吳敬東，張洪江，段淑懷，葉芝菡，易作明

(1.北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院，100083，北京;2.北京市水利科學(xué)研究所，100048，北京;3.北京市水土保持工作總站，100038，北京)

北京市水資源總量嚴(yán)重不足，人均水資源量不 足300 m3，是資源型重度缺水地區(qū)。由于水源分散和水污染，資源型缺水、工程型缺水和水質(zhì)型缺水三者并存。水資源緊缺已成為制約北京經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的第一瓶頸，水資源保護(hù)成為北京市長(zhǎng)期的戰(zhàn)略目標(biāo)。

山區(qū)是首都北京的天然生態(tài)屏障和主要水源涵養(yǎng)與供給源地。伴隨郊區(qū)工業(yè)化、城市化進(jìn)程及規(guī)模養(yǎng)殖、休閑旅游業(yè)的發(fā)展，污水排放量不斷增加，水環(huán)境問題凸顯，以小流域?yàn)榛締卧乃Y源和水環(huán)境承載力問題日益突出，水是流域發(fā)展的限制因子［1］，將人類活動(dòng)控制在水環(huán)境可承載的能力范圍之內(nèi)，方能實(shí)現(xiàn)環(huán)境生態(tài)安全和經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展。生態(tài)清潔小流域建設(shè)是解決北京山區(qū)生態(tài)環(huán)境問題與水源保護(hù)問題的有效途徑之一［2－5］。筆者以北京市密云縣蛇魚川生態(tài)清潔小流域2005—2009 年監(jiān)測(cè)資料為依據(jù)，研究并分析小流域水質(zhì)變化規(guī)律，以期為生態(tài)清潔小流域建設(shè)、水源保護(hù)及生態(tài)環(huán)境建設(shè)提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

北京位于華北土石山區(qū)的中部地區(qū)，地理坐標(biāo)為E115°25'～117°30'，N39°28'～41°05'。密云縣位于北京市的北部，研究區(qū)設(shè)在密云縣石城鎮(zhèn)蛇魚川小流域。蛇魚川小流域毗鄰密云水庫(kù)，屬于白河水系蛇魚川河流域，蛇魚川河流經(jīng)該流域直接流入密云水庫(kù)，小流域跨越密云水庫(kù)一級(jí)和二級(jí)水源保護(hù)區(qū)，流域面積25.86 km2。蛇魚川干流河道全年大部分時(shí)間為斷流狀態(tài)，只有在汛期暴雨條件下才有流水。

蛇魚川小流域?qū)傺嗌缴矫}，地勢(shì)北高南低，大部分為遠(yuǎn)高山區(qū)，海拔140 ～986 m，相對(duì)高差846 m。流域內(nèi)兩岸山勢(shì)較陡，主河道狹長(zhǎng)，約15 km，主要支溝長(zhǎng)4.4 km。溝壑密度0.56 km/km2，溝壑面積占總面積的17.6%，主河道平均比降為2.8%，主要支溝平均比降為3%～5%。全流域坡度變化于0 ～79°之間，坡度大于35°的面積占到全流域的56%。流域多年平均降水量為652 mm，75%集中在6—9月份。小流域巖石以花崗巖和片麻巖為主。土壤以褐土為主，包括淋溶褐土和普通褐土。土壤質(zhì)地較粗，多為砂壤土，顆粒松散，黏粒含量低，保水性較差，容易產(chǎn)生土壤侵蝕。小流域植被類型有人工的針葉林、落葉闊葉林、灌叢、灌草叢、草叢、水生植物以及經(jīng)濟(jì)林、農(nóng)田等植被。

小流域包括黃峪口、西灣子2 個(gè)行政村，2008年共471 戶，人口1 101 人，勞動(dòng)力626 人。流域主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)為養(yǎng)殖業(yè)(養(yǎng)雞為主)和林果業(yè)，人均年收入8 643 元。流域內(nèi)人畜飲水和灌溉用水主要以利用地下水資源為主，現(xiàn)有深、淺機(jī)井共37 個(gè)。流域內(nèi)有4 座塘壩，分別為高家?guī)X塘壩、群英塘壩、蛇魚川塘壩和石炮溝小塘壩，其中群英塘壩、高家?guī)X塘壩可用于農(nóng)業(yè)灌溉，其他塘壩蓄水未被利用。

2 研究方法

在全流域布設(shè)地表水監(jiān)測(cè)點(diǎn)有11 個(gè)，包括了對(duì)典型自然溝道、污染源旁溝道和塘壩水體的采樣和化驗(yàn);監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包括常規(guī)物理、化學(xué)項(xiàng)目，同時(shí)為了解塘壩的富營(yíng)養(yǎng)化水平，對(duì)塘壩增加了浮游動(dòng)植物的監(jiān)測(cè)，由生物項(xiàng)目輔助化學(xué)項(xiàng)目共同判斷。地下水監(jiān)測(cè)點(diǎn)共設(shè)11 個(gè)，包括對(duì)典型飲水井、灌溉井和污染源旁水井的水體采樣與化驗(yàn)。針對(duì)流域內(nèi)分布有較多養(yǎng)雞場(chǎng)的現(xiàn)狀，選擇典型雞場(chǎng)對(duì)主要污染源——沖洗雞舍廢水進(jìn)行了采集和化驗(yàn)［6－9］。具體布設(shè)情況見圖1 和表1，監(jiān)測(cè)指標(biāo)包括化學(xué)指標(biāo)(CODMn/(mg·L－1)、BOD5/(mg·L－1)、TN/(mg·L－1)、NH3－N/(mg·L－1)、TP/(mg·L－1)、pH 值(量綱為1)、溶解氧(DO/(mg·L－1))、物理指標(biāo)(流速/(m·s－1)、流量/(m3·h－1)、氣溫/℃、水溫/℃、電導(dǎo)率/(μS·cm－2)、固體懸浮物(SS) /(mg·L－1))和生物指標(biāo)(葉綠素α(Chlorophyll a) /(μg·L－1)、浮游動(dòng) 物(量綱為1)、浮游植物(量綱為1)、透明度/m)。

圖1 蛇魚川小流域監(jiān)測(cè)點(diǎn)空間分布Fig.1 Spatial distribution of monitor points in Sheyuchuan small watershed

表1 蛇魚川小流域監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)與監(jiān)測(cè)方法Tab.1 Location of monitor points and monitor methods in Sheyuchuan small watershed

3 結(jié)果與分析

3.1 河流水質(zhì)的時(shí)間變化

蛇魚川小流域河流大部分處于常年干涸狀態(tài)，為了能監(jiān)測(cè)到河流水質(zhì)的全年變化情況，選取河道常年有水的2 個(gè)點(diǎn)S1 和S4(圖1)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。該小流域每年10 月入冬，11 月—翌年1 月河道結(jié)冰，取樣困難，因此僅監(jiān)測(cè)2—10 月數(shù)據(jù)，以10 月份數(shù)據(jù)代表冬季水質(zhì)狀況。

以2008 年監(jiān)測(cè)為例，NH3－N、TN、TP 和CODMn質(zhì)量濃度的月變化如圖2 ～圖5 所示。NH3－N 質(zhì)量濃度全年較低，冬春季變化較大，夏季中期以后質(zhì)量濃度比較穩(wěn)定。TN、TP 和CODMn質(zhì)量濃度月變化趨勢(shì)比較明顯，冬春季質(zhì)量濃度較低，夏季汛期質(zhì)量濃度顯著上升，秋季降雨結(jié)束后，各指標(biāo)質(zhì)量濃度回落。這個(gè)變化規(guī)律反映出夏季降雨引發(fā)了面源污染，影響了河流水質(zhì):在降雨的沖刷下，流域山坡、農(nóng)田等水土流失加劇，所產(chǎn)生的徑流、泥沙連同村莊生活、養(yǎng)殖污染物被沖刷匯集入河道，使河水中氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)質(zhì)量濃度升高。這個(gè)過程隨著雨季的結(jié)束而得到緩解。

3.2 河流水質(zhì)的空間變化

蛇魚川小流域河流常年干涸，多數(shù)時(shí)段不能在全流域上、中、下游同時(shí)采到水樣。2008 年降雨量較多，選取一場(chǎng)暴雨后河道出現(xiàn)連續(xù)水流狀態(tài)下采樣，借以反映流域地表水質(zhì)的空間變化。采樣點(diǎn)包括S1、S4(上游西支)—S8(上游東支)—S9(中游，2溝交匯點(diǎn))—S11(下游)，采樣時(shí)間為2008 年9 月。

圖2 2008 年河流氨氮質(zhì)量濃度月變化Fig.2 Monthly variation of mass concentration of river NH3－N in 2008

圖3 2008 年河流總氮質(zhì)量濃度月變化Fig.3 Monthly variation of mass concentration of river total N in 2008

圖4 2008 年河流總磷質(zhì)量濃度月變化Fig.4 Monthly variation of mass concentration of river total P in 2008

各點(diǎn)NH3－N、TN、TP 和CODMn質(zhì)量濃度的空間變化表2。NH3－N 質(zhì)量濃度在上游東支最高，其他點(diǎn)差異不顯著。TN 質(zhì)量濃度在上游東支同樣很高，達(dá)到25 mg/L，明顯受到了鐵礦污染的影響，在其作用下中游交叉處河水水質(zhì)TN 質(zhì)量濃度也很高，除此之外其他點(diǎn)的TN 質(zhì)量濃度正常。TP 和CODMn質(zhì)量濃度基本未受鐵礦影響，各點(diǎn)質(zhì)量濃度總體較低，在Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn)限內(nèi)，空間變化上總體趨勢(shì)是上、中游較下游高，可能是由于上游向下游污染物逐漸衰減，并且下游污染源對(duì)河水TP 和CODMn質(zhì)量濃度貢獻(xiàn)不大的緣故。

圖5 2008 年河流高錳酸鉀指數(shù)月變化Fig.5 Monthly variation of mass concentration of river CODMn in 2008

表2 河流不同監(jiān)測(cè)指標(biāo)質(zhì)量濃度空間變化Tab.2 Spatial variation of mass concentration of different monitoring index mg/L

3.3 湖庫(kù)水質(zhì)的季節(jié)性變化

蛇魚川小流域有4 個(gè)塘壩，其分布和現(xiàn)狀見圖6。塘壩是流域農(nóng)業(yè)灌溉水源之一，也作為水景觀成為了當(dāng)?shù)刂饕穆糜尉包c(diǎn)。通過監(jiān)測(cè)，塘壩水質(zhì)呈現(xiàn)一定的季節(jié)變化規(guī)律，以2006 年(圖7 ～圖10)為例。氨氮冬高夏低，這是由于冬天水體封冰，水體不能從空氣中獲得氧源而降低，使得冬天氨氮質(zhì)量濃度高，而在夏天高溫、陽光充足，藻類光合作用強(qiáng)烈，溶解氧增加使得氨氮容易被轉(zhuǎn)化為其他形態(tài)的氮，從而降低氨氮質(zhì)量濃度。總氮也呈現(xiàn)冬高夏低的規(guī)律，說明塘壩水體中的氮質(zhì)量濃度受外源匯入的貢獻(xiàn)較低，而更多地來自于壩底沉積的底泥及其他物質(zhì)，冬天封凍，塘壩相對(duì)靜閉，水體中的氮主要來自于底泥內(nèi)源。對(duì)于總磷和高錳酸鉀指數(shù)，均呈現(xiàn)出冬季質(zhì)量濃度較高的狀態(tài)，這也和靜閉水體受內(nèi)源污染影響較大有關(guān);另外，2 個(gè)指標(biāo)在夏季也有較高的質(zhì)量濃度，分析其原因主要是夏季污染物受降雨、徑流增大影響，遷移量加大，增加了塘壩水體營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)量濃度，尤其是總磷。

3.4 總體水質(zhì)評(píng)價(jià)

圖6 蛇魚川小流域塘壩分布Fig.6 Dams distribution in Sheyuchuan small watershed

圖7 塘壩氨氮質(zhì)量濃度季節(jié)變化Fig.7 Seasonal variation of mass concentration of NH3－N in small reservoir

圖8 塘壩總氮質(zhì)量濃度季節(jié)變化Fig.8 Seasonal variation of mass concentration of Total N in small reservoir

綜合分析11 個(gè)地表水監(jiān)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)結(jié)果，主要化學(xué)項(xiàng)目氨氮(NH3－N)、總磷(TP)和高錳酸鉀指數(shù)(CODMn)的平均質(zhì)量濃度水平如圖11、13 和15 所示。對(duì)照GB/T 3838—2002《地表水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》，各指標(biāo)所對(duì)應(yīng)的水質(zhì)分級(jí)狀況見圖12、14 和16。監(jiān)測(cè)結(jié)果反映，小流域地表水質(zhì)良好，氨氮屬Ⅰ～Ⅱ級(jí)，總磷屬Ⅱ級(jí)，高錳酸鉀指數(shù)屬Ⅱ～Ⅲ級(jí)，氨氮、總磷的質(zhì)量濃度狀況總體優(yōu)于高錳酸鉀指數(shù)。

圖9 塘壩總磷質(zhì)量濃度季節(jié)變化Fig.9 Seasonal variation of mass concentration of Total P in small reservoir

圖10 塘壩高錳酸鉀指數(shù)質(zhì)量濃度季節(jié)變化Fig.10 Seasonal variation of mass concentration of CODMn in small reservoir

圖11 小流域地表水氨氮質(zhì)量濃度空間分布Fig.11 Spatial distributin of NH3－N concentration in small watershed

圖12 小流域地表水氨氮質(zhì)量濃度分級(jí)Fig.12 Classification of NH3－N concentration in small watershed

圖13 小流域地表水總磷質(zhì)量濃度空間分布Fig.13 Total P concentration of surface water in small watershed

雖然總氮不作為河流水質(zhì)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，但從流域地表水總氮質(zhì)量濃度的分布(圖17)可以看出，流域局部區(qū)域受到了污染，集中在監(jiān)測(cè)點(diǎn)S7、S8 所處的流域上游東支，總氮質(zhì)量濃度最高超過60 mg/L，進(jìn)一步分析得到其硝酸鹽質(zhì)量濃度相當(dāng)高。經(jīng)調(diào)查，此處水污染因上游馮家峪鐵礦而起。石炮溝上游坡面長(zhǎng)年堆積從分水嶺另一側(cè)的馮家峪鐵礦傾倒的大量廢棄礦渣，根據(jù)鐵礦建立前當(dāng)?shù)夭淮嬖谒廴厩闆r，并且依據(jù)現(xiàn)狀水中TN 和NO3－N 質(zhì)量濃度隨與鐵礦距離增加而遞減的規(guī)律，可以基本確定該鐵礦棄渣的存在是導(dǎo)致當(dāng)?shù)厮廴镜闹饕颉?/p>

圖14 小流域地表水總磷質(zhì)量濃度分級(jí)Fig.14 Classification of Total P concentration in small watershed

圖15 小流域地表水高錳酸鉀指數(shù)質(zhì)量濃度空間分布Fig.15 CODMn spatical distribution of surface water in small watershed

圖16 地表水高錳酸鉀指數(shù)質(zhì)量濃度分級(jí)Fig.16 CODMn classification of surface water in small watershed

圖17 小流域地表水總氮質(zhì)量濃度空間分布Fig.17 Spatital distribution of total N concentration of surface water in small watershed

基于以上各水質(zhì)指標(biāo)狀況，綜合對(duì)流域地表水環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行分級(jí)，見圖18。流域上游西支及以下，地表水為Ⅱ級(jí)，水質(zhì)優(yōu)良，符合小流域所屬區(qū)位(一、二級(jí)水源保護(hù)區(qū))對(duì)流域水質(zhì)的要求;流域上游東支干道由于上游的鐵礦污染，總氮和硝酸鹽等指標(biāo)超標(biāo)，屬劣V 類，其西邊的支流水質(zhì)較好，屬Ⅲ級(jí)。

圖18 小流域地表水環(huán)境質(zhì)量分級(jí)Fig.18 Classification of environmental quality of surface water

4 結(jié)論

1)在河流水質(zhì)時(shí)間變化上，河流水體氨氮質(zhì)量濃度全年較低，冬春季變化較大，夏季中期以后質(zhì)量濃度比較穩(wěn)定?？偟⒖偭缀透咤i酸鉀指數(shù)冬春季質(zhì)量濃度較低，夏季汛期質(zhì)量濃度顯著上升，秋季降雨結(jié)束后，各指標(biāo)質(zhì)量濃度回落。

2)在河流水質(zhì)空間變化上，河流水體氨氮質(zhì)量濃度在上游東支最高，其他點(diǎn)差異不顯著?？偟|(zhì)量濃度在上游東支同樣很高，其他點(diǎn)正常。各點(diǎn)總磷和高錳酸鉀指數(shù)質(zhì)量濃度總體較低，空間變化上總體趨勢(shì)是上、中游較下游高。

3)在塘壩水質(zhì)變化上，塘壩水體氨氮、總氮都呈現(xiàn)冬高夏低的規(guī)律。總磷和高錳酸鉀指數(shù)在冬季和夏季質(zhì)量濃度都較高。

4)綜合分析流域地表水監(jiān)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)結(jié)果，除局部區(qū)域受到污染外，小流域地表水質(zhì)良好，氨氮屬Ⅰ～Ⅱ級(jí)，總磷屬Ⅱ級(jí)，高錳酸鉀指數(shù)屬Ⅱ～Ⅲ級(jí)，氨氮、總磷的質(zhì)量濃度狀況總體優(yōu)于高錳酸鉀指數(shù)。

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