巢湖入湖河流不同污染物對降雨的響應關系分析

錢 華 錢 圓 高 芮

(安徽省巢湖管理局湖泊生態環境研究院,安徽 合肥 238000)

巢湖是安徽境內最大湖泊,也是我國五大淡水湖泊之一。 巢湖流域人口密度大,經濟強度高,隨著流域內城鎮化進程加快,人類活動產生的大量污染物通過降雨徑流、排放等形式進入河道,最終匯入巢湖。 2019年下半年,巢湖流域持續干旱,而2019 年底至2020 年初,巢湖流域降水量漸增。 本文通過探究2019 年從持續干旱到降水量增強,結合巢湖湖區及主要入湖河口水質監測數據,研究降水量對巢湖流域水質的響應關系。

1 流域概述

巢湖流域位于東經117°00′～118°29′、北緯30°56′～32°02′之間,總面積為13486km2,占安徽省總面積的9.66%。 巢湖流域屬北熱帶濕潤季風氣候區,年均氣溫為15.8℃,年降水量約為1120mm[1]。 流域內主要出入湖河流有杭埠河、南淝河、派河、兆河、白石天河、柘皋河、十五里河、雙橋河,其中杭埠河、南淝河、白石天河3 條河流入湖徑流量占75%以上。

由圖1 可知,2019 年巢湖流域平均降水量為754mm,較流域常年降水量偏少32.6%。 從流域平均降水量的年內分布來看,6 月降水量最多(183mm),其次為2 月(105mm)和8 月(77mm)。 9 月、10 月降水量分別僅為10mm 和11mm,為2019 年降水量最少的連續兩個月份。

圖1 巢湖流域2019 年1—12 月降水量

2 數據來源及儀器設備、分析方法

為確保分析數據具有良好的連續性和研究意義,本文的水質監測數據取自于南淝河施口國家水質自動監測站和杭埠河北閘渡口國家水質自動站,數據尺度為2019 年1 月至2020 年1 月。 南淝河施口站分析儀器為深圳宇星公司的YX-NH3-N-Ⅲ氨氮水質自動分析儀,YX-CODMn 高錳酸鹽指數水質自動分析儀,YXTNP 總氮、總磷水質自動分析儀,杭埠河北閘渡口站分析儀器為日本島津公司的NHN-4210 氨氮自動水質分析儀、美國哈希公司的DKK203A 高錳酸鹽指數水質和DKK NPW-160 總磷、總氮自動分析儀,兩個站點的儀器監測方法均為《水和廢水監測分析方法》(第四版)(增補版)[2]中各指標的分析方法。 降水量數據取自數字巢湖平臺撮鎮建華氣象站與豐樂氣象站,數據尺度均為2019 年,其中水質數據平均4h 自動監測一次,全天共有6 組數據,降雨數據全天共有24 個。 采用數據統計的方法研究水質與降水量間的響應關系。

3 巢湖流域水質總體情況

根據《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)中規定的項目標準限值對巢湖湖區水質進行評價。 從水質類別來看,2019 年巢湖全湖水質由Ⅴ類好轉為Ⅳ類,總氮、總磷、氨氮、化學需氧量均呈下降趨勢;全湖總氮和總磷全年平均濃度為1.18mg/L 和0.078mg/L,較2018 年分別下降18.4%和23.5%,見表1。 2020 年1 月,巢湖東半湖水質為Ⅲ類,水質良好;西半湖水質為Ⅳ類,呈輕度污染;全湖平均水質為Ⅳ類,呈輕度污染。 全湖總氮、總磷濃度均值分別為1.30mg/L、0.054mg/L,與2018 年同期相比,分別下降19% 和29%。

表1 2015—2020 年巢湖全湖及東、西半湖水質類別

巢湖主要入湖河流中,南淝河是主要的河流之一,干流上游為董鋪水庫的攔蓄,平時基本無水量下泄,水文特征主要受大氣降水影響,河流量季節性變化很大。其主河道流經合肥市區,接納合肥市眾多污水處理廠尾水、城市生活污水和工業廢水[3],水質為劣Ⅴ類。 杭埠河位于巢湖流域西南側,發源于皖西大別山山區,為直接入巢湖最大支流。 從污染結構分析,入河污染主要來自于農村生活污染、農業面源污染、規?；笄蒺B殖及底泥釋放。 農村生活污染及種植業是第一大污染源[4],為典型的農業面源污染型河流,河流水質為Ⅲ類。 主要指標中,2019 年南淝河和杭埠河均較2018 年同期明顯下降,其中總磷和氨氮下降幅度較大。 具體情況見表2。

表2 2019 年巢湖主要出、入湖河流營養鹽濃度單位:mg/L

3.1 2019 年巢湖水質變化情況

3.1.1 湖區水質

對巢湖湖區8 個國控斷面2019 年1 月至2020 年1 月巢湖主要污染指標逐月水質監測數據進行的分析表明,東、西半湖及全湖的總氮、氨氮濃度總體呈下降趨勢,2019 年12 月和2020 年1 月,西半湖和全湖反彈明顯;總磷濃度年內波動較大,2019 年8 月后總體呈下降趨勢;除2019 年1 月和9 月外,東、西半湖及全湖化學需氧量總體變化不大。 具體變化情況見圖2。

圖2 2019 年1 月至2020 年1 月巢湖主要指標逐月濃度

3.1.2 河流水質

對2019 年1 月至2020 年1 月南淝河、杭埠河主要污染指標逐月水質監測數據進行的分析結果見圖3,從中可以看出,總氮均呈現逐漸下降的趨勢,至12 月開始反彈,并持續到2020 年1 月;南淝河氨氮與總氮趨勢一致,其他河流氨氮全年處于低位波動。 值得注意的是,氨氮與總氮一樣,自2019 年12 月開始反彈,并持續到2020 年1 月。 總磷的變化差異較大,其中南淝河總體呈逐漸下降趨勢,杭埠河在12 月出現明顯反彈,而南淝河在2020 年1 月出現明顯反彈。 化學需氧量全年呈波動態勢,且上半年波動幅度較大,自7 月開始波動幅度收窄,并持續至2020 年1 月。

圖3 2019 年1 月至2020 年1 月出入湖河流主要指標逐月濃度

3.2 干旱對巢湖主要入湖河流水質的影響分析

2019 年下半年,巢湖流域干旱少雨,2019 年底至2020 年初,巢湖流域降水量漸增,流域監測數據表明,主要入湖河流污染物濃度在2019 年12 月和2020 年1月均出現環比上升的態勢。 巢湖入湖支流中,南淝河與杭埠河入湖徑流量較大,約占75%以上,以南淝河和杭埠河為例,分析2019 年以來降水情況對河流水質的影響。

2019 年南淝河流域降水量為472.9mm,其中1 月底至2 月中旬、6 月中旬、11 月下旬為年內主要降雨時段。 2020 年1—2 月,南淝河流域共計降水144.9mm,較2018 年同期的164.9mm 減少12%。 結合水質監測數據分析(圖4)可以看出,南淝河氨氮和總磷在2019 年6—9月、2019 年12 月至2020 年2 月隨著降水量的增加而反彈的趨勢較為明顯。 總氮、高錳酸鹽指數濃度受降水影響不明顯,氨氮、總磷最高濃度與降水量有正相關。

圖4 南淝河降水量與水質變化

杭埠河流域2019 年降水量為651.8mm(豐樂雨量站),其中2 月、6—8 月為年內主要降雨時段。 2020 年1—2 月,杭埠河流域共計降水87.3mm,較2018 年同期的146.8mm 減少40%。 結合水質監測數據分析(圖5)可以看出,杭埠河總磷在2019 年3—8 月、2019 年12 月至2020 年2 月隨著降水量的增加而反彈的趨勢較為明顯。 2019 年內總氮雖然受降水量變化不明顯,但自2020 年1 月總氮的濃度有著明顯抬升。

圖5 杭埠河降水量與水質變化

3.3 降雨典型時段對水質的影響分析

進一步選取降水量大于20mm 的持續降雨期及前后3d 為統計時段,分析降水對南淝河與杭埠河水質的影響。 2019 年的4 次大于20mm 的持續性降雨均引起了南淝河氨氮和總磷的反彈,且降水量越大,響應越快,見圖6。 2019 年6 月20 日的降水量為全年最大(66.5mm),南淝河總磷當天即開始反彈,隨后持續晴天,總磷在次日達到峰值,第3 日開始逐漸降低,第4日恢復至降雨前水平。 從2020 年1 月7 日開始的持續性降雨期間,南淝河氨氮和總磷均持續上升。 而杭埠河流域土地利用類型主要為農用地,形成徑流所需的降水量要大于南淝河,2019 年的5 次降水量大于20mm 的單次降雨均引起了杭埠河總磷的反彈,但響應時間與降水量并不成正比;總氮濃度對降雨強度并無明顯響應,見圖7。 值得注意的是,2020 年1 月下旬的持續性降雨期間,杭埠河總氮和總磷濃度均持續上升。

圖6 持續性降雨對南淝河水質影

圖7 持續性降雨對杭埠河水質影

4 討 論

降雨是水質波動的影響因素之一,而降雨特征(降水量、降雨強度和雨前干旱天數)、土地利用類型對水質變化有著重要影響[5]。 巢湖流域8 條主要入湖河流污染源結構復雜,南淝河流經合肥城區,其水質受城市污染影響較大,水質污染較為嚴重。 杭埠河水質較好,污染源以農業面源為主[6]。 入湖的污染負荷不僅受到污染因子濃度的影響,也與入湖河流的水量有關。 參照王書航、蔡林穎等[6-7]研究成果對巢湖入湖河流進行劃分,以入湖水量較大的南淝河與杭埠河作為典型的城市污染型河流與農村污染型河流,探究不同污染類型的河流水質對降雨強度的響應關系。

由于巢湖流域2019 年為大旱年[8],入湖水量較往年大幅下降,導致入湖污染物總量偏低。 一方面,使得巢湖入湖河流主要污染物指標在2019 年下半年較往年偏低;另一方面,隨著干旱無雨天數的增加,降雨徑流所產生的污染負荷趨勢也會增加[9],使得污染物在未來的降雨期隨著地表徑流沖刷進入下游水體,造成入湖河流水質下降的風險增加。 通過對巢湖流域典型河流入湖斷面的降雨和水質數據進行分析,可以得出結論:降雨對巢湖水質變化影響明顯,降雨與水質的響應關系表現了流域污染特征,兩條入湖河道水體總磷的影響均較為明顯,對總氮的影響不大,但對城市河流的氨氮影響顯著。

南淝河流域內多為城市硬化地面,產生徑流的時間及蓄水量均小于自然地面,且在有較大強度降雨前干旱期較長,有大量的地表滯留、管網沉積等污染物,極易隨著徑流排入流域收納水體,引起水體污染物濃度上升[9]。 從數據分析結果看,南淝河總氮、高錳酸鹽指數受降雨影響不明顯,氨氮、總磷隨著降水量增加而迅速上升,且降水量越大,響應時間越短。 據有關研究表明,南淝河城區段表層含磷沉積物分布受排口影響較大,而城市污水處理廠的尾水在很大程度上是受納水體的重要磷源[10];而總氮與氨氮對降雨的響應規律不一致,在降雨初期沖刷效益不明顯,可能是因為降雨淋洗大氣中的NH4+-N 占總氮的主要部分[11]。

杭埠河監測點附近多為農田,由于農田土壤的透水性,在小雨期間由于降雨強度小,未超過土壤自身的載水負荷,徑流形成需要時間[12],因此杭埠河水質對降雨的響應一般發生在大到暴雨期間,并呈現出滯后性。 從數據分析結果看,杭埠河水質只有總磷對降雨有明顯的響應,總氮和氨氮并無明顯響應,可能由于以下原因:該流域顆粒態磷負荷較大,高于巢湖流域平均水平[13],在雨水沖刷與水土流失的作用下進入河流,致使水體總磷濃度的上升;而氮的轉化途徑多樣,降雨徑流會帶來氮負荷,反硝化作用又會去除氮[14]。 所以,杭埠河的總磷對降雨有明顯的響應,總氮和氨氮并無明顯響應。

5 結 論

a.2019 年1 月至2020 年1 月巢湖東、西半湖及全湖的總氮、氨氮濃度總體呈下降趨勢,但在2019 年12 月和2020 年1 月,巢湖流域雨量漸增,西半湖和全湖總氮反彈明顯;而總磷濃度年內波動較大,主要入湖河流污染物濃度均呈現環比上升的態勢。 這是由于2019 年的持續干旱,地表蓄積的氮、磷污染物極易在強降雨沖刷下隨徑流大量進入湖體,使湖區水質突發性下降和氮、磷營養鹽升高。

b.2019 年南淝河流域降水量為472.9mm,較2018 年同期減少12%。 全年4 次降雨量大于20mm 及前后3 天的持續性降雨與水質數據的比對分析顯示,在年度最大降雨量最大的2019 年6 月20 日(66.5mm),總磷濃度從前一天的0.398mg/L 上升到當天的0.425mg/L,并于6 月21 日達到高點0.533mg/L,隨后降至6 月22 日的0.347mg/L,并持續下降。 氨氮濃度范圍在1.071 ～2.477mg/L,最高濃度為5.39mg/L,出現在最大降雨量的前一天,隨后呈下降趨勢,總氮、高錳酸鹽指數濃度則受降雨影響不明顯,氨氮、總磷最高濃度與降水量正相關。

c.2019 年杭埠河流域降水量為651.8mm。 全年5次降水量大于20mm 及前后3 天的持續性降雨與水質數據的比對分析顯示,在年度最大降水量最大的2019年6 月20 日(54.5mm),總磷濃度范圍在0.118 ～0.230mg/L,最高濃度為0.336mg/L,出現在最大降水量的第三天,與降水量呈正相關,但顯示出延后性,總氮、氨氮和高錳酸鹽指數濃度受降雨影響不明顯。