基于降雨事件监测的非点源污染对灞河水质的影响

秦耀民,李怀恩 (1.中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室,北京 100085；2.西安理工大学陕西省西北旱区生态水利工程重点实验室,陕西 西安 710048)

基于降雨事件监测的非点源污染对灞河水质的影响

秦耀民1,2,李怀恩2*(1.中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室,北京 100085；2.西安理工大学陕西省西北旱区生态水利工程重点实验室,陕西 西安 710048)

在对灞河马渡王水文站断面5次降雨事件过程和2次非洪水过程监测的基础上,分析了灞河流域非点源污染对灞河水质的影响.结果表明:降雨过程期间,COD、总氮、氨氮、硝氮、亚硝氮、总磷指标监测平均值均小于非洪水期监测平均值.各指标负荷输移速率随时间的变化趋势和径流量变化趋势大体相同,即先逐渐增大达到峰值,再逐渐变小;各指标浓度随时间的变化规律大致为:COD、硝氮、总氮浓度先增大后减小;亚硝氮为先减小后增大,总磷的变化规律不明显.总氮、硝氮的浓度峰和负荷输移速率峰均接近或滞后于流量峰;COD的浓度峰接近或滞后于流量峰,而负荷输移速率峰接近或超前于流量峰;总磷、氨氮的浓度峰和负荷输移速率峰均接近或超前于流量峰;而亚硝氮的浓度峰变化规律不明显,负荷输移速率峰接近或超前于流量峰.采用平均浓度法计算了各指标的非点源污染平均浓度及负荷:2009年灞河流域马渡王断面COD、总氮、氨氮、总磷的非点源污染负荷分别为8707.28,723.63,245.52,43.07t.2009年灞河流域马渡王断面NSP负荷COD、总氮、氨氮、总磷所占总负荷相应的比例分别为31.86%、32.69%、42.21%、34.42%.由此可见,非点源污染在灞河水污染中占有较大比重,其对于灞河水质的影响不容忽视.

非点源污染；灞河；降雨事件监测；非点源污染负荷；非点源比例

目前,我国的许多主要流域,非点源污染已经超过了点源污染,成为威胁水环境质量的重要因素之一[1-3].从全球范围来看,30%～50%的地球表面已受到面源污染的影响[4],农业非点源污染已经成为美国河流和湖泊污染的第一大污染源[5],欧洲国家也得出相似的结论,Flipo等[6]证实虽然通过加强点源排放的污水处理能力,欧洲国家的水质得到了很大改善,但来自农业面源的污染仍然是个很大的问题,奥地利北部地区进入水环境的非点源氮量远比点源大,丹麦270条河流94%的氮负荷、52%的磷负荷由非点源污染引进[7],荷兰农业非点源提供的总氮、总磷分别占水环境污染的60%和40%～50%[8].我国也存在严重的非点源污染,由于我国农业对于化肥施用的依赖性很高,大量的施肥导致的面源污染的产生对于地表水环境具有极大的威胁.密云水库污染年总负荷量中,TN的66%、TP的86%来自于非点源污染[9].《2011年中国环境状况公报》[10]显示,我国河流地表水有近 40%的国控断面水质达到或超过了Ⅳ类,其中劣Ⅴ类占到总断面的 13.7%.由此可见,要从根本上改善流域及其周围受纳水体的水质,除对工业废水、生活污水进行集中处理外,还必须对形成非点源污染的降雨径流进行控制管理乃至处理[11-13].

国内外已经意识到非点源污染的严重性,并通过广泛采取监测与模型相结合的方法进行了研究[14-20],并根据研究对非点源污染进行了治理.但是,因降雨给野外调研和野外观测仪器带来的严峻挑战,目前有关河流非点源污染监测大都局限于月甚至一年中几次野外采样和实验频率,对于单一降雨事件,尤其是暴雨事件监测的较少,无法采集到代表降雨事件的特征样品,并且对于点源与非点源的分割仍然是个难题.本文为提高非点源污染负荷估算的精度,采用降雨事件内过程监测与平均浓度理论相结合的综合方法,依据灞河流域马渡王水文站断面洪水期 5场暴雨径流过程的水质水量同步监测数据,对其降雨事件过程污染特征进行了分析,以平均浓度法[21]为基础,定量研究灞河非点源污染负荷在总负荷中所占比重,为考虑非点源污染在内的灞河水污染控制规划方案、灞河水环境质量的恢复与改善提供科学依据.

1 材料与方法

1.1 研究区概况

灞河为渭河一级支流,发源于秦岭北麓的蓝田、渭南、华县交界处的箭峪岭南九道沟,由南向北流.上游主要支流有清峪河、峒峪河、道沟峪、流峪河、兰桥河、辋川河,在下游灞桥区光大门村纳入较大支流浐河后,向北流约10km于灞桥区三郎村汇入渭河(图 1).多年平均含沙量为 5.4kg/m3,多年平均输沙量为286万t.河流全长104km,流域面积2581km2(其中浐河流域面积760km2),涉及未央区、新城区、雁塔区、灞桥区、长安区、蓝田县,其污染直接影响着西安市的水环境质量.

图1 灞河流域示意Fig.1 The Bahe river watershed

1.2 监测分析方法

1.2.1 水样采集 2009年6月至12月,对灞河马渡王水文站断面5次降雨过程,包括较大、小降雨各2次,分别为09-08-28、09-09-19和09-08-03、09-08-22,一般降雨1次为09-09-13,进行了水质水量同步监测[22].降雨过程测流取样控制了整个洪水涨落过程,取样分别位于洪水过程的起涨段、峰顶段和退水段,其中起涨段采2次样,峰顶段采1次样,退水段采2次样.各场洪水流量情况见表1.为与洪水期水质进行对照和分割每场洪水的非点源污染量,还在非洪水期(平时)进行了 2次(09-11-29,09-12-18)水质水量同步监测.非洪水期在连续几日水位基本无变化且水位较低(尽可能接近于基流)的情况下,每次进行24h连续采样,每隔4h采样一次.本次监测工作共采集了五次降雨过程的水样,包括了大、中、小降雨.在可能的情况下,监测的降雨过程越多,降雨越典型(包括大、中、小降雨),估算的非点源污染负荷量越准确.

采样断面位于马渡王水文站基本断面.在采样断面上沿河宽方向取左、右2条垂线,左、右垂线设在河道中有明显水流处,分别离岸边10m左右,各采样垂线上的采样数为 2个.将每次各采样点采集的水样先进行混合,再均匀分装在3个采样桶内,即每次采样对应3个采样桶,其中,第1个采样桶不添加任何保存药剂;第 2个采样桶加入 H2SO4酸化至pH≤2;第3个采样桶加入NaOH和H2SO4调pH=7.

1.2.2 分析方法 监测项目包括流量、COD、总磷 TP、氨氮 NH3-N、亚硝氮 NO2--N、硝氮-N、总氮 TN.按照地表水环境质量标准(GB3838-2002)[23]和环境保护行业标准地表水监测技术规范[24-26],上清液由原状水静置 30min后,用虹吸法于液面下5cm处向上吸取澄清水得到.其中,化学需氧量采用微波密封消解法测定,总氮用碱性过硫酸钾氧化-紫外分光光度法测定,总磷用过硫酸钾氧化-钼锑抗比色法测定,氨氮的分析采用纳氏试剂光度法,硝氮采用酚二璜酸光度法,亚硝氮采用N-(1-萘基)—乙二胺光度法,总磷采用钼锑抗分光光度法.各样品均进行平行样分析.

2 结果与讨论

2.1 降雨过程与非洪水期流量特征

从表 1可以看出,灞河洪峰流量与汛期径流量的变化基本一致,即水量多洪峰大,水量少洪峰小的特点.灞河流域洪水期洪峰一般在涨水后24h内形成,历时较短,而洪峰退水时间一般在48h之后,相对于涨水过程历时相对较长.2009年灞河流域洪峰最大值出现在8月29日,洪峰流量达到了610m3/s.

表1 2009年洪水洪峰流量Table 1 Peaks flow for floods in 2009

非洪水期和洪水期流量变化相对标准偏差RSD(变差系数)如表2所示.

表2 非洪水期和洪水期流量变化相对标准偏差Table 2 Relative standard deviation(RSD)of flow variation in non-flood and flood period

表2可以看出,非洪水期的流量变化幅度不大,平均 RSD为 0.01,基本趋于稳定.各场洪水的流量变化幅度较为明显,平均 RSD 为 0.92.洪水期的流量变化幅度远远高于非洪水期的流量变化幅度,其RSD为非洪水期的92倍.

2.2 降雨过程与非洪水期污染特征

2.2.1 降雨过程暴雨径流污染特征 灞河流域2009年水质监测情况见表3.其中洪水期平均浓度是以各场洪水径流量为权重,对各污染物的 5场洪水浓度进行加权平均得到.各污染物非洪水期平均浓度是考虑非洪水期每次24h监测流量较为稳定,先求出每次监测各污染物的算术平均值,再以 2次监测的流量为权重,对各污染物的2次监测的算术平均值加权平均得到的.

由表 3可以看出,洪水期各指标的浓度值均小于非洪水期各指标的浓度,总氮、COD、硝氮、亚硝氮、总磷、氨氮浓度洪水期的加权平均值分别为非洪水期平均值的0.60、0.57、0.32、0.63、 0.65、0.90倍.

表3 洪水期与非洪水期各指标平均浓度Table 3 Mean concentration of non-flood and flood period

由以上可知,非洪水期的平均浓度远大于洪水期的平均浓度,这可能是受非汛期点源污染排放严重的影响所致.洪水期的浓度主要受流域内土壤类型、土地利用类型、化肥施用情况等因素影响,降水径流挟带表层土壤进入河流的过程中,除将土壤中化肥、农药等污染物带入河流中外,还将土壤中大量天然有机质(大部分是腐殖质)带入到河流中,天然有机质对水体 COD、N、P的贡献均较大,但是由于洪水期的径流量较大,从而使洪水期各指标的浓度因稀释而偏低.

2.2.2 降雨过程各指标浓度变化及污染负荷输移速率变化特征 洪水期各指标浓度和负荷输移速率随时间的变化如图 2所示.限于篇幅,本文只列举了 09-09-19洪水期的浓度和负荷输移速率随时间的变化,各场洪水各指标的浓度峰、负荷输移速率峰与流量峰的到达时间关系见表4.

通过对各场降雨进行统计分析可以看出,各指标负荷输移速率随时间的变化趋势和径流量变化趋势大体相同,即先逐渐增大达到峰值,再逐渐变小.在洪水过程中,各指标浓度随时间的变化规律大致为:COD、硝氮、总氮浓度先增大后减小;亚硝氮为先减小后增大;总磷的变化规律不明显.一般情况下,由于地表径流的初期效应[27](即在径流初期,与初期径流量不成比例的、大部分的污染物被冲刷进入地表水体的现象),在洪水初期,暴雨径流中污染物浓度大于基流中污染物浓度,监测断面污染物浓度一般先增大再逐渐变小,随着冲刷作用的影响,带动了污染物质的运动,浓度有所下降,污染物随降水径流过程变化的总体趋势为初期径流污染物浓度很高,随降水历时的延长,污染物浓度逐渐下降并趋于稳定,初期降水径流危害较大.而硝氮、氨氮的浓度为先减小后增大,可能与洪水初期暴雨径流中该污染物浓度低于基流浓度有关(点源排放严重使基流浓度增大).

由表 4可以看出,总氮、硝氮的浓度峰和负荷输移速率峰均接近或滞后于流量峰;COD的浓度峰接近或滞后于流量峰,而负荷输移速率峰接近或超前于流量峰;总磷、氨氮的浓度峰和负荷输移速率峰均接近或超前于流量峰;而亚硝氮的浓度峰变化规律不明显,负荷输移速率峰接近或超前于流量峰.总磷、氨氮指标浓度峰和负荷输移速率峰都超前于流量峰,这可能是由于地表径流的初期效应,溶解态污染物在径流初期首先被溶出并随水流大量携带到监测断面所致;总氮、硝氮指标测定值受泥沙影响较大,即以吸附态为主,其浓度峰和负荷输移速率峰接近或滞后于流量峰,这可能是由于泥沙和水分属两相,泥相较水相运动滞后所致.COD的浓度峰接近或滞后于流量峰,而负荷输移速率峰接近或超前于流量峰,这可能与泥沙中COD的释放速率有关.

2.2.3 非洪水期污染特征 非洪水期监测的各指标浓度与流量变化过程见图 3,限于篇幅,本文只列举了 09-11-29非洪水期的浓度随时间的变化.

由图 3可看出,非洪水期各指标的浓度变化并非像流量那样较为稳定,而是随时间的变化而变化,其中总磷的变化较为平缓,其,他指标变化幅度较大.这可能是由于马渡王断面以上农村城镇生活污水、养殖废水点源、工业污水点源排放规律的影响所致.

图2 洪水期浓度、负荷输移速率与流量变化过程Fig.2 Concentration, load transport rate and flow processes of flood period

表4 浓度峰、负荷输移速率峰与流量峰的时间关系Table 4 Time relation between peaks of concentration and total load of every index and flow

图3 非洪水期各指标浓度与流量变化Fig.3 The concentration and flow processes of non-flood period

由表 5可以看出,各指标非洪水期浓度变化总体上小于洪水期浓度变化,除了总氮指标非洪水期的RSD高于洪水期的RSD,其他指标洪水期的RSD均高于非洪水期的RSD,非洪水期各指标水质变化幅度相对于洪水期各指标水质变化幅度较为平稳.洪水期浓度变化最小的为总氮,RSD为 0.18;浓度变化最大的为亚硝氮,RSD为 0.69;非洪水期浓度变化最小的为总磷,RSD为 0.19;浓度变化最大的为正磷,RSD为0.38.

表5 非洪水期和洪水期水质变化相对标准偏差Table 5 Relative standard deviation(RSD)of water quality variation in non-flood and flood period

2.3 非点源污染负荷及比重计算

在监测数据的基础上,采用平均浓度法计算年非点源污染负荷,得出非点源负荷占重负荷的比重,灞河流域2009年非点源污染计算的结果见表6.

表6 2009年灞河流域非点源与点源污染负荷Table 6 Non-point source pollution load and point source pollution load of Bahe river watershed of 2009

由表6可以看出,2009年灞河流域非点源污染主要来自于COD、总氮指标,其污染负荷分别为8707.28、723.63t.根据监测值所计算的非点源污染负荷可认为是某次洪水带来的非点源污染总负荷,对于衡量某次洪水所带来的总的污染具有参考价值.考虑较大颗粒的泥沙在随水流运动的过程中会沉降到河底,从而导致水中实际污染物浓度和污染物负荷的降低,在渭河天然水环境条件下,沉降泥沙本底固有成分及其所吸附的外来污染物不易被解吸出来,不会对环境构成明显危害[28],因此依据以上监测值所计算的非点源污染负荷可作为某次洪水带来的“有效”非点源污染量,可用作水污染控制规划与方案中非点源污染控制的依据.

2009年灞河流域各指标非点源负荷所占比重均低于点源负荷所占比重,COD、总氮、氨氮、总磷所占总负荷相应的比例分别为 31.86%、32.69%、42.21%、34.42%,各指标非点源污染负荷占总负荷的比例均在 30%以上,其中氨氮更是达到了 42.21%.由此可见,非点源污染在灞河水污染中占较大比重,其对渭河水质的影响不容忽视,必须采取控制措施对其进行治理,例如可采取土地利用结构调整、水保措施和控制化肥施用水平等非点源污染控制措施,实现流域内全方位非点源污染物的控制.

3 结论

3.1 降雨过程期间COD、总氮、氨氮、硝氮、亚硝氮和总磷等指标监测值都小于平时监测值.各指标负荷输移速率随时间的变化趋势和径流量变化趋势大体相同,即先逐渐增大达到峰值,再逐渐变小.在洪水过程中,各指标浓度随时间的变化规律大致为:COD、硝氮、总氮浓度先增大后减小;亚硝氮为先减小后增大;总磷变化规律不明显.

3.2 总氮、硝氮的浓度峰和负荷输移速率峰均接近或滞后于流量峰;COD的浓度峰接近或滞后于流量峰,而负荷输移速率峰接近或超前于流量峰;总磷、氨氮的浓度峰和负荷输移速率峰均接近或超前于流量峰;而亚硝氮的浓度峰变化规律不明显,负荷输移速率峰接近或超前于流量峰.

3.3 采用平均浓度法计算了各指标的非点源污染平均浓度及负荷:2009年灞河流域马渡王断面COD、总氮、氨氮、总磷的非点源污染负荷分别为8707.28,723.63,245.52,43.07t.

3.4 2009年灞河流域马渡王断面 NSP负荷COD、总氮、氨氮、总磷所占总负荷相应的比例分别为 31.86%、32.69%、42.21%、34.42%.由此可见,非点源污染在灞河水污染中占较大比重,其对灞河水质的影响不容忽视.

[1]Dowd B M, Press D, Huertos M L. Agricultural nonpoint source water pollution policy: The case of California’s Central Coast [J].Agriculture. Ecosystem and Environment, 2008,128(3):151-161.

[2]Tenkorang F, Lowenberg DeBoer J. Forecasting long-term global fertilizer demand [J]. Nutrient Cycling in Agroecosystems, 2009,83(3):233-247.

[3]贺瑞敏,张建云,陆桂华.我国非点源污染研究进展与发展趋势[J]. 水文, 2005,25(4):10-13.

[4]崔 键,马友华,赵艳萍,等.农业面源污染的特性及防治对策[J]. 中国农学通报, 2006,22(1):335-340.

[5]US Environmental Protection Agency. Non-Point Source Pollution from Agriculture [EB/OL]. http://www.epa.gov/region8/water/nps/npsag.html, 2003.

[6]Flipo N, Jeannee N, Poulin M, et al. Assessment of nitrate pollution in the Grand Morin aquifers (France): Combined use of geostatistics and physically based modeling [J]. Environmental Pollution, 2007,146(1):241-256.

[7]Kronvang B, Graesbøll P, Larsen S E, et al.Diffuse Nutrient Losses in Denmark [J]. Water Sci. Technol. (GB.), 1996:33-81.

[8]Boers P C M. Nutrient Emission from Agriculture in the Netherlands: Causes and Remedies [J]. Water Sci. Technol. (G B.),1996:33-183.

[9]鲍全盛,曹利军.密云水库非点源污染负荷评价研究 [J]. 水资源保护, 1997,(1):8-11.

[10]中华人民共和国环境保护部.《2011年中国环境状况公报》[Z].2012.

[11]朱 梅.海河流域农业非点源污染负荷估算与评价研究 [D].北京:中国农业科学院, 2011.

[12]孟 伟.流域水污染物总量控制技术与示范 [M]. 北京:中国环境科学出版社, 2008.

[13]Brady D J. Managing the water program [J]. Journal of Environment Engineering, 2004,130(6):591-593.

[14]李强坤,李怀恩,胡亚伟,等.黄河干流潼关断面非点源污染负荷估算 [J]. 水科学进展, 2008,19(4):460-466.

[15]李家科,李怀恩,沈 冰,等.渭河干流典型断面非点源污染监测与负荷估算 [J]. 水科学进展, 2011,22(6):818-828.

[16]王慧亮,李叙勇,解 莹.多模型方法在非点源污染负荷中的应用展望 [J]. 水科学进展, 2011,22(5):727-732.

[17]陈 莹,赵剑强,胡 博.西安市城市主干道路面径流污染特征研究 [J]. 中国环境科学, 2011,31(5):781-788.

[18]王 晓,郝芳华,张 璇.丹江口水库流域非点源污染的最佳管理措施优选 [J]. 中国环境科学, 2013,33(7):1335-1343.

[19]孙丽娜,卢文喜,杨青春,等.东辽河流域土地利用变化对非点源污染的影响研究 [J]. 中国环境科学, 2013,33(8):1459-1467.

[20]邱 斌,李萍萍,钟晨宇,等.海河流域农村非点源污染现状及空间特征分析 [J]. 中国环境科学, 2012,32(3):564-570.

[21]李怀恩.估算非点源污染负荷的平均浓度法及其应用 [J]. 环境科学学报, 2000,20(4):397-400.

[22]吴喜军,李怀恩,李家科,等.基于非点源污染的水质监测方案研究 [J]. 环境科学, 2013,34(6):2146-2150.

[23]GB3838-2002 地表水环境质量标准 [S].

[24]HJ/T91-2002 地表水和污水监测技术规范(a)[S].

[25]HJ/T91-2002 地表水和污水监测技术规范(b)[S].

[26]HJ/T91-2002 地表水和污水监测技术规范(c)[S].

[27]赵剑强.城市地表径流污染与控制 [M]. 北京:中国环境科学出版社, 2002.

[28]胡国华,赵沛伦,肖翔群.黄河泥沙特性及对水环境的影响 [J].水利水电技术, 2004,35(8):17-20.

Impact of nonpoint source pollution on water quality of the Bahe River based on rainfall events monitor.

QIN Yao-min1,2, LI Huai-en2*(1.State Key Laboratory of Urban and Regional Ecology, Research Center for Eco-Environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100085, China；2.State Key Laboratory of Eco-Hydraulic Engineering in Shaanxi, Xi’an University of Technology, Xi’an 710048, China). China Environmental Science,2014,34(5)：1173～1180

Based on the 5 rainfall processes and 2normal discharge events monitored from July to December in 2009at the Ma du-wang section on the Bahe River, impact of nonpoint source pollution (NPS) on water quality of the Bahe River was analyzed. The results indicate that: (1) concentrations of COD, TN, NH3-N, NO3--N,-N and TP in the rainfall processes were lower than those in normal discharge events. (2)The load transport rate of each pollutant gradually increased up to peak value and then started to drop, which was in accordance with the process of flow change.Concentrations of COD, NO3--N and TN increased initially and then decreased, while those of NH3-N and-N decreased first and then increased, change pattern for concentration of TP was not obvious. The peaks of concentration and load transport rate of TN and NO3--N occurred either close or behind the flow peak, while those for TP and NH3-N in the opposite trend. COD concentration peaked close or behind the flow peak, but its load transport rate peaked prior to the flow peak. Changes for NO2--N concentration werenot obvious and its load transport rate peak was close or prior to the flow peak. (3)The estimation of NPS pollution load by mean concentration method indicated that NPS pollution load of COD, TP, TN and NH3-N of the Bahe River in the year of 2009were 8707.28t, 43.07t, 723.63t and 245.52t. (4)The NPS pollution load proportions of COD, TP, TN and NH3-N of the Bahe River in the year of 2009 were 31.86%, 34.42%,32.69% and 42.21%. Therefore, NPS pollution accounted for a large proportion of the total pollution loads of the Bahe River, which shouldn’t be ignored.

nonpoint source pollution；the Bahe River；rainfall events monitoring；NPS load；NPS proportion

X522

A

1000-6923(2014)05-1173-08

2013-09-12

国家重大水专项(2009ZX07212-002-005,2012ZX07203-002)

* 责任作者, 教授, huaienl@yahoo.com

book=34,ebook=123

秦耀民(1976-),男,陕西西安人,博士,主要从事非点源污染方面的研究.发表论文8篇.