陳俊偉 蔣榮復(fù)

(1.福建省莆田市城廂區(qū)氣象局,福建 莆田 351100;2.福建省莆田市氣象局,福建 莆田 351100)

0 引言

東圳水庫位于莆田市城廂區(qū)常太鎮(zhèn)東圳尾村木蘭溪支流的延壽溪中游,涉及城廂區(qū)和仙游縣的部分鄉(xiāng)鎮(zhèn),是莆田市唯一一座集灌溉、防洪、發(fā)電、航運(yùn)、養(yǎng)殖、游覽等功能于一體的綜合性多功能大型水庫,同時(shí)也是莆田人民的“大水缸”和“生命線”工程,擔(dān)負(fù)著供給莆田市工農(nóng)業(yè)用水和生活用水的任務(wù)。水源地水質(zhì)、飲用水安全與人體健康息息相關(guān),是社會關(guān)注的熱點(diǎn)。東圳水庫集水面積321.23 km2,總庫容4.35億m3,正常蓄水位80.5 m,正常水位狀態(tài)水庫面積17.8 km2,多年平均徑流量3.02億m3。庫區(qū)地貌以低丘陵和山間盆谷地為主,土壤以紅壤和赤紅壤為主,屬亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候,年平均氣溫20.7 ℃,年降水量1476.8 mm,月際變化較大,多集中于6—8月,易形成強(qiáng)降雨帶。庫區(qū)森林覆蓋率85.6%,以人工次生林為主,但郁閉度僅有0.3,地表植被單一,水土保持能力弱,易受雨水沖刷引發(fā)各種自然災(zāi)害,影響水庫水質(zhì)[1-3]。近年來,由于地下水日益枯竭,我國南方地區(qū)河流和湖泊嚴(yán)重退化,水質(zhì)性缺水更加突出。遠(yuǎn)離大城市的水庫逐漸成為重要的飲用水水源,水庫調(diào)水和蓄水對緩解城市供水矛盾起到至關(guān)重要的作用,并呈逐年增加的趨勢[4]。水庫生態(tài)系統(tǒng)與飲用水安全及經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展有著密切聯(lián)系,尤其是擔(dān)負(fù)著城市飲用水主要來源的水庫,更需要監(jiān)測、評估和研究。由水體富營養(yǎng)化帶來的水質(zhì)惡化和藻類季節(jié)性爆發(fā)是目前亟待解決的問題。氮磷是水體富營養(yǎng)化的主要營養(yǎng)物質(zhì),相關(guān)研究表明[5-6],水土流失、底泥內(nèi)源釋放、畜禽養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展和大氣干濕沉降對水體中的氮磷水平具有重要影響,過量的氮磷會顯著影響自然生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能,從而導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化現(xiàn)象。

已有研究表明,強(qiáng)降雨對山區(qū)施肥后的地表上的氮磷有明顯的淋溶作用,形成的徑流帶入大量氮磷,對水庫氮、磷輸入有決定性影響[7-10]。目前,針對氣象因子對東圳水庫影響的研究較少,因此,本研究以氣象因子變化趨勢為線索,探究季節(jié)交替、降雨量、相對濕度、日照時(shí)長對水體中氮磷含量的影響,以期為東圳水庫的水質(zhì)科學(xué)管理和飲用水安全保障提供理論依據(jù)和參考。

1 數(shù)據(jù)來源和研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

觀測期采用的氣象數(shù)據(jù)來自莆田市氣象局;水環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)來自莆田市環(huán)境監(jiān)測站,每年監(jiān)測12次,包括pH值、溶解氧、總氮、氨氮、總磷、COD、BOD5、高錳酸鹽指數(shù)等指標(biāo)。

1.2 研究方法

本文重點(diǎn)研究觀測期間氣象因子(降雨量、相對濕度、日照時(shí)長)與總氮(TN)、氨氮(NH3-N)、總磷(TP)的關(guān)系,進(jìn)行線性分析,判斷擬合優(yōu)度,從而得出氣象因子與TN、NH3-N和TP的相關(guān)性程度。

2 結(jié)果與討論

2.1 觀測期間氣象因子的變化

如圖1所示,氣象因子觀測期從2019年3月至2021年2月,觀測期間研究區(qū)域年均降雨量為1210.8 mm,年均溫度為21.9 ℃,夏季高溫多雨,冬季溫和少雨,年均相對濕度為72.2%,全年相對濕度較高,月均日照時(shí)長為145 h。從降雨季節(jié)分布來看,春季、夏季、秋季和冬季的降雨量分別為469.1、510.0、108.9、122.6 mm,由于受到汛期和臺風(fēng)影響,降雨主要集中在春季和夏季,兩季降雨量占全年總降雨量的80.9%。

圖1 2019年3月至2021年2月莆田東圳水庫降雨量、溫度、相對濕度與日照時(shí)長月分布

2.2 降雨量對水體中氮磷的影響

圖2為觀測期間降雨量與水體中TN、NH3-N和TP的濃度變化。如圖所示,觀測期間最大降雨量出現(xiàn)在2019年6月(306.1 mm),最小降雨量出現(xiàn)在 2019年11月(1.3 mm)。從季節(jié)分布上看,夏季降雨量最多(510.0 mm),占全年總降雨量的42.1%,秋季最少(108.9 mm)。在觀測期間,東圳水庫水體中TN最大濃度出現(xiàn)在2019年8月(1.1 mg·L-1),最小濃度出現(xiàn)在2021年2月(0.54 mg·L-1),NH3-N最大濃度出現(xiàn)在2020年12月(0.31 mg·L-1),最小濃度出現(xiàn)在2019年4月(0.03 mg·L-1);TN季平均濃度變化為夏季(0.95 mg·L-1)>春季(0.86 mg·L-1)>秋季(0.83 mg·L-1)>冬季(0.76 mg·L-1),NH3-N季平均濃度變化為秋季(0.14 mg·L-1)=冬季(0.14 mg·L-1)>夏季(0.12 mg·L-1)>春季(0.06 mg·L-1),TP濃度未發(fā)生明顯變化。

圖2 2019年3月至2021年2月莆田東圳水庫降雨量與水體中TN、NH3-N和TP的濃度變化

圖3為降雨量與水體中TN、NH3-N和TP濃度的相關(guān)性分析,結(jié)果表明,降雨量與東圳水庫水體中的TN濃度呈正相關(guān)(R2=0.16),與NH3-N濃度呈負(fù)相關(guān)(R2=0.11),與TP濃度沒有明顯的相關(guān)性。如在2019年夏季(2019年6—8月)和2020年夏季(2020年6—8月)降雨量分別為537.1 mm和483.0 mm,TN和NH3-N平均值為0.95 mg·L-1和0.12 mg·L-1,而TN均值(0.76 mg·L-1)較低時(shí),觀測期間冬季降雨量分別僅有161.5 mm和83.7 mm,此時(shí)NH3-N均值達(dá)到0.14 mg·L-1。

圖3 降雨量與水體中TN、NH3-N和TP濃度的相關(guān)性

究其原因,一是庫區(qū)無序開墾山地建果園并大量施用化肥,從而引發(fā)水土流失,導(dǎo)致未被吸收的化肥進(jìn)入水體污染水庫。相關(guān)資料表明[1-3],東圳水庫所在地的常太鎮(zhèn)果園面積達(dá)5500公頃,由于缺乏合理規(guī)劃和技術(shù)指導(dǎo),在果園開墾過程中對天然植被造成毀滅性破壞,造成山地土質(zhì)疏松,地表裸露,水土保持能力大幅度降低,在汛期(4—9月)暴雨沖刷下發(fā)生大面積水土流失,每年約有11～18 t的氮肥流失進(jìn)入水庫水體;二是畜禽養(yǎng)殖的影響,附近的原住民大多散養(yǎng)豬、牛、雞、鴨,由于缺少規(guī)?；酿B(yǎng)殖管理,含有高濃度氮的畜禽排泄物幾乎未經(jīng)處理便經(jīng)徑流進(jìn)入水庫,造成TN濃度不斷增加。這表明降雨對水體中氮磷水平的影響可分為兩方面,一方面,降雨會帶入大量的氮磷及污染物,增加水庫的氮磷水平;另一方面,持續(xù)且大量的降雨又會稀釋湖庫中的氮磷等物質(zhì)濃度[11-14]。

與水體中TN濃度的變化規(guī)律相反的是,NH3-N的濃度與降雨量呈負(fù)相關(guān)。由于水庫周圍果園施用的化肥以硝態(tài)氮為主,淋溶作用不僅無法增加水庫中NH3-N的濃度,大量的降雨反而稀釋了NH3-N的濃度。在汛期結(jié)束降雨量減少時(shí),水庫底泥中微生物的反硝化作用增強(qiáng),導(dǎo)致TN濃度降低,NH3-N濃度上升[15]。此外,在觀測期間未發(fā)現(xiàn)降雨量與TP有明顯的相關(guān)性。

2.3 相對濕度對水體中氮、磷的影響

圖4為觀測期間相對濕度與水體中TN、NH3-N和TP的濃度變化。結(jié)果顯示,觀測期間最大相對濕度出現(xiàn)在2019年6月(88%),最小相對濕度出現(xiàn)在 2019年11月、2020年10月和2021年1月(60%)。從季節(jié)分布上看,春夏兩季相對濕度較高,秋冬兩季相對濕度較低。

圖4 2019年3月至2021年2月東圳水庫相對濕度與水體中TN、NH3-N和TP的濃度變化

相對濕度是反映空氣中水汽含量的一個物理量,由圖4可以看出,水體中TN濃度變化趨勢與相對濕度有大致相同。相關(guān)研究表明,相對濕度主要通過影響大氣中干濕沉降來影響水體中氮的濃度,當(dāng)相對濕度在50%～90%時(shí),大氣中氮的干濕沉降負(fù)荷量與相對濕度成反比。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因可能是在相對濕度較大時(shí),大氣中含氮顆粒污染物會附著在水汽中,從而降低顆粒污染物的干濕沉降速率[16]。已有研究表明,當(dāng)相對濕度較高時(shí),空氣中水汽較多,會使顆粒污染物附著并懸浮在空氣中,從而減少大氣中氮的干濕沉降負(fù)荷量[17]。因此,空氣中氮的干濕沉降負(fù)荷量與相對濕度呈負(fù)相關(guān)。此外,在觀測期間未發(fā)現(xiàn)相對濕度與TP有明顯的相關(guān)性。

2.4 日照對水體中氮、磷的影響

圖5為觀測期間日照時(shí)長與水體中TN、NH3-N和TP的濃度變化。結(jié)果顯示,觀測期間日照時(shí)長最長為夏季,月平均日照時(shí)長178.6 h,而春季相對較短,月平均日照時(shí)長118.6 h。其中,日照時(shí)長最長的月份出現(xiàn)在2020年7月(228 h),日照時(shí)長最短的月份出現(xiàn)在2020年12月(82.2 h)。王煒等[18]研究發(fā)現(xiàn),千島湖的藍(lán)藻密度與水溫、pH、氮磷濃度顯著正相關(guān)。溫度、日照等氣象因子對東圳水庫浮游植物的生長、季節(jié)演替有重要影響,日照時(shí)長可以影響浮游植物的生命活動,也可通過熱量交換和輻射等方式改變水溫,從而影響水中浮游植物。當(dāng)?shù)谞I養(yǎng)鹽水平適宜,日照充足時(shí),有利于水中浮游植物的生長。由圖5可知,東圳水庫日照時(shí)長呈夏季較多、冬季較少的變化趨勢,因此,日照時(shí)長與東圳水庫水體中的TN濃度呈正相關(guān),與NH3-N濃度呈負(fù)相關(guān),未發(fā)現(xiàn)與TP濃度有明顯的相關(guān)性。但氮濃度受降雨量影響較為顯著,日照時(shí)長對其影響較小,這也與范志偉等[19]的研究結(jié)果相符。

圖5 2019年3月至2021年2月東圳水庫日照時(shí)長與水體中TN、NH3-N和TP的濃度變化

3 結(jié)論

①2019年3月至2021年2月期間,東圳水庫年平均降雨量為1210.8 mm,主要集中在春季和夏季,降雨量集中度較高;年平均相對濕度為72.2%,其中,春季和夏季相對濕度較高,說明當(dāng)降雨量較多時(shí),相對濕度也隨之升高;月平均日照時(shí)長為145 h,其中,夏季月平均日照時(shí)長最長,可達(dá)178.6 h。

②東圳水庫TN、NH3-N的濃度季節(jié)性變化較為明顯,其中,TN濃度變化表現(xiàn)為夏季(0.95 mg·L-1)>春季(0.86 mg·L-1)>秋季(0.83 mg·L-1)>冬季(0.76 mg·L-1),NH3-N濃度變化表現(xiàn)為秋季(0.14 mg·L-1)=冬季(0.14 mg·L-1)>夏季(0.12 mg·L-1)>春季(0.06 mg·L-1),TP濃度未發(fā)現(xiàn)明顯變化。強(qiáng)降雨會使水庫中TN的濃度升高,NH3-N的濃度降低。

③降雨量與TN濃度呈正相關(guān)(R2=0.16),降雨量越大,淋溶作用越明顯,形成的徑流將大量的氮帶入水庫,提高了水庫中的TN濃度;降雨量與NH3-N呈負(fù)相關(guān)(R2=0.11),流入水庫的大量徑流稀釋了NH3-N的濃度;未見降雨量與TP濃度有明顯關(guān)系。相對濕度主要通過影響大氣中干濕沉降來影響水體中NH3-N的濃度,當(dāng)相對濕度在50%～90%時(shí),空氣中NH3-N的干濕沉降負(fù)荷量與相對濕度呈負(fù)相關(guān)。降雨能為水庫帶來大量徑流,同時(shí)也能影響相對濕度。因此,降雨量是影響東圳水庫水體中TN、NH3-N濃度的主要?dú)庀笠蜃印?/p>