基于总磷通量的清水江流域内源污染研究

(1.贵州民族大学 生态环境工程学院，贵州 贵阳 550025 2. 中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550081)

清水江水体总磷超标问题长期以来一直是国家水体污染治理的重点。自2000年以来，清水江流域屡次发生污染事故，水葫芦频频爆发，导致清水江流域境内部分河流的自然生态系统功能已经基本丧失，耗氧污染物超标严重，溶解氧低，严重影响水体功能和出境断面的水质。其主要原因为清水江沿江两岸磷开采、磷加工、化肥工业排放的工业废水。随着清水江流域沿岸工业企业加大对污水净化设备的投入，以及社会各界对环境的重视，流域内磷排放已逐渐减少，但前期蓄积在底泥中的磷，作为内源，在一定水动力条件下会重新进入上覆水体，形成二次污染，如三板溪水库的富营养化。对磷污染源的认识和了解是磷污染控制的前提，所以对内源污染和污染物通量进行研究具有重要意义。

近年来学者们展开了大量污染物通量的研究[1-3]，部分学者侧重于污染物监测方面的研究，如孙展鸿[4]采用声学多普勒流速仪(ADCP)对河流的COD通量及NH3-N通量进行了测量。也有学者关注到污染物通量的时空演变的研究，如钟海涛[5]基于苏浙沪跨界断面2009～2014年监测数据，分析了污染物通量的时空演变。部分学者则侧重于污染物通量数值模型的构建，如高广银[6]通过三维水动力水质耦合模型计算了污染物入海通量。污染物外源输入的研究多集中在方法分析和数值模拟方面，如胡嘉镗[7-8]对珠江三角洲的污染物通量和外源输入进行了模拟分析；陈潮[9]对比了入江污染物计算方法的使用情况。

21世纪初，学者们对清水江流域磷污染调查研究不断深入，如黄娟[10]基于对数型幂函数普适指数公式和模糊综合评价法，对清水江富营养化风险进行了评价；刘以礼[11]等对清水江上下游水质、主要污染物进行了分析；宋丽婧[12]采用Daniel趋势检验法测试了2006～2010年TP、氟化物指标浓度变化；马谦[13]等对清水江流域的工业污染源福泉地区磷化工企业进行了调研分析，并提出污染防治对策。综上所述，清水江水体富营养化研究方面的研究多集中在污染治理、水质分析，以及风险评价方面，而清水江污染物通量、污染物入河量，以及清水江内源释放的文章并不多见。因此，本文通过污染物年通量计算、污染物外源输入计算等方法，计算了清水江总磷的内源释放及沉降量，为水环境保护管理和决策提供依据。

1 资料与方法

1.1 研究区概况

清水江流域地处贵州省的东南部，属亚热带季风湿润气候区，流域内降水量比较丰富，多年平均降雨量为1 050～1 500 mm，中上游雨量偏多，下游雨量较少。清水江径流主要由降雨形成，径流特性与降雨特性一致，4～8月份为汛期，其水量占全年水量的68.1%，其中5～7月份占49.2%，平枯水期(9月至次年3月)径流量仅占全年的31.9%。

清水江系长江水系洞庭湖四大支流沅水的主源，流域地势西南高而东北低，海拔高程在200.00～1 800.00 m之间，水能资源丰富，清水江贵州境内有3座水电站，自上游至下游分别是三板溪水电站、挂治水电站以及白市水电站。选取清水江流域具有代表性的5个干流监测断面和3个支流监测断面进行总磷年通量计算，干流流域监测断面为兴仁桥、旁海、革东、锦屏、白市；支流流域监测断面为重安江大桥、黎平、天柱白市，其中，兴仁桥监测断面位于清水江上游流域，靠近清水江发源地，都匀市的出境断面；重安江大桥监测断面位于重安江汇入清水江口上游约14 km处，其污染来源主要为福泉市工业园区；旁海监测断面位于旁海航电枢纽附近；革东监测断面位于巴拉河汇口下游约13 km 处；锦屏监测断面位于锦屏县六洞河与清水江干流的交汇处；黎平监测断面位于亮河上游；天柱白市断面位于鉴江河的上游；白市监测断面位于清水江出贵州省界附近。监测点分布情况如图1所示。

图1 监测点和水电站分布Fig.1 Monitoring stations and hydropower stations

1.2 清水江内源总磷通量影响因素

1.2.1工业因素

在旁海断面之前，清水江汇入了其左岸最大的支流重安江，重安江上游的福泉市有目前亚洲最大的磷矿肥基地，长期堆放的磷石膏渣场及众多的磷化工企业，导致了重安江和清水江的磷污染。

1.2.2水电工程

清水江流域已有三板溪水电站、挂治水电站和白市水电站3座水电站，重安江水电开发形成的梯级水库拦截了大量的磷，水库内源的释放可能是上下游通量不平衡的重要原因之一。水电工程的影响主要表现为改变区域水文特征和栖息地环境。

1.3 计算方法

1.3.1总磷年通量估算方法

时段通量的估算方法大致分为6种[14-18]，包括分时段通量、时段平均浓度与时段水量之积、通量频率分布之和、对流扩散模式、时段负荷估算方法，以及月累积法。表1所列为常用的3种时段通量估算方法。

表1 总磷时段通量计算公式Tab.1 Flux formula for slot total phosphorus period

注：式中，W表示年通量；n代表估算时间段内的样品数量(月份数)；K为估算时间段转换系数(以下讨论取时段长度),k为月份数。

上述方法中，方法C过于片面，无法体现清水江的径流特性，方法B强调点源污染占优的情况，由于清水江径流特性与降雨特性一致，汛期集中在4～8月，占全年水量的68.1%，不能忽视径流量的作用，而且企业污水直接排放问题也已得到解决，因此不属于点源占优的情况，故本文选用方法A。

1.3.2总磷外源入河量

基于杨迪虎[19]、邢宝秀[20]、程红光[21]、乔飞[22]、黄晓敏[23]、周少林[24-25]等关于入河系数的取值研究，由于清水江径流主要由于降水形成，因此降水对总磷入河量影响较大，故选用乔飞的考虑降水径流条件的入河核算系数法对总磷入河量进行估算，见表2。

1.3.3总磷内源沉降量

其他因子忽略不计的情况下，根据各监测断面的总磷年通量数据，以及相邻两个监测断面之间划分单元所属的行政区域总磷实际入河量，计算得出该单元的内源沉降(或释放)量。

表2 总磷入河量核算系数Tab.2 Calculation coefficient of total phosphorus into river

W总=W外源+W内源

(1)

式中，W总取各监测断面总磷年通量;W外源为清水江沿线乡镇排污造成的外源入河量(包括点源入河量和面源入河量)；W内源为内源释放(沉降)量。

2 结果与分析

根据清水江相邻两断面间的江段及江段两侧集水区域划分的单元(见图2)计算总磷外源入河量(见表3～4)，并基于监测断面的总磷年通量，得到清水江流域总磷内源释放及沉降量(见表5)。

2.1 清水江总磷浓度空间分布

图3为2013～2016年清水江流域8个监测断面

图2 单元区划Fig.2 Unit partition

单元名称控制断面所属行政区面积/km2U1清水江起点-兴仁桥都匀市974U2兴仁桥-旁海都匀市、凯里市、麻江县、丹寨县3096U3旁海-革东剑河县、台江县、凯里市1691U4革东-锦屏锦屏县、剑河县2451U5锦屏-黎平黎平县、锦屏县2414U6黎平-天柱白市天柱县、锦屏县1419U7天柱白市-白市天柱县1100

表4 清水江流域总磷外源入河量Tab.4 Amount of total phosphorus into river

注：表中所列出的总磷入河量为该市(县)的全部总磷入河量，并非全部流入清水江。

表5 总磷内源释放及沉降量Tab.5 Total phosphorus release and precipitation in water t/a

注：1.由于福泉市工业园区是清水江流域的主要污染源之一，重安江大桥监测断面位于重安江汇入清水江干流上游约14 km的重安江上，其污染来源主要为福泉市工业园区，故将重安江大桥监测断面的总磷年通量设为一个污染源排放点，因此U2单元的外源入河量=重安江大桥监测断面总磷年通量+1/10都匀市外源入河量+6/7凯里市的外源入河量+1/3丹寨县外源入河量，以及麻江县的全部外源入河量。2.总磷内源释放/沉降量为正表示为内源释放量，总磷内源释放/沉降量为负表示为外源排放量。

总磷浓度，可见，兴仁桥断面所代表的清水江上游总磷浓度较低，均能满足水功能区划对总磷的要求，年际间变化不大，但随着重安江支流高磷水体的汇入，旁海、革东断面总磷超标严重，至中游的锦屏断面总磷超标情况有所好转。

图3 总磷浓度Fig.3 Total phosphorus concentration

2.2 清水江总磷通量

图4为2013～2016年各监测断面的总磷通量。干流兴仁桥断面、支流亮江黎平断面、支流鉴江天柱白市断面总磷通量年际差别较小，而支流重安江大桥断面、干流旁海断面、革东断面、锦屏断面年际差别较大，且总体上呈下降趋势，白市断面有上升趋势。

图4 总磷年通量Fig.4 Annual total phosphorus flux

2.3 清水江总磷内源释放与外源入河分析

图5～8为2013～2016年外源入河量和内源释放量占比。可见，2013～2015年，革东、锦屏、天柱白市、白市断面所代表水域以内源释放为主，而兴仁桥、旁海、黎平断面所代表水域以外源排放为主， 2016年革东、白市断面所代表水域以内源释放为主，而旁海、锦屏、黎平、天柱白市断面所代表水域以外源排放为主。

图5 2013年外源入河量与内源释放量占比Fig.5 Ratio of exogenous pollution and endogeous pollution in 2013

图6 2014年外源入河量与内源释放量占比Fig.6 Ratio of exogenous pollution and endogeous pollution in 2014

图7 2015年外源入河量与内源释放量占比Fig.7 Ratio of exogenous pollution and endogeous pollution in 2015

2.3.1清水江总磷外源入河量时空特征

图9为各断面总磷外源入河量，可见，旁海断面所代表水域总磷外源入河量最大，且沿下游方向呈减少趋势，2013～2016年，革东断面以下水域总磷外源入河量呈递增趋势，原因可能是清水江流域各地区总磷排放逐年上升，或者是污染普查覆盖面逐年扩大所导致的。

图8 2016年外源入河量与内源释放量占比Fig.8 Ratio of exogenous pollution and endogeous pollution in 2016

图9 总磷外源入河量Fig.9 Amount of total phosphorus into the river

2.3.2清水江总磷内源释放时空特征

图10为各断面总磷内源释放(沉降)量。可见，清水江流域内源释放主要集中革东至锦屏断面所代表的中游江段，以及下游的天柱白市断面与白市断面所代表的水域。

图10 总磷内源释放(沉降)量Fig.10 Total phosphorus release (deposition) in water

3 结 论

(1) 清水江上游兴仁桥附近水域总磷浓度较低而且稳定；中游旁海至锦屏江段总磷偏高，是由于支流重安江高磷水体的汇入。重安江磷污染主要原因由于福泉市境内磷化工企业所致。

(2) 清水江流域总磷内源释放量较为突出的水域为中游的革东至锦屏江段，其次为白市江段；外源入河量最大的区域为支流重安江。从中游的革东断面沿下游方向总磷外源入河量呈递减趋势，但2013～2016年期间，该区间外源入河量有所增加。