羅廣飛，韓志偉,2，田永著，趙 然，熊 佳，張 金

(1.貴州大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，貴陽 550025；2.喀斯特地質(zhì)資源與環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴陽 550025)

0 引 言

巖溶流域是由地下巖溶管道、巖溶裂隙、巖溶水洞、巖溶孔隙等多種巖溶空隙介質(zhì)體(以巖溶管道和巖溶洞穴為主)組成的多重復(fù)合體，具有高度的空間異質(zhì)性[1, 2]。在我國西南巖溶地區(qū)往往具有“二元”水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)，地表水和地下水轉(zhuǎn)換頻繁，土層薄且水土流失嚴(yán)重，加之巖溶環(huán)境的脆弱性，使得水體極易受污染[3, 4]，地下水在地下巖溶系統(tǒng)中停留時間短，自凈能力弱，一旦受到污染，短時間內(nèi)很難恢復(fù)[5-7]。受地質(zhì)條件和氣候的影響，巖溶水和孔隙水存在明顯的差異，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：巖溶含水介質(zhì)常常具有高度管道化和非均一分布的特征，而孔隙水介質(zhì)分布相對均勻，連續(xù)性好，具有統(tǒng)一的地下水面[8, 9]；孔隙水為層狀運(yùn)動，滿足達(dá)西定律，巖溶水則為各向異性，地表徑流和地下徑流轉(zhuǎn)換頻繁[10, 11]；孔隙水成巖晚，污染組分處于穩(wěn)定狀態(tài)，而巖溶水環(huán)境極為脆弱，污染嚴(yán)重[12]，磷素在孔隙水中易被吸附很難進(jìn)入地下水，巖溶含水層裂隙和巖溶管道發(fā)育較完整，磷素極易進(jìn)入地下水造成污染。隨著人為活動的加劇，流域氮磷的輸入明顯增加，使得氮磷等營養(yǎng)鹽極易通過巖溶裂隙、管道等途徑進(jìn)入地下水系統(tǒng)，使地下水污染問題日益突出，因此，在巖溶地區(qū)開展氮磷在不同水體中的分布及形成過程的研究非常必要。

氮磷通常以點(diǎn)源和面源的形式污染水體[13, 14]。點(diǎn)源具有可識別的范圍，對污染源的控制較簡單，隨著社會的發(fā)展，面源污染已經(jīng)逐步成為水質(zhì)控制的主體，面源污染具有隨機(jī)性、廣泛性、潛伏性、滯后性和非線性的特點(diǎn)，常常與季節(jié)性活動、降雨和土地利用類型等有關(guān)，這些影響因素造成了面源污染的復(fù)雜性[15-18]，農(nóng)業(yè)面源污染是導(dǎo)致巖溶流域水體水質(zhì)惡化的主要因素。水體中氮磷的聚集與人體健康及水生態(tài)環(huán)境密切相關(guān)，氮磷等營養(yǎng)鹽在水體生態(tài)循環(huán)中起著重要的作用，氮磷是水體富營養(yǎng)化的重要限制因子，通常使用N/P值的大小判斷湖泊水庫的營養(yǎng)化狀態(tài)，當(dāng)N/P值小于10時可能導(dǎo)致水體嚴(yán)重富營養(yǎng)化[19, 20]。目前，氮磷的時空分布特征及水體富營養(yǎng)化已成為國內(nèi)外熱點(diǎn)研究話題之一[21-23]。

花溪河流域是典型的巖溶流域，流域內(nèi)水庫分布較多，水庫作為重要的蓄水基地，具有調(diào)節(jié)徑流、減免水災(zāi)和旱災(zāi)、農(nóng)業(yè)灌溉等功能，兼有水源地功能，流域和地下水作為水庫的主要補(bǔ)給來源，對水庫水質(zhì)產(chǎn)生直接的影響，流域內(nèi)農(nóng)業(yè)面源分布也較廣，農(nóng)業(yè)施肥使土壤氮磷逐年增加，這些長久累積的氮磷是水體富營養(yǎng)化的主要來源[24]。因此對流域內(nèi)水庫水體富營養(yǎng)化研究具有重要的意義。

本文以花溪河巖溶流域?yàn)檠芯繉ο?，通過ArcGIS空間分析，探討流域氮磷的時空分布特征及影響因素；采用混合模式加權(quán)法對流域水庫富營養(yǎng)化水平進(jìn)行評價。研究結(jié)果對流域水環(huán)境管理、農(nóng)業(yè)面源氮磷污染防控具有實(shí)際意義，同時水庫水體富營養(yǎng)化為相關(guān)水治理措施提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

花溪河流域(26°17′36″N～26°30′19″N, 106°28′1″E～106°41′35″E)地處黔中高原，位于貴州省貴陽市西南方向。研究區(qū)地勢總體為南面和西面高，東北面低，屬于亞熱帶高原季風(fēng)濕潤氣候，氣候溫暖濕潤，年平均降雨量為1 099.4 mm，年平均氣溫14.9 ℃。研究區(qū)主要的地質(zhì)構(gòu)造為褶皺和斷層，主要的地層為二疊系、三疊系、侏羅系跟第四系，主要的巖性為灰?guī)r、砂頁巖夾灰?guī)r、泥質(zhì)白云巖[25]。

花溪河流域隸屬于長江流域?yàn)踅?，水資源豐富，流域全長約52.6 km，流域面積達(dá)237 km2，流域內(nèi)水庫河流較多，主要的水庫有花溪水庫、松柏山水庫、凱掌水庫、劉家莊水庫和蘆貓?zhí)了畮?，主要的河流有車田河、冷飯河、干河和凱倫河[26]。流域內(nèi)水功能區(qū)主要劃分為一級和二級，一級為飲用水源源頭保護(hù)區(qū)，二級為飲用和景觀用水區(qū)，凱掌水庫、松柏山水庫和花溪水庫為一級水功能區(qū)，車田河至花溪水庫過渡區(qū)和車田河清鎮(zhèn)花溪農(nóng)業(yè)區(qū)為二級水功能區(qū)。

圖1 研究區(qū)土地利用類型圖(引自代克志，2016)Fig.1 Land use type map of the basin (from Dai kezhi, 2016)

流域內(nèi)主要的土地利用類型包括旱地、水田、林地、建設(shè)用地4種類型，旱地主要分布在研究區(qū)的南部、中部偏東和西北部；水田主要分布在干河跟劉家莊水庫及研究區(qū)的西北部；林地集中分布在研究區(qū)的南部、中部和西北部；建設(shè)用地主要分布在研究區(qū)東北部，該區(qū)域?yàn)槌擎?zhèn)聚集區(qū)(圖1)。研究區(qū)旱地以坡耕地為主，旱地和水田的面積占流域面積的比例為34.76%，建設(shè)用地面積占流域面積的比例為33.98%，因此，研究區(qū)大量的農(nóng)業(yè)面源分布和生活污水排放是導(dǎo)致流域氮磷嚴(yán)重污染的主要因素[26]。主要的點(diǎn)源為養(yǎng)殖企業(yè)，其主要分布在研究區(qū)的西北部，在石板小溪分布有物流園。

1.2 采樣與測試分析

1.2.1 樣品采集

分別于2017年4月(施肥旺季)采集地下水樣品56件和地表水樣品54件，2018年1月(施肥淡季)采集地下水樣品47件和地表水樣品41件，采樣分布點(diǎn)位置如圖2所示。

圖2 采樣點(diǎn)位置分布圖Fig.2 The distribution of sample points in the basin

水樣放入500 mL聚乙烯瓶中，滴加濃硫酸酸化后(pH<2)，封裝并于4 ℃冰箱中保存。

1.2.2 測試分析

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

(1)

PI=∑1Wi1Ii+∑2Wi2Ii

(2)

表1 水庫湖泊富營養(yǎng)化評價標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 Evaluation standard for eutrophication of reservoirs and lakes

2 結(jié)果與分析

2.1 氮磷污染特征

表2 流域水體氮磷濃度統(tǒng)計(jì) mg/L

流域水功能區(qū)，氮磷污染特征如表3所示，總氮超標(biāo)率較高，總磷超標(biāo)相對較低，其污染現(xiàn)狀給當(dāng)?shù)鼐用裆詈土饔驇砹酥T多問題。

2.2 氮磷時空分布及污染過程

2.2.1 總 氮

受施肥過程的影響，流域地表水和地下水的TN濃度整體上呈現(xiàn)4月份高于1月份(圖3)。在4月份地表水TN濃度普遍高于地下水，而在1月地表水和和地下水TN濃度差異不大，主要是由于從凱倫河至松柏山水庫，沿程的農(nóng)業(yè)面積增大，受集中施肥的影響，氮磷負(fù)荷增大，導(dǎo)致沿程地表水TN濃度不斷增加。

在養(yǎng)殖企業(yè)周邊，不同水體中的TN濃度的時空差異較小，流域內(nèi)規(guī)?；B(yǎng)殖活動未對周邊水體產(chǎn)生明顯污染。下車田河下游(Q43)處以建設(shè)用地為主，且處于排污口位置，兩期在污染物輸出相同的情況下，1月徑流量減少，水體TN濃度有所上升，使該區(qū)域地下水TN濃度在1月高于4月。

石板小溪和花溪水庫匯合處土地利用類型以旱地為主，受施肥和降雨的影響，4月地表水TN濃度高于1月，由于物流園的持續(xù)輸出，該區(qū)域地下水TN的濃度兩期差異不明顯。

表3 花溪河流域水質(zhì)評價表Tab.3 Water quality evaluation of Huaxi River Basin

圖3 流域水體中TN的時空分布圖Fig.3 Temporal and spatial distribution of TN in waters of the basin

2.2.2 總 磷

磷在土壤中易被吸附，巖溶水中的磷相比孔隙水很難通過入滲進(jìn)入地下水，4月和1月不同水體的TP濃度整體上呈現(xiàn)地表水高于地下水(圖4)。

圖4 流域不同水體中TP的時空分布圖Fig.4 Temporal and spatial distribution of TP in waters of the basin

養(yǎng)殖企業(yè)周邊水體的TP濃度在空間和時間上差異較小，均未受明顯影響，因此，流域內(nèi)養(yǎng)殖企業(yè)未對周邊的水體產(chǎn)生明顯的污染。

在凱倫河與煤水河交匯處(R15、R16和R17)和花溪水庫下游(R36)，其周邊土地利用類型以旱地和建設(shè)用地為主，巖溶地區(qū)土層薄，受施肥和降雨的影響，土壤中磷素流失嚴(yán)重。因此，在施肥旺季氮磷負(fù)荷大，該區(qū)域地表水TP濃度較高，相反，施肥淡季地表水TP濃度明顯偏低。

圖5 流域水體百分比箱型圖Fig.5 percentage box type of waters in the basin

圖6 流域不同水體中的時空分布圖Fig.6 Temporal and spatial distribution of in waters of the basin

2.3 水庫水體富營養(yǎng)化的評價

蘆貓?zhí)了畮斓腜I值在4月和1月均大于其他6個水庫，該水庫上游分布較多旱地和建設(shè)用地，農(nóng)業(yè)施肥和生活污水使地表土壤氮磷增加，在降雨的影響下，氮磷通過入滲和地表徑流進(jìn)入水庫，4月PI值為5.12達(dá)到了重富營養(yǎng)化(Ⅳ級)，均超地表水Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)。在1月份龍灘水庫樣品未采集，只對其4月份富營養(yǎng)化水平做評價，該時期水庫PI值為3.86達(dá)到了中度富營養(yǎng)化(Ⅲ級)，TN和TP濃度為2.043 mg/L和0.062 mg/L。

圖7 流域不同水庫水體富營養(yǎng)化水平Fig.7 Eutrophication level of different reservoirs in the basin

凱掌水庫和劉家莊水庫周邊分布較多林地，林地區(qū)難形成徑流對周邊污染物遷移具有一定的限制作用，污染物主要通過入滲進(jìn)入地下巖溶管道和暗河補(bǔ)給到水庫，羊艾水庫周邊以建設(shè)用地為主，人為活動是導(dǎo)致該水庫氮磷污染的主要因素。研究表明水庫隨著溫度升高水庫沉積物內(nèi)源釋放加大水庫上覆水氮磷含量[36-38]，而1月份水庫儲水量少，使得水庫N、P相對4月濃度偏高，因此，整體上1月水庫富營養(yǎng)化水平高于4月。

花溪水庫和松柏山水庫在兩期富營養(yǎng)化水平相對較低，花溪水庫4月和1月PI值分別為1.64和1.77達(dá)到中富營養(yǎng)化水平(Ⅲ級)，松柏山水庫4月和1月PI值分別為0.95和1.14，為輕富營養(yǎng)化與中富營養(yǎng)化水平之間。

3 結(jié) 論

通過對花溪河巖溶流域地表水和地下水的氮磷污染特征、影響因素及富營養(yǎng)化分析，結(jié)果表明：

(3)流域內(nèi)水庫兩期水體富營養(yǎng)化均達(dá)到中富營養(yǎng)化水平(Ⅲ級)，流域水庫TN和TP濃度波動范圍為0.020～3.058 mg/L和0.004～3.040 mg/L，大部分水庫超地表水Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)?；ㄏ畮旌退砂厣剿畮炱娇輧善谒w富營養(yǎng)化相對其他水庫較低，為輕富營養(yǎng)化水平與中富營養(yǎng)化水平之間，蘆貓?zhí)了畮焖w富營養(yǎng)化水平4月最高，達(dá)到重富營養(yǎng)化(Ⅳ級)，其他水庫水體富營養(yǎng)化水平PI值均表現(xiàn)為1月大于4月。

□