王文成，郝虎林，朱瑩靜，魏文娟，秦偉穎，王 翔，方 琳

(寧波原水集團有限公司,浙江寧波 315100)

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皎口水庫主要污染物時空分布研究

王文成，郝虎林*，朱瑩靜，魏文娟，秦偉穎，王 翔，方 琳

(寧波原水集團有限公司,浙江寧波 315100)

摘 要：研究采用地理信息技術(shù),對皎口水庫4項主要污染物(總氮、總磷、氨氮及高錳酸鹽指數(shù))的時空分布進行了研究。結(jié)果表明,空間分布上,總磷、氨氮與高錳酸鹽指數(shù)的高濃度區(qū)域包含在總氮高濃度區(qū)域內(nèi),這些區(qū)域均比鄰村落和水土流失高發(fā)區(qū)域,污染源主要為農(nóng)業(yè)農(nóng)村面源污染;時間分布上,水體總氮春、冬季最高,總磷冬、夏季較高,高錳酸鹽指數(shù)夏季最高、氨氮冬季最高,分別受農(nóng)業(yè)種植方式、水土流失和浮游植物生長等的影響。此外,研究發(fā)現(xiàn),庫面污染物分布規(guī)律與庫周環(huán)境污染源分布比較吻合,可以為具體的水資源管理提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：皎口水庫;主要污染物;時空分布

文獻著錄格式:王文成,郝虎林,朱瑩靜,等.皎口水庫主要污染物時空分布研究[J].浙江農(nóng)業(yè)科學(xué),2016,57 (4):573-578.

隨著城市化、工業(yè)化步伐的不斷加快,全國大量湖庫水資源已出現(xiàn)富營養(yǎng)狀態(tài),且呈現(xiàn)出愈發(fā)嚴峻的態(tài)勢[1-3]。目前,在我國131個主要湖泊和39個大中型水庫中,富營養(yǎng)化湖泊已達到67個(51.14% ),水庫12座(30.77% ),南方地區(qū)80%飲用水源已轉(zhuǎn)移到水庫,而70%以上的飲用水庫已富營養(yǎng)化[4]。水體富營養(yǎng)化不僅影響湖庫水質(zhì),更是引發(fā)水質(zhì)性缺水、制約經(jīng)濟社會發(fā)展的主要因素。水庫水體富營養(yǎng)化常常與流域生態(tài)功能受損息息相關(guān),受流域內(nèi)生產(chǎn)生活等多種因素影響,特別是污水及水土流失所攜帶的大量營養(yǎng)物質(zhì)隨溪流進入水庫[5],是引發(fā)水體富營養(yǎng)化的根源。

寧波市雖屬水資源相對豐富的沿海港口城市,但由于近年河網(wǎng)水質(zhì)下降,寧波城區(qū)供水已全面轉(zhuǎn)換為水庫供水。皎口水庫作為寧波市主要供水水庫之一,承擔著市區(qū)近40%的供水重任,其水質(zhì)狀況密切關(guān)系到寧波的城市發(fā)展。目前,皎口水庫存在的主要問題是水體富營養(yǎng)化,主要表現(xiàn)在水庫水體總氮、總磷指標逐年上升,零星藻華事件時有發(fā)生[6]。水體富營養(yǎng)化是一個生態(tài)問題,受流域的生態(tài)環(huán)境影響顯著。皎口水庫實際控制流域面積為259 km2,給水資源保護工作帶來諸多困難。為了能夠快速反映流域的環(huán)境變化對水質(zhì)的影響,使水資源保護工作更具有針對性和時效性,本研究從創(chuàng)新水資源保護思路、尋求更有效的富營養(yǎng)化防治措施的角度出發(fā),將地理信息技術(shù)、GPS定位技術(shù)應(yīng)用到湖庫水資源保護當中,為高效開展水源保護工作提供技術(shù)支撐,可為類似的水源地水質(zhì)管理工作提供借鑒。

1　材料與方法

1.1研究區(qū)域概況

寧波皎口水庫位于鄞西奉化江支流,樟溪上游的大皎、小皎兩溪匯合處——密巖村(121°15′30″E,29°50′48″N),目前是寧波市城區(qū)的主要飲用水源地,始建于1970年5月,1975年1月建成投入運行,控制集雨面積259 km2,總庫容量1.198億m3。

1.2 試驗設(shè)置

本研究以寧波市皎口水庫為例,依據(jù)先前研究,采用網(wǎng)格布點法在皎口水庫布設(shè)采樣點,總氮、氨氮采用200 m尺度取樣,總磷、高錳酸鹽指數(shù)采用100 m尺度取樣(圖1)。分別于2012年11 月27日、2013年4月24日、2013年7月9日和2013年9月23日,即冬、春、夏、秋4個季節(jié),在皎口水庫依次取樣88,94,98,93個(樣點數(shù)量因水庫消落帶水位變化不同),用1 000 mL的有機玻璃分層采水器(WB-PM)采集水庫水面下0.5 m水樣,取樣點位置采用GPS精確定位,記錄經(jīng)緯度,水樣收集于500 mL的塑料容器中待測。

圖1　皎口水庫采樣點的分布

1.3指標檢測

水樣總氮采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法測定(GB 11894—89),總磷采用過硫酸鉀消解鉬酸銨分光光度法測定(GB 11893—89),氨氮采用水楊酸分光光度法測定( HJ 536—2009),高錳酸鹽指數(shù)采用高錳酸鉀法測定(GB 11892—1989)[7]。

1.4數(shù)據(jù)分析

采用ArcGIS10.2進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計,利用Surfer 10進行插值分析。

2　結(jié)果與分析

2.1主要污染物變異性評價

為了明確皎口水庫主要污染物時空變異情況,對水庫同一時間(2013年9月23日)庫面94個取樣點及同一取樣點(121.2682740°E,29.8380710°N)一年四季的污染物變異做了統(tǒng)計。統(tǒng)計結(jié)果(表1)發(fā)現(xiàn),不同樣點下總磷、高錳酸鹽指數(shù)的變異系數(shù)比不同時間下高27.106和8.108百分點,表明總磷和高錳酸鹽指數(shù)的區(qū)域性變異高于時間變異,說明總磷和高錳酸鹽指數(shù)的分布受庫周區(qū)域環(huán)境影響更大。總氮和氨氮在不同時間下呈現(xiàn)較高的變異,說明其主要受水庫來水和季節(jié)性農(nóng)業(yè)活動等因素的影響?？傮w來看,4種主要污染物的變異系數(shù)均較高,反映出水庫水體污染物在時空上存在較大變異,水體污染物含量受庫周人為因素和環(huán)境影響較大[8]。

表1　皎口水庫水體污染物的變異性

2.2總氮時空分布

空間分布上來看,總氮庫面高濃度主要分布在圖中的①②③④號區(qū)域(圖2、表2),依次位于小皎溪庫尾、小皎溪庫面中段、大皎溪庫面中部以及大皎村附近。統(tǒng)計分析結(jié)果表明,與庫面低濃度區(qū)域相比,①②③④號區(qū)域氮濃度分別比其他區(qū)域平均濃度高出1.91%～9.15%,2.05%～15.01%,9.50%～27.26%和4.96%～25.03%。據(jù)現(xiàn)場走訪調(diào)研情況顯示,③④號區(qū)域為大皎村所在,①號區(qū)域是水庫上游童皎村,均是庫周耕地、園地最集中的區(qū)域,由此產(chǎn)生的農(nóng)業(yè)面源污染是造成③④號區(qū)域總氮含量較高的主要原因[9-10]。②號區(qū)域處于水庫上游河道與大壩連接段,周邊為大片林地,實地探查發(fā)現(xiàn),東側(cè)多為45°以上急陡山坡地,加之該區(qū)域河道曲折,上游來水攜帶的污染物在水流的作用下匯入水庫,并因河道急彎的攔截作用匯集于此,致使②號區(qū)域總氮含量偏高,與三峽庫區(qū)小流域的研究結(jié)果類似[11]。

表2　皎口水庫污染源的區(qū)域分布

皎口水庫庫面總氮隨時間變化存在顯著差異。監(jiān)測結(jié)果顯示(圖2),水庫庫面總氮含量整體呈現(xiàn)春季＞冬季＞秋季＞夏季的規(guī)律性變化。其中春季庫面總氮含量普遍維持在2.29～2.70 mg·L-1,平均濃度達2.54 mg·L-1,較冬季、夏季和秋季分別高出14.4%,43.5%和20.4%。據(jù)調(diào)查,皎口水庫所在地區(qū)主要經(jīng)濟作物為花木、茶園及旱作地,年內(nèi)農(nóng)作物施肥時間集中在3—4月和10—11 月,且農(nóng)民普遍施肥量偏高,這是造成庫面總氮春冬季較高的主要原因[12]。

圖2　皎口水庫總氮時空分布

2.3總磷時空分布

空間分布上,總磷高濃度區(qū)域主要分布在①②③號區(qū)域(圖3,表2),分別為小皎溪庫尾、小皎溪庫面中段和大皎溪河道庫面的中部,比其他區(qū)域分別高出4.00%～52.38%,0～20.00%,0～32.00%。總磷①③號高濃度區(qū)域與總氮高濃度區(qū)域重疊,位于河流上游大皎村人口最密集的地區(qū),貝母、花木等農(nóng)業(yè)經(jīng)濟作物種植量較大,復(fù)合肥和農(nóng)家肥使用量顯著高于庫周其他區(qū)域;此外,③號區(qū)域河道急拐彎處有大片農(nóng)耕旱地,坡度在60°以上,主要種植蔬菜、貝母,是水土流失高發(fā)區(qū),降雨沖刷造成水土流失攜帶的磷元素也是水體總磷上升的主要原因之一[13]。

統(tǒng)計分析表明,總磷僅在夏季和冬季有所上升,整體呈現(xiàn)出冬季＞夏季＞春季＞秋季的規(guī)律,其中冬季總磷均值為0.026 mg·L-1,依次比夏、春、秋季總磷平均值高出11.54%,19.23%,30.77%。③號區(qū)域由春季到冬季期間庫面總磷增幅為36.0%～54.6%,主要因冬季水庫水位較低,加上冬季貝母等經(jīng)濟作物大量追肥,以及肥料本身利用率低下,發(fā)生降雨事件后,土壤中殘留的磷元素大量匯入水庫,造成水庫水體總磷含量上升[14]。夏季庫體總磷濃度僅次于冬季,這與區(qū)域年內(nèi)雨量分布密切相關(guān),皎口水庫流域梅雨季節(jié)集中在6—7月,降雨量達年降雨總量的30%左右,降雨沖刷庫岸攜帶大量污染物,必然造成水庫水體總磷濃度上升。柴夏等[15]的研究也發(fā)現(xiàn),總磷含量全年最高值多出現(xiàn)在集中降雨結(jié)束的隨后月份。此外,大量研究也指出,降雨徑流量和磷濃度之間存在極顯著正相關(guān)[16-18]。

2.4氨氮時空分布

從空間分布上看,全年水庫庫面氨氮含量遠低于Ⅰ類水標準(0.15 mg·L-1)。整個庫面氨氮相對較高的區(qū)域集中在①②③號區(qū)域(圖4,表2),以小皎溪入庫口所在的①區(qū)域氨氮含量最高(0.028 mg·L-1),②③號區(qū)域?qū)?yīng)的小皎溪中段和大皎溪中段氨氮含量均為0.021 mg·L-1,較庫面其他區(qū)域氨氮含量高出18.18%～37.50%和0～50.00%。這與氨氮的來源和物質(zhì)組成密切相關(guān)。由于氨氮多來源于有機物類物質(zhì)的分解,而①③號區(qū)域分別為大皎和童皎村所在地,人口都占集雨區(qū)總?cè)藬?shù)的10%以上,其中大皎村還養(yǎng)殖了7 000余只畜禽,依據(jù)太湖流域污染物排放系數(shù)計算[19],該區(qū)域每年有近4 t的氨氮排放量,人畜產(chǎn)生的排泄廢物是該區(qū)域氨氮上升的主要原因,這與遼河流域居民生活和畜禽養(yǎng)殖合計排放氨氮占比達90%的相關(guān)研究結(jié)果相似[20]。②號區(qū)域周邊為林地,在冬季也呈現(xiàn)出高氨氮現(xiàn)象,這可能與水庫冬季較低的庫容量和庫周貝母等經(jīng)濟作物的冬季追肥等因素有關(guān)。

皎口水庫庫面水體中氨氮指標具有較強的季節(jié)性分布特征(圖4)。一年中冬季庫面氨氮達最高水平,春、秋季次之,夏季最低。與冬季相比較,春、夏、秋三季氨氮依次降低44.19%,58.14%,46.5%。一方面,由于皎口水庫庫周經(jīng)濟作物以茶園、毛竹和花木為主,農(nóng)耕施肥集中在冬、春季節(jié),施肥必然引入大量氨氮;另一方面,冬季枯水季節(jié)庫容量小,使得冬季庫面氨氮顯著高于其他季節(jié),而春季次之。先前其他湖庫流域研究也都曾指出氨氮濃度與農(nóng)業(yè)施肥生活污染的相關(guān)性[21-22]。

圖3　皎口水庫總磷時空分布

2.5高錳酸鹽指數(shù)時空分布

由皎口水庫的高錳酸鹽指數(shù)分布圖(圖5)可以看出,高錳酸鹽指數(shù)偏高區(qū)域為①③號區(qū)域,分別位于小皎溪庫尾段以及大皎溪河道庫面的中部,與庫面其他區(qū)域高錳酸鹽指數(shù)平均值相比,①③號區(qū)域分別高出5.45%～63.70%和0～21.65%。此外,與大皎溪相比,小皎溪的高錳酸鹽指數(shù)較大皎溪高36.2%。可見,居民生活聚集地所在的大皎村(③號區(qū)域)和童皎村下游(①號區(qū)域)是庫區(qū)有機質(zhì)含量最高的部位,也是造成該區(qū)域高錳酸鹽指數(shù)高的主要原因[23]。

不同季節(jié)庫面高錳酸鹽指數(shù)有顯著差異(圖5)。全年來看,庫面高錳酸鹽指數(shù)呈現(xiàn)夏＞春＞秋＞冬的趨勢。其中,夏季平均值最高,為2.55 mg· L-1,較春、秋、冬季平均值分別高出18.6%,32.8%,54.5%,此外,2010—2014年來的月度水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果也顯示,歷年7月份高錳酸鹽指數(shù)較其他月份高出27.74%～57.42%。這與水庫內(nèi)源性生物的季節(jié)性生長規(guī)律有關(guān),水庫自然水體普遍存在大量浮游動植物,冬春季節(jié)由于氣溫較低,浮游動植物生長受到抑制;但進入夏季氣溫回升后,浮游動植物,尤其是藻類的生長繁殖速度顯著加快,使得水庫水體在7月份的高溫季節(jié)水體時有機物含量相對較高。國內(nèi)外大量研究報道也揭示了藻類與水體有機物之間的正相關(guān)關(guān)系[24-26]。

圖4　皎口水庫氨氮時空分布

圖5　皎口水庫高錳酸鹽指數(shù)時空分布

3　小結(jié)

空間分布上,皎口水庫高濃度總氮區(qū)域主要分布小皎溪庫尾、小皎溪庫面中段、大皎溪河道庫面的中部以及大皎村附近;總磷高濃度區(qū)域主要分布小皎溪庫尾、小皎溪庫面中段和大皎溪庫面的中段;氨氮與總磷高濃度區(qū)塊一致,庫面高錳酸鹽指數(shù)的高濃度區(qū)域僅分布在大皎村和童皎村下游附近,均靠近山坡耕作區(qū)域和水土流失高發(fā)區(qū)。上述4種污染物的主要污染源均為農(nóng)業(yè)農(nóng)村面源污染。

時間分布上,水體總氮春、冬季節(jié)高,主要受農(nóng)業(yè)種植方式的影響;總磷年內(nèi)冬、夏季最高,由農(nóng)業(yè)種植方式和強降雨徑流因素所致;冬季庫面氨氮達最高水平,主要受水庫冬季庫容量低及農(nóng)業(yè)種植施肥方式的影響;庫面高錳酸鹽指數(shù)最高季節(jié)出現(xiàn)在夏季,與水庫浮游植物生長有關(guān)。

通過應(yīng)用地理信息技術(shù)和GPS定位技術(shù),本研究發(fā)現(xiàn)庫面主要污染物時空分布規(guī)律與庫周污染源分布有較高的吻合性。

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(責任編輯：高 峻)

中圖分類號：X524

文獻標志碼：A

文章編號：0528-9017(2016)04-0573-06

DOI10.16178/j.issn.0528-9017.20160436

收稿日期:2016-01-13

基金項目:浙江省水利廳重大項目(RB1310);寧波市科技局重大項目(2012C10003)

作者簡介:王文成(1961—),男,浙江寧海人,工程師,從事水利工程管理與研究工作,E-mail:zgysbbs@126.com。

通信作者:郝虎林(1972—),男,內(nèi)蒙古商都人,博士,副研究員,主要從事水資源保護工作,E-mail:haohulin88@163.com。