洪水前后新安江源區河流氮素時空分布對比研究

鄭春陽，陳孝兵，袁 越，熊玉龍，方向元

(1.河海大學 水利水電學院，江蘇 南京 210098；2.河海大學 水文水資源學院，江蘇 南京 210098)

1 研究背景

源區河流所在的小流域是河流和湖泊匯水的起點，其徑流攜帶的氮、磷等營養物是造成河湖水體富營養化的重要原因[1-2]。源區河流水體內主要理化指標不僅受到氣溫、降水、地形及土壤類型等自然因素的影響，還在不同時空尺度上受到人類活動的影響[3-5]。社會經濟活動改變了原有土壤、植被及水體的利用類型[6]，這不僅影響了源頭流域氮素污染源空間分布格局，也加大了對源區氮素遷移預測的不確定性。

非點源污染是影響水體氮素的重要因素[7-8]。土地利用作為影響非點源污染的關鍵因子[1]，其利用類型、結構等的組合對非點源污染的發生有重要影響[9]。此外，洪水也是影響源區河流化學及生物學參數的重要因素，尤其是山洪型河流帶來的影響更為顯著[10]。山洪型河道洪水通常不會引起形態上的重大物理變化，但會在一定程度上沖洗底棲藻類[11-12]。洪水能夠導致河流硝酸鹽濃度急劇增加，對比于洪水前，洪水后河流硝酸鹽吸收長度將顯著增加。此外，快速的地下水流通常攜帶流域污染物進入河道，河道在一定程度上充當了流域污染物的“匯”項角色。可見，洪水干擾不僅影響河流的物理、化學和生物屬性，而且可能通過降低河流養分的保持效率進而影響生態系統功能。

2 數據采集與研究方法

2.1 研究區域概況

本次試驗區域選取新安江上游安徽省休寧縣境內上溪口地區河流的源頭段。新安江水系是進入千島湖的最大河流，其水質狀況對下游千島湖水質起到至關重要的作用。20世紀70年代以前，新安江流域污染源較少，水質狀況良好。近年來由于入河污染物增加，新安江流域水體污染物濃度呈現緩慢上升趨勢，水體富營養化程度加重，流域河湖水質前景不容樂觀[13]。因此開展新安江流域水質污染問題的研究顯得尤為重要。

試驗區域大致位于117°59′E、29°40′N，最高海拔358 m，最低海拔67 m，試驗區流域面積0.41 km2，整體輪廓為扇形。通過無人機獲取試驗區域地貌特征，從而得到土地利用分布情況(見圖1)，試驗區域土地利用類型主要包括森林、茶園、草地、池塘、農田以及住宅等，其中大部分土地被森林覆蓋。

2.2 布點與采樣

圖1為研究區域水系、土地利用類型及采樣點空間分布圖。沿兩條主要支流(沂源支流一和沂源支流二)依次設置1～24號監測及采樣點，并利用GPS對測點位置進行記錄，同時根據流域水文特性，將試驗區域劃分為21個子流域。洪水前監測及采樣時間為2019年1月中旬，洪水后監測及采樣時間為2019年8月中旬，由于8月1、5、7、8、9和19日采樣點處于斷流狀態，實際監測值為18個。

圖1 研究區域水系、土地利用類型及采樣點空間分布

現場試驗利用便攜式多功能水質檢測設備對水體主要理化指標進行監測，如pH計、電導率儀和溶解氧測定儀等，用于現場測量pH、電導率、溶解氧、水體溫度、總溶解固體濃度。通過采集水樣對氨氮、硝氮及總氮濃度進行實驗室檢測，采用有機玻璃水質采樣器采集0.5 m深度處的水樣，并使用500 mL棕色窄口聚乙烯塑料瓶盛裝，采集水樣前，使用該采樣點的水樣充分潤洗采樣器和樣品瓶。所有新瓶需要用洗滌劑清洗1次，自來水清洗3次，蒸餾水清洗兩次。用環刀進行土樣采集，在實驗室對所取土樣進行粒徑分析，獲得土樣顆粒級配曲線，得到中值粒徑值D50。

2.3 樣品的分析測試

2.4 統計分析

根據各采樣點的位置和子流域面積，選取包括全部采樣點在內的12個子流域分析洪水前后各項水質指標的變化規律，水質計算基于各子流域內所有采樣點的均值。采用SPSS對水質數據與地形、地質和植被面積進行相關性分析，由此得到皮爾遜相關指數，并對水質指標進行多元線性回歸分析，得到洪水前后水體總氮、氨氮和硝氮濃度的回歸公式。

3 結果分析

3.1 洪水前水體主要理化指標及氮素分布

繪制各采樣點洪水前水體氮素濃度隨距河口距離變化的箱線圖，如圖2(a)～2(c)(在本文中，箱線圖上5 個特征值由下至上分別為最小值、下四分位值、中位值、上四分位值和最大值)；水體溫度、溶解氧、pH、電導率、總溶解固體濃度的監測值隨采樣點距河口距離的變化關系如圖2(d)～2(f)。

圖2 研究區域洪水前水體氮素濃度及主要監測指標隨距河口距離的變化

由圖2(a)～2(c)可見，總氮濃度呈隨距河口距離的增加而減小的趨勢，距河口距離越近，流域匯水作用越明顯，河口附近有居民，人為因素對氮素的干擾大，總氮濃度高[1]。具體表現為距離河口最近的13～16及23～24號采樣點總氮濃度遠高于其他點位。21和22號采樣點位于魚塘內，可能由于漁業養殖致使總氮濃度高于其他點位。河源位置匯水區多為森林地貌，受人為干擾小，總氮濃度較低。氨氮整體變化規律不明顯，數據波動較大，與總氮類似，距離河口最近的6個點位及魚塘點位濃度較高，但差別不明顯。硝氮濃度總體呈現隨距河口距離的增加不斷減小的趨勢，且數據擬合程度較好。

由圖2(d)～2(f)可見，河源位置水體溫度略低于河口位置，考慮到冬季山區河流受地下水補給作用明顯[16]，此外河源位置多被森林覆蓋也可能對水體溫度產生影響，這一規律在1～5及17～18號點位表現得最為明顯。水體pH與距河口距離關系不明顯，河源位置的1～5及9號測點的pH值大于7，可能與測點位置的地質條件有關，冬季河水主要受地下水補給，因此水體礦化度較高。研究區域內水體溫度平均值為11.4℃，對應飽和溶解氧濃度約為11.0 mg/L，而監測點位水體溶解氧濃度在9.6～11.9 mg/L范圍內波動，平均溶解氧濃度為10.95 mg/L，接近飽和溶解氧濃度，說明源區水體的自凈能力較強。電導率、總溶解固體濃度空間分布規律與總氮和硝氮基本一致，均呈現近河口位置濃度高，近河源位置濃度低，池塘位置濃度偏高。由此可以看出，土地利用類型和人為活動干擾是影響源區河流水體理化指標和氮素空間分布規律的重要因素。

3.2 洪水后水體主要理化指標及氮素分布

繪制各采樣點洪水后水體氮素濃度隨距河口距離變化的箱線圖，如圖3(a)～3(c)；水體溫度、溶解氧、pH、電導率、總溶解固體濃度的監測值隨采樣點距河口距離的變化關系如圖3(d)～3(f)。

由圖3(a)～3(c)可見，總氮和氨氮濃度變化規律與洪水前基本相同，隨距河口距離的增加而減小，魚塘位置濃度偏高。洪水后總氮濃度相比于洪水前略有升高，但變化不明顯，氨氮濃度升高明顯。硝氮整體變化規律不明顯，數據波動較大，魚塘點位濃度較高。分析其原因，汛期降雨淋溶和沖刷作用導致流域內農藥、化肥、農村生活垃圾、固體廢棄物等通過產匯流進入河道[17]，同時洪水加速了沉積于河床的污染物釋放進入水體[18]，使得水體氮素濃度升高。由此可見，洪水對河流氮素污染起到匯聚作用。

由圖3(d)～3(f)可見，河源位置水體溫度略低于河口位置，與洪水前規律一致，但相較于洪水前，洪水后水體溫度明顯高于洪水前，這是由于兩次監測季節不同造成的。水體pH值相比于洪水前略有降低，魚塘處降低明顯，原因在于溫度升高導致水的解離度增大，氫離子和氫氧根離子濃度增加，同時8月中旬源區河流所在地區魚塘內養魚量增加，池塘內死亡的生物在厭氧菌分解下產生大量的有機酸。溶解氧濃度在6.6～8.9 mg/L范圍內波動，且濃度低于洪水前，原因可能是洪水造成藻類生物量減少，藻類光合作用強度降低，洪水后水體溫度處在20℃以上，魚的新陳代謝加快，需氧量增加。電導率、總溶解固體濃度呈現隨距河口距離的增加而減小的趨勢，濃度皆高于洪水前。

圖3 研究區域洪水后水體氮素濃度及主要監測指標隨距河口距離的變化

3.3 水體主要理化指標及氮素分布的影響因素

根據前期研究發現，地形、地表植被覆蓋類型以及地質等因素是影響水體理化指標及氮素濃度的重要因素。將研究區域按流域水文特性劃分為21個子流域，并提取各子流域的面積、平均高程及平均坡度值；根據無人機獲取的地貌數據進一步提取各子流域森林、茶園及草地和農田的面積占比，將各子流域提取的地形、植被面積數據以及監測的河流底質中值粒徑(D50)數據與相應測點的各理化指標監測值和氮素濃度測量值進行相關性分析，確定水體各理化指標及氮素濃度的主要影響因素。洪水前、后各影響因素的皮爾遜相關性分析結果分別見表1、2。

表1 研究區域洪水前各理化指標及氮素濃度與各影響因素的皮爾遜相關性分析結果

由表1可見，硝氮濃度與茶園面積呈正相關(p<0.05)；總氮濃度與森林覆蓋率呈負相關(p<0.05)，與流域面積和茶園面積呈極顯著正相關(p<0.01)。由此可以看出，源區河流水體氮素濃度受地表植被覆蓋類型影響最為顯著，尤其是受人為活動影響較多的茶園是影響試驗區域水體氮素濃度的重要因素[19-21]，同時流域面積的增大有利于氮素的匯集，這也是導致流域出口位置水體氮素濃度偏高的原因之一。其他主要理化指標如電導率和總溶解固體受地形、地表植被覆蓋類型以及地質等因素的影響不大。水體溫度與高程呈負相關(p<0.05)，與坡度呈極顯著負相關(p<0.01)。考慮到冬季山區河流受地下水補給作用明顯，而地下水水溫較地表水低得多，高海拔位置人為干擾小，森林覆蓋率高，有效減小了水體光照產生的升溫。pH與坡度呈正相關(p<0.05)，與高程呈極顯著正相關(p<0.01)，與面積呈極顯著負相關(p<0.01)，這是由于河源位置水體礦化度較高，而隨著匯流面積的增大，河口位置水體受化肥、農藥等人類活動的影響加大，酸化程度不斷加大。而溶解氧與高程和坡度均呈極顯著正相關(p<0.01)，這一規律主要是由于水溫變化導致的。

表2給出了洪水后各項指標的相關性分析結果，不難發現洪水后各項相關性較洪水前有較大差異。硝氮與匯水面積呈正相關(p<0.05)；總氮與高程和地質呈正相關(p<0.05)，總溶解固體與坡度呈極顯著正相關(p<0.01)，與草地及農田面積呈負相關(p<0.05)；其他指標并無明顯相關性。洪水后河道形態受降雨沖刷影響而改變，農田施肥等人為因素改變了河流水質和地表植被的分布，致使水體各項指標發生改變。

表2 研究區域洪水后各理化指標及氮素濃度與各影響因素的皮爾遜相關性分析結果

圖4分析了洪水前后流域匯水面積與總氮、氨氮和硝氮的關系。由圖4可見，洪水前氨氮和硝氮與匯水面積并無良好的擬合關系，僅總氮擬合度達到0.50。洪水后總氮和氨氮與匯水面積關系并不明顯，僅硝氮擬合度達0.57。

圖4 研究區域洪水前后流域匯水面積與總氮、氨氮和硝氮關系的擬合曲線

回歸分析表明，洪水前后氨氮、硝氮和總氮濃度可分別用匯水面積、高程、坡度、森林面積占比、茶園面積占比和草地農田面積占比共6個因素表示。回歸方程形式如下：

氨氮、硝氮、總氮濃度=γ0+γ1a+γ2b+γ3c+

γ4d+γ5e+γ6f

(1)

式中：a為匯水面積，km2；b為高程，m；c為坡度；d為森林面積占比；e為茶園面積占比；f為草地農田面積占比；γ0～γ6為回歸方程系數，各系數值見表3。

表3 氨氮、硝氮、總氮濃度與各相關因素的回歸方程系數

在統計學中，均方根誤差(root mean square error,RMSE)可以較好地反映出某物理量的預測值與實測值之間的偏差，其值越小，表明預測值與實測值之間的偏差越小，其計算公式為：

(2)

式中：Qo為實測值；Qm為預測值；n為數據個數。

在水文學中，一般用納什效率系數(Nash-Sutdiffe efficiency coefficient,NSE)評價某物理量模型的優度，其計算公式為：

(3)

圖5為洪水前后總氮、氨氮和硝氮濃度實測值與回歸公式預測值的相關性分布圖，圖5中虛直線的斜率為1∶1。

圖5 洪水前后總氮、氨氮和硝氮濃度實測值與回歸公式預測值的相關性

由圖5可看出，洪水前總氮和硝氮方程均能較好地預測總氮和硝氮的濃度，納什效率系數分別為0.898和0.820(圖5(a)、5(c));氨氮實測值與預測值所對應的點較多分布于1∶1直線的上方，但氨氮的均方根誤差最小(圖5(b))。洪水后氨氮和硝氮濃度的納什效率系數分別為0.911和0.710，且均方根誤差均接近于0，但總氮濃度實測值與預測值所對應的點離散程度較大。

4 討 論

本文通過野外試驗證實了洪水對流域內氮素有著明顯的影響。目前針對源區河流的氮素研究多采用單次采樣結果進行分析，分別在洪水前、后進行兩次采樣研究洪水過程對河流氮素的時空分布影響較為少見[1]。單次采樣的水質檢測難以反映出洪水事件的影響，且實驗結果受到氣溫、降水、植物生長周期及化肥使用等自然和人為因素的影響，具有較大的不確定性。相較而言，在洪水前后進行有針對性的兩次采樣分析能夠很好地獲取洪水對氮素等水質結果的季節性影響差異。從3.3節的分析結果來看，這一思路能夠反映洪水過程對源區河流氮素分布的影響，因此，對于流域水質的影響研究和水質風險評估應酌情考慮洪水過程所帶來的差異。

本研究工作對新安江河源氮素濃度及其影響因素進行了相關性分析，并給出了洪水前后的回歸分析模型。相關性分析表明，洪水前后，河流水體氮素濃度與地表植被覆蓋類型顯著相關，尤以人為活動影響較多的茶園對結果影響最為顯著，這與以往的研究結論相符[19]。此外，新安江流域水質關聯到皖、浙兩省水生態安全，對源區河流水質的準確預測和保護是保障全流域水環境安全的基礎。本文試圖通過建立回歸分析模型為預測源區河流洪水前后氮素分布提供經驗公式，該預測模型能夠有效預測研究流域洪水前硝氮和總氮以及洪水后氨氮和硝氮的濃度。盡管本文的預測模型是建立在單一的流域分析基礎上，但新安江源區流域的土地利用狀況(經濟作物以茶樹為主)與所選小流域具有一定的相似性，因此，基于所選小流域獲得的預測模型具有較強的借鑒性。若將模型應用到更大尺度上的模擬預測中，建議進行更多的實際測量，并以此為模型提供數據驗證。

5 結 論

(1)研究區域洪水前總氮和硝氮濃度呈隨距河口距離的增加而減小的趨勢，氨氮濃度變化規律不明顯；洪水后總氮和氨氮濃度呈隨距河口距離的增加而減小的趨勢，硝氮濃度波動較大，與洪水前相比總氮、氨氮和硝氮濃度均有所增大。

(2)研究區域洪水前硝氮和總氮濃度受植被影響較大，硝氮濃度與茶園面積比例密切相關，匯水面積、森林和茶園面積比例顯著影響總氮濃度；洪水后硝氮濃度與匯水面積相關，總氮濃度受高程、坡度和地質的影響。

(3)本文所獲得的預測模型能夠有效預測洪水前硝氮和總氮以及洪水后氨氮和硝氮的濃度。