城市湖泊总磷对干湿沉降和地表径流污染的响应研究*

尹 珩 周超群 郭文思 湛 德 代晓颖 陈 璇

(1.武汉市生态环境局生态环境科技中心,湖北 武汉 430015;2.生态环境部长江流域生态环境监督管理局生态环境监测与科学研究中心,湖北 武汉 430010;3.中建三局绿色产业投资有限公司科学技术研究院,湖北 武汉 430056;4.武汉市城市防洪勘测设计院有限公司,湖北 武汉 430014)

水是支撑人类经济及社会发展的重要资源,但因经济快速发展和人口过度增长等因素造成的水环境污染逐渐成为当今世界各国亟需解决的重大环境难题。点源污染和面源污染是地表水体污染的两大重要来源,随着我国对点、面源污染认识程度的加深及相应治理措施的深入开展,点、面源对地表水体污染的贡献率已经发生明显变化。目前,很多水体点源污染逐渐得到有效控制,面源污染(如地表径流和大气沉降等)已渐成为水环境污染的重要来源[1]。

雨水在冲刷城市下垫面后形成的地表径流,会携带大量的固态碎屑、空气沉降物和车辆排放物等,对受纳的水体造成污染[2]。赵登良等[3]研究发现,降雨时期济南城区各下垫面径流中总氮(TN)超标最为严重,是影响城区径流综合水质的重要因素。秦柳等[4]发现城市径流污染对武汉南湖水体化学需氧量(COD)、氨氮、总磷(TP)的贡献量仅次于排口污染。大气中携带的氮磷等污染物在干湿沉降作用下汇入湖泊,成为部分湖泊营养盐的主要输入源[5]。VICARS等[6]对美国加州Sierra Nevada湖的研究表明,大气沉降是湖体磷的主要来源,是造成该湖泊富营养的重要因素。GROSS等[7]研究了大气磷沉降对以色列Kinneret湖的影响,发现磷沉降对该湖泊夏季TP浓度的贡献率为5%～35%。任加国等[8]发现滇池大气沉降中TN和TP的沉降量分别为河流入湖负荷的6.14%和12.76%。牛勇等[9]对2009—2018年太湖大气湿沉降氮磷特征进行对比研究,发现大气湿沉降中的营养盐对太湖富营养化的贡献不可忽视。彭秋桐等[10]2640发现大气中可吸入颗粒物(PM10)和细颗粒物(PM2.5)随着降雨的洗刷作用汇入湖泊,大气污染状况直接影响干湿沉降中污染物浓度。

尽管大量研究表明大气干湿沉降及地表径流等已成为城市水体最主要污染源之一,且其对污染的贡献随着点源污染的深入治理而逐步上升[11-12],但少有研究分析上述污染源对湖泊水质的影响,以及湖泊水质对上述污染源的响应。鉴于武汉市城区湖泊排口整治工作已基本完成,大气沉降及地表径流等面源污染对城区湖泊的影响日益凸显,本研究以武汉市典型城市湖泊——东湖为例,通过分析大气沉降、地表径流和气象条件等与湖泊水质变化的关系,研究城市湖泊水质对上述污染过程的响应,旨在为武汉市更全面的水污染控制管理和城市湖泊水质保护决策提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

东湖流域位于武汉市东南部,流域面积约128 km2,地处中亚热带北缘,四季分明,多年平均降雨量约1 200 mm,6—8月降雨量约占全年径流总量的70%[13]。近年来,武汉市出台了包括截污控污、底泥清淤、水生态修复、水位调蓄等一系列管理保障措施[14],2014年起东湖水质好转,主湖水质可达到《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)中的Ⅲ类标准。

1.2 东湖流域土地利用遥感解译

选用2019年的Landsat-8 OLI影像数据(http//www.usgs.gov),同时获取地面地形的数字高程(DEM)数据。在ArcGIS 10.1中对东湖的DEM数据进行裁剪和水文分析、提取掩膜和转换等流程,获取湖泊的流域矢量图。在ENVI 5.3软件中对2019年的影像进行图像预处理后,依据《土地利用现状分类》(GB/T 21010-2017)对土地利用类型进行分类解译,同时利用影像数据进行人工目视校正。

1.3 样点布设与样品采集分析

1.3.1 样点布设

结合东湖流域土地现状,在汇水子单元为城市用地区域,选择一处雨水排口(114°21′40.00″E,30°32′51.35″N),并在距离雨水排口约30 m处设置一处湖泊水质监测样点。大气干湿沉降观测点位于武汉东湖生态旅游风景区(114°22′28.18″E,30°33′0.22″N),观测期选择武汉市降水最为集中时段,为2020年7月1日至10月31日。

1.3.2 干湿沉降样品采集

采用GH-200型降水降尘自动采样器对干湿沉降样品进行连续不间断采样,仪器外围30 m×30 m范围无遮挡,无污染源。若一天中有几次降雨过程,则合并为一个样品测定;若遇连续几天降雨,则将采样当日9：30至次日9：30的降雨视为一个样品。单次样品收集量不足50 mL,则视为无效样本。

1.3.3 地表径流和湖水样品采集

地表径流和湖水样品的采集与保存参考《水和废水监测分析方法(第四版)》。地表径流形成后,立即用预先洗净、做好标记的样品瓶采集地表径流。每次降雨形成径流后30 min内,根据径流收集量每5～10 min采样1次,之后根据情况减少采样频次,直至径流结束。用采水器采集湖水,加入固定剂H2SO4调至pH≤1后尽快送检,分析测试前用NaOH调至pH=7。降雨发生前60 min内和降雨结束后60 min内分别采集湖水样品。

1.3.4 样品保存分析

将每次采集的样品在1～4 ℃下避光保存,24 h内完成样品分析。参考《水和废水监测分析方法(第四版)》,水样TN的测定采用过硫酸钾氧化—紫外分光光度计法,氨氮的测定采用纳氏试剂光度法,TP的测定采用钼酸铵分光光度法。

2 结果与讨论

2.1 干湿沉降中磷的浓度特征及影响因素

2020年7—10月共收集干沉降样品20次,共计约5 646 mg,收集湿沉降样品19次,共计约820 mm。通过对干湿沉降样品中TP的浓度进行分析,根据收集桶截面积计算单位面积TP的沉降通量。结果表明,观测期间干沉降样品的TP通量为67.8～671.6 mg/m2,干沉降TP累积通量约6 960.3 mg/m2;湿沉降样品TP通量为24.0～1 925.1 mg/m2,湿沉降TP累积通量约7 433.4 mg/m2;观测期间有55 d发生降水,其中降雨量大于5 mm的有24 d,68 d未发生降水,而湿沉降TP累积通量远大于干沉降TP累积通量,降水的洗尘作用可能是导致湿沉降TP通量大于干沉降的主要原因。

利用绘图软件OriginPro 8.5中的幂回归函数,将干沉降TP通量与收集时长、湿沉降TP通量与收集间隔时长的相关性进行分析,结果见图1。干沉降TP通量与收集时长紧密相关，湿沉降TP通量与收集间隔时长也紧密相关,降雨间隔时间越长,湿沉降TP通量就越大。对干湿沉降TP通量与5种空气质量指标(PM2.5、PM10、SO2、NO2和CO)的浓度进行相关性分析,发现干湿沉降TP通量与5个指标均有明显的正相关关系,空气质量指标浓度越高,TP通量就越大。朱梦圆等[15]对千岛湖的研究表明,水体全年85%的TN沉降和71%的TP沉降集中在降雨期,同样说明了降水的洗尘作用是TP沉降的主要形式。对太湖干湿沉降氮磷污染的特征分析表明,大气干湿沉降携带的氮磷污染入湖量较大,是太湖氮磷污染的重要污染源,且小雨时TP通量要高于中雨和大雨[16-17]。DELUMYEA等[18]对北美Huron湖南部干湿沉降中磷的沉降特征进行了分析,发现沉降速率差异与道路交通、农业活动和植物花粉等有紧密联系;彭秋桐等[10]2635对武汉市东湖的研究表明湿沉降中磷的沉降特征与大气颗粒物污染关系紧密。从上述研究可以看出,大气沉降形成的磷输入是当前湖泊磷污染的重要来源,大气沉降磷输入特征与大气污染等因素关系紧密。本研究结果表明,对武汉市东湖而言,湿沉降的洗尘作用对TP沉降贡献高于干沉降,人类利用化石燃料等活动产生的污染物(SO2、NO2等)强度与大气沉降对湖泊的TP输入量紧密相关。

图1 干湿沉降中TP通量变化Fig.1 The variation of TP fluxes in dry-wet deposition

2.2 城市地表径流TP污染特征

研究中通过土地利用解译,将样点区域设为建成区,默认汇水子流域均为硬化地表,对2020年7月2日和8月20日两场典型降雨进行采样分析,两次日降雨量分别为50、5 mm,分别认定为高强度降雨(大雨)和低强度降雨(小雨),产生地表径流时长分别为380、75 min,降雨过程中地表径流流量及径流中TP质量浓度测定结果见图2。低强度降雨的总径流量约为132 m3,最大瞬时径流流量达到116 mL/s,径流TP质量浓度为0.74～1.59 mg/L;高强度降雨时总径流流量达到约9 312 m3,最大瞬时径流流量达到近1 400 mL/s,地表径流TP质量浓度为0.95～5.82 mg/L。两场次降雨产生的地表径流中,初始地表径流的TP浓度高于后期,可能是在地表径流形成初期携带大量路面地表尘土等所致,随着地表径流量增大,大量污染被冲刷后TP浓度逐步降低。地表径流流量与雨情和下垫面类型等多种因素关系紧密,而地表径流中TP浓度与径流的形成过程紧密相联,这表明地表径流中TP浓度的复杂性。万帆等[19]研究了墨水湖和南湖地表径流的污染特征,发现不同等级降雨时TP最高浓度均在20 min左右出现,这与下垫面坡度条件、汇水区范围等多种因素有直接关系。此外,其结果中也呈现出高强度降雨时地表径流TP峰值浓度要显著高于低强度降雨,与本研究结论一致。

图2 不同强度降雨的地表径流及TP污染特征Fig.2 The characteristics of surface runoff and TP pollution in rainfall with different intensity

2.3 湖泊TP对降雨的响应及影响因素

降雨发生前后湖泊中TP浓度变化受到多种因素影响。其中,降雨前及降雨过程中的风浪对底质的搅动、湿沉降TP负荷和地表径流TP负荷均导致TP入湖量增加。已有研究表明,风浪对浅水湖泊水质变化有重要影响[20],风浪对湖泊底质的搅动程度与风力关系紧密,大风速扰动能够引起底泥悬浮而导致内源磷的暴发性释放[21]。本研究以20次不同强度的降雨事件为例,分析了降雨过程中风速、湿沉降TP通量及降雨量对降雨后湖水TP质量浓度的影响,结果见图3。可以看出,降雨后湖水TP质量浓度变化值为-0.080～0.040 mg/L,平均变化值为-0.008 mg/L,20次降雨后东湖TP质量浓度累计下降0.158 mg/L。降雨发生后湖水TP变化值与风速、湿沉降TP通量和降雨量有紧密关系。在研究期间,当降雨量小于20 mm时的风速总体明显高于降雨量大于20 mm时的风速,说明在降雨量小于20 mm时,较高的风速是造成湖泊中TP变动的主要因素;当降雨量超过20 mm,降雨前后湖水TP浓度变化与湿沉降TP通量变化较为一致,此时湿沉降TP通量是影响湖水TP浓度变化的主要因素。

图3 风速、湿沉降TP通量和降雨量对湖水TP变化的影响Fig.3 Effect of wind speed,wet deposition TP fluxes and rainfall quantity on TP variation of lake

为进一步分析降雨量对湖水TP变化的影响,对2020年7月2日和8月20日的典型高、低强度降雨前后的湖水TP进行采样分析,结果见图4。

图4 不同强度降雨前后湖水中TP质量浓度变化Fig.4 The variation of TP mass concentrations in lake before and after rainfall with different intensity

由图4可见，高强度降雨后湖水TP质量浓度下降0.037 mg/L,而在低强度降雨后湖水中TP质量浓度上升0.067 mg/L,这是因为低强度降雨导致湿沉降和地表径流中TP入湖,同时伴随的强风造成湖泊内源TP释放较强,因此导致湖水TP浓度上升。虽然低强度降雨形成的地表径流TP浓度及入湖TP总量远低于高强度降雨,但高强度降雨后湖水TP质量浓度反而下降,这是因为虽然高强度降雨产生的地表径流带来大量TP入湖,但由于降雨较大形成的稀释作用中和了TP入湖负荷,从而导致湖水TP浓度不升反降。

3 结论与建议

通过对东湖2020年7—10月干湿沉降、降雨前后湖泊TP浓度变化以及两场不同强度降雨的地表径流TP入湖污染开展调查和讨论分析,得出以下主要结论：(1)研究期间东湖湿沉降TP累积通量(7 433.4 mg/m2)大于干沉降TP累积通量(6 960.3 mg/m2),降水的洗尘作用是导致湿沉降TP通量大于干沉降TP通量的主要原因。东湖干湿沉降TP通量与空气中颗粒物、SO2、NO2和CO等正相关;(2)低强度降雨时地表径流中TP质量浓度为0.74～1.59 mg/L,高强度降雨地表径流TP质量浓度为0.95～5.82 mg/L。降雨形成的地表径流是湖泊TP污染源之一,且初期径流TP浓度大于后期径流;(3)低强度降雨后湖水TP上升0.067 mg/L,高强度降雨后湖泊TP下降0.037 mg/L,低强度降雨导致湿沉降和地表径流中TP入湖负荷较高,伴随着强风造成湖泊内源TP释放较强,是导致湖水TP浓度上升的原因;高强度降雨的稀释作用和伴随风力较小,导致湖水TP浓度下降;(4)城市浅水湖泊TP污染与城市大气、陆地环境等息息相关,相互交融。点源的污染控制与大气污染治理、城市道路清洁、城市绿化、沉水植物生态恢复等的联防联控将是未来城市浅水湖泊TP污染防治的途径。