

2015-07-24

朱媛媛(1991-)，女，江蘇揚(yáng)州人，碩士。

周北海

X824

A

1002-6002(2016)02- 0050- 08