巢湖入湖河流不同污染物对降雨的响应关系分析

钱 华 钱 圆 高 芮

(安徽省巢湖管理局湖泊生态环境研究院,安徽 合肥 238000)

巢湖是安徽境内最大湖泊,也是我国五大淡水湖泊之一。 巢湖流域人口密度大,经济强度高,随着流域内城镇化进程加快,人类活动产生的大量污染物通过降雨径流、排放等形式进入河道,最终汇入巢湖。 2019年下半年,巢湖流域持续干旱,而2019 年底至2020 年初,巢湖流域降水量渐增。 本文通过探究2019 年从持续干旱到降水量增强,结合巢湖湖区及主要入湖河口水质监测数据,研究降水量对巢湖流域水质的响应关系。

1 流域概述

巢湖流域位于东经117°00′～118°29′、北纬30°56′～32°02′之间,总面积为13486km2,占安徽省总面积的9.66%。 巢湖流域属北热带湿润季风气候区,年均气温为15.8℃,年降水量约为1120mm[1]。 流域内主要出入湖河流有杭埠河、南淝河、派河、兆河、白石天河、柘皋河、十五里河、双桥河,其中杭埠河、南淝河、白石天河3 条河流入湖径流量占75%以上。

由图1 可知,2019 年巢湖流域平均降水量为754mm,较流域常年降水量偏少32.6%。 从流域平均降水量的年内分布来看,6 月降水量最多(183mm),其次为2 月(105mm)和8 月(77mm)。 9 月、10 月降水量分别仅为10mm 和11mm,为2019 年降水量最少的连续两个月份。

图1 巢湖流域2019 年1—12 月降水量

2 数据来源及仪器设备、分析方法

为确保分析数据具有良好的连续性和研究意义,本文的水质监测数据取自于南淝河施口国家水质自动监测站和杭埠河北闸渡口国家水质自动站,数据尺度为2019 年1 月至2020 年1 月。 南淝河施口站分析仪器为深圳宇星公司的YX-NH3-N-Ⅲ氨氮水质自动分析仪,YX-CODMn 高锰酸盐指数水质自动分析仪,YXTNP 总氮、总磷水质自动分析仪,杭埠河北闸渡口站分析仪器为日本岛津公司的NHN-4210 氨氮自动水质分析仪、美国哈希公司的DKK203A 高锰酸盐指数水质和DKK NPW-160 总磷、总氮自动分析仪,两个站点的仪器监测方法均为《水和废水监测分析方法》(第四版)(增补版)[2]中各指标的分析方法。 降水量数据取自数字巢湖平台撮镇建华气象站与丰乐气象站,数据尺度均为2019 年,其中水质数据平均4h 自动监测一次,全天共有6 组数据,降雨数据全天共有24 个。 采用数据统计的方法研究水质与降水量间的响应关系。

3 巢湖流域水质总体情况

根据《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)中规定的项目标准限值对巢湖湖区水质进行评价。 从水质类别来看,2019 年巢湖全湖水质由Ⅴ类好转为Ⅳ类,总氮、总磷、氨氮、化学需氧量均呈下降趋势;全湖总氮和总磷全年平均浓度为1.18mg/L 和0.078mg/L,较2018 年分别下降18.4%和23.5%,见表1。 2020 年1 月,巢湖东半湖水质为Ⅲ类,水质良好;西半湖水质为Ⅳ类,呈轻度污染;全湖平均水质为Ⅳ类,呈轻度污染。 全湖总氮、总磷浓度均值分别为1.30mg/L、0.054mg/L,与2018 年同期相比,分别下降19% 和29%。

表1 2015—2020 年巢湖全湖及东、西半湖水质类别

巢湖主要入湖河流中,南淝河是主要的河流之一,干流上游为董铺水库的拦蓄,平时基本无水量下泄,水文特征主要受大气降水影响,河流量季节性变化很大。其主河道流经合肥市区,接纳合肥市众多污水处理厂尾水、城市生活污水和工业废水[3],水质为劣Ⅴ类。 杭埠河位于巢湖流域西南侧,发源于皖西大别山山区,为直接入巢湖最大支流。 从污染结构分析,入河污染主要来自于农村生活污染、农业面源污染、规模化畜禽养殖及底泥释放。 农村生活污染及种植业是第一大污染源[4],为典型的农业面源污染型河流,河流水质为Ⅲ类。 主要指标中,2019 年南淝河和杭埠河均较2018 年同期明显下降,其中总磷和氨氮下降幅度较大。 具体情况见表2。

表2 2019 年巢湖主要出、入湖河流营养盐浓度单位:mg/L

3.1 2019 年巢湖水质变化情况

3.1.1 湖区水质

对巢湖湖区8 个国控断面2019 年1 月至2020 年1 月巢湖主要污染指标逐月水质监测数据进行的分析表明,东、西半湖及全湖的总氮、氨氮浓度总体呈下降趋势,2019 年12 月和2020 年1 月,西半湖和全湖反弹明显;总磷浓度年内波动较大,2019 年8 月后总体呈下降趋势;除2019 年1 月和9 月外,东、西半湖及全湖化学需氧量总体变化不大。 具体变化情况见图2。

图2 2019 年1 月至2020 年1 月巢湖主要指标逐月浓度

3.1.2 河流水质

对2019 年1 月至2020 年1 月南淝河、杭埠河主要污染指标逐月水质监测数据进行的分析结果见图3,从中可以看出,总氮均呈现逐渐下降的趋势,至12 月开始反弹,并持续到2020 年1 月;南淝河氨氮与总氮趋势一致,其他河流氨氮全年处于低位波动。 值得注意的是,氨氮与总氮一样,自2019 年12 月开始反弹,并持续到2020 年1 月。 总磷的变化差异较大,其中南淝河总体呈逐渐下降趋势,杭埠河在12 月出现明显反弹,而南淝河在2020 年1 月出现明显反弹。 化学需氧量全年呈波动态势,且上半年波动幅度较大,自7 月开始波动幅度收窄,并持续至2020 年1 月。

图3 2019 年1 月至2020 年1 月出入湖河流主要指标逐月浓度

3.2 干旱对巢湖主要入湖河流水质的影响分析

2019 年下半年,巢湖流域干旱少雨,2019 年底至2020 年初,巢湖流域降水量渐增,流域监测数据表明,主要入湖河流污染物浓度在2019 年12 月和2020 年1月均出现环比上升的态势。 巢湖入湖支流中,南淝河与杭埠河入湖径流量较大,约占75%以上,以南淝河和杭埠河为例,分析2019 年以来降水情况对河流水质的影响。

2019 年南淝河流域降水量为472.9mm,其中1 月底至2 月中旬、6 月中旬、11 月下旬为年内主要降雨时段。 2020 年1—2 月,南淝河流域共计降水144.9mm,较2018 年同期的164.9mm 减少12%。 结合水质监测数据分析(图4)可以看出,南淝河氨氮和总磷在2019 年6—9月、2019 年12 月至2020 年2 月随着降水量的增加而反弹的趋势较为明显。 总氮、高锰酸盐指数浓度受降水影响不明显,氨氮、总磷最高浓度与降水量有正相关。

图4 南淝河降水量与水质变化

杭埠河流域2019 年降水量为651.8mm(丰乐雨量站),其中2 月、6—8 月为年内主要降雨时段。 2020 年1—2 月,杭埠河流域共计降水87.3mm,较2018 年同期的146.8mm 减少40%。 结合水质监测数据分析(图5)可以看出,杭埠河总磷在2019 年3—8 月、2019 年12 月至2020 年2 月随着降水量的增加而反弹的趋势较为明显。 2019 年内总氮虽然受降水量变化不明显,但自2020 年1 月总氮的浓度有着明显抬升。

图5 杭埠河降水量与水质变化

3.3 降雨典型时段对水质的影响分析

进一步选取降水量大于20mm 的持续降雨期及前后3d 为统计时段,分析降水对南淝河与杭埠河水质的影响。 2019 年的4 次大于20mm 的持续性降雨均引起了南淝河氨氮和总磷的反弹,且降水量越大,响应越快,见图6。 2019 年6 月20 日的降水量为全年最大(66.5mm),南淝河总磷当天即开始反弹,随后持续晴天,总磷在次日达到峰值,第3 日开始逐渐降低,第4日恢复至降雨前水平。 从2020 年1 月7 日开始的持续性降雨期间,南淝河氨氮和总磷均持续上升。 而杭埠河流域土地利用类型主要为农用地,形成径流所需的降水量要大于南淝河,2019 年的5 次降水量大于20mm 的单次降雨均引起了杭埠河总磷的反弹,但响应时间与降水量并不成正比;总氮浓度对降雨强度并无明显响应,见图7。 值得注意的是,2020 年1 月下旬的持续性降雨期间,杭埠河总氮和总磷浓度均持续上升。

图6 持续性降雨对南淝河水质影

图7 持续性降雨对杭埠河水质影

4 讨 论

降雨是水质波动的影响因素之一,而降雨特征(降水量、降雨强度和雨前干旱天数)、土地利用类型对水质变化有着重要影响[5]。 巢湖流域8 条主要入湖河流污染源结构复杂,南淝河流经合肥城区,其水质受城市污染影响较大,水质污染较为严重。 杭埠河水质较好,污染源以农业面源为主[6]。 入湖的污染负荷不仅受到污染因子浓度的影响,也与入湖河流的水量有关。 参照王书航、蔡林颖等[6-7]研究成果对巢湖入湖河流进行划分,以入湖水量较大的南淝河与杭埠河作为典型的城市污染型河流与农村污染型河流,探究不同污染类型的河流水质对降雨强度的响应关系。

由于巢湖流域2019 年为大旱年[8],入湖水量较往年大幅下降,导致入湖污染物总量偏低。 一方面,使得巢湖入湖河流主要污染物指标在2019 年下半年较往年偏低;另一方面,随着干旱无雨天数的增加,降雨径流所产生的污染负荷趋势也会增加[9],使得污染物在未来的降雨期随着地表径流冲刷进入下游水体,造成入湖河流水质下降的风险增加。 通过对巢湖流域典型河流入湖断面的降雨和水质数据进行分析,可以得出结论:降雨对巢湖水质变化影响明显,降雨与水质的响应关系表现了流域污染特征,两条入湖河道水体总磷的影响均较为明显,对总氮的影响不大,但对城市河流的氨氮影响显著。

南淝河流域内多为城市硬化地面,产生径流的时间及蓄水量均小于自然地面,且在有较大强度降雨前干旱期较长,有大量的地表滞留、管网沉积等污染物,极易随着径流排入流域收纳水体,引起水体污染物浓度上升[9]。 从数据分析结果看,南淝河总氮、高锰酸盐指数受降雨影响不明显,氨氮、总磷随着降水量增加而迅速上升,且降水量越大,响应时间越短。 据有关研究表明,南淝河城区段表层含磷沉积物分布受排口影响较大,而城市污水处理厂的尾水在很大程度上是受纳水体的重要磷源[10];而总氮与氨氮对降雨的响应规律不一致,在降雨初期冲刷效益不明显,可能是因为降雨淋洗大气中的NH4+-N 占总氮的主要部分[11]。

杭埠河监测点附近多为农田,由于农田土壤的透水性,在小雨期间由于降雨强度小,未超过土壤自身的载水负荷,径流形成需要时间[12],因此杭埠河水质对降雨的响应一般发生在大到暴雨期间,并呈现出滞后性。 从数据分析结果看,杭埠河水质只有总磷对降雨有明显的响应,总氮和氨氮并无明显响应,可能由于以下原因:该流域颗粒态磷负荷较大,高于巢湖流域平均水平[13],在雨水冲刷与水土流失的作用下进入河流,致使水体总磷浓度的上升;而氮的转化途径多样,降雨径流会带来氮负荷,反硝化作用又会去除氮[14]。 所以,杭埠河的总磷对降雨有明显的响应,总氮和氨氮并无明显响应。

5 结 论

a.2019 年1 月至2020 年1 月巢湖东、西半湖及全湖的总氮、氨氮浓度总体呈下降趋势,但在2019 年12 月和2020 年1 月,巢湖流域雨量渐增,西半湖和全湖总氮反弹明显;而总磷浓度年内波动较大,主要入湖河流污染物浓度均呈现环比上升的态势。 这是由于2019 年的持续干旱,地表蓄积的氮、磷污染物极易在强降雨冲刷下随径流大量进入湖体,使湖区水质突发性下降和氮、磷营养盐升高。

b.2019 年南淝河流域降水量为472.9mm,较2018 年同期减少12%。 全年4 次降雨量大于20mm 及前后3 天的持续性降雨与水质数据的比对分析显示,在年度最大降雨量最大的2019 年6 月20 日(66.5mm),总磷浓度从前一天的0.398mg/L 上升到当天的0.425mg/L,并于6 月21 日达到高点0.533mg/L,随后降至6 月22 日的0.347mg/L,并持续下降。 氨氮浓度范围在1.071 ～2.477mg/L,最高浓度为5.39mg/L,出现在最大降雨量的前一天,随后呈下降趋势,总氮、高锰酸盐指数浓度则受降雨影响不明显,氨氮、总磷最高浓度与降水量正相关。

c.2019 年杭埠河流域降水量为651.8mm。 全年5次降水量大于20mm 及前后3 天的持续性降雨与水质数据的比对分析显示,在年度最大降水量最大的2019年6 月20 日(54.5mm),总磷浓度范围在0.118 ～0.230mg/L,最高浓度为0.336mg/L,出现在最大降水量的第三天,与降水量呈正相关,但显示出延后性,总氮、氨氮和高锰酸盐指数浓度受降雨影响不明显。