降雨事件下洱海北部主要入湖河流污染物特征分析*

聂菊芬 唐 诚# 王俊松 郭 豪 王 旭 黄智刚 和 弦 秦 江 杨顺涛 李明民

(1.云南省生态环境科学研究院,云南高原湖泊流域污染过程与管理重点实验室,云南 昆明 650034;2.广西大学农学院,广西农业环境与农产品安全重点实验室,广西 南宁 530004)

过量化肥投入提高了表层土壤养分富集,雨季暴雨事件的频繁发生,加之剧烈的农田景观异质性变化,导致径流携带大量氮磷等营养盐进入河流水系、湖泊等,加剧水体富营养化和水质退化,造成农业面源污染[1-6]。洱海是云南境内仅次于滇池的第二大湖泊,是中国第七大淡水湖泊。近年来,洱海流域农业垦殖活动不断加强,加之该区域独特的气候特征,雨季暴雨径流携带大量养分入湖,导致水体环境质量下降[7-8],特别是一系列人为活动导致的氮素等污染物输入湖泊河流,造成水体中氮以氨氮、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮、溶解性有机氮等多种形式存在,其中硝酸盐氮是导致水质恶化的主要形态[9-12]。同时不合理的耕种模式导致护岸生态功能脆弱等原因,造成洱海流域面源污染日趋严重,成为洱海生态环境治理的重点问题[13-14]。

目前针对洱海流域入湖污染物已进行大量研究[15-18]。黄明雨等[19]通过对洱海流域20条入湖河流进行水质、水量监测调查,阐述了洱海西岸入湖河流水质水量特征,估算了入湖污染负荷。张晓雪等[20]通过系统开展洱海流域海潮河湾沉积物总氮、总磷和有机质的含量分析与污染评价,明确了该区域沉积物营养物质的空间分布,为后续洱海流域河湾的保护治理提供了科学依据。石宏博等[21]和普燕爽等[22]的研究结果则表明了降雨径流携带污染物进入湖体是洱海流域入湖污染物的主要来源贡献。此类研究虽然探究了洱海流域部分入湖污染物,估算了入湖污染物负荷,但针对次降雨与洱海流域入湖典型污染物的特征和定量污染物入湖负荷的研究还较匮乏。

北三江流域(罗时江、弥苴河、永安江流域)作为洱海流域的主要补水流域,该流域内农田径流氮磷污染严重,虽然目前环湖截污工作已完成,但湖体水质达到公众期待仍有差距。且洱海湖体周围已建成一定规模的调蓄带,枯水期流域内生活用水、农业灌溉用水等几乎无法进入湖体,只有在降雨丰水期,径流携带一定污染物进入洱海,导致洱海水质雨季下降[23]。因此,控制雨季主要河道污染物随水入湖成为洱海水环境保护的关键。同时,针对洱海流域雨季入湖污染物的来源,可依据以下标准进行判别:1)若河流中某污染物主要来自于点源时,其旱季时浓度应明显高于雨季时;2)非点源引起的污染为主时,其雨季时浓度则应明显高于旱季时。该规律可用来对污染物主要来自点源还是非点源作基本的判断,进而对洱海流域雨季污染物来源做出判断[24-27]。本研究以洱海流域北三江流域为研究对象,在河流入湖口布设监测设施,于雨季(7—9月)监测6场降雨事件下的主要入湖污染物,通过对洱海北三江降雨径流污染负荷输移变化的研究,阐明上游入湖暴雨径流负荷时空分布特征,评估入湖负荷对北三江入湖水质的影响,为洱海的生态保护与治理提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

研究区位于洱海流域北部区域的罗时江(25.940 334 07°N,100.099 945 50°E)、弥苴河(25.921 159 75°N,100.134 488 38°E)和永安江(25.950 394 05°N,100.144 222 27°E),分别在入湖口布设了监测断面(见图1),收集河流基本信息与降雨事件下的入湖污染物特征数据。该区域以种植业为主,经济产业结构基本保持农业、轻工业、旅游业等协调发展的模式。研究区内降水量的年际变化较强烈,是由于季风活动强弱差异和进退早迟而造成的。洱海流域年降水量由南向北、由西向东递减,在流域西部和北部,降水量受地形影响较明显,随着高程升高而显著增大。全年降水量主要集中在5—10月,占全年降水量的84.9%～93.2%,说明该时段降水量较大程度决定了年降水量,每年11月至次年4月降水量仅占全年降水量的6.8%～15.1%,最大月降水量出现在7或8月,最小月降水量出现在12月。洱海流域年降水量年际变化相对较稳定,但呈逐年减少趋势,并存在丰→枯→丰等多个循环交替。

图1 洱海北三江流域水系图

1.2 监测断面设置

环湖常规监测通常只能采集到降雨期间瞬时水样,雨季时由于降雨特征、汇水区特征和污染物本身性质的影响,降雨径流一次径流污染过程中污染物浓度变化范围较大,且随机性强,单次采样难以定量掌握暴雨期间入湖负荷。为表征径流污染程度及其对洱海的影响,通过实地现场调查,依据汇流面积、河流污染源构成、地形地貌、土地利用形式、种植结构等特点,综合考虑北三江空间分异类型单元,选择在河流入湖口设置监测断面进行暴雨径流过程水质水量同步监测。表1为北三江3条入湖河流的基本信息。

表1 洱海流域北三江河流基本信息

1.3 监测方法

按照监测布点,对2019年度雨季北三江入湖河流6场降雨径流水质水量过程调查观测。水样采集:2019年7—9月共采集到6次降雨事件,如果降雨事件的降雨过程不超过6 h,则采样方式为在每次降雨事件的第0.5、1.0、1.5、2.0、3.0、4.0、5.0、6.0 h分别测定水深、流速并采集水样,如果降雨过程超过6.0 h,前6.0 h采样方法相同,在6.0 h后每2.0 h分别测定水深流速并采集水样;由于流域汇流面积差异,前述采样时间步长可根据实际情况调整,原则上水位每上涨5～10 cm采样,到达水位峰值后,适当延长采样间隔,直至回落到采样前水位。参照《地表水和污水监测技术规范》(HJ/T 91—2002),监测项目化学需氧量(COD)、氨氮、硝态氮、正磷酸盐、可溶性总氮(TDN)和可溶性总磷(TDP)分别采用重铬酸钾法、纳氏试剂比色法、紫外分光光度法、钼锑抗比色法、碱性过硫酸钾消解-紫外分光光度法和钼酸铵分光光度法测定。

1.4 污染物入湖负荷

入湖径流量计算公式见式(1),污染物入湖负荷的计算公式见式(2)。

V=∑viDiWiΔti

(1)

M=∑viDiWiciΔti

(2)

式中:V为单场次降雨入湖径流量,m3;vi为样品i监测时的瞬时流速,m/s;Di为河流深度,m;Wi为河流宽度,m;Δti为采样间隔时间,s;M为单次降雨事件径流污染物入湖负荷,g;ci为样品i在此径流中的养分质量浓度,mg/L。

1.5 数据处理与分析

数据用Excel 2016和SPSS 21.0进行处理和分析。

2 结果与分析

2.1 洱海北部北三江降雨与入湖径流量特征

监测场次降雨情况如表2所示。其中,R3的降雨达到了暴雨级别(>50 mm),其余的5场降雨均达到了大雨级别(25～50 mm)。R1时,北三江平均降雨时长最长为3 003.3 min,雨强也最小,平均为0.53 mm/h。R5时,降雨时长平均最短,平均约1 583 mim,平均雨强为1.10 mm/h。R3的降雨时长仅次于R1和R6,但平均雨强为6场降雨中最大,达到了1.33 mm/h。6场降雨北三江入湖总径流量分别为R3(2 474.3×103m3)>R6(2 059.0×103m3)>R4(1 595.4×103m3)>R5(1 369.4×103m3)>R2(1 165.6×103m3)>R1(371.5×103m3)。6场降雨入湖总径流量最大的是弥苴河,约占北三江入湖总径流量的47%。

表2 2019年雨季6场降雨情况

R3降雨时,降雨量为6场降雨事件最大,达到了50.6 mm,弥苴河入湖径流量为1 481.0×103m3,是罗时江和永安江入湖径流量总和的1.49倍,占此次降雨事件北三江入湖总径流量的59.9%。除R1降雨事件弥苴河入湖径流量低于永安江和罗时江,其余均高于永安江和罗时江。6场降雨的入湖径流量与降雨量趋势相同,降雨量越大,入湖径流量越大。北三江入湖径流量呈现出弥苴河>永安江>罗时江。

2.2 雨季污染物入湖浓度特征

2019年雨季6场降雨事件下北三江污染物入湖平均质量浓度与降雨量见图2。

图2 2019年雨季6场降雨事件下北三江污染物入湖平均质量浓度与降雨量

硝态氮和TDN入湖平均浓度总体为弥苴河>罗时江>永安江,但氨氮只有在9月的两场降雨R5、R6下是弥苴河>罗时江>永安江,整体上呈现罗时江>永安江>弥苴河,且入湖平均浓度最低值为R3的弥苴河。北三江氨氮入湖浓度整体上与降雨量有关,降雨量越大,氨氮入湖浓度越高。在6场降雨过程中,罗时江氨氮入湖质量浓度为0.23～0.76 mg/L,平均为0.34 mg/L;弥苴河氨氮入湖质量浓度为0.10～0.37 mg/L,平均为0.26 mg/L;永安江氨氮入湖质量浓度为0.20～0.40 mg/L,平均为0.27 mg/L。3条河流氨氮入湖质量浓度加权平均值均在0.50 mg/L以下。罗时江硝态氮入湖质量浓度为0.08～0.59 mg/L,平均为0.29 mg/L;弥苴河硝态氮入湖质量浓度为0.03～0.87 mg/L,平均为0.50 mg/L;永安江硝态氮入湖质量浓度为0.01～0.77 mg/L,平均为0.25 mg/L。硝态氮入湖质量浓度加权平均值均在0.80 mg/L以下。罗时江TDN入湖质量浓度为0.47～1.41 mg/L,平均为0.70 mg/L,最大值出现在R3;弥苴河TDN入湖质量浓度为0.43～1.21 mg/L,平均为0.83 mg/L;永安江TDN入湖质量浓度为0.41～1.28 mg/L,平均为0.60 mg/L。3条河流TDN入湖平均质量浓度均在1.0 mg/L以下。

正磷酸盐入湖平均浓度为弥苴河>罗时江>永安江。罗时江正磷酸盐入湖质量浓度为0.03～0.06 mg/L,平均为0.04 mg/L;弥苴河正磷酸盐入湖质量浓度为0.03～0.07 mg/L,平均为0.05 mg/L;永安江正磷酸盐入湖质量浓度为0.02～0.05 mg/L,平均为0.03 mg/L。3条河流正磷酸盐均在0.07 mg/L以下。TDP与降雨量关系不明显,R2时北三江TDP入湖平均浓度差异显著(P<0.05),但其他5场降雨事件则差异不显著(P>0.05),总体上呈现弥苴河>罗时江>永安江。罗时江TDP入湖质量浓度为0.05～0.13 mg/L,平均为0.08 mg/L;弥苴河TDP入湖质量浓度为0.06～0.21 mg/L,平均为0.10 mg/L;永安江TDP入湖质量浓度为0.04～0.09 mg/L,平均为0.06 mg/L。TDP入湖平均浓度均在0.2 mg/L以下。从氮磷指标来看,北三江入湖水质均为《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)中的Ⅱ类。

除R2外,弥苴河COD入湖平均质量浓度均高于20 mg/L;罗时江则在R1～R4时均高于20 mg/L;永安江则只有在R1时高于20 mg/L。6场降雨过程中,罗时江COD入湖质量浓度为10.31～44.44 mg/L,平均为21.79 mg/L,平均超标浓度0.1倍,最大超标浓度1.2倍,2019年雨季降雨罗时江COD为GB 3838—2002中Ⅲ类;弥苴河COD入湖质量浓度为12.44～34.49 mg/L,平均为25.79 mg/L,平均超标浓度0.3倍,最大超标浓度0.7倍,2019年雨季降雨弥苴河COD为GB 3838—2002中Ⅲ类;永安江COD入湖质量浓度为10.67～28.44 mg/L,平均为16.37 mg/L,平均浓度未超标。

综合来看,罗时江、弥苴河R1下COD仅达到GB 3838—2002中Ⅳ类,雨季COD入湖平均浓度达到GB 3838—2002中Ⅲ类。说明暴雨径流过程中还原性物质特别是有机类污染物集中入湖的情况较突出,对洱海水质影响较大。永安江COD入湖平均浓度可达GB 3838—2002中Ⅱ类。北三江雨季降雨径流水质状况较好,硝态氮、氨氮、TDN、正磷酸盐和TDP入湖平均浓度均属于GB 3838—2002中Ⅱ类。各降雨事件下污染物入湖平均浓度差异显著(P<0.05),雨季时产生的大量降雨径流及径流过程中的污染物浓度波动,必然在雨季带来较大的冲击负荷。控制还原性物质特别是有机类污染物进入水体,是提升罗时江、弥苴河、永安江入湖水质的关键环节。

2.3 雨季污染物入湖负荷

2019年雨季6场降雨事件下北三江污染物入湖负荷见图3。罗时江、弥苴河、永安江氨氮入湖总负荷分别为676.21、961.43、736.30 kg,弥苴河分别为罗时江、永安江的1.42、1.31倍,占北三江氨氮入湖总负荷的40.5%。单次降雨北三江氨氮入湖负荷顺序为R3(560.70 kg)>R6(501.21 kg)>R5(424.09 kg)>R4(394.55 kg)>R2(367.14 kg)>R1(126.26 kg),最大入湖负荷为R6的弥苴河(239.13 kg),占同期北三江氨氮入湖总负荷的47.7%。

图3 2019年雨季6场降雨事件下北三江污染物入湖负荷

硝态氮入湖负荷总体呈现出弥苴河>永安江>罗时江,罗时江与永安江硝态氮入湖负荷差异不显著(P>0.05),与弥苴河差异显著(P<0.05)。最大入湖负荷为R3的弥苴河(1 110.83 kg),占同期北三江硝态氮入湖总负荷的75.7%。弥苴河硝态氮入湖总负荷为2 638.93 kg,分别为罗时江、永安江的4.15、3.38倍,占北三江硝态氮入湖总负荷的65.0%。

TDN入湖负荷与硝态氮趋势相同,总体呈现出弥苴河>永安江>罗时江,罗时江与永安江入湖TDN负荷差异不显著(P>0.05),与弥苴河差异显著(P<0.05)。最大入湖负荷为R3的弥苴河(1 403.53 kg),约占同期北三江TDN入湖总负荷的64%。弥苴河TDN入湖总负荷为3 859.20 kg,分别为罗时江、永安江的2.67、2.26倍,占北三江TDN入湖总负荷的55.0%。

正磷酸盐入湖负荷与硝态氮、TDN趋势相同,总体呈现弥苴河>永安江>罗时江,罗时江与永安江TDN入湖负荷差异不显著(P>0.05),与弥苴河差异显著(P<0.05)。最大入湖负荷为R3的弥苴河为83.84 kg,占同期北三江TDN入湖总负荷的64.9%。弥苴河正磷酸盐入湖总负荷为224.38 kg,分别为罗时江、永安江的2.55、2.36倍,占北三江正磷酸盐入湖总负荷的55.0%。

TDP入湖负荷与正磷酸盐、硝态氮、TDN趋势相同,总体呈现弥苴河>永安江>罗时江,罗时江与永安江TDN入湖负荷差异不显著(P>0.05),与弥苴河差异显著(P<0.05)。最大入湖负荷为R3的弥苴河(120.68 kg),占同期北三江TDP入湖总负荷的64.0%;R2时弥苴河TDP入湖负荷(118.20 kg)与R3差异不大,但占同期北三江TDP入湖总负荷的69.2%。弥苴河TDP入湖总负荷为402.97 kg,分别为罗时江、永安江的2.44、2.28倍,占北三江TDP入湖总负荷的54.1%。

罗时江和永安江的COD入湖负荷差异不显著(P>0.05),与弥苴河差异显著(P<0.05)。最大入湖负荷出现在R3的弥苴河(42.38 t),分别为同期的罗时江(9.44 t)、永安江(5.86 t)的4.49、7.23倍,占同期北三江COD入湖总负荷的73.5%。弥苴河COD入湖总负荷为108.98 t,分别为罗时江、永安江的2.78、2.56倍,占北三江COD入湖总负荷的57.1%。北三江COD入湖负荷整体呈现弥苴河>罗时江>永安江。

总体上看,雨季入湖河流暴雨径流水质体现出强烈的氮、磷等营养物污染特征,对洱海水质稳定保持GB 3838—2002中Ⅱ类具有较大影响。根据流域水资源相关研究,雨季主要入湖河流径流量约占全年的84.65%,结合较高的雨季降雨径流氮、磷等营养物平均浓度,必然产生较高的营养物入湖负荷。

3 讨 论

3.1 典型入湖污染物相关关系及其影响因素

TDN、TDP、氨氮、COD之间都存在着不同程度的相关性,具体见表3至表5。在罗时江,COD与氨氮呈显著正相关、与硝态氮呈显著负相关关系。氨氮是硝化反应的重要反应物,是水体中的主要耗氧污染物。在弥苴河,降雨量与氨氮呈显著负相关、与硝态氮呈显著正相关,正磷酸盐与氨氮呈显著负相关、与硝态氮呈显著正相关。袁绍春等[28]利用SWMM模型对万州龙宝河片区的入湖径流污染物进行了探究,结果表明,低降雨强度下海绵城市设施可有效缓解径流污染,但在高强度降雨条件下海绵城市设施控制径流污染物入湖的效果随着降雨强度增加逐渐变差。这说明,降雨是影响氮磷等污染物入湖的重要因素。在永安江,COD与硝态氮呈显著负相关关系。这与洱海全流域正在推广的有机肥、粪肥替代措施有关。有机肥和粪肥施入土壤,增加了土壤中还原性物质的含量,导致氮源主要以氨氮为主,降雨后径流携带大量还原性物质入湖,导致COD升高。因此,雨季必须控制径流携带污染物入湖。

表3 2019年雨季罗时江降雨事件降雨量及典型入湖污染物各因子间相关关系1)

表4 2019年雨季弥苴河降雨事件降雨量及典型入湖污染物各因子间相关关系

表5 2019年雨季永安江降雨事件降雨量及典型入湖污染物各因子间相关关系

本研究结果表明,北三江中入湖径流量最大的为弥苴河,占北三江2019年雨季入湖径流水量的47%,氨氮、硝态氮、TDN、正磷酸盐、TDP和COD分别占北三江雨季入湖总负荷的40.5%、65.0%、55.0%、55.0%、54.1%和57.1%。吴文欢[29]在洱海流域的研究表明,北三江流域以44%的入湖径流量贡献了洱海流域25%的TDN、21%的TDP和27%的COD。这说明在整个洱海流域尺度上,弥苴河流域是洱海流域径流与入湖污染物的重要贡献来源。弥苴河流域是洱海流域最大的农业种植区,且该地区土壤侵蚀严重,雨季暴雨径流极易携带污染物入湖。

3.2 北三江污染物特征分析

总体来看,北三江2019年雨季暴雨径流水质较差,这与项颂等[30]基于2014年北三江监测数据所得出的结果一致,但本研究中罗时江、弥苴河COD属于GB 3838—2002中Ⅳ类,与其发现的COD结果不同,如上述部分有机肥的大量使用导致土壤中还原性物质增加,从而使流域水体中COD升高,首要污染物从TDN变为COD。杨桐等[31]对洱海海潮湾流域沉积物污染物的研究结果表明,海潮河湾75%的区域存在有机氮污染,65%的区域TDP污染达到中度以上。也说明了洱海流域土壤中有机物质超量赋存的情况。而郝文彬等[32]利用Peeper技术获取沉积物-水界面溶解性磷垂向分布,并计算潼湖平塘水库磷释放通量,结果表明,沉积污染物释放的磷主要来源于上覆水,也就是降雨径流入湖的水。蓝雪春等[33]认为水土流失带来的面源污染是影响水库水质的重要因素,面源污染受降雨量的影响,其中总磷流失量受降雨量的影响更大。LI等[34-35]对那辣流域暴雨事件入河颗粒态和溶解态污染物的研究结果表明,降雨会驱动径流携带侵蚀泥沙入河,增加入河湖氮磷污染物负荷,导致水体质量下降。本研究也发现,典型降雨事件下有大量的氮磷输入洱海,说明洱海流域目前还是存在着较大的面源污染风险。吴文欢等[36]运用氮氧双同位素对永安江硝酸根来源进行溯源解析的结果表明,永安江流域硝酸盐以农业面源污染来源为主,其贡献比例与河流流经村落位置及土地利用类型有关。王刚等[37]通过MixSIAR稳定同位素模型,解析了飞云江流域不同区域硝酸盐氮来源及其贡献,结果表明,飞云江流域上游地区农业种植导致的土壤和耕地侵蚀以及中下游人类活动等是入河硝酸盐的主要来源。以上研究与本研究结果相似,雨季是污染物入湖的最主要时期,雨季大量的污染物入湖导致了入湖口水体质量下降。这可能是因为洱海流域具有独特的气候和农业垦殖特征以及人为活动所致,其具有降雨量大、雨季集中、河流沿程较短、泥沙以及营养物质向洱海迁移过程较短等特征。相较于洱海西岸,洱海北三江流域人口密度低,沿岸农地、城市用地分散,林地较低,降雨后易发生侵蚀,且洱海西岸有蔬菜种植,垦殖强度较高,同时大理古城也坐落于西岸流域,污染源排放不随雨旱季变化,因此洱海北三江流域在雨季时污染物入湖量大,导致湖口水体质量下降,而海西片区则是旱季明显高于雨季。季宁宁等[38]对洱海流域悬浮颗粒物有机碳氮同位素来源特征的研究结果表明,悬浮颗粒物有机碳来源旱季以陆源C3植物为主转变为雨季以浮游植物为主(43.3%±6.1%),氮来源旱季以陆源植物为主转变为雨季以水生、浮游植物为主。在雨季径流携带大量养分入湖使水体养分浓度升高,藻类等水生植物急剧增加导致水体环境质量下降。同时,藻类等水生植物的生长快速消耗了水中的溶解氧,导致水中还原性物质增加,从而导致COD升高。李昆明等[39]对右江东笋断面溶解氧监测显示,夏季高温会限制水体中溶解氧上线,也会导致水中还原性物质增加。这说明,北三江流域的主要污染物入湖含量偏高,有易产生蓝藻水华的风险,不可忽视[40]。因此,雨季控制径流携带污染物入湖,减少还原性物质进入水体,增加水体中溶解氧含量,对防控雨季罗时江、弥苴河水质下降具有重要意义。

4 结 论

1) 2019年雨季洱海流域北三江氨氮、硝态氮、TDN、正磷酸盐和TDP入湖平均浓度达到GB 3838—2002中Ⅱ类。其中,R1下罗时江和弥苴河因COD超标水质为Ⅳ类。降雨条件下还原性物质特别是有机类污染物集中入湖,导致罗时江、弥苴河水质下降,需要引起足够重视。

2) 弥苴河是北三江径流与污染物入湖的重要贡献,雨季入湖径流量约占北三江入湖总径流量的47%;氨氮、硝态氮、TDN、正磷酸盐、TDP和COD入湖负荷分别占北三江入湖总负荷的40.5%、65.0%、55.0%、55.0%、54.1%和57.1%。

3) 雨季TDN、TDP、氨氮、COD之间都存在着不同程度的相关性。降雨是影响氮磷、还原性物质等污染物入湖的主要因素。因此,雨季控制径流携带污染物入湖,减少还原性物质进入水体,对防控雨季洱海流域北三江水质下降具有重要意义。