秦耀民,李懷恩 (1.中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國家重點實驗室,北京 100085；2.西安理工大學(xué)陜西省西北旱區(qū)生態(tài)水利工程重點實驗室,陜西 西安 710048)

基于降雨事件監(jiān)測的非點源污染對灞河水質(zhì)的影響

秦耀民1,2,李懷恩2*(1.中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國家重點實驗室,北京 100085；2.西安理工大學(xué)陜西省西北旱區(qū)生態(tài)水利工程重點實驗室,陜西 西安 710048)

在對灞河馬渡王水文站斷面5次降雨事件過程和2次非洪水過程監(jiān)測的基礎(chǔ)上,分析了灞河流域非點源污染對灞河水質(zhì)的影響.結(jié)果表明:降雨過程期間,COD、總氮、氨氮、硝氮、亞硝氮、總磷指標(biāo)監(jiān)測平均值均小于非洪水期監(jiān)測平均值.各指標(biāo)負(fù)荷輸移速率隨時間的變化趨勢和徑流量變化趨勢大體相同,即先逐漸增大達(dá)到峰值,再逐漸變小;各指標(biāo)濃度隨時間的變化規(guī)律大致為:COD、硝氮、總氮濃度先增大后減小;亞硝氮為先減小后增大,總磷的變化規(guī)律不明顯.總氮、硝氮的濃度峰和負(fù)荷輸移速率峰均接近或滯后于流量峰;COD的濃度峰接近或滯后于流量峰,而負(fù)荷輸移速率峰接近或超前于流量峰;總磷、氨氮的濃度峰和負(fù)荷輸移速率峰均接近或超前于流量峰;而亞硝氮的濃度峰變化規(guī)律不明顯,負(fù)荷輸移速率峰接近或超前于流量峰.采用平均濃度法計算了各指標(biāo)的非點源污染平均濃度及負(fù)荷:2009年灞河流域馬渡王斷面COD、總氮、氨氮、總磷的非點源污染負(fù)荷分別為8707.28,723.63,245.52,43.07t.2009年灞河流域馬渡王斷面NSP負(fù)荷COD、總氮、氨氮、總磷所占總負(fù)荷相應(yīng)的比例分別為31.86%、32.69%、42.21%、34.42%.由此可見,非點源污染在灞河水污染中占有較大比重,其對于灞河水質(zhì)的影響不容忽視.

非點源污染；灞河；降雨事件監(jiān)測；非點源污染負(fù)荷；非點源比例

目前,我國的許多主要流域,非點源污染已經(jīng)超過了點源污染,成為威脅水環(huán)境質(zhì)量的重要因素之一[1-3].從全球范圍來看,30%～50%的地球表面已受到面源污染的影響[4],農(nóng)業(yè)非點源污染已經(jīng)成為美國河流和湖泊污染的第一大污染源[5],歐洲國家也得出相似的結(jié)論,Flipo等[6]證實雖然通過加強(qiáng)點源排放的污水處理能力,歐洲國家的水質(zhì)得到了很大改善,但來自農(nóng)業(yè)面源的污染仍然是個很大的問題,奧地利北部地區(qū)進(jìn)入水環(huán)境的非點源氮量遠(yuǎn)比點源大,丹麥270條河流94%的氮負(fù)荷、52%的磷負(fù)荷由非點源污染引進(jìn)[7],荷蘭農(nóng)業(yè)非點源提供的總氮、總磷分別占水環(huán)境污染的60%和40%～50%[8].我國也存在嚴(yán)重的非點源污染,由于我國農(nóng)業(yè)對于化肥施用的依賴性很高,大量的施肥導(dǎo)致的面源污染的產(chǎn)生對于地表水環(huán)境具有極大的威脅.密云水庫污染年總負(fù)荷量中,TN的66%、TP的86%來自于非點源污染[9].《2011年中國環(huán)境狀況公報》[10]顯示,我國河流地表水有近 40%的國控斷面水質(zhì)達(dá)到或超過了Ⅳ類,其中劣Ⅴ類占到總斷面的 13.7%.由此可見,要從根本上改善流域及其周圍受納水體的水質(zhì),除對工業(yè)廢水、生活污水進(jìn)行集中處理外,還必須對形成非點源污染的降雨徑流進(jìn)行控制管理乃至處理[11-13].

國內(nèi)外已經(jīng)意識到非點源污染的嚴(yán)重性,并通過廣泛采取監(jiān)測與模型相結(jié)合的方法進(jìn)行了研究[14-20],并根據(jù)研究對非點源污染進(jìn)行了治理.但是,因降雨給野外調(diào)研和野外觀測儀器帶來的嚴(yán)峻挑戰(zhàn),目前有關(guān)河流非點源污染監(jiān)測大都局限于月甚至一年中幾次野外采樣和實驗頻率,對于單一降雨事件,尤其是暴雨事件監(jiān)測的較少,無法采集到代表降雨事件的特征樣品,并且對于點源與非點源的分割仍然是個難題.本文為提高非點源污染負(fù)荷估算的精度,采用降雨事件內(nèi)過程監(jiān)測與平均濃度理論相結(jié)合的綜合方法,依據(jù)灞河流域馬渡王水文站斷面洪水期 5場暴雨徑流過程的水質(zhì)水量同步監(jiān)測數(shù)據(jù),對其降雨事件過程污染特征進(jìn)行了分析,以平均濃度法[21]為基礎(chǔ),定量研究灞河非點源污染負(fù)荷在總負(fù)荷中所占比重,為考慮非點源污染在內(nèi)的灞河水污染控制規(guī)劃方案、灞河水環(huán)境質(zhì)量的恢復(fù)與改善提供科學(xué)依據(jù).

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

灞河為渭河一級支流,發(fā)源于秦嶺北麓的藍(lán)田、渭南、華縣交界處的箭峪嶺南九道溝,由南向北流.上游主要支流有清峪河、峒峪河、道溝峪、流峪河、蘭橋河、輞川河,在下游灞橋區(qū)光大門村納入較大支流浐河后,向北流約10km于灞橋區(qū)三郎村匯入渭河(圖 1).多年平均含沙量為 5.4kg/m3,多年平均輸沙量為286萬t.河流全長104km,流域面積2581km2(其中浐河流域面積760km2),涉及未央?yún)^(qū)、新城區(qū)、雁塔區(qū)、灞橋區(qū)、長安區(qū)、藍(lán)田縣,其污染直接影響著西安市的水環(huán)境質(zhì)量.

圖1 灞河流域示意Fig.1 The Bahe river watershed

1.2 監(jiān)測分析方法

1.2.1 水樣采集 2009年6月至12月,對灞河馬渡王水文站斷面5次降雨過程,包括較大、小降雨各2次,分別為09-08-28、09-09-19和09-08-03、09-08-22,一般降雨1次為09-09-13,進(jìn)行了水質(zhì)水量同步監(jiān)測[22].降雨過程測流取樣控制了整個洪水漲落過程,取樣分別位于洪水過程的起漲段、峰頂段和退水段,其中起漲段采2次樣,峰頂段采1次樣,退水段采2次樣.各場洪水流量情況見表1.為與洪水期水質(zhì)進(jìn)行對照和分割每場洪水的非點源污染量,還在非洪水期(平時)進(jìn)行了 2次(09-11-29,09-12-18)水質(zhì)水量同步監(jiān)測.非洪水期在連續(xù)幾日水位基本無變化且水位較低(盡可能接近于基流)的情況下,每次進(jìn)行24h連續(xù)采樣,每隔4h采樣一次.本次監(jiān)測工作共采集了五次降雨過程的水樣,包括了大、中、小降雨.在可能的情況下,監(jiān)測的降雨過程越多,降雨越典型(包括大、中、小降雨),估算的非點源污染負(fù)荷量越準(zhǔn)確.

采樣斷面位于馬渡王水文站基本斷面.在采樣斷面上沿河寬方向取左、右2條垂線,左、右垂線設(shè)在河道中有明顯水流處,分別離岸邊10m左右,各采樣垂線上的采樣數(shù)為 2個.將每次各采樣點采集的水樣先進(jìn)行混合,再均勻分裝在3個采樣桶內(nèi),即每次采樣對應(yīng)3個采樣桶,其中,第1個采樣桶不添加任何保存藥劑;第 2個采樣桶加入 H2SO4酸化至pH≤2;第3個采樣桶加入NaOH和H2SO4調(diào)pH=7.

1.2.2 分析方法 監(jiān)測項目包括流量、COD、總磷 TP、氨氮 NH3-N、亞硝氮 NO2--N、硝氮-N、總氮 TN.按照地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB3838-2002)[23]和環(huán)境保護(hù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)地表水監(jiān)測技術(shù)規(guī)范[24-26],上清液由原狀水靜置 30min后,用虹吸法于液面下5cm處向上吸取澄清水得到.其中,化學(xué)需氧量采用微波密封消解法測定,總氮用堿性過硫酸鉀氧化-紫外分光光度法測定,總磷用過硫酸鉀氧化-鉬銻抗比色法測定,氨氮的分析采用納氏試劑光度法,硝氮采用酚二璜酸光度法,亞硝氮采用N-(1-萘基)—乙二胺光度法,總磷采用鉬銻抗分光光度法.各樣品均進(jìn)行平行樣分析.

2 結(jié)果與討論

2.1 降雨過程與非洪水期流量特征

從表 1可以看出,灞河洪峰流量與汛期徑流量的變化基本一致,即水量多洪峰大,水量少洪峰小的特點.灞河流域洪水期洪峰一般在漲水后24h內(nèi)形成,歷時較短,而洪峰退水時間一般在48h之后,相對于漲水過程歷時相對較長.2009年灞河流域洪峰最大值出現(xiàn)在8月29日,洪峰流量達(dá)到了610m3/s.

表1 2009年洪水洪峰流量Table 1 Peaks flow for floods in 2009

非洪水期和洪水期流量變化相對標(biāo)準(zhǔn)偏差RSD(變差系數(shù))如表2所示.

表2 非洪水期和洪水期流量變化相對標(biāo)準(zhǔn)偏差Table 2 Relative standard deviation(RSD)of flow variation in non-flood and flood period

表2可以看出,非洪水期的流量變化幅度不大,平均 RSD為 0.01,基本趨于穩(wěn)定.各場洪水的流量變化幅度較為明顯,平均 RSD 為 0.92.洪水期的流量變化幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于非洪水期的流量變化幅度,其RSD為非洪水期的92倍.

2.2 降雨過程與非洪水期污染特征

2.2.1 降雨過程暴雨徑流污染特征 灞河流域2009年水質(zhì)監(jiān)測情況見表3.其中洪水期平均濃度是以各場洪水徑流量為權(quán)重,對各污染物的 5場洪水濃度進(jìn)行加權(quán)平均得到.各污染物非洪水期平均濃度是考慮非洪水期每次24h監(jiān)測流量較為穩(wěn)定,先求出每次監(jiān)測各污染物的算術(shù)平均值,再以 2次監(jiān)測的流量為權(quán)重,對各污染物的2次監(jiān)測的算術(shù)平均值加權(quán)平均得到的.

由表 3可以看出,洪水期各指標(biāo)的濃度值均小于非洪水期各指標(biāo)的濃度,總氮、COD、硝氮、亞硝氮、總磷、氨氮濃度洪水期的加權(quán)平均值分別為非洪水期平均值的0.60、0.57、0.32、0.63、 0.65、0.90倍.

表3 洪水期與非洪水期各指標(biāo)平均濃度Table 3 Mean concentration of non-flood and flood period

由以上可知,非洪水期的平均濃度遠(yuǎn)大于洪水期的平均濃度,這可能是受非汛期點源污染排放嚴(yán)重的影響所致.洪水期的濃度主要受流域內(nèi)土壤類型、土地利用類型、化肥施用情況等因素影響,降水徑流挾帶表層土壤進(jìn)入河流的過程中,除將土壤中化肥、農(nóng)藥等污染物帶入河流中外,還將土壤中大量天然有機(jī)質(zhì)(大部分是腐殖質(zhì))帶入到河流中,天然有機(jī)質(zhì)對水體 COD、N、P的貢獻(xiàn)均較大,但是由于洪水期的徑流量較大,從而使洪水期各指標(biāo)的濃度因稀釋而偏低.

2.2.2 降雨過程各指標(biāo)濃度變化及污染負(fù)荷輸移速率變化特征 洪水期各指標(biāo)濃度和負(fù)荷輸移速率隨時間的變化如圖 2所示.限于篇幅,本文只列舉了 09-09-19洪水期的濃度和負(fù)荷輸移速率隨時間的變化,各場洪水各指標(biāo)的濃度峰、負(fù)荷輸移速率峰與流量峰的到達(dá)時間關(guān)系見表4.

通過對各場降雨進(jìn)行統(tǒng)計分析可以看出,各指標(biāo)負(fù)荷輸移速率隨時間的變化趨勢和徑流量變化趨勢大體相同,即先逐漸增大達(dá)到峰值,再逐漸變小.在洪水過程中,各指標(biāo)濃度隨時間的變化規(guī)律大致為:COD、硝氮、總氮濃度先增大后減小;亞硝氮為先減小后增大;總磷的變化規(guī)律不明顯.一般情況下,由于地表徑流的初期效應(yīng)[27](即在徑流初期,與初期徑流量不成比例的、大部分的污染物被沖刷進(jìn)入地表水體的現(xiàn)象),在洪水初期,暴雨徑流中污染物濃度大于基流中污染物濃度,監(jiān)測斷面污染物濃度一般先增大再逐漸變小,隨著沖刷作用的影響,帶動了污染物質(zhì)的運(yùn)動,濃度有所下降,污染物隨降水徑流過程變化的總體趨勢為初期徑流污染物濃度很高,隨降水歷時的延長,污染物濃度逐漸下降并趨于穩(wěn)定,初期降水徑流危害較大.而硝氮、氨氮的濃度為先減小后增大,可能與洪水初期暴雨徑流中該污染物濃度低于基流濃度有關(guān)(點源排放嚴(yán)重使基流濃度增大).

由表 4可以看出,總氮、硝氮的濃度峰和負(fù)荷輸移速率峰均接近或滯后于流量峰;COD的濃度峰接近或滯后于流量峰,而負(fù)荷輸移速率峰接近或超前于流量峰;總磷、氨氮的濃度峰和負(fù)荷輸移速率峰均接近或超前于流量峰;而亞硝氮的濃度峰變化規(guī)律不明顯,負(fù)荷輸移速率峰接近或超前于流量峰.總磷、氨氮指標(biāo)濃度峰和負(fù)荷輸移速率峰都超前于流量峰,這可能是由于地表徑流的初期效應(yīng),溶解態(tài)污染物在徑流初期首先被溶出并隨水流大量攜帶到監(jiān)測斷面所致;總氮、硝氮指標(biāo)測定值受泥沙影響較大,即以吸附態(tài)為主,其濃度峰和負(fù)荷輸移速率峰接近或滯后于流量峰,這可能是由于泥沙和水分屬兩相,泥相較水相運(yùn)動滯后所致.COD的濃度峰接近或滯后于流量峰,而負(fù)荷輸移速率峰接近或超前于流量峰,這可能與泥沙中COD的釋放速率有關(guān).

2.2.3 非洪水期污染特征 非洪水期監(jiān)測的各指標(biāo)濃度與流量變化過程見圖 3,限于篇幅,本文只列舉了 09-11-29非洪水期的濃度隨時間的變化.

由圖 3可看出,非洪水期各指標(biāo)的濃度變化并非像流量那樣較為穩(wěn)定,而是隨時間的變化而變化,其中總磷的變化較為平緩,其,他指標(biāo)變化幅度較大.這可能是由于馬渡王斷面以上農(nóng)村城鎮(zhèn)生活污水、養(yǎng)殖廢水點源、工業(yè)污水點源排放規(guī)律的影響所致.

圖2 洪水期濃度、負(fù)荷輸移速率與流量變化過程Fig.2 Concentration, load transport rate and flow processes of flood period

表4 濃度峰、負(fù)荷輸移速率峰與流量峰的時間關(guān)系Table 4 Time relation between peaks of concentration and total load of every index and flow

圖3 非洪水期各指標(biāo)濃度與流量變化Fig.3 The concentration and flow processes of non-flood period

由表 5可以看出,各指標(biāo)非洪水期濃度變化總體上小于洪水期濃度變化,除了總氮指標(biāo)非洪水期的RSD高于洪水期的RSD,其他指標(biāo)洪水期的RSD均高于非洪水期的RSD,非洪水期各指標(biāo)水質(zhì)變化幅度相對于洪水期各指標(biāo)水質(zhì)變化幅度較為平穩(wěn).洪水期濃度變化最小的為總氮,RSD為 0.18;濃度變化最大的為亞硝氮,RSD為 0.69;非洪水期濃度變化最小的為總磷,RSD為 0.19;濃度變化最大的為正磷,RSD為0.38.

表5 非洪水期和洪水期水質(zhì)變化相對標(biāo)準(zhǔn)偏差Table 5 Relative standard deviation(RSD)of water quality variation in non-flood and flood period

2.3 非點源污染負(fù)荷及比重計算

在監(jiān)測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,采用平均濃度法計算年非點源污染負(fù)荷,得出非點源負(fù)荷占重負(fù)荷的比重,灞河流域2009年非點源污染計算的結(jié)果見表6.

表6 2009年灞河流域非點源與點源污染負(fù)荷Table 6 Non-point source pollution load and point source pollution load of Bahe river watershed of 2009

由表6可以看出,2009年灞河流域非點源污染主要來自于COD、總氮指標(biāo),其污染負(fù)荷分別為8707.28、723.63t.根據(jù)監(jiān)測值所計算的非點源污染負(fù)荷可認(rèn)為是某次洪水帶來的非點源污染總負(fù)荷,對于衡量某次洪水所帶來的總的污染具有參考價值.考慮較大顆粒的泥沙在隨水流運(yùn)動的過程中會沉降到河底,從而導(dǎo)致水中實際污染物濃度和污染物負(fù)荷的降低,在渭河天然水環(huán)境條件下,沉降泥沙本底固有成分及其所吸附的外來污染物不易被解吸出來,不會對環(huán)境構(gòu)成明顯危害[28],因此依據(jù)以上監(jiān)測值所計算的非點源污染負(fù)荷可作為某次洪水帶來的“有效”非點源污染量,可用作水污染控制規(guī)劃與方案中非點源污染控制的依據(jù).

2009年灞河流域各指標(biāo)非點源負(fù)荷所占比重均低于點源負(fù)荷所占比重,COD、總氮、氨氮、總磷所占總負(fù)荷相應(yīng)的比例分別為 31.86%、32.69%、42.21%、34.42%,各指標(biāo)非點源污染負(fù)荷占總負(fù)荷的比例均在 30%以上,其中氨氮更是達(dá)到了 42.21%.由此可見,非點源污染在灞河水污染中占較大比重,其對渭河水質(zhì)的影響不容忽視,必須采取控制措施對其進(jìn)行治理,例如可采取土地利用結(jié)構(gòu)調(diào)整、水保措施和控制化肥施用水平等非點源污染控制措施,實現(xiàn)流域內(nèi)全方位非點源污染物的控制.

3 結(jié)論

3.1 降雨過程期間COD、總氮、氨氮、硝氮、亞硝氮和總磷等指標(biāo)監(jiān)測值都小于平時監(jiān)測值.各指標(biāo)負(fù)荷輸移速率隨時間的變化趨勢和徑流量變化趨勢大體相同,即先逐漸增大達(dá)到峰值,再逐漸變小.在洪水過程中,各指標(biāo)濃度隨時間的變化規(guī)律大致為:COD、硝氮、總氮濃度先增大后減小;亞硝氮為先減小后增大;總磷變化規(guī)律不明顯.

3.2 總氮、硝氮的濃度峰和負(fù)荷輸移速率峰均接近或滯后于流量峰;COD的濃度峰接近或滯后于流量峰,而負(fù)荷輸移速率峰接近或超前于流量峰;總磷、氨氮的濃度峰和負(fù)荷輸移速率峰均接近或超前于流量峰;而亞硝氮的濃度峰變化規(guī)律不明顯,負(fù)荷輸移速率峰接近或超前于流量峰.

3.3 采用平均濃度法計算了各指標(biāo)的非點源污染平均濃度及負(fù)荷:2009年灞河流域馬渡王斷面COD、總氮、氨氮、總磷的非點源污染負(fù)荷分別為8707.28,723.63,245.52,43.07t.

3.4 2009年灞河流域馬渡王斷面 NSP負(fù)荷COD、總氮、氨氮、總磷所占總負(fù)荷相應(yīng)的比例分別為 31.86%、32.69%、42.21%、34.42%.由此可見,非點源污染在灞河水污染中占較大比重,其對灞河水質(zhì)的影響不容忽視.

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Impact of nonpoint source pollution on water quality of the Bahe River based on rainfall events monitor.

QIN Yao-min1,2, LI Huai-en2*(1.State Key Laboratory of Urban and Regional Ecology, Research Center for Eco-Environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100085, China；2.State Key Laboratory of Eco-Hydraulic Engineering in Shaanxi, Xi’an University of Technology, Xi’an 710048, China). China Environmental Science,2014,34(5)：1173～1180

Based on the 5 rainfall processes and 2normal discharge events monitored from July to December in 2009at the Ma du-wang section on the Bahe River, impact of nonpoint source pollution (NPS) on water quality of the Bahe River was analyzed. The results indicate that: (1) concentrations of COD, TN, NH3-N, NO3--N,-N and TP in the rainfall processes were lower than those in normal discharge events. (2)The load transport rate of each pollutant gradually increased up to peak value and then started to drop, which was in accordance with the process of flow change.Concentrations of COD, NO3--N and TN increased initially and then decreased, while those of NH3-N and-N decreased first and then increased, change pattern for concentration of TP was not obvious. The peaks of concentration and load transport rate of TN and NO3--N occurred either close or behind the flow peak, while those for TP and NH3-N in the opposite trend. COD concentration peaked close or behind the flow peak, but its load transport rate peaked prior to the flow peak. Changes for NO2--N concentration werenot obvious and its load transport rate peak was close or prior to the flow peak. (3)The estimation of NPS pollution load by mean concentration method indicated that NPS pollution load of COD, TP, TN and NH3-N of the Bahe River in the year of 2009were 8707.28t, 43.07t, 723.63t and 245.52t. (4)The NPS pollution load proportions of COD, TP, TN and NH3-N of the Bahe River in the year of 2009 were 31.86%, 34.42%,32.69% and 42.21%. Therefore, NPS pollution accounted for a large proportion of the total pollution loads of the Bahe River, which shouldn’t be ignored.

nonpoint source pollution；the Bahe River；rainfall events monitoring；NPS load；NPS proportion

X522

A

1000-6923(2014)05-1173-08

2013-09-12

國家重大水專項(2009ZX07212-002-005,2012ZX07203-002)

* 責(zé)任作者, 教授, huaienl@yahoo.com

book=34,ebook=123

秦耀民(1976-),男,陜西西安人,博士,主要從事非點源污染方面的研究.發(fā)表論文8篇.