磁湖非点源氮输入负荷估算*

李于晓 肖文胜 王红琴 姚瑞珍

(黄石理工学院环境科学与工程学院,湖北黄石 435003)

随着工业企业等点源污染的有效控制,非点源己成为水环境的一大污染源或首要污染源。在美国,60%的水环境污染起源于非点源。在奥地利北部地区,据计算进入水环境的非点源氮量远比点源大。丹麦 270条河流94%的氮负荷、52%的磷负荷是由非点源污染引起的[1]。在我国,非点源污染问题也日益严重,在太湖和滇池等重要湖泊,非点源污染已经成为水质恶化的主要原因之一[2]。

磁湖是黄石市区内最大的浅水湖泊,位于东经 115°01′～115°05′,北纬 30°11′～30°14′,面积8.12 km2,平均水深1.5～2.0m,平水期湖泊容积为1.748×107m3。

磁湖水环境中化学需养量(COD)、总氮(TN)、总磷(TP)均超标,其中TN超标率为100%,TP为 90%,水质大多在 IV～V类水平,部分水域属劣 V类,水质污染严重,富营养化特征十分显著[1]。湖北省及黄石市在“十一五”期间对磁湖进行了重点治理。目前环磁湖已基本完成截污,点源污染总体得到控制后,非点源污染问题还未根本解决,磁湖水质仍然达不到地表水三类标准。

目前有关磁湖的富营养化状态、磁湖非点源污染的研究完全是空白,而关于磁湖氮输入负荷的研究也尚未见报道。本文以磁湖流域3次典型降雨产生的地表径流为研究对象,通过室外连续采样,分别就进入磁湖的城市地表径流、农田地表径流、林区地表径流的总氮进行分析,结合磁湖流域年降雨量初步估算进入磁湖的非点源污染氮负荷,为磁湖富营养化的控制提供依据。

1 材料与方法

1.1 样品的采集与处理

采样点的选取:城市地表径流监测点为市区八卦嘴路口,农田地表径流监测点为青湖蔬菜地,林地地表径流监测点为青龙山黄石理工学院校内。磁湖流域土地利用状况如表 1所示。

2009年 3月 -5月,连续采集 3次降雨产生的地表径流。在降雨后开始产流时即开始采样,每次采集500 mL,连续取样2 h,依实际情况监测至水量稳定。采样间隔为5 min, 5min,5min,15min,15min,15 min,30 min, 30min。样品采集后迅速转入实验室进行分析,当天来不及分析的样品在 0～4℃的条件下保存,48 h内分析完毕。

表1 磁湖流域土地利用状况

1.2 实验与数据处理方法

通过对试验区降雨地表径流水质的监测并利用SCS模型通过降雨量得出径流量,估算出降雨径流总氮的平均浓度。根据 1年降雨量可以估算出总氮的年入湖量。

1.2.1 地表径流量计算方法

采用SCS径流曲线法根据降水量数据模拟估算径流量,其计算降雨径流公式为:

式中:Q——地表径流量(mm);

P——降雨量(mm);

S——流域最大雨水滞留量(mm);

CN——反应降雨前期流域蓄水特征的无量纲综合参数,与土地利用类型、土壤、植被、农业管理措施以及前期土壤湿润程度有关,反应了降雨期间地表水文状况。

1.2.2 SCS-CN系数的确定

SCS-CN法是当前被广泛应用于降雨径流关系研究的一种方法[3],SCS-CN值即径流曲线数值综合反映了土壤、土地利用、农业耕作方式、水利条件等因素。但是由于地理环境的差异,直接将手册中提供的 CN值应用在试验区时可能带来一定的误差,对此采用几种方法来综合确定试验区的 CN值。CN的确定分为2个步骤,即:

1)按照土壤水分的渗透率将土壤分为 4类。

①A型土壤(透水):地表径流产生能力小,在完全湿润时应有很高的下渗率,这类土壤主要是由深厚的、易大量排水的沙土和砾石组成,渗透系数为7.6～11.4 cm/h。

②B型土壤:渗透系数为3.8～7.6 cm/h,土壤质地由中等细到中等粗,土壤中的砂砾含量少于 A型,这类土壤的产流能力属于中等。

③C型土壤:渗透系数为1.3～3.8 cm/h,土壤产流能力较强,土层较浅,存在阻碍水向下运动的土层,土壤质地常常由中到细。

④D型土壤:产流能力最强,渗透系数 0～ 1.3 cm/h,主要为含有高膨胀性的黏性土壤,以及含有几乎不透水物质的浅层土壤。

2)CN值的确定。在试验区根据不同土地利用,参考国内一些研究结果[4-5],最后根据土地利用方式、水土保持措施、水文土壤组以及CREAMS模型手册提供的SCS-CN表得到研究区的 CN值,如表2所示。

表2 径流曲线CN值

SCS-CN取值有3种状态,取决于雨前土壤的湿度状况。雨前土壤的 3种状况为:

Ⅰ:干旱,土壤湿度基本处于凋萎系数,即最低产流条件。

Ⅱ:平均条件,介于Ⅰ和Ⅲ之间的状态。Ⅲ:土壤水分为田间持水量,即最高产流条件。

1.2.3 地表径流体积的计算

地表径流体积的计算结果如表 3所示。

表3 地表径流体积的计算结果

1.3 分析测试方法

总氮的测定采用微波消解过硫酸钾氧化——紫外分光光度法;悬浮物的分析采用重量法。

1.4 仪器设备

1)MS-3型微波消解装置,聚四氟乙烯密封消解罐(容量60mL)。

2)UV-1100型紫外可见光分光光度计(上海美普达仪器有限公司),10mm光程石英比色皿,50 mL比色管。

2 实验结果与讨论

2.1 城市地表径流

2009年 3月 23日、4月 2日、4月 23日城市径流氮浓度变化趋势分别如图 1、图 2、图 3所示。

图1 3月 23日城市地表径流氮浓度变化趋势图

图2 4月 2日城市地表径流氮浓度变化趋势图

图3 4月 23日城市地表径流氮浓度变化趋势图

表4 城市地表径流水质

从表 4中可以看出,降雨初期随径流流失的颗粒态氮所占比例较大,随着降雨延续,颗粒态氮所占比例越来越小。城市地表径流总氮的平均浓度为:

2.2 农田地表径流

2009年3月 23日、4月 12日、4月 23日农田地表径流氮浓度变化趋势如图 4、图 5、图 6所示。

图4 3月 23日农田地表径流氮浓度变化趋势图

图5 4月 12日农田地表径流氮浓度变化趋势图

图6 4月 23日农田地表径流氮浓度变化趋势图

表5 农田地表径流水质

从表 5中可以看出,随径流流失的溶解性氮占总氮的比例为 41%～96%,多数高于50%,农田土壤中的氮主要以溶解性形式流失。农田地表径流总氮的平均浓度为:

2.3 林地地表径流

2009年4月 5日、4月 19日、4月 25日林地地表径流氮浓度变化趋势图如图 7、图 8、图 9所示。

图7 4月 5日林地地表径流氮浓度变化趋势图

图8 4月 19日林地地表径流氮浓度变化趋势图

图9 4月 25日林地地表径流氮浓度变化趋势图

表6 林地地表径流水质

从表 6中可以看出,径流中氮含量较低且土壤中吸附的氮很少。林地地表径流总氮的平均浓度为:

3 氮流失特征分析

1)在整个降雨径流过程中,污染物浓度在降雨初期较高,随着降雨时间的延长而呈现下降趋势,降雨初期是非点源污染物流失的高峰期。从径流量变化与污染物流失特征看,污染物浓度与流量变化趋势总体上基本相似,即随着流量的减少,污染物输出浓度也随之呈下降趋势,这与前人的研究结果类似[6-7]。

2)暴雨径流经过不同地表景观,污染物浓度会发生相应变化。

①城市地表径流:从图 1、2、3中可以看出,初期降雨总氮浓度较大,颗粒态氮含量较高。随着降雨时间的推迟,总氮浓度下降的幅度比较大,颗粒态氮含量迅速下降。

②农田地表径流:在降雨强度不大时,总氮浓度和溶解性氮的浓度,随径流量的变化不大。对溶解性氮而言,其浓度变化幅度小。

③林地地表径流:总氮浓度和溶解性氮的浓度变化幅度都小。降雨对林地的影响最小,林地对污染物有一定的截流作用。

4 结论

2009年外源氮入湖量估算结果如表 7所示。由 2009年地表径流氮负荷估算的结果得知:磁湖流域城市面积最大且径流总氮浓度最高,因此,城市地表径流成为磁湖流域最大的外源污染源,对外源氮输入磁湖负荷的贡献最大。农田和林地对外源氮输入磁湖负荷的贡献虽小,但也不可忽视。

表7 2009年外源氮入湖量估算

[1] RodeM,LindenschmidtK E.Distrbuted Sediment and Phosphours Transport Modeling on a Medium Sized Catchment in Central Germany[J].Physical and Chemical Earth,2001,26(7-8):635-640

[2] 郭红岩,王晓蓉,朱建国,等.太湖流域非点源氮污染对水质影响的定量化研究[J].农业环境科学学报,2003,22(2):150-153

[3] 袁艺,史培军.土地利用对流域降雨 -径流关系的影响——SCS模型在深圳的应用[J].北京师范大学学报:自然科学版,2001,37(1):198-203

[4] 徐秋宁,马孝义,安梦雄,等.SCS模型在小集水区降雨径流计算中的应用[J].西南农业大学学报,2002(2):97-107

[5] 黄满湘,章申,唐以剑,等.模拟降雨条件下农田径流中氮的流失过程[J].土壤与环境,2001, 10(1):6-10

[6] 张荣保,姚琪,计勇.太湖典型小流域非点源污染物流失规律研究[J].人民长江,2004,38 (10):38-40

[7] 赵磊.非点源污染负荷核算方法研究[J].环境科学导刊,2008,27(4):9-13