美國(guó)工程兵師團(tuán)對(duì)堪薩斯管區(qū)內(nèi)水庫中阿特拉津的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)

孫小利

（中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京 100048）

1 概述

阿特拉津 （Atrazine）是在美國(guó)中西部和南方農(nóng)業(yè)區(qū)應(yīng)用最為廣泛的化學(xué)除草劑。阿特拉津在表土中的半衰期為60天，但溶入水中后，取決于不同的條件，半衰期將明顯延長(zhǎng)［1、2］。在農(nóng)作物生長(zhǎng)期一遇暴雨，土壤中阿特拉津的殘余部分隨著生成的地表徑流，通過溪流進(jìn)入水庫，給水庫水質(zhì)帶來污染。盡管進(jìn)入水庫的量相對(duì)水庫的水量是很小的，一般為微量 （μg／L）級(jí)。美國(guó)、歐共體和我國(guó)均把它內(nèi)分泌干擾劑化合物名單。美國(guó)環(huán)保署（EPA）規(guī)定自來水中阿特拉津的含量不得超過3μg／L。EPA1992年頒布了 《阿特拉津標(biāo)注使用限制 （ATRAZINE LABEL RESTRICTIONS）》［3］，對(duì)阿特拉津的農(nóng)田施用進(jìn)行指導(dǎo)。盡管水庫水體中阿特拉津含量較低，但經(jīng)過最近的科學(xué)實(shí)驗(yàn)［4］表明：在阿特拉津濃度為2.5μg／L的污染水中生長(zhǎng)的雄性青蛙，其中有10%在成熟后，出現(xiàn)了雌性化的特征。盡管沒有對(duì)人類的針對(duì)性實(shí)驗(yàn)，但對(duì)農(nóng)業(yè)區(qū)受阿特拉津影響的人群進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。2009年的一項(xiàng)調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)：在懷孕期間受到阿特拉津影響的新生嬰兒的體重有所降低。調(diào)查了出生在印第安納州的24000個(gè)新生嬰兒，并且追蹤了每一嬰兒母親懷孕期間生活地區(qū)的供水系統(tǒng)。調(diào)查發(fā)現(xiàn)使用較高阿特拉津濃度 （0.7μg／L）的自來水孕婦的出生兒的體重要比使用較低阿特拉津濃度（0.3μg／L）的自來水孕婦的出生兒的體重要低。并且這些低體重新生兒患先天性心血管病和糖尿病的幾率變高。另一項(xiàng)研究，在全美分析了3000萬出生兒，研究報(bào)告中表明：在4～6月懷孕的母親，由于當(dāng)時(shí)水源水體中阿特拉津出現(xiàn)的最高濃度，增加了其出生兒患先天性缺陷的風(fēng)險(xiǎn)［4］。

阿特拉津?qū)τ谵r(nóng)業(yè)區(qū)地表水的污染是屬于非點(diǎn)源污染，防治這種污染的有效性往往受人為和多種自然因素的影響，因此長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)是十分必要的。在美國(guó)，對(duì)于具有供水功能的水庫，阿特拉津的監(jiān)測(cè)已成為常態(tài)，并要求對(duì)飲水系統(tǒng)每年檢測(cè)4次［4］。美國(guó)工程兵師團(tuán)堪薩斯管區(qū)對(duì)堪薩斯城西北部（NWK）堪薩斯州和密蘇里州的18水庫進(jìn)行了連續(xù)數(shù)十年的水文和水質(zhì)監(jiān)測(cè)和分析［5］。這些監(jiān)測(cè)每年進(jìn)行4次，主要集中在4～9月。這些監(jiān)測(cè)包括了阿特拉津濃度的檢測(cè)。這些水庫的用途都是多功能的，其用途包括：洪水控制、供水、娛樂、維護(hù)水質(zhì)、養(yǎng)魚、發(fā)電和補(bǔ)充下游河流流量。

2 美國(guó)工程兵師團(tuán)堪薩斯管區(qū)水庫阿特拉津污染的監(jiān)測(cè)結(jié)果

美國(guó)工程兵師團(tuán)堪薩斯管區(qū)根據(jù)師團(tuán)工程規(guī)范――師團(tuán)土木工程項(xiàng)目的水質(zhì)和環(huán)境管理 （ER 1110－2－8154，1995），實(shí)施了 《水質(zhì)規(guī)劃》。鑒于治理非點(diǎn)源污染地表水水質(zhì)問題的復(fù)雜性，對(duì)管區(qū)內(nèi)的水庫進(jìn)行長(zhǎng)期連續(xù)監(jiān)測(cè)是實(shí)施 《水質(zhì)規(guī)劃》所必需的。《水質(zhì)規(guī)劃》要求提出地表水控制規(guī)劃中的水質(zhì)管理目標(biāo)每十年要進(jìn)行一次審查和修訂，以驗(yàn)證措施的有效性，以及確定需要進(jìn)一步采取的措施［5］。本文所涉及的18座水庫監(jiān)測(cè)時(shí)段為1996～2006年。

對(duì)于阿特拉津在水庫中的測(cè)點(diǎn)基本布置方式為： （1）在水庫主流和支流入口處設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)；（2）在水庫的水體中；（3）在水壩前；（4）在水庫的出流處。經(jīng)過10年的監(jiān)測(cè)，現(xiàn)將14座有一定庫容的水庫監(jiān)測(cè)資料列入表1，在其中10個(gè)水庫的水樣中測(cè)出了上游來水中阿特拉津最高濃度高于美國(guó)環(huán)保署規(guī)定的臨界值3μg／L。

表1 水庫特征表

各水庫的測(cè)點(diǎn)分布為：水庫來水入口處，各水庫分支和水庫的壩前和后。在各個(gè)水庫各測(cè)點(diǎn)的阿特拉津測(cè)值表明，一般在水庫入口處可以測(cè)到最大值，見表1，水庫水體中的值基本與水壩前和水庫的出流的值相近。所調(diào)查水庫的水位變化規(guī)律一般都是在初春季節(jié)，水位最低，然后開始蓄水超過水庫的多功能水位，在夏未達(dá)到最高，以后逐漸降低。根據(jù)對(duì)各水庫阿特拉津連續(xù)10年的監(jiān)測(cè)，各水庫上游來水中阿特拉津濃度的最大值往往出現(xiàn)在晚春季節(jié)，即在每年的5～6月間。這段時(shí)間水庫水位從較低開始升高。其原因是在每年這段期間，正值雜草開始生長(zhǎng)，流域內(nèi)的農(nóng)田噴灑過阿特拉津不久，隨著降雨產(chǎn)生了第一次含有較高濃度的阿特拉津徑流，流入水庫。隨后水庫入流中的阿特拉津濃度逐漸降低。阿特拉津的每年濃度變化與該地區(qū)的年降雨分布并不一致，多年月均降雨量在6至7月間達(dá)到最大值（圖1）［6］。根據(jù)表1中的監(jiān)測(cè)結(jié)果，6個(gè)水庫阿特拉津最大濃度出現(xiàn)在2002和2003年的5和6月，其中烏龜溪水庫來水阿特拉津最大濃度達(dá)到了41.2μg／L。通過對(duì)這些水庫的水位過程線的分析，在這段時(shí)間內(nèi)，出現(xiàn)了較長(zhǎng)時(shí)間的低水位，在水庫的入流處產(chǎn)生了阿特拉津的高濃度，但沖入水庫的阿特拉津經(jīng)過混摻和稀釋以后，濃度逐漸降低，在水庫壩前（后）的平均濃度均未超過EPA規(guī)定的臨界值。但有10座水庫的壩前的最高濃度超過了3μg／L，其中泊莫納水庫壩后和派瑞水庫派瑞壩前的最高濃度分別為8.2和7.23μg／L。這些檢測(cè)數(shù)據(jù)表明以這些水庫作為水源的飲用水質(zhì)季節(jié)性已經(jīng)受到了阿特拉津影響。

圖1 監(jiān)測(cè)水庫群地區(qū)多年平均月降雨量

3 典型案例分析

3.1 史密斯維爾水庫

史密斯維爾水庫是一座防洪、水上娛樂、漁業(yè)多功能水庫，并負(fù)有飲水水源功能。自1997年至2001年壩前測(cè)點(diǎn)阿特拉津濃度有逐年降低的趨勢(shì)，即從1997年的超過4μ／L的最大值降到2001年的3μ／L下。但2002～2003年水庫水位有很長(zhǎng)時(shí)間在多用途水位以下（圖2）。這些水庫的上游來水中的阿特拉津濃度都出現(xiàn)超過美國(guó)環(huán)保署（EPA）規(guī)定的最大允許濃度（MCL＝3μ／L）。其中盡管2002和2004年史密斯維爾水庫來流阿特拉津濃度都小于1999、2000和2001年的值，但因水位降低，水體縮小，使得水庫水體阿特拉津總濃度升高，在史密斯維爾水庫其它測(cè)點(diǎn)（測(cè)點(diǎn)3和8）的阿特拉津濃度都超有過了3μg／L的值（圖3）。通過對(duì)圖中各測(cè)點(diǎn)值的分析，可以認(rèn)為：阿特拉津污染物主要是經(jīng)過16號(hào)測(cè)點(diǎn)，流入水庫，經(jīng)過混摻后，順流向下游擴(kuò)散，最終污染物到達(dá)壩前。壩前測(cè)點(diǎn)3的阿特拉津峰值要比水庫上游測(cè)點(diǎn)14由要滯后1個(gè)月左右，比測(cè)點(diǎn)16要滯后大約2個(gè)月。于史密斯維爾水庫還負(fù)有供給水廠原水的功能，于2006年在水庫水廠取水口的上游增加了測(cè)點(diǎn)。其結(jié)果表明阿特拉津濃度都基本超過了3μg／L。根據(jù)這些資料，應(yīng)當(dāng)在水庫上游對(duì)阿特拉津污染的進(jìn)行進(jìn)一步的防治。

圖2 史密斯維爾水庫水位圖

圖3 史密斯維爾水庫各測(cè)點(diǎn)阿特拉津濃度

3.2 米爾福特水庫

米爾福特水庫庫容為13.86億m3，為多功能水庫，并負(fù)有飲水水源功能。水庫水位線和上游來水的阿特拉津濃度變化見圖4和5。在1997和2003年春季也出現(xiàn)了較長(zhǎng)時(shí)間的低水位。與其它水庫比較，阿特拉津濃度季節(jié)性（或水位）變化較為典型，濃度最高發(fā)生在5、6月間，然后逐月降低。在1997和2003年的晚春，在水庫水位升高的時(shí)期，上游來水的阿特拉津含量都產(chǎn)生了高達(dá)14和28μg／L的峰值。很明顯水庫的低水位對(duì)減輕阿特拉津的污染產(chǎn)生了非常不利的影響。

圖4 米爾福特水庫水位過程線圖

圖5 1996～2006年米爾福特水庫入口第24號(hào)測(cè)點(diǎn)表層水樣阿特拉津濃度

3.3 烏龜溪水庫

烏龜溪水庫形狀為一狹谷型水庫，上游有兩個(gè)分汊，在測(cè)點(diǎn)11處附近匯合。水庫的功能為防洪、水上娛樂、漁業(yè)、飲用水源和水生物棲息地。水庫水位有三個(gè)蓄水水位臨界值，水庫多功能水位為327.66m，季 節(jié) 性 洪 水 水 位 控 制 在 327.66～346.25m，臨界最高水位控制在346.25～352.59m之間。阿特拉津濃度最大漂移值在從水庫的低水位升至328.57m以上時(shí)發(fā)生。早在20世紀(jì)80年代中，就開始對(duì)水庫的阿特拉津濃度進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。1993年67%水樣的阿特拉津濃度在3μg／L以上。1994～1998年超過臨界值的測(cè)值已經(jīng)降到27%。

圖6 烏龜溪水庫水位圖

圖7 1996～2006年烏龜溪水庫各測(cè)點(diǎn)水表層水樣的阿特拉津濃度箱線表

圖8 1997～2006年烏龜溪水庫第32測(cè)點(diǎn)表層水樣的阿特拉津濃度

圖9 烏龜溪水庫出口測(cè)點(diǎn)阿特拉津濃度

水庫分汊測(cè)點(diǎn)32在2002年出現(xiàn)阿特拉津濃度32.5μg／L的最大值，在另一分汊測(cè)點(diǎn)30測(cè)出了41.2μg／L的最大值。在交匯處的測(cè)點(diǎn)11則測(cè)出了阿特拉津濃度34.5的峰值（圖8）。在2002和2003年水庫出現(xiàn)了較低的水位（圖6），在2003年4和5月都出現(xiàn)了大大超過EPA所規(guī)定的臨界值。通過對(duì)圖7和8的研究分析，水庫阿特拉津污染負(fù)荷物極像樁塞流體，逐步向下移動(dòng)，在水庫下游被稀釋，濃度有所降低［5］。壩前阿特拉津的峰值在同一個(gè)月達(dá)到最大值（圖9）［6］。但是，在整個(gè)夏季，水庫下游最初較低的阿特拉津污染濃度逐步升高。在夏末，雖然在水庫下游水體阿特拉津濃度未超過EPA規(guī)定的臨界值，但水庫下游阿特拉津污染濃度超過了水庫上游的值，水庫主體水質(zhì)直接受到了上游污染的影響［7］。從圖9的水庫出口監(jiān)測(cè)結(jié)果分析，水庫主體水體阿特拉津濃度變化是逐年降低的，并且穩(wěn)定在1μg／L左右。這就是根據(jù)《阿特拉津標(biāo)注使用限制》，在流域內(nèi)對(duì)阿特拉津施用進(jìn)行指導(dǎo)得到的結(jié)果。

4 結(jié) 論

通過對(duì)美國(guó)工程兵師團(tuán)對(duì)18水庫連續(xù)十年的水文和水質(zhì)監(jiān)測(cè)資料分析和研究得出結(jié)論。

（1）1993年實(shí)施了EPA頒布的《阿特拉津標(biāo)注使用限制》，在所監(jiān)測(cè)的水庫的阿特拉津污染程度都有減緩的趨勢(shì)，但當(dāng)水庫水位較長(zhǎng)處于低水位后，水庫驟然升高，來水中的阿特拉津的含量往往出現(xiàn)超過臨界值的較高的尖峰值。阿特拉津在水庫中的污染是動(dòng)態(tài)的，污染物擴(kuò)散到全庫的時(shí)段一般與水庫的形狀、入流流量、水位變化等方面有關(guān)。

（2）鑒于水庫水質(zhì)阿特拉津非點(diǎn)源污染問題的復(fù)雜性，長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)是是十分必要的。累計(jì)監(jiān)測(cè)資料是理解和有效管理師團(tuán)的地表水項(xiàng)目基礎(chǔ)條件。根據(jù)這些資料對(duì)不同的水庫，才能制定出相應(yīng)的治理阿特拉津非點(diǎn)源污染目標(biāo)，包括為了達(dá)到所提出目標(biāo)，所要實(shí)施的有效措施。例如美國(guó)工程兵師團(tuán)對(duì)史密斯維爾水庫提出了進(jìn)一步治理阿特拉津污染的要求。

（3）我國(guó)對(duì)地表水阿特拉津污染的研究已經(jīng)有了20年左右的歷史。對(duì)于非點(diǎn)源產(chǎn)生的區(qū)域內(nèi)多座水庫水質(zhì)污染長(zhǎng)期連續(xù)監(jiān)測(cè)尚未進(jìn)行，通過研究分析美國(guó)工程兵師的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)資料，對(duì)我國(guó)水庫開展防治阿特拉津非點(diǎn)源污染的工作是非常有益的。

［1］嚴(yán)登華，何巖，王浩 .東遼河流域地表水體中Atrazine的環(huán)境特征［J］.環(huán)境科學(xué)，2005，5，第26卷第3期：203－208

［2］Devlin，D.L.，and D.L.Regehr.Water Quality：Best Management Practices for Atrazine.Cooperative Extension Service.Kansas State University，Manhattan，KS.Publ.MF－2182.1996

［3］EPA.Atrazine－ Proposed Label Changes Accepted or Revised by EPA，April 1992

［4］Jennifer Sass Andrew Wetzler.Mae Wu，Mayra Quirindongo.Still Poisoning the Well，NRDC.April 2010

［5］US Army Corps of Engineers Kansas City District.2006Annual Water Quality Program Report.April 2007

［6］US Army Corps of Engineers Kansas City District.Kansas－Lower Republican Basin Total Maximum Daily Load.996－2004Unpublished Water Quality Data from Tuttle Creek Lake，2006

［7］Kansas State University K.State Research and Extension.Tuttle Creek Lake Watershed Restoration and Protection Strategy.June 2010