邛海主要入湖河流氮、磷入湖污染负荷特征研究*

冉 蛟 向 蓉,2 肖克彦

(1.中国环境科学研究院湖泊水污染治理与生态修复技术国家工程实验室,北京 100012;2.清华大学环境学院,北京 100084;3.西昌市生态环境监测站,四川 凉山 615000)

暴雨径流冲刷流域地表产生的面源污染负荷与人类活动排放的点源污染负荷是湖泊主要的外源污染[1],其中氮、磷是导致湖泊富营养化的重要因素[2]。由于点源、面源污染负荷的来源与迁移特征存在差异,往往需要对其分别识别后采取针对性治理措施[3]。随着点源污染逐渐被削减,面源污染正在成为湖泊富营养化的重要外源污染形式[4]。在日本,面源污染负荷对水污染的贡献率超过了一半[5];在欧美国家,面源污染也已是内陆水体的首要污染源[6]。在国内,面源污染对太湖流域氮、磷污染负荷的贡献率分别高达83%、84%[7];2018年洱海的化学需氧量(COD)、总氮(TN)、总磷(TP)入湖负荷中分别至少有11 188.20、2 752.56、259.33 t 来自面源污染[8]。因此,同时开展流域点源、面源入湖污染负荷估算对流域水环境污染防治与湖泊富营养化修复具有重要意义。

排污系数法、模型法、水文分割法是目前污染负荷的主要估算方法[9]91,[10]2867,[11]126。排污系数法对数据要求较低,应用性强,但实际上只是计算了流域面源污染负荷的产生量,并不能代表实际的入湖污染负荷[9]91。模型法理论上可以得到较为准确的入湖污染负荷结果,但需要精确的水质、水量同步观测数据[10]2866。在具备水文水质监测资料时,水文分割法是估算入湖污染负荷组成与来源的重要方法[11]125,[12]。然而,我国绝大多数的入湖河流常常会因缺乏准确的水量观测数据而难以准确估算入湖污染负荷。

邛海是云贵高原面积大于25 km2的11个天然湖泊之一,也是四川省第二大淡水湖泊[13]。鹅掌河、官坝河与小青河是邛海的3条主要入湖河流,流域面积分别为50.14、121.60、6.38 km2。3条入湖河流均有开展每月1次的断面水质监测,但缺乏定期的水量监测,因此难以对其准确估算入湖污染负荷。本研究结合水文比拟法与水文分割法估算邛海主要入湖河流氮、磷入湖污染负荷,为邛海富营养化治理提供依据,也为其他水文资料缺乏的流域估算污染负荷提供方法借鉴。

1 材料与方法

1.1 研究方法

1.1.1 入湖径流量与入湖污染负荷计算

在缺乏水量数据的情况下,入湖径流量成了估算入湖污染负荷的关键。根据流域间自然地理与水文特征的相似性,可借助参证断面的降雨产流过程,应用水文比拟法并考虑面积修正来估算研究断面每次监测的入湖径流量,计算公式为:

(1)

式中:Qs,i、Qc,i分别为第i次监测的研究断面、参证断面入湖径流量,m3/s;Fs、Fc分别为研究断面、参证断面控制的流域面积,m2。

然后基于入湖径流量与污染物浓度计算入湖污染负荷量,公式为:

Wi=Ci×Qs,i×Δti

(2)

式中:Wi为第i次监测的入湖污染负荷量,g;Ci为第i次监测的污染物质量浓度,mg/L;Δti为第i次监测到下一次监测的时间间隔,s,本研究为1个月,取30 d,即2 592 000 s。

1.1.2 入湖径流量与入湖污染负荷组成分割

解析入湖点源、面源污染负荷贡献比,需要对入湖径流量与入湖污染负荷进行分割处理。水文分割法可将入湖径流量分割为暴雨径流量与基流量[14],但实际应用时准确划分径流组成比较困难,因此一般将入湖径流量分割为地表径流量与基流量[15]。直线分割法是目前国内外已提出并应用的水文分割法之一[16]。采用直线分割法将每次监测的入湖径流量分割为地表径流量(Qa,i,m3/s)与基流量(Qb,i,m3/s),基流量可进一步分割为点源流量(Qc,i,m3/s)与河道背景流量(Qd,i,m3/s)。分别将每次监测的地表径流量、点源流量与河道背景流量代入式(2)可计算得到每次监测的面源污染负荷量(Wa,i,g)、点源污染负荷量(Wc,i,g)与背景负荷量(Wd,i,g)。

1.2 数据来源

邛海3条主要入湖河流(鹅掌河、官坝河与小青河)2019—2020年的逐月水质数据来源于西昌市生态环境监测站。海河流域面积约780 km2,是邛海唯一的出湖河道,其流域下垫面、水文气象等自然条件与邛海及其3条主要入湖河流子流域相似,因此本研究以邛海下游8 km处的海河断面袁家山水文站作为参证断面。参证断面水文资料来源于袁家山水文站。

2 结果与分析

2.1 河流入湖径流估算结果

2019—2020年鹅掌河、官坝河与小青河每年的入湖径流量、地表径流量、点源流量与河道背景流量计算结果如表1所示。鹅掌河、官坝河与小青河的入湖径流量2019—2020两年均值分别为2.19×107、5.31×107、2.94×106m3/a ;通过水文分割得到地表径流量均值分别为1.87×107、4.52×107、2.51×106m3/a;点源流量均值分别为1.77×106、4.29×106、2.38×105m3/a;河道背景流量均值分别为1.47×106、3.56×106、1.98×105m3/a。2020年3条河流的径流量均高于2019年。

2.2 入湖污染负荷计算结果

邛海3条主要入湖河流鹅掌河、官坝河与小青河的总氮、总磷月均浓度在雨季显著高于旱季,说明暴雨径流携带大量面源污染。通过计算得到,鹅掌河、官坝河与小青河汇入邛海的2019年总氮入湖负荷量分别为14.09、69.86、2.99 t,总磷入湖负荷量分别为499.49、3 451.40、124.71 kg;2020年总氮入湖负荷量分别为20.13、145.03、3.89 t,总磷入湖负荷量分别为837.17、7 384.34、150.11 kg。2019—2020年邛海3条主要入湖河流入湖污染负荷量月变化如图1所示,总氮、总磷入湖污染负荷主要集中在6—11月,分别占全年总量的83.34%～91.22%、88.52%～93.45%;空间分布上,总氮、总磷入湖污染负荷量都表现为官坝河>鹅掌河>小青河。

图1 2019—2020年鹅掌河、官坝河与小青河总氮、总磷入湖污染负荷量月变化Fig.1 Monthly variation of inflow pollution loads of total nitrogen and total phosphorus into the lake from Ezhang River,Guanba River and Xiaoqing River from 2019 to 2020

2.3 入湖污染负荷组成分割结果

由表2可见,2019—2020年鹅掌河、官坝河与小青河分别累计向邛海输入总氮面源负荷量26 080、165 890、5 560 kg,总磷面源负荷量1 055.51、9 252.66、216.05 kg;分别累计向邛海输入总氮点源负荷量6 480、33 760、900 kg,总磷点源负荷量173.75、887.14、34.61 kg;累计总氮背景负荷量分别为1 660、15 240、420 kg,总磷背景负荷量为107.40、695.94、24.16 kg。由此可见,2019—2020年,面源污染是邛海入湖污染负荷的主要来源,3条主要入湖河流的面源污染负荷均远高于点源与背景负荷。鹅掌河、官坝河与小青河总氮面源污染负荷量平均分别占入湖污染负荷量的77.04%、74.48%、81.02%,总磷面源污染负荷量平均分别占入湖污染负荷量的79.14%、84.39%、78.78%。

表2 2019—2020年鹅掌河、官坝河与小青河入湖污染负荷水文分割结果Table 2 Hydrological segmentation results of pollution loads in Ezhang River,Guanba River and Xiaoqing River from 2019 to 2020

3 讨 论

3.1 入湖污染负荷特征及其驱动因素

邛海主要入湖河流入湖污染负荷主要集中在雨季,分析发现雨季的总氮、总磷入湖污染负荷分别占88.73%、90.38%。地表径流是污染物进入邛海的重要驱动力。邛海流域土壤富含的氮、磷污染物在径流的强烈冲刷下进入河道,导致雨季入湖污染负荷急剧增加[17-18]。入湖径流量受降雨时空分布影响显著,2019—2020年邛海约90%的降雨集中在5—10月,但由于产流及污染过程滞后于降雨过程,因此入湖污染负荷集中在6—11月,相差约1个月,但邛海总氮、总磷入湖污染负荷量与入湖径流量仍在0.01置信水平上相关,相关系数为0.71～0.95。因此,降雨能够通过影响污染物浓度与入湖径流量而决定入湖污染负荷量[19]。

径流的冲刷与淋溶是产生面源污染的主要外因[20],而流域土地利用方式是形成面源污染的实质条件[21]。土地利用方式能够深刻影响流域污染过程,不合理的土地利用往往是形成流域面源污染的主导因素[22-23]。鹅掌河与小青河流域的主要土地利用方式是山区林地,但河道两岸仍有较为密集的农村居住地与耕地,所以还是有很大的面源污染负荷存在,这2条河的总氮、总磷入湖污染负荷贡献率均在80%左右。官坝河流经邛海流域的主要种植区,流域内耕地面积大,施肥率高,使得总磷入湖污染负荷尤高。此外,官坝河子流域还是邛海流域主要的农村居住地,人口较为密集,因此点源污染负荷在枯水期较为突出。总体上,面源污染负荷量对邛海的入湖污染负荷量贡献率显著高于点源,因此应当重视邛海面源污染治理。

3.2 入湖污染负荷总量及其组成分割结果的误差分析

精准的水量、水质同步监测数据是入湖污染负荷准确核算的基础[24]。水文比拟法的前提是流域下垫面条件相似,所以为提高入湖径流量计算结果的精确性与可靠性,往往需要引入参数对水文比拟法进行修正。周彦龙等[25]引入流域面积与降雨量修正水文比拟法发现,修正后计算结果精度提高。本研究选取的参证流域(海河流域)与邛海流域下垫面和气象条件相似,选取的参证断面袁家山水文站位于邛海流域下游8 km处,能基本反映研究流域的水文特征,同时还引入了流域面积进行参数修正。计算污染负荷所需的水质数据严格来讲应是能够反映水质变化过程的污染物浓度实时监测数据,但由于受限于实际条件,目前诸多研究以月度水质数据为污染负荷核算基础。本研究也是基于2019—2020年鹅掌河、官坝河与小青河逐月水质数据开展入湖污染负荷核算,并进行误差修正,结果比较符合流域实际情况。

在干湿季分明的小流域,旱季河道地表径流可忽略不计,因此旱季主要污染负荷可视为流域点源污染负荷与背景负荷的叠加。在雨季,流域内暴雨径流特征显著,河道基流与地表径流可通过水文分割得到精准划分。因而,在干湿季分明的入湖小流域,水文比拟法和水文分割法结合具有较好的适用性,核算的污染负荷组成结果比较可靠。2019—2020年,邛海流域雨季降雨量约占全年总量的90%,暴雨径流特征十分显著,因此本研究估算的邛海主要入湖河流点源污染负荷和面源污染负荷组成结果可靠。

4 总 结

(1) 2019—2020年鹅掌河、官坝河与小青河携带进入邛海的总氮污染负荷量累计分别为34.22、214.89、6.88 t,总磷污染负荷量累计分别为1 336.66、10 835.74、274.82 kg,雨季的污染负荷显著高于旱季。面源污染是邛海主要入湖河流污染负荷的首要来源,总氮、总磷面源负荷分别占入湖污染负荷的74.48%～81.02%、78.78%～84.39%。

(2) 降雨量、土地利用方式等是影响邛海主要入湖河流入湖径流量与入湖污染负荷的重要因素。污染负荷量与入湖径流量年内分布基本一致,雨季大于旱季;官坝河子流域流域面积最大,人类开发强度大,入湖污染负荷量也显著高于鹅掌河与小青河。

(3) 水文比拟法与水文分割法相结合的方法可以很好地计算水文资料缺乏的邛海主要入湖河流子流域污染负荷量及组成。