密云縣蛇魚川小流域地表水水質變化的規律

吳敬東，張洪江，段淑懷，葉芝菡，易作明

(1.北京林業大學水土保持學院，100083，北京;2.北京市水利科學研究所，100048，北京;3.北京市水土保持工作總站，100038，北京)

北京市水資源總量嚴重不足，人均水資源量不 足300 m3，是資源型重度缺水地區。由于水源分散和水污染，資源型缺水、工程型缺水和水質型缺水三者并存。水資源緊缺已成為制約北京經濟社會發展的第一瓶頸，水資源保護成為北京市長期的戰略目標。

山區是首都北京的天然生態屏障和主要水源涵養與供給源地。伴隨郊區工業化、城市化進程及規模養殖、休閑旅游業的發展，污水排放量不斷增加，水環境問題凸顯，以小流域為基本單元的水資源和水環境承載力問題日益突出，水是流域發展的限制因子［1］，將人類活動控制在水環境可承載的能力范圍之內，方能實現環境生態安全和經濟社會可持續發展。生態清潔小流域建設是解決北京山區生態環境問題與水源保護問題的有效途徑之一［2－5］。筆者以北京市密云縣蛇魚川生態清潔小流域2005—2009 年監測資料為依據，研究并分析小流域水質變化規律，以期為生態清潔小流域建設、水源保護及生態環境建設提供理論依據。

1 研究區概況

北京位于華北土石山區的中部地區，地理坐標為E115°25'～117°30'，N39°28'～41°05'。密云縣位于北京市的北部，研究區設在密云縣石城鎮蛇魚川小流域。蛇魚川小流域毗鄰密云水庫，屬于白河水系蛇魚川河流域，蛇魚川河流經該流域直接流入密云水庫，小流域跨越密云水庫一級和二級水源保護區，流域面積25.86 km2。蛇魚川干流河道全年大部分時間為斷流狀態，只有在汛期暴雨條件下才有流水。

蛇魚川小流域屬燕山山脈，地勢北高南低，大部分為遠高山區，海拔140 ～986 m，相對高差846 m。流域內兩岸山勢較陡，主河道狹長，約15 km，主要支溝長4.4 km。溝壑密度0.56 km/km2，溝壑面積占總面積的17.6%，主河道平均比降為2.8%，主要支溝平均比降為3%～5%。全流域坡度變化于0 ～79°之間，坡度大于35°的面積占到全流域的56%。流域多年平均降水量為652 mm，75%集中在6—9月份。小流域巖石以花崗巖和片麻巖為主。土壤以褐土為主，包括淋溶褐土和普通褐土。土壤質地較粗，多為砂壤土，顆粒松散，黏粒含量低，保水性較差，容易產生土壤侵蝕。小流域植被類型有人工的針葉林、落葉闊葉林、灌叢、灌草叢、草叢、水生植物以及經濟林、農田等植被。

小流域包括黃峪口、西灣子2 個行政村，2008年共471 戶，人口1 101 人，勞動力626 人。流域主導產業為養殖業(養雞為主)和林果業，人均年收入8 643 元。流域內人畜飲水和灌溉用水主要以利用地下水資源為主，現有深、淺機井共37 個。流域內有4 座塘壩，分別為高家嶺塘壩、群英塘壩、蛇魚川塘壩和石炮溝小塘壩，其中群英塘壩、高家嶺塘壩可用于農業灌溉，其他塘壩蓄水未被利用。

2 研究方法

在全流域布設地表水監測點有11 個，包括了對典型自然溝道、污染源旁溝道和塘壩水體的采樣和化驗;監測項目包括常規物理、化學項目，同時為了解塘壩的富營養化水平，對塘壩增加了浮游動植物的監測，由生物項目輔助化學項目共同判斷。地下水監測點共設11 個，包括對典型飲水井、灌溉井和污染源旁水井的水體采樣與化驗。針對流域內分布有較多養雞場的現狀，選擇典型雞場對主要污染源——沖洗雞舍廢水進行了采集和化驗［6－9］。具體布設情況見圖1 和表1，監測指標包括化學指標(CODMn/(mg·L－1)、BOD5/(mg·L－1)、TN/(mg·L－1)、NH3－N/(mg·L－1)、TP/(mg·L－1)、pH 值(量綱為1)、溶解氧(DO/(mg·L－1))、物理指標(流速/(m·s－1)、流量/(m3·h－1)、氣溫/℃、水溫/℃、電導率/(μS·cm－2)、固體懸浮物(SS) /(mg·L－1))和生物指標(葉綠素α(Chlorophyll a) /(μg·L－1)、浮游動 物(量綱為1)、浮游植物(量綱為1)、透明度/m)。

圖1 蛇魚川小流域監測點空間分布Fig.1 Spatial distribution of monitor points in Sheyuchuan small watershed

表1 蛇魚川小流域監測點布設與監測方法Tab.1 Location of monitor points and monitor methods in Sheyuchuan small watershed

3 結果與分析

3.1 河流水質的時間變化

蛇魚川小流域河流大部分處于常年干涸狀態，為了能監測到河流水質的全年變化情況，選取河道常年有水的2 個點S1 和S4(圖1)進行監測。該小流域每年10 月入冬，11 月—翌年1 月河道結冰，取樣困難，因此僅監測2—10 月數據，以10 月份數據代表冬季水質狀況。

以2008 年監測為例，NH3－N、TN、TP 和CODMn質量濃度的月變化如圖2 ～圖5 所示。NH3－N 質量濃度全年較低，冬春季變化較大，夏季中期以后質量濃度比較穩定。TN、TP 和CODMn質量濃度月變化趨勢比較明顯，冬春季質量濃度較低，夏季汛期質量濃度顯著上升，秋季降雨結束后，各指標質量濃度回落。這個變化規律反映出夏季降雨引發了面源污染，影響了河流水質:在降雨的沖刷下，流域山坡、農田等水土流失加劇，所產生的徑流、泥沙連同村莊生活、養殖污染物被沖刷匯集入河道，使河水中氮、磷等營養物質質量濃度升高。這個過程隨著雨季的結束而得到緩解。

3.2 河流水質的空間變化

蛇魚川小流域河流常年干涸，多數時段不能在全流域上、中、下游同時采到水樣。2008 年降雨量較多，選取一場暴雨后河道出現連續水流狀態下采樣，借以反映流域地表水質的空間變化。采樣點包括S1、S4(上游西支)—S8(上游東支)—S9(中游，2溝交匯點)—S11(下游)，采樣時間為2008 年9 月。

圖2 2008 年河流氨氮質量濃度月變化Fig.2 Monthly variation of mass concentration of river NH3－N in 2008

圖3 2008 年河流總氮質量濃度月變化Fig.3 Monthly variation of mass concentration of river total N in 2008

圖4 2008 年河流總磷質量濃度月變化Fig.4 Monthly variation of mass concentration of river total P in 2008

各點NH3－N、TN、TP 和CODMn質量濃度的空間變化表2。NH3－N 質量濃度在上游東支最高，其他點差異不顯著。TN 質量濃度在上游東支同樣很高，達到25 mg/L，明顯受到了鐵礦污染的影響，在其作用下中游交叉處河水水質TN 質量濃度也很高，除此之外其他點的TN 質量濃度正常。TP 和CODMn質量濃度基本未受鐵礦影響，各點質量濃度總體較低，在Ⅱ類水標準限內，空間變化上總體趨勢是上、中游較下游高，可能是由于上游向下游污染物逐漸衰減，并且下游污染源對河水TP 和CODMn質量濃度貢獻不大的緣故。

圖5 2008 年河流高錳酸鉀指數月變化Fig.5 Monthly variation of mass concentration of river CODMn in 2008

表2 河流不同監測指標質量濃度空間變化Tab.2 Spatial variation of mass concentration of different monitoring index mg/L

3.3 湖庫水質的季節性變化

蛇魚川小流域有4 個塘壩，其分布和現狀見圖6。塘壩是流域農業灌溉水源之一，也作為水景觀成為了當地主要的旅游景點。通過監測，塘壩水質呈現一定的季節變化規律，以2006 年(圖7 ～圖10)為例。氨氮冬高夏低，這是由于冬天水體封冰，水體不能從空氣中獲得氧源而降低，使得冬天氨氮質量濃度高，而在夏天高溫、陽光充足，藻類光合作用強烈，溶解氧增加使得氨氮容易被轉化為其他形態的氮，從而降低氨氮質量濃度?？偟渤尸F冬高夏低的規律，說明塘壩水體中的氮質量濃度受外源匯入的貢獻較低，而更多地來自于壩底沉積的底泥及其他物質，冬天封凍，塘壩相對靜閉，水體中的氮主要來自于底泥內源。對于總磷和高錳酸鉀指數，均呈現出冬季質量濃度較高的狀態，這也和靜閉水體受內源污染影響較大有關;另外，2 個指標在夏季也有較高的質量濃度，分析其原因主要是夏季污染物受降雨、徑流增大影響，遷移量加大，增加了塘壩水體營養物質量濃度，尤其是總磷。

3.4 總體水質評價

圖6 蛇魚川小流域塘壩分布Fig.6 Dams distribution in Sheyuchuan small watershed

圖7 塘壩氨氮質量濃度季節變化Fig.7 Seasonal variation of mass concentration of NH3－N in small reservoir

圖8 塘壩總氮質量濃度季節變化Fig.8 Seasonal variation of mass concentration of Total N in small reservoir

綜合分析11 個地表水監測點的監測結果，主要化學項目氨氮(NH3－N)、總磷(TP)和高錳酸鉀指數(CODMn)的平均質量濃度水平如圖11、13 和15 所示。對照GB/T 3838—2002《地表水質量標準》，各指標所對應的水質分級狀況見圖12、14 和16。監測結果反映，小流域地表水質良好，氨氮屬Ⅰ～Ⅱ級，總磷屬Ⅱ級，高錳酸鉀指數屬Ⅱ～Ⅲ級，氨氮、總磷的質量濃度狀況總體優于高錳酸鉀指數。

圖9 塘壩總磷質量濃度季節變化Fig.9 Seasonal variation of mass concentration of Total P in small reservoir

圖10 塘壩高錳酸鉀指數質量濃度季節變化Fig.10 Seasonal variation of mass concentration of CODMn in small reservoir

圖11 小流域地表水氨氮質量濃度空間分布Fig.11 Spatial distributin of NH3－N concentration in small watershed

圖12 小流域地表水氨氮質量濃度分級Fig.12 Classification of NH3－N concentration in small watershed

圖13 小流域地表水總磷質量濃度空間分布Fig.13 Total P concentration of surface water in small watershed

雖然總氮不作為河流水質的評價指標，但從流域地表水總氮質量濃度的分布(圖17)可以看出，流域局部區域受到了污染，集中在監測點S7、S8 所處的流域上游東支，總氮質量濃度最高超過60 mg/L，進一步分析得到其硝酸鹽質量濃度相當高。經調查，此處水污染因上游馮家峪鐵礦而起。石炮溝上游坡面長年堆積從分水嶺另一側的馮家峪鐵礦傾倒的大量廢棄礦渣，根據鐵礦建立前當地不存在水污染情況，并且依據現狀水中TN 和NO3－N 質量濃度隨與鐵礦距離增加而遞減的規律，可以基本確定該鐵礦棄渣的存在是導致當地水污染的主要原因。

圖14 小流域地表水總磷質量濃度分級Fig.14 Classification of Total P concentration in small watershed

圖15 小流域地表水高錳酸鉀指數質量濃度空間分布Fig.15 CODMn spatical distribution of surface water in small watershed

圖16 地表水高錳酸鉀指數質量濃度分級Fig.16 CODMn classification of surface water in small watershed

圖17 小流域地表水總氮質量濃度空間分布Fig.17 Spatital distribution of total N concentration of surface water in small watershed

基于以上各水質指標狀況，綜合對流域地表水環境質量進行分級，見圖18。流域上游西支及以下，地表水為Ⅱ級，水質優良，符合小流域所屬區位(一、二級水源保護區)對流域水質的要求;流域上游東支干道由于上游的鐵礦污染，總氮和硝酸鹽等指標超標，屬劣V 類，其西邊的支流水質較好，屬Ⅲ級。

圖18 小流域地表水環境質量分級Fig.18 Classification of environmental quality of surface water

4 結論

1)在河流水質時間變化上，河流水體氨氮質量濃度全年較低，冬春季變化較大，夏季中期以后質量濃度比較穩定。總氮、總磷和高錳酸鉀指數冬春季質量濃度較低，夏季汛期質量濃度顯著上升，秋季降雨結束后，各指標質量濃度回落。

2)在河流水質空間變化上，河流水體氨氮質量濃度在上游東支最高，其他點差異不顯著?？偟|量濃度在上游東支同樣很高，其他點正常。各點總磷和高錳酸鉀指數質量濃度總體較低，空間變化上總體趨勢是上、中游較下游高。

3)在塘壩水質變化上，塘壩水體氨氮、總氮都呈現冬高夏低的規律?？偭缀透咤i酸鉀指數在冬季和夏季質量濃度都較高。

4)綜合分析流域地表水監測點的監測結果，除局部區域受到污染外，小流域地表水質良好，氨氮屬Ⅰ～Ⅱ級，總磷屬Ⅱ級，高錳酸鉀指數屬Ⅱ～Ⅲ級，氨氮、總磷的質量濃度狀況總體優于高錳酸鉀指數。

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