邛海主要入湖河流氮、磷入湖污染負(fù)荷特征研究*

冉 蛟 向 蓉,2 肖克彥

(1.中國環(huán)境科學(xué)研究院湖泊水污染治理與生態(tài)修復(fù)技術(shù)國家工程實驗室,北京 100012;2.清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院,北京 100084;3.西昌市生態(tài)環(huán)境監(jiān)測站,四川 涼山 615000)

暴雨徑流沖刷流域地表產(chǎn)生的面源污染負(fù)荷與人類活動排放的點源污染負(fù)荷是湖泊主要的外源污染[1],其中氮、磷是導(dǎo)致湖泊富營養(yǎng)化的重要因素[2]。由于點源、面源污染負(fù)荷的來源與遷移特征存在差異,往往需要對其分別識別后采取針對性治理措施[3]。隨著點源污染逐漸被削減,面源污染正在成為湖泊富營養(yǎng)化的重要外源污染形式[4]。在日本,面源污染負(fù)荷對水污染的貢獻率超過了一半[5];在歐美國家,面源污染也已是內(nèi)陸水體的首要污染源[6]。在國內(nèi),面源污染對太湖流域氮、磷污染負(fù)荷的貢獻率分別高達(dá)83%、84%[7];2018年洱海的化學(xué)需氧量(COD)、總氮(TN)、總磷(TP)入湖負(fù)荷中分別至少有11 188.20、2 752.56、259.33 t 來自面源污染[8]。因此,同時開展流域點源、面源入湖污染負(fù)荷估算對流域水環(huán)境污染防治與湖泊富營養(yǎng)化修復(fù)具有重要意義。

排污系數(shù)法、模型法、水文分割法是目前污染負(fù)荷的主要估算方法[9]91,[10]2867,[11]126。排污系數(shù)法對數(shù)據(jù)要求較低,應(yīng)用性強,但實際上只是計算了流域面源污染負(fù)荷的產(chǎn)生量,并不能代表實際的入湖污染負(fù)荷[9]91。模型法理論上可以得到較為準(zhǔn)確的入湖污染負(fù)荷結(jié)果,但需要精確的水質(zhì)、水量同步觀測數(shù)據(jù)[10]2866。在具備水文水質(zhì)監(jiān)測資料時,水文分割法是估算入湖污染負(fù)荷組成與來源的重要方法[11]125,[12]。然而,我國絕大多數(shù)的入湖河流常常會因缺乏準(zhǔn)確的水量觀測數(shù)據(jù)而難以準(zhǔn)確估算入湖污染負(fù)荷。

邛海是云貴高原面積大于25 km2的11個天然湖泊之一,也是四川省第二大淡水湖泊[13]。鵝掌河、官壩河與小青河是邛海的3條主要入湖河流,流域面積分別為50.14、121.60、6.38 km2。3條入湖河流均有開展每月1次的斷面水質(zhì)監(jiān)測,但缺乏定期的水量監(jiān)測,因此難以對其準(zhǔn)確估算入湖污染負(fù)荷。本研究結(jié)合水文比擬法與水文分割法估算邛海主要入湖河流氮、磷入湖污染負(fù)荷,為邛海富營養(yǎng)化治理提供依據(jù),也為其他水文資料缺乏的流域估算污染負(fù)荷提供方法借鑒。

1 材料與方法

1.1 研究方法

1.1.1 入湖徑流量與入湖污染負(fù)荷計算

在缺乏水量數(shù)據(jù)的情況下,入湖徑流量成了估算入湖污染負(fù)荷的關(guān)鍵。根據(jù)流域間自然地理與水文特征的相似性,可借助參證斷面的降雨產(chǎn)流過程,應(yīng)用水文比擬法并考慮面積修正來估算研究斷面每次監(jiān)測的入湖徑流量,計算公式為:

(1)

式中:Qs,i、Qc,i分別為第i次監(jiān)測的研究斷面、參證斷面入湖徑流量,m3/s;Fs、Fc分別為研究斷面、參證斷面控制的流域面積,m2。

然后基于入湖徑流量與污染物濃度計算入湖污染負(fù)荷量,公式為:

Wi=Ci×Qs,i×Δti

(2)

式中:Wi為第i次監(jiān)測的入湖污染負(fù)荷量,g;Ci為第i次監(jiān)測的污染物質(zhì)量濃度,mg/L;Δti為第i次監(jiān)測到下一次監(jiān)測的時間間隔,s,本研究為1個月,取30 d,即2 592 000 s。

1.1.2 入湖徑流量與入湖污染負(fù)荷組成分割

解析入湖點源、面源污染負(fù)荷貢獻比,需要對入湖徑流量與入湖污染負(fù)荷進行分割處理。水文分割法可將入湖徑流量分割為暴雨徑流量與基流量[14],但實際應(yīng)用時準(zhǔn)確劃分徑流組成比較困難,因此一般將入湖徑流量分割為地表徑流量與基流量[15]。直線分割法是目前國內(nèi)外已提出并應(yīng)用的水文分割法之一[16]。采用直線分割法將每次監(jiān)測的入湖徑流量分割為地表徑流量(Qa,i,m3/s)與基流量(Qb,i,m3/s),基流量可進一步分割為點源流量(Qc,i,m3/s)與河道背景流量(Qd,i,m3/s)。分別將每次監(jiān)測的地表徑流量、點源流量與河道背景流量代入式(2)可計算得到每次監(jiān)測的面源污染負(fù)荷量(Wa,i,g)、點源污染負(fù)荷量(Wc,i,g)與背景負(fù)荷量(Wd,i,g)。

1.2 數(shù)據(jù)來源

邛海3條主要入湖河流(鵝掌河、官壩河與小青河)2019—2020年的逐月水質(zhì)數(shù)據(jù)來源于西昌市生態(tài)環(huán)境監(jiān)測站。海河流域面積約780 km2,是邛海唯一的出湖河道,其流域下墊面、水文氣象等自然條件與邛海及其3條主要入湖河流子流域相似,因此本研究以邛海下游8 km處的海河斷面袁家山水文站作為參證斷面。參證斷面水文資料來源于袁家山水文站。

2 結(jié)果與分析

2.1 河流入湖徑流估算結(jié)果

2019—2020年鵝掌河、官壩河與小青河每年的入湖徑流量、地表徑流量、點源流量與河道背景流量計算結(jié)果如表1所示。鵝掌河、官壩河與小青河的入湖徑流量2019—2020兩年均值分別為2.19×107、5.31×107、2.94×106m3/a ;通過水文分割得到地表徑流量均值分別為1.87×107、4.52×107、2.51×106m3/a;點源流量均值分別為1.77×106、4.29×106、2.38×105m3/a;河道背景流量均值分別為1.47×106、3.56×106、1.98×105m3/a。2020年3條河流的徑流量均高于2019年。

2.2 入湖污染負(fù)荷計算結(jié)果

邛海3條主要入湖河流鵝掌河、官壩河與小青河的總氮、總磷月均濃度在雨季顯著高于旱季,說明暴雨徑流攜帶大量面源污染。通過計算得到,鵝掌河、官壩河與小青河匯入邛海的2019年總氮入湖負(fù)荷量分別為14.09、69.86、2.99 t,總磷入湖負(fù)荷量分別為499.49、3 451.40、124.71 kg;2020年總氮入湖負(fù)荷量分別為20.13、145.03、3.89 t,總磷入湖負(fù)荷量分別為837.17、7 384.34、150.11 kg。2019—2020年邛海3條主要入湖河流入湖污染負(fù)荷量月變化如圖1所示,總氮、總磷入湖污染負(fù)荷主要集中在6—11月,分別占全年總量的83.34%～91.22%、88.52%～93.45%;空間分布上,總氮、總磷入湖污染負(fù)荷量都表現(xiàn)為官壩河>鵝掌河>小青河。

圖1 2019—2020年鵝掌河、官壩河與小青河總氮、總磷入湖污染負(fù)荷量月變化Fig.1 Monthly variation of inflow pollution loads of total nitrogen and total phosphorus into the lake from Ezhang River,Guanba River and Xiaoqing River from 2019 to 2020

2.3 入湖污染負(fù)荷組成分割結(jié)果

由表2可見,2019—2020年鵝掌河、官壩河與小青河分別累計向邛海輸入總氮面源負(fù)荷量26 080、165 890、5 560 kg,總磷面源負(fù)荷量1 055.51、9 252.66、216.05 kg;分別累計向邛海輸入總氮點源負(fù)荷量6 480、33 760、900 kg,總磷點源負(fù)荷量173.75、887.14、34.61 kg;累計總氮背景負(fù)荷量分別為1 660、15 240、420 kg,總磷背景負(fù)荷量為107.40、695.94、24.16 kg。由此可見,2019—2020年,面源污染是邛海入湖污染負(fù)荷的主要來源,3條主要入湖河流的面源污染負(fù)荷均遠(yuǎn)高于點源與背景負(fù)荷。鵝掌河、官壩河與小青河總氮面源污染負(fù)荷量平均分別占入湖污染負(fù)荷量的77.04%、74.48%、81.02%,總磷面源污染負(fù)荷量平均分別占入湖污染負(fù)荷量的79.14%、84.39%、78.78%。

表2 2019—2020年鵝掌河、官壩河與小青河入湖污染負(fù)荷水文分割結(jié)果Table 2 Hydrological segmentation results of pollution loads in Ezhang River,Guanba River and Xiaoqing River from 2019 to 2020

3 討 論

3.1 入湖污染負(fù)荷特征及其驅(qū)動因素

邛海主要入湖河流入湖污染負(fù)荷主要集中在雨季,分析發(fā)現(xiàn)雨季的總氮、總磷入湖污染負(fù)荷分別占88.73%、90.38%。地表徑流是污染物進入邛海的重要驅(qū)動力。邛海流域土壤富含的氮、磷污染物在徑流的強烈沖刷下進入河道,導(dǎo)致雨季入湖污染負(fù)荷急劇增加[17-18]。入湖徑流量受降雨時空分布影響顯著,2019—2020年邛海約90%的降雨集中在5—10月,但由于產(chǎn)流及污染過程滯后于降雨過程,因此入湖污染負(fù)荷集中在6—11月,相差約1個月,但邛?？偟?、總磷入湖污染負(fù)荷量與入湖徑流量仍在0.01置信水平上相關(guān),相關(guān)系數(shù)為0.71～0.95。因此,降雨能夠通過影響污染物濃度與入湖徑流量而決定入湖污染負(fù)荷量[19]。

徑流的沖刷與淋溶是產(chǎn)生面源污染的主要外因[20],而流域土地利用方式是形成面源污染的實質(zhì)條件[21]。土地利用方式能夠深刻影響流域污染過程,不合理的土地利用往往是形成流域面源污染的主導(dǎo)因素[22-23]。鵝掌河與小青河流域的主要土地利用方式是山區(qū)林地,但河道兩岸仍有較為密集的農(nóng)村居住地與耕地,所以還是有很大的面源污染負(fù)荷存在,這2條河的總氮、總磷入湖污染負(fù)荷貢獻率均在80%左右。官壩河流經(jīng)邛海流域的主要種植區(qū),流域內(nèi)耕地面積大,施肥率高,使得總磷入湖污染負(fù)荷尤高。此外,官壩河子流域還是邛海流域主要的農(nóng)村居住地,人口較為密集,因此點源污染負(fù)荷在枯水期較為突出。總體上,面源污染負(fù)荷量對邛海的入湖污染負(fù)荷量貢獻率顯著高于點源,因此應(yīng)當(dāng)重視邛海面源污染治理。

3.2 入湖污染負(fù)荷總量及其組成分割結(jié)果的誤差分析

精準(zhǔn)的水量、水質(zhì)同步監(jiān)測數(shù)據(jù)是入湖污染負(fù)荷準(zhǔn)確核算的基礎(chǔ)[24]。水文比擬法的前提是流域下墊面條件相似,所以為提高入湖徑流量計算結(jié)果的精確性與可靠性,往往需要引入?yún)?shù)對水文比擬法進行修正。周彥龍等[25]引入流域面積與降雨量修正水文比擬法發(fā)現(xiàn),修正后計算結(jié)果精度提高。本研究選取的參證流域(海河流域)與邛海流域下墊面和氣象條件相似,選取的參證斷面袁家山水文站位于邛海流域下游8 km處,能基本反映研究流域的水文特征,同時還引入了流域面積進行參數(shù)修正。計算污染負(fù)荷所需的水質(zhì)數(shù)據(jù)嚴(yán)格來講應(yīng)是能夠反映水質(zhì)變化過程的污染物濃度實時監(jiān)測數(shù)據(jù),但由于受限于實際條件,目前諸多研究以月度水質(zhì)數(shù)據(jù)為污染負(fù)荷核算基礎(chǔ)。本研究也是基于2019—2020年鵝掌河、官壩河與小青河逐月水質(zhì)數(shù)據(jù)開展入湖污染負(fù)荷核算,并進行誤差修正,結(jié)果比較符合流域?qū)嶋H情況。

在干濕季分明的小流域,旱季河道地表徑流可忽略不計,因此旱季主要污染負(fù)荷可視為流域點源污染負(fù)荷與背景負(fù)荷的疊加。在雨季,流域內(nèi)暴雨徑流特征顯著,河道基流與地表徑流可通過水文分割得到精準(zhǔn)劃分。因而,在干濕季分明的入湖小流域,水文比擬法和水文分割法結(jié)合具有較好的適用性,核算的污染負(fù)荷組成結(jié)果比較可靠。2019—2020年,邛海流域雨季降雨量約占全年總量的90%,暴雨徑流特征十分顯著,因此本研究估算的邛海主要入湖河流點源污染負(fù)荷和面源污染負(fù)荷組成結(jié)果可靠。

4 總 結(jié)

(1) 2019—2020年鵝掌河、官壩河與小青河攜帶進入邛海的總氮污染負(fù)荷量累計分別為34.22、214.89、6.88 t,總磷污染負(fù)荷量累計分別為1 336.66、10 835.74、274.82 kg,雨季的污染負(fù)荷顯著高于旱季。面源污染是邛海主要入湖河流污染負(fù)荷的首要來源,總氮、總磷面源負(fù)荷分別占入湖污染負(fù)荷的74.48%～81.02%、78.78%～84.39%。

(2) 降雨量、土地利用方式等是影響邛海主要入湖河流入湖徑流量與入湖污染負(fù)荷的重要因素。污染負(fù)荷量與入湖徑流量年內(nèi)分布基本一致,雨季大于旱季;官壩河子流域流域面積最大,人類開發(fā)強度大,入湖污染負(fù)荷量也顯著高于鵝掌河與小青河。

(3) 水文比擬法與水文分割法相結(jié)合的方法可以很好地計算水文資料缺乏的邛海主要入湖河流子流域污染負(fù)荷量及組成。