嘉陵江总磷通量变化及空间来源解析

关文海,骆国辉,王攀菲,娄保锋,邱光胜(.中国长江三峡集团有限公司,湖北 宜昌 44333；.生态环境部长江流域生态环境监督管理局,生态环境监测与科研中心,湖北 武汉 43000)

嘉陵江是长江八大支流之一,是长江上游重要的生态屏障和水源涵养地,具有重要的生态服务功能,1994～1996 年嘉陵江出现了严重的水质污染[1],主要超标污染物有总磷(TP)、耗氧有机污染物、氨氮和石油类等.之后随着污染治理的加强,水质有所改善,但仍存在一定程度的水生态问题[2-4].

近20 年来,作为嘉陵江干流水质和水生态的关键影响因子,总磷年均浓度尽管不超III 类标准限值[5],但月度监测值时常出现超标现象,平均超标频率约7%(按北碚断面统计),河舒河、清溪河等支流TP 污染较为严重[6].磷的生物活性与其形态密切相关[7-10],韩超南等[11]计算得到2014 年10 月和2015年1 月嘉陵江北碚断面溶解态磷(DP)在TP 中的占比为46%和 64%,丁帅等[12]基于2009 年10 月～2010年6 月的月度监测数据得到DP 在TP 中的占比平均为67%.污染物通量可以为污染负荷总量控制和管理提供基础信息,丁帅等[12]基于2009 年10 月～2010年6月的数据计算得到北碚断面年度磷通量大概为1.146 万t/a.基于澄清样TP 浓度,周琴等[13]估算得到2009～2014 年北碚断面年度磷通量为0.672～1.340 万t/a(平均为1.000 万t/a),唐小娅等[14]计算得到2008～2016 年北碚断面年度磷通量为0.347～1.276 万t/a(平均为0.783 万t/a).

目前,关于嘉陵江磷浓度、通量及形态长时期变化趋势及原因的研究较少,在污染负荷来源方面的研究更为缺乏,另外,对嘉陵江TP通量的研究中有一部分是基于澄清样测值[13],而澄清样TP 和原样TP浓度测值往往存在显著差别[15],基于澄清样测值的磷通量计算结果与实际磷通量存在较大偏差.鉴于此,本文系统研究2002～2019 年嘉陵江磷(TP、DP 和PP)浓度、形态和通量的年际变化和季节特征,并进行归因溯源分析,旨在为嘉陵江流域磷污染治理提供参考.

1 材料与方法

1.1 研究区域和时段

嘉陵江是长江八大支流之一,位于三峡库区库尾段长江干流左岸[16],流域面积16 万km2,是长江水系中流域面积最大的支流,干流全长1120km,源头至广元段为上游,长380km,广元至合川段为中游,长645km;合川以下为下游,长95km(图1).2000～2021年北碚水文控制站年均径流量655 亿m3/a.嘉陵江是长江水系含沙量较大的支流之一,汛期(6～9 月)尤其是7 月份含沙量最高,枯水期尤其是1 月份含沙量最低.亦是长江八大支流中渠化程度最高的河流,中下游江段(广元以下)共有水电站和航电枢纽15 个(四川境内13 个,重庆境内2 个)(图1),其中亭子口枢纽和草街枢纽为大型综合利用枢纽,库容大(41 和22亿m3),对流域水量进行一定控制和调节,其下游枢纽大部分为低坝径流式的中、低水头枢纽,主要以发电、灌溉或防洪为主,兼顾航运,具有河道型水库特征,洪水期基本为天然河道,枯水期电站控制下泄流量.主要支流有:八渡河、西汉水、白龙江、渠江和涪江等.

图1 嘉陵江和北碚监测断面位置示意Fig.1 Location of Jialing River watershed and the monitoring section

本研究将北碚断面(图1)作为嘉陵江干流水质、水文代表断面,该断面在最末一级水电站-草街水电站下游约13km 处,在入长江口上游约55km 处,其下游约4km 处为三峡水库嘉陵江回水末端白鹤滩.研究时段为2002～2019年,时间跨度为18a.磷源解析针对时段为2017～2019 年.嘉陵江水期划分为:丰水期为6～9 月;平水期为4、5、10 和11 月;枯水期为12月和1～3 月.

1.2 原样、澄清样和清样TP 测值的说明

2002 年我国颁布了《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)[5],取代之前的GB 3838-88[17].GB 3838-2002 要求对CODMn、TP、As、Hg、Pb、Cd 和Cr等参数,采样后对水样(称为原样)静置30min,得到去除沉降物的水样(称为澄清样)进行测定,测得澄清样磷浓度(CP),而GB 3838-88 要求原样混匀后进行测定,测得原样磷浓度(TP).两种前处理方式不同导致了GB 3838-2002 实施前、后受泥沙含量影响较大的水质参数监测值缺乏可比性[18].另外,还有一种常见的水样前处理方式,即对原样用0.45μm 滤膜过滤,所得到的滤液称为清样,针对清样测得的磷浓度为溶解态磷浓度(DP).对于同一原始水样,TP、CP 和DP 测值之间的差别随SS(悬浮物)浓度升高而增大,具有规律性经验关系[14],譬如,当三峡库区干流ρ(SS)达500mg/L 时,CP 与TP 测值之比平均为51%,DP与TP 测值之比平均为11%.

1.3 数据来源与分析方法

TP、DP 及SS 浓度数据来自长江流域水环境数据库,采样时间为2002～2019 年.每月上旬采样1 次.采样程序执行《水环境监测规范》(SL 219-2013)[19].每条断面布设3 条垂线(左岸、中泓和右岸),每条垂线布设3 个采样点(上、中和下).质控样品包括现场空白样、现场平行样和加标样.

磷的测定采用钼酸铵分光光度法(GB 11893-89)(采用过硫酸钾氧化消解)[20].对同一水样,分别测定TP和DP.颗粒态磷浓度PP=TP－DP.DP 在TP 中的占比表达为λ(DP/TP),PP 在TP 中的占比表达为λ(PP/TP).SS 测定采用重量法(GB 11901-1989)[21].径流量和输沙量数据来自长江泥沙公报[22].本文中月均悬浮泥沙浓度根据月径流量和月输沙量计算而得,其计算公式为SS(mg/L)=100×月输沙量(万t)/月径流量(亿m3),其中,100 为单位换算系数;年均泥沙含量为年内12 个月份泥沙含量的算术平均值;各水期平均泥沙含量为该水期内各月份泥沙含量的算术平均值.

1.4 通量计算方法

河流污染物通量即单位时间内通过某断面的污染物的质量.河流物质输送年度通量为年内12 个月的通量之和,月度通量(W,t)计算公式[23]为:

式中:C 为某月磷浓度值,mg/L;Q 为某月径流量,108m3;100 为单位换算系数.

年度通量(W,t)计算公式为:

式中:Ci为第i 个月的污染物浓度值,mg/L;Qi为第i个月的径流量,108m3;100 为单位换算系数.

1.5 总磷来源界定方法

污染物来源包括点源和面源.相对于点源,面源负荷的定量化更为复杂和困难,其主要估算方法有面源产排污系数估算法[24]、总负荷中点源扣除法、水文分割法[25-26]和SWAT 模型法[27-28]等.面源产排污系数法是根据农业、农村生活和散养畜禽等面源类产排污系数基于农田面积、化肥使用量、农村人口和畜禽数量等基础资料进行估算,点源扣除法需要在已知总负荷的情况下在相应时期内按一定频率对诸多点源排放的污染负荷进行监测或按照点源产排污系数进行估算,其人力和物力等成本较高,计算过程较为复杂;SWAT 模型法需要的参数较多,整个过程亦较为复杂.而水文分割法因简洁、直观而受到欢迎[25,29-30],故本文采用此法界定磷的点源和面源负荷.其原理[26]为:降雨径流是非点源磷迁移转化的驱动力和载体,枯水期陆面难以形成径流,河流磷负荷基本来自点源,而丰水期的磷负荷来自点源和面源两部分.年内点源磷负荷主要来源于生活污水、工业废水及畜禽养殖场等,其排放随季节的变化较小,本项工作中假定年度内点源磷的排放基本恒定,不随季节而变化,即丰水期、平水期和枯水期点源负荷相等.丰水期来自面源的TP 负荷等于丰水期总负荷扣除点源负荷,即L丰面=L丰总－L丰点=L丰总－L枯,其中L丰总、L丰点、L丰面分别为丰水期总负荷、点源负荷和面源负荷,同理,平水期面源TP 负荷为L平面=L平总－L枯,其中L平总、L平面、L枯分别为平水期总负荷、平水期面源负荷和枯水期负荷;年度面源负荷为L年面=L年总－3L枯,其中L年总和L年面分别为年度总负荷和面源负荷.

1.6 数据统计方法

采用Excel 软件进行统计分析.两变量间线性关系显著性和两组数据差异显著性水平判定标准设定为P=0.05,即当P<0.05 时,达到显著性水平;当P>0.05,则未达到显著性水平.

2 结果与分析

2.1 磷浓度年际变化及水期特征由图2 可见,18a 来年径流量均值为631 亿m3/a,在381～810亿m3/a波动,年径流量偏高的年份(丰水年)为2005 年、2010～2013 年、2018 年和2019 年,偏低的年份(枯水年)为2002 年、2006 年和2016年.丰水期径流量均值为403 亿m3,在160～592 亿m3波动,平水期和枯水期平均径流量均值分别为166 亿m3和64 亿m3.SS 年际波动很大,平均年均值为(166±95)mg/L,最大年均值出现于 2018 年(427mg/L),最小年均值出现在2016 年(19.2mg/L),最大年均值是最小年均值的22 倍.丰水期SS 浓度(平均389mg/L)显著高于平、枯水期(平均64 和43mg/L),所以SS 年际变化趋势主要取决于丰水期.2002～2016 年,平、枯水期SS 总体呈下降趋势,2018 年(洪水年)SS 出现飙升.

图2 嘉陵江北碚断面径流量、悬浮泥沙浓度[ρ(SS)]、磷浓度[ρ(TP), ρ(DP), ρ(PP)]年际变化趋势(2002～2019)Fig.2 Interannual variation of runoff and concentrations of suspended sediments(SS), phosphorus [TP(total phosphorus), DP(dissolved phosphorus) and PP(particulate phosphorus)] at Beibei section in the Jialing River in a whole year and in wet,even and dry seasons during 2002～2019

2.1.1 TP 浓度变化 2002～2019 年,TP 浓度年均值波动较小,除去5 个较低的年份(2002、2003、2006、2007 和2019 年)和2 个较高的年份(2005 和2016 年)外,其它11 个年份在0.10mg/L 附近上下波动.18a间,TP 浓度年均值为(0.098±0.023)mg/L,年均值最低为0.058mg/L(2003 年),最高为0.14mg/L(2005 和2016 年)(表1).丰水期TP 浓度较高的年份为2004年(0.231mg/L),2005 年(0.273mg/L) 和 2012 年(0.198mg/L);平水期TP 浓度较高的年份为2014 年(0.148mg/L),2016 年(0.145mg/L) 和 2017 年(0.130mg/L);枯水期TP 浓度较高的年份为2016 年(0.145mg/L).2002～2013 年,TP 浓度表现为丰水期>平水期、枯水期,之后有的年份表现为丰水期>平、枯水期,有的年份则表现为丰水期<平、枯水期.就TP达标评价而言[按河流TP III 类标准(0.20mg/L)评价],除2004 和2005 年丰水期TP 超标外,其他年份各水期皆符合I～III 类,但月份超标情况仍存在,18a 中有8个年份出现了月度值超III 类标准限值情况(2002、2005、2006、2011、2012、2015、2016 和2018 年).

表1 嘉陵江北碚断面磷的相关指标特征值(基于18a 间年均值或年度值进行统计)Table 1 Statistic values of indicators of phosphorus at the Beibei section of the Jialing River(based on annual values during 2002～2019)

2.1.2 DP 浓度变化 18a 间DP 浓度总体呈先上升(2002～2016 年)后下降趋势(2016～2019 年)(P<0.001),尤以平、枯水期最为显著.18a 间DP 浓度年均值为(0.047±0.014)mg/L,年均值最高为0.073mg/L(2016年),最低为0.021mg/L(2006 年)(表1).年内DP 浓度相对稳定,其各水期之间的差别小于TP 和PP.丰水期平均DP 浓度最高为0.098mg/L(2012 年),最低为0.020mg/L(2006);平水期平均 DP 浓度最高为0.088mg/L(2014 年),最低为0.028mg/L(2006 年);枯水期平均DP 浓度最高为0.065mg/L(2016 年),最低为0.015mg/L(2006 年).18a 间年均λ(DP/TP)为(49%±10%),年均值最高为60%(2017 年),最低为24%(2005 年).

2.1.3 PP 浓度变化 18a 间PP 浓度年均值为(0.051±0.018)mg/L,年均值最高为0.105mg/L(2005年),最低为0.029mg/L(2003 年)(表1).2002～2013年,PP 浓度表现为丰水期>平水期、枯水期,之后有的年份表现为丰水期>平、枯水期,有的年份则表现为丰水期<平、枯水期.18a 间年均λ(PP/TP)为(52%±10%),年均值最高为76%(2005 年),最低为40%(2017年).

2.2 磷通量与源解析

2.2.1 磷通量年际变化及水期特征 磷浓度和通量可以从不同角度反映磷污染[31],前者直接表征污染程度,后者可为污染负荷核算及污染源解析继而为污染控制决策提供基础信息.由图3 可见,18a 间,年径流量和年输沙量年际波动较大,尤其是后者.年输沙量峰值典型年份为2005,2010,2013 和2018 年,谷值典型年份为2006 和2016 年,峰值年份平均年输沙量(5858 万t/a)为谷值年份平均年输沙量(225 万t/a)的26 倍.对比径流量、输沙量和磷通量时间维度上的变化节律可见,水量、沙量、TP 通量和PP 通量表现为一定程度的“水、沙、磷”同步效应(即变化趋势的一致性,往往同时出现峰值和谷值),而且丰水期最强,枯水期最弱.按丰水期[图3(b)]观测,18a 内,有7a(2002,2005,2006,2007,2008,2016 和2018 年)表现为明显的“水、沙、磷”同步效应.这种同步效应本质上缘于总磷浓度、颗粒态浓度与悬浮泥沙浓度之间的相关性[32],以及水量和沙量之间的相关性[33].

图3 嘉陵江北碚断面径流量、输沙量和磷通量年际变化趋势(2002～2019)Fig.3 Interannual variation of water and sediment discharge, and TP, DP and PP fluxes at Beibei section in the Jialing River in a whole year and in wet, even and dry seasons during 2002～2019

18a 间,TP 年通量均值为(0.891±0.449)万t/a(表1),且年际波动巨大,最大值2.280 万t/a(2005年,丰水高沙年)是最小值0.399 万t/a(2006 年,枯水低沙年)的6.7 倍.近10a(2010～2019 年)间TP 年通量最小值(0.561 万t/a)亦出现于水量和沙量最低的年份(2016 年).18a 间,PP 年通量均值为(0.547±0.415)万t/a(表1),与TP 类似,年际波动巨大,最大值1.984 万t/a(2005 年,丰水高沙年)是最小值0.239万t/a(2016 年,枯水低沙年)的8.3 倍.DP 年通量均值为(0.344±0.164)万t/a,其最大值0.871 万t/a(2012年,丰水高沙年)是最小值0.095 万t/a(2016 年,枯水低沙年)的9.2 倍.

在丰水期,TP 和PP 通量最高值皆出现于2005年(1.845 和1.648 万t/a),TP 通量最低值出现于2006和2016 年(0.28 万t/a),PP 通量最低值亦出现于2016年(0.11 万t/a);DP 通量最高值出现于2012 年(0.781万t/a),最低值出现于2006 年(0.044 万t/a).在平水期,TP 和PP 通量最高值亦皆出现于2005 年(0.409和0.325 万t/a),最低值分别出现于2006 年(0.087 万t/a)和2013 年(0.029 万t/a).DP 通量最高值出现于2017 年(0.192 万t/a),最低值出现于2007 年(0.036 万t/a).在枯水期,TP、PP 和DP 通量最高值皆出现于2016 年(0.101,0.052,0.049 万t/a),TP 和PP 通量最低值皆出现于2003 年(0.014 和0.004 万t/a),DP 通量最低值出现于2006 年(0.009 万t/a).

各水期之间对比,几乎所有年份丰水期TP、PP和DP 通量远大于平、枯水期(P<0.0001).TP、PP 和DP 丰水期通量在年度通量中的占比平均分别为73.5%、77.5%和64.9%,而大部分年份(2016 年除外)TP、PP 和DP 枯水期通量在年度通量中的占比不超过15%.

2.2.2 磷负荷来源解析 依据河流基流分割原理(枯水期难以形成径流,其流量作为基流,磷负荷基本来自点源),对嘉陵江北碚断面年度和丰水期TP 负荷进行了点源和面源划分(图4).可见,嘉陵江北碚断面面源磷负荷年际波动远大于点源磷负荷,TP 总负荷的年际变化趋势取决于面源磷负荷年际变化趋势,两者年际变化巨大.18a 间,面源负荷和点源负荷在总负荷中的占比平均分别为82%和18%.除2006年(面源负荷占46%,点源负荷占54%)外,其他年份面源负荷在总负荷中占绝对优势,1/3 的年份面源负荷占比超过 90%,2/3 的年份面源负荷占比超过80%,90%的年份面源负荷占比超过70%.而且面源年度负荷主要来自于丰水期(81%).年度和丰水期面源磷负荷最高值皆出现于2005 年(2.280 和2.201 万t),年度和丰水期点源磷负荷最高值皆出现于2016年(0.303 和0.101 万t).2002～2016 年,点源磷负荷总体上呈震荡上升趋势(P<0.001),之后呈显著下降趋势(P<0.001).按2015～2019 年计算,面源负荷和点源负荷占比分别为69%和31%.

图4 嘉陵江北碚断面TP 总负荷、面源负荷和点源负荷年际变化趋势(2002～2019)Fig.4 Interannual variation of total loads, diffuse loads and point loads of TP at Beibei section in the Jialing River during 2002～2019

3 讨论

3.1 磷形态与悬浮泥沙浓度的相关性

研究[31,34]证实,TP 与SS 之间呈正相关.分别将嘉陵江北碚断面DP、PP 和TP 浓度与SS 浓度进行拟合发现,DP 与SS 的相关性最弱[图5(a)](R2=0.01,P=0.040),而PP 与SS 的相关性最强[图5(b)](R2=0.21,P<0.001),TP 与SS 的正相关性缘于PP 与SS 的正相关性.

图5 嘉陵江北碚断面溶解态磷浓度[ρ(DP)](a)、颗粒态磷浓度[ρ(PP)](b)与悬浮泥沙浓度[ρ(SS)]之间的相关性Fig.5 Relationships of concentrations of DP(a), PP(b) with SS at Beibei section in the Jialing River

跟DP 或PP 浓度相比,DP 或PP 在TP 中的占比λ(DP/TP)或λ(PP/TP)更多地反映了磷在水-固两相之间的分配关系.

由图6 可见,总体而言,λ(DP/TP)随SS 升高而呈下降趋势,λ(PP/TP)则呈上升趋势.这是因为地表水体中,磷在水-固两相间的分配取决于磷在悬浮泥沙上的吸附强度及悬浮泥沙含量.在上覆水体总磷浓度一定的情况下,悬浮泥沙含量越低,单位体积水中悬浮泥沙所提供的对磷的有效吸附位数量越少,则泥沙所吸附的磷在总磷中的占比越小,λ(PP/TP)越低而λ(DP/TP)越高.另外,在SS<100mg/L 的范围内,在同样的SS 浓度下,λ(DP/TP)和λ(PP/TP)波动很大,有时低至0.01,有时高至0.99,说明SS较小时,其在水-固两相磷分配中所起的作用小于SS 较高时.磷在水-固两相间的分配既受到SS 浓度的影响,也受到磷污染程度等其他因素的影响[35].

图6 嘉陵江北碚断面溶解态磷(a)和颗粒态磷(b)在总磷中的占比与悬浮泥沙浓度[ρ(SS)]之间的相关性Fig.6 Variation of λ(DP/TP)(a) and λ(PP/TP)(b) with SS at Beibei section in the Jialing River

3.2 对嘉陵江磷污染治理的建议

3 个水期相比,最能反映水污染控制效果的水期是枯水期,因为,第一,枯水期泥沙含量最低,总磷受泥沙影响很小;第二,枯水期总磷负荷基本来自点源,而过去几十年水污染防治基本体现在点源控制.综合观测图2(d),图3(d)和图4 可以判断,2016 年之后磷污染控制成效显著,从2002 至2016 年,枯水期总磷和溶解态磷浓度及通量呈显著增加趋势,2016 年后则呈显著减小趋势.

嘉陵江总磷控制既是本身生态健康的需要,也是三峡水库总磷控制的需要.从本身看,2014～2019年其总磷平均浓度为0.094mg/L,其溶解态磷平均浓度为0.053mg/L.其主要问题为个别月份总磷浓度偏高(2018年8月达0.21mg/L,2019年7月达0.18mg/L),有三分之一的频次总磷浓度在0.10～0.20mg/L 之间.从水生态安全的角度来看,嘉陵江总磷浓度仍整体偏高.原因如下:(1)研究[36-37]表明,对大江大河,总磷浓度适宜的控制标准为0.100mg/L,对小型河流,适宜的总磷控制标准为0.075mg/L.目前,嘉陵江总磷浓度超过0.10mg/L 的情况还较多.(2)从水动力学的角度来看,嘉陵江属于开发程度较高的河流,中下游740km 的江段共开发建设了15 级水电站,平均间隔仅49km,其纵向连通指数为15(个枢纽)/7.40(个/100km)=2.02,依据河湖健康评估技术导则[38]中赋分标准,嘉陵江纵向连通性指数分值为0 分(满分为100 分,对应天然河流),所以从某种意义上讲,嘉陵江干流与天然河流已大为不同,属于高度阻隔性河流,流速减缓,生境受损.纵向阻隔与总磷等污染导致嘉陵江鱼类完整性指数(F-IBI)近于的“差”级别[2].所以,从水生态安全的角度考虑,针对天然河流制定的河流总磷III 类标准限值0.20mg/L 不一定适用于目前的嘉陵江干流,嘉陵江干流总磷控制不应仅仅满足于符合III 类标准,应根据生态安全的需要制定和执行更严格的总磷控制标准.(3)悬浮泥沙浓度大幅下降,水体透明度提高,故水体通过光合作用对光能的利用效率提升,所以较高的活性磷浓度和较强的光能吸收双重作用易引发藻类过度繁殖,不利于生态系统健康.近年来嘉陵江“水质事件”时有发生,如2011 年5 月下旬、2014 年6 月中下旬嘉陵江重庆合川段的“绿色浮萍”事件[3-4],说明嘉陵江水生态仍存在问题.(4)从三峡水库的角度来看,库区支流库湾水华仍然频发,三峡水库总磷浓度依然偏高,嘉陵江总磷浓度水平的进一步削减亦是三峡水库生态健康的需要.综上所述,应持之以恒严控嘉陵江流域磷污染,尤其是源头控制.

4 结论

4.1 2002～2019 年,嘉陵江悬浮泥沙浓度和输沙量年际波动巨大.

4.2 18a 间,嘉陵江北碚断面总磷浓度年均值在0.058～0.139mg/L 范围内波动,其均值为0.098mg/L.2002～2013 时期,TP 和PP 浓度表现为丰水期>平水期、枯水期,之后有的年份表现为丰水期>平、枯水期,有的年份则又表现为丰水期<平、枯水期.

4.3 18a 间,DP 浓度总体呈先升高(2002～2016 年)后降低趋势(2016～2019 年).

4.4 水量、沙量、TP 通量、PP 通量表现为一定程度的“水、沙、磷”同步效应,而且丰水期最强,枯水期最弱.

4.5 水期之间对比,几乎所有年份丰水期TP、PP和DP 通量远大于平、枯水期.TP、PP 和DP 丰水期通量在年度通量中的平均占比分别为73.5%、77.5%和64.9%.

4.6 面源磷负荷年际波动远远大于点源磷负荷.除2006 年外,其他年份面源负荷在总负荷中占绝对优势,按年度计算,面源负荷平均占82.5%,按丰水期计算,面源负荷平均占90.8%.面源年度负荷主要来自于丰水期(平均81.2%).