丹江口水庫流域氮素時空分布特征

朱媛媛，劉 琰，周北海，江秋楓，吳德文

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

2.中國環(huán)境科學研究院環(huán)境基準與風險評估國家重點實驗室，國家環(huán)境保護飲用水水源地保護重點實驗室，北京 100012

3.湖北省十堰市環(huán)境保護監(jiān)測站，湖北 十堰 442000

丹江口水庫流域氮素時空分布特征

朱媛媛1，2，劉 琰2，周北海1，江秋楓2，吳德文3

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

2.中國環(huán)境科學研究院環(huán)境基準與風險評估國家重點實驗室，國家環(huán)境保護飲用水水源地保護重點實驗室，北京 100012

3.湖北省十堰市環(huán)境保護監(jiān)測站，湖北 十堰 442000

為全面了解丹江口水庫流域氮素污染狀況，對庫區(qū)26個點位及10條主要入庫河流入庫口處的表層水樣進行了豐水期、平水期、枯水期采樣與監(jiān)測，探討了氮素時空分布特征。入庫口總氮檢出范圍為1.31～10.96 mg/L，其中泗河和神定河入庫口總氮最高?？偟獮閹靺^(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；漢江庫區(qū)整體上總氮污染水平略高于丹江庫區(qū)，且與丹江庫區(qū)相比，漢江庫區(qū)受點源排放的影響較大。10條入庫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;入庫河流總氮控制的關(guān)鍵在于溶解性有機氮和硝酸鹽氮的控制。

丹江口水庫；主要河流；氮素；時空變化

丹江口水庫是國家南水北調(diào)中線工程水源地、國家一級水源保護區(qū)以及重要的濕地保護區(qū)。隨著丹江口大壩加高，水庫蓄水位抬高，水體流速變小，污染物擴散與遷移速率減慢。多年水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果表明，丹江口水庫水質(zhì)較好，但隨著流域農(nóng)業(yè)化、城鎮(zhèn)化建設步伐加快，農(nóng)業(yè)面源及城鎮(zhèn)生活源的污染排放量持續(xù)增加，導致庫區(qū)總氮(TN)濃度呈上升趨勢，富營養(yǎng)化風險進一步加大。2014年12月，南水北調(diào)中線工程正式通水，丹江口水庫的水質(zhì)狀況將直接影響到沿線河南、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)境保護備受關(guān)注[1-2]。

已有學者對十堰市的漢庫、南陽市的丹庫以及部分入庫河流的氮素開展了研究[3-5]，但是對整個丹江口水庫流域氮素進行系統(tǒng)、全面的研究報道并不多見。研究通過對庫區(qū)及主要河流入庫口進行豐水期、平水期、枯水期采樣，分析了TN及形態(tài)氮的時空分布特征、遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律，旨在為加強庫區(qū)水污染防治、確保受水區(qū)水質(zhì)安全提供依據(jù)。

1 實驗部分

1.1 研究區(qū)概況

丹江口水庫位于漢江中上游，分布于湖北省丹江口市、鄖西縣等市(縣)和河南省南陽市(下轄淅川縣)之間，水庫流域橫跨鄂、豫、陜3省，控制流域面積為9.5×104km2，多年平均入庫水量為394.8億m3，主要入庫河流有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，水域面積將達到1 050 km2，蓄水量達290.5億m3[1]。2014年12月12日，南水北調(diào)中線工程正式通水，年均調(diào)水量為95億m3。

該流域?qū)俦眮啛釒Ъ撅L氣候，季風和四季更換明顯，光照充足，雨量充沛。流域內(nèi)年平均降水量為800～1 000 mm，受地形和季風影響，降水量時空分配極不平衡，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。從污染負荷產(chǎn)生來源看，農(nóng)業(yè)活動和城鎮(zhèn)生活成為近年來流域氮素的主要來源。

1.2 采樣點設置及樣品采集

在丹江口庫區(qū)設置26個采樣點，其中D1～D14屬于河南的丹江庫區(qū)(用DK表示)，D15～D26屬于湖北的漢江庫區(qū)(用HK表示)。為了解主要入庫河流對庫區(qū)TN的影響，在主要河流入庫口位置設置了10個采樣點，其中R1(史家灣)、R2(淅川張營)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個采樣點中，R1、R2屬于DK流域，R3～R10屬于HK流域。全部采樣點位示意圖見圖1。

圖1 丹江口庫區(qū)及主要入庫河流采樣點位示意圖

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所示的采樣點進行水樣采集，用以代表3個水期的水質(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采用YSI 6600多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測儀(美國)現(xiàn)場測定，同時記錄采樣點周圍地理條件、輸入源、所接納廢水來源等。

高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)監(jiān)測數(shù)據(jù)由十堰市及南陽市環(huán)境監(jiān)測站提供。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

實驗樣品間誤差控制在5%內(nèi)，各形態(tài)氮標準曲線相關(guān)系數(shù)均大于0.999，溶解性無機氮(DIN)、顆粒態(tài)氮(PN)和溶解性有機氮(DON)的濃度計算方法如下[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檢出限代替計算。

利用Excel 2010、Origin 8對實驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計和繪圖；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；庫區(qū)氮素在不同水期的時空差異顯著性檢驗采用單因素方差法。

研究中各點位TN及形態(tài)氮的年均質(zhì)量濃度由3個水期的質(zhì)量濃度計算得出，計算公式為

(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。

主要入庫河流TN入庫量計算公式為

(2)

式中：Wi為第i條河流的TN入庫量，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 氮素時空分布特征

2.2.1 主要河流入庫口氮素時空分布特征

2.2.1.1 TN

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

表1 主要河流入庫口TN質(zhì)量濃度水平 mg/L

由表1可知，入庫口TN質(zhì)量濃度檢出范圍為1.31～10.96 mg/L。從各點年均質(zhì)量濃度來看，R7處TN質(zhì)量濃度最高，達到10.81 mg/L，其次是R6，達到7.30 mg/L，說明神定河和泗河氮污染較為嚴重。對比不同水期的TN質(zhì)量濃度可知，R7處TN質(zhì)量濃度隨水期改變無明顯變化，R5、R6、R10在豐水期TN質(zhì)量濃度略低于其他2個水期，其他采樣點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，其氮素主要來自于城鎮(zhèn)生活污水、工業(yè)廢水等固定點源，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；其他入庫河流受非點源影響較大，在豐水期受降水影響，來自非點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、漢江在豐水期時水量大，對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個水期低。由此可見，氮素來源及河流流量對入庫河流中氮濃度存在顯著影響。

2.2.1.2 形態(tài)氮

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

圖2 主要河流入庫口形態(tài)氮時空分布

2.2.2 丹江口庫區(qū)氮素時空分布特征

2.2.2.1 TN

庫區(qū)TN質(zhì)量濃度年均值及隨水期變化情況見圖3。

圖3 丹江口庫區(qū)TN時空分布特征

由圖3可見，全庫年均TN質(zhì)量濃度范圍為1.13～2.71 mg/L，高于標準中TN的Ⅲ類標準值要求(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個庫區(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TN污染最為嚴重的區(qū)域位于DK北部，其次為HK的東部。DK北部區(qū)域位于南陽市淅川縣，農(nóng)田覆蓋率大，來自于農(nóng)業(yè)面源的污染可能是導致該區(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，餌料投加和魚類糞便可能是導致該區(qū)域TN質(zhì)量濃度高的原因之一，此外，現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)HK東部周邊還存在少量的畜禽養(yǎng)殖源，也會對該區(qū)域TN產(chǎn)生一定的貢獻。

全庫平水期、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HK的TN質(zhì)量濃度顯著高于豐水期。分析原因可知，2個庫區(qū)氮素污染來源及來水量存在差異，與DK相比，HK受點源排放的影響較大，同時HK來水量主要來自漢江，而漢江來水量約占庫區(qū)總來水量75%以上，在豐水期時受降水影響，污染物得到一定的稀釋，因此豐水期時HK的TN質(zhì)量濃度低于其他水期，也低于豐水期時DK的TN質(zhì)量濃度，而在平水期和枯水期時，HK的TN質(zhì)量濃度總體高于DK。此外，由圖3可知，枯水期時在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水量較小，無法對來自于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 丹江口庫區(qū)形態(tài)氮時空分布

3 討論

3.1 入庫河流對庫區(qū)TN的貢獻

入庫河流為庫區(qū)TN的重要輸入源。為了解不同河流對于庫區(qū)TN的貢獻，根據(jù)式(2)對各入庫河流年均TN輸入量進行計算，結(jié)果見表2。

表2 主要入庫河流TN入庫量

由表2數(shù)據(jù)可知，10條主要入庫河流中，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口處年均TN質(zhì)量濃度最高，但這2條河流的TN年輸入量僅占總輸入量的1.93%和1.50%。由此可知，流量對于入庫河流TN的輸入量有重要影響。10條入庫河流TN的總年均輸入量為63 347.31 t/a，其中來自HK流域的TN年均輸入量占到90.67%，貢獻明顯高于DK流域。

3.2 入庫河流及庫區(qū)形態(tài)氮與TN的相關(guān)性

表3 入庫河流和庫區(qū)TN與形態(tài)氮的相關(guān)性分析

注:“**”表示P<0.01時極顯著相關(guān)。

3.3 丹江口流域氮濃度水平對比分析

文獻中報道的其他湖庫的氮素水平見表4。

表4 丹江口庫區(qū)與國內(nèi)其他湖庫比較 mg/L

4 結(jié)論

1)丹江口水庫10條主要入庫河流中，除泗河和神定河分別滿足標準中Ⅳ類和Ⅲ類水質(zhì)標準外，其他均能達到Ⅱ類及以上水質(zhì)要求；TN參與庫區(qū)水質(zhì)評價時，水質(zhì)由Ⅱ類降為Ⅳ類水。

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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，江蘇揚州人，碩士。

周北海

X824

A

1002-6002(2016)02- 0050- 08