福建晋江流域锰负荷分布及源区识别

朱玉晨,李剑锋,郝奇琛,李亚松,李政红,刘春雷

(1.中国地质科学院水文地质环境地质研究所,河北 石家庄 050061;2.自然资源部地下水科学与工程重点实验室,河北 石家庄 050061)

锰是人体必需的微量元素之一,可构成对生物体细胞具有重要生理功能的酶,但过多摄入锰将导致肺栓塞、支气管炎和神经损伤,甚至导致帕金森综合症[1-2]。世界卫生组织将0.4 mg/L作为饮用水中锰的健康标准含量[3],我国将0.1 mg/L作为环境质量标准及饮用水卫生健康标准[4-6]。锰作为重金属元素之一,其分布成因、迁移机制、致病机理一直是国内外学者研究的重要方向[7-10]。一些外国学者[11-12]分析了北卡罗来纳州地下水中锰的分布特征,发现其与当地婴儿死亡率和癌症发病率有关;LI P Y等[13]发现宁夏黄河冲洪积扇存在锰污染,并通过沉积物样品测试与结果对比,查明了沉积物中锰的分布、程度和来源;陈能汪等[14]通过调查实验及历史资料,探明了九龙江锰含量的时空分布与迁移转化规律,揭示了九龙江锰的污染来源、超标成因与调控机制;邓立凡等[15]针对汛期后水库锰超标问题进行了持续监测,发现连续降水过程对土壤的冲刷和侵蚀作用导致大量颗粒态污染物随径流汇入水库,进而导致锰超标。目前,流域污染关键源区识别方面的研究主要围绕非点源污染控制[16-18],多数情况下,流域污染超标是点源和非点源共同作用的结果,仅从非点源污染出发难以认识流域污染全貌[19-20]。

晋江流域水体中锰元素超标情况长期存在,被当地疾控部门作为主要污染物之一长期进行监测[21-22]。作为泉州市主要的饮用水来源[23],晋江及支流水质情况一直被广泛关注[24]。马岚等[25-26]针对晋江流域水体污染源进行解析并确定敏感水质指标,明确了流域主要超标污染物为氨氮、总磷、铁和锰,而化工、居民生活、煤矿、铁锰矿和农业生产为其主要污染源。也有学者[27]以主要污染物CODMn、NH3-N、TP为研究对象进行了污染负荷空间分布及其关键源识别研究。然而,近年来针对晋江流域锰负荷分布研究尚未开展。本文分析了锰在晋江流域不同支流的浓度分布情况,计算了各子流域的锰负荷及其贡献率,提出了锰负荷源区识别方法,为晋江流域水环境综合治理提供参考。

1 研究区概况

晋江位于福建省泉州市,是泉州市第一大江,也是福建省内仅次于闽江、九龙江的第三大江,全长404.8 km,总体自西北向东南流,流经永春县、安溪县、南安市、鲤城区、晋江市。晋江流域总面积5 629 km2(图1),流域内年平均气温17～21℃,季风气候显著,降水丰沛,多年均降水量1 010～1 756 mm,但时空分布不均,一般集中在6—9月[28]。2020年,泉州全年降水量1 040.7 mm,比常年平均降水量少529.0 mm。晋江水系分为东溪、西溪两大支流,流域面积分别为1 917 km2和3 101 km2,其中东溪中游有山美水库,是目前流域内唯一的大型水利枢纽工程[29]。流域水资源量由上游山区向下游沿海地区递减,与人口、经济分布相反[30]。目前,晋江流域缺乏大型骨干工程,调蓄能力不足,水资源已成为下游地区社会经济发展的瓶颈[31]。另外,晋江流域还承担了向金门县供水的任务。

图1 晋江流域水系分布图

2 样品采集与负荷计算方法

2.1 样品采集

2020年,项目组分别在晋江流域主要支流交汇处设置取样断面,取样时间分别为6月5日—6月20日和10月19日—11月5日。根据晋江流域及附近5个国家气象观测站数据,得到2020年逐月降雨量柱状图(图2),这两段时间可以分别代表丰水期和枯水期。样品采集时,尽量选择河流中心位置的河水进行采样,最大程度减少河流中漂浮悬浮污染物干扰。样品在自然资源部地下水矿泉水及环境监测中心完成测试,测试方法严格按照《GB 11911—89水质 铁、锰的测定火焰原子吸收分光光度法》[32]进行检测。为了满足小流域治理需求,总共设置了60个取样断面(图3),两期共采集120组样品,基本实现了主要支流集水区域的全覆盖。

图2 晋江流域2020年逐月降水量柱状图

2.2 负荷计算方法

(1)断面径流量计算方法。由于流量监测站与取样位置不重合,因此,在气象条件和下垫面因素基本相似的前提下,采用水文比拟法,用已知相似集水区的流量资料,按照平均降雨量与面积乘积之比来估算每个监测点的流量[27]。由于晋江流域集水区域面积较小,相邻集水区气象条件和下垫面因素基本相似,因此该方法适用。本文基于ArcGIS水文分析,对12.5 m空间分辨率的DEM进行小流域提取,从而获得流域内每个取样断面及水文监测站的集水区(图3),计算集水区域面积,根据集水区面积与该范围内特定时间段的平均降雨强度进行乘积运算。通过监测站的已知监测流量,根据上述乘积值按比例推算出各个取样位置的流量。按照本文取样时间跨度,丰水期流量推算采用5月与6月降雨量平均值,枯水期采用10月降雨量推断径流量。

图3 晋江流域取样断面分布图

(2)锰通量计算方法。借鉴污染物通量计算方法[33]。根据实测浓度Ci以及实测和估算的径流量Qi,计算锰元素通量,公式为

Wi=Qi×Ci，

(1)

式中:Wi为断面的元素通量，g/s；Qi为断面通量，m3/s；Ci为断面污染物浓度，mg/L。

(3)锰负荷计算方法。根据取样断面地理位置,可以分为两种情况(图4)。一是取样断面上游为单一或并列多个独立集水区域情况,如取样断面1和3,其锰负荷即为该断面上游集水区的通量;二是取样断面位于两断面之间,其锰负荷应为下游断面减去所有上游断面(含支流)通量,如断面2通量为W2-W1,断面4通量为W4-W3-W2。

图4 负荷计算类型示意图

3 锰浓度时空变异

3.1 锰浓度空间分布特征

按照《GB 3838—2002地表水环境质量标准》[5]设定的0.1 mg/L为界,不超标范围以0.05 mg/L为界分2类,超标部分分别以0.3 mg/L、0.5 mg/L、1.0 mg/L为界分4类(图5,图6)。

图5 丰水期锰浓度空间分布图

图6 枯水期锰浓度空间分布图

丰水期整个流域锰浓度为0.010～1.110 mg/L,平均值为0.181 mg/L(表1),超标断面41个。除个别断面外,从上游支流到下游干流总体表现为锰浓度增加趋势。西溪流域锰浓度普遍高于东溪流域,各支流上游锰浓度普遍低于下游锰浓度(图7)。其中以永春县剑斗乡后井村南500 m双溪桥断面(断面43)最严重,锰浓度高达1.110 mg/L。根据《泉州市矿产资源总体规划(2016—2020年)》[34],后井村附近有煤矿、石灰石矿等多种矿山,而双溪上游分布铅锌矿、萤石矿及规模较大的潘田铁矿[35]。在短时间强降雨中,矿区土壤中的锰被溶解并沿汇水流入河中,导致河流中锰浓度超标。

图7 丰水期锰浓度分布图

枯水期全流域锰浓度为0.008～1.025 mg/L,平均值为0.163 mg/L(表1),超标断面25个,远低于丰水期的超标率。整体看,西溪锰浓度仍普遍比东溪高。其中以永春县剑斗镇双溪下游与干流交汇断面(断面43)及西溪干流相邻下游断面(断面44)最高,锰浓度分别为1.025 mg/L和0.880 mg/L。此外,从东西溪交汇到晋江入海口的下游干流锰浓度(图8绿柱)呈明显上升趋势,说明在流域降水较少的情况下,下游城市地区锰浓度会随径流产生明显的积累现象。

表1 锰浓度描述性统计结果

图8 枯水期锰浓度分布图

3.2 锰浓度年内变化特征

通过对比丰水期与枯水期各断面锰浓度描述性统计结果(表1),丰水期除东溪最大值外,西溪、干流最大值、最小值、中位数和平均值均大于枯水期,说明枯水期锰浓度比丰水期总体下降,下降断面48个,占总断面数量的80%。由图9可知,东溪流域除个别断面外丰枯两期锰浓度差别不大,而西溪流域丰枯两期变化比东溪流域较大,西溪干流绝大多数断面丰水期锰浓度高于枯水期,且有越向下游差别越大的趋势。东西溪交汇处下游断面,丰水期和枯水期平均值相对平稳,但枯水期变异性高于丰水期。

图9 2020年锰浓度对比图

锰浓度可直接反映流域内各断面水质中锰的变化情况,但尚不足以说明不同断面间的水质联系。因此,需要进一步结合流量资料分析锰负荷的空间分布及其相互关系,从而为识别关键源区提供重要依据。

4 锰负荷计算结果与源区识别

4.1 锰负荷计算结果

在锰浓度分布特征的基础上,采用上述步骤计算锰在丰水期、枯水期各个集水断面的负荷。丰水期,晋江流域锰元素总负荷为130.68 g/s,其中下游入海口子流域(断面60)锰负荷为48.56 g/s,贡献率为37.16%,为丰水期60个子流域贡献率最高。其次为安溪县城所在子流域(断面56),锰负荷为12.75 g/s,锰负荷贡献率为13.71%。丰水期各子流域锰负荷为0.03～48.56 g/s。由图10可知,丰水期整个流域锰负荷贡献率较高的子流域集中在西溪流域及下游晋江干流,而东溪锰负荷总体较小,对整个流域的贡献率较低。局部空白锰负荷出现负值,可能由于局部流域对水中的锰具有净化作用。

图10 丰水期锰负荷贡献率分布图

由图11可知,枯水期晋江流域各子流域锰负荷为0.000 2～1.33 g/s,远小于丰水期各子流域锰负荷,且锰负荷贡献率空间变异性较大。晋江流域锰负荷为6.17 g/s。位于双溪、大畬溪坑仔口溪与西溪交汇处的子流域(断面44)锰负荷为1.33 g/s,贡献率为21.64%,为枯水期60个子流域贡献率最高。晋江流域下游入海口附近的2个子流域(分别为断面38和60)贡献率分别为18.96%和18.31%。丰水期和枯水期,流域锰负荷阈值差别较大,入海口锰通量由丰水期的91.65 m3/s降至枯水期的2.15 m3/s,说明降水是晋江流域河流中锰负荷的主要控制要素。此外,山美水库的调蓄沉淀作用能够一定程度降低污染负荷[36],同样也能够降低流域锰负荷。

图11 枯水期锰负荷贡献率分布图

4.2 源区识别

综合锰负荷及其贡献率对锰源区进行识别,同时满足以下条件即被划定为锰源区。

(1)断面监测锰浓度>0.1 g/L。

(2)断面所在子流域锰负荷占流域总负荷的比值(即贡献率)>5%,公式为

(2)

式中:i和j为目标子流域编号,n为子流域的总数(n=60),W为子流域负荷。

锰源区识别分区如图12所示,显示了丰水期和枯水期锰负荷贡献率>5%的子流域。晋江流域锰源区呈多片离散分布,丰水期和枯水期锰源区位置略有不同。丰水期,锰源区位于安溪县湖头镇子流域(断面48)、安溪县城子流域(断面56)及下游干流子流域(断面39和60),以上占丰水期全流域锰负荷的67.20%。枯水期,锰源区位于双溪、坑仔口溪与大畬溪交汇子流域(断面44)、安溪县湖头镇子流域(断面48)、安溪县城子流域(断面56)、南安市区子流域(断面36)、泉州市丰泽区北部子流域(断面38)以及下游干流子流域(断面60),以上占枯水期全流域锰负荷的85.57%。由丰水期和枯水期锰源区分布特征可知,全部源区均分布在西溪流域及下游干流,与枯水期源区相比,丰水期源区有向下游“移动”的趋势。其中,安溪县湖头镇(断面48)、安溪县城(断面56)、泉州市区的官桥镇、紫帽镇(断面60),在丰水期和枯水期均被识别为源区。

图12 锰源区识别分区图

综上可知,锰超标在晋江流域范围较大,且锰负荷随降雨汇流呈聚集趋势。锰源区识别结果为小流域精准治理提供了数据保障。

5 结论

(1)从锰浓度上看,西溪流域普遍高于东溪流域,西溪流域丰水期和枯水期锰浓度分别是东溪的2.1倍和1.7倍,最大值位于西溪流域的双溪、大畬溪交汇处(永春县剑斗乡后井村附近),主要受周边煤矿、石灰石矿等矿山开采的影响。

(2)空间上,西溪流域锰负荷高于东溪流域。一方面是由于西溪流域的锰浓度高;另一方面,西溪流域的降雨量也略高于东溪流域。从季节性看,不管是东溪流域还是西溪流域,丰水期的锰负荷均明显高于枯水期的锰负荷,受降水影响,锰负荷的季节差异非常明显。

(3)根据各小流域的锰浓度和锰负荷的贡献率,综合确定了晋江流域锰源区,主要位于西溪和晋江下游干流子流域。为小流域精准治理指明方向,该方法可为其他类似地区提供参考和借鉴。