小流域水污染分析研究

小流域水污染分析研究1 引言自20世纪40年代以来，美国密西西比河流域由于大量氮磷养分流失导致河流和墨西哥海湾水体严重富营养化，其中，50%~70%的总氮(TN)来自于农业面源污染.欧洲农业面源污染排放的TN是地表水体N负荷的主要来源，例如，荷兰60%的TN负荷来源于农业面源污染，在瑞典，流域总输入TN负荷中有60%~87%来自于农业面源污染.自20世纪90年代以来，中国化肥用量一直居世界首位，单位面积化肥用量从187.5 kg · hm-2增长到346.1 kg · hm-2，畜禽养殖业在20世纪90年代以后也呈快速增长，而养殖业废弃物的处理一直是畜禽养殖业发展的“短板”.2010年我国第一次全国污染源普查结果显示，农业源TN排放量占全国TN总量的57.2%，其中，种植业对TN的贡献率占59.0%，养殖业对TN的贡献占37.9%.全国水体状况自20世纪80年代以来，富营养化水体面积增加50%以上，各大主要湖泊河流水质均出现了不同程度的富营养化现象.为了改变以往农业面源污染防控中技术措施的单一性，从20世纪70年代开始，西方发达国家相继开展了以流域综合防控为主的研究，其中以美国的最大日负荷总量(Total Maximum Daily Load，TMDL)最具代表性.TMDL的定义为“在满足水质标准条件下，环境水体能够接受某种污染物的最大日负荷量”，其中，包括点源和面源污染负荷的分配，并考虑了安全临界值和季节变化.近年来，一些研究者将TMDL运用到我国的水环境管理体系中，其中对污染物负荷的估算主要采用了基于水量和水质监测数据的经验统计方法和建立流域综合模型(如SWAT、HSPF、AnnAGNPS等)方法，但也发现一些问题，比如经验法由于缺乏机制基础其预测精度相对较低，而模型法虽然精度高，但由于参数本身的不确定性及一些流域基础数据缺乏等原因尚不能得到广泛应用.随后的一些研究发现，负荷历时曲线法(LDC)能够有效避免上述问题，较直观地反映水文特征和水质受损程度间的关系，我国也逐渐将LDC法运用于数据资料较为缺乏流域的TMDL制定中，如利用LDC法计算了东辽河流域铵氮和化学需氧量的最大日负荷通量，并分析了污染物年内变化特征.以洱海弥苴流域为例，探讨了不同水质限制要求下，运用LDC法具体分析和解决各类水质问题的方法.利用LDC法分析了赣江流域多个水文站的污染物通量.这些研究表明，LDC法在我国不同区域污染物负荷估测中的应用具有较好的可行性.但前期这些探索性研究主要针对的是单一流域下污染物负荷的现状通量、超标和消减状况等，而对于具有不同土地利用构成和种养结构等特征小流域的比较及不同水文阶段污染物负荷特征的研究尚少见报道.因此，本研究以长沙县金井河流域为主要研究区域，通过采用LDC法研究多个小流域TN负荷通量和超标、消减状况，并运用灰度分析法比较小流域各因子对TN负荷消减的影响，以期为揭示亚热带农业小流域面源污染物的迁移机理及面源污染的科学防控提供理论依据.2 材料与方法2.1 研究区概况研究区金井河流域位于湖南省长沙市东北约50 km，地处长沙县金井镇境内，为湘江一级支流捞刀河的上游，地理坐标为27°55′~28°40′N、112°56′~113°30′E.区内为典型亚热带红壤丘陵地貌类型，地势呈北高南低趋势，海拔43~460 m，是农业生产生活相对集中的场所.每个子流域都有基本相似的土地利用格局，其中，丘岗区主要为林地、果园、茶园或旱地，沟谷区则主要为水田、菜地、堰塘等.主要农作物为水稻和蔬菜，水稻种植模式主要为双季稻.研究区有着悠久的生猪养殖历史，主要以家庭散养和小规模(<1000头存栏)集约化养殖为主.研究区为典型亚热带湿润季风气候，年平均降水1200~1500 mm，集中在3—8月，人均水资源占有量为1700 m3，低于国家(2200 m3)和湖南省(2700 m3)的人均水平，属于水资源季节性短缺的区域.年平均气温17.2 ℃，无霜期274 d，年日照时数1663 h，相对湿度80%左右.研究区涉及的流域总面积为134.4 km2，其中包括4个面积约30~50 km2的一级子流域、17个面积约3~10 km2的二级子流域，根据研究目标和流域分布特征，在研究区域内选取10个有代表性的小流域，面积范围为0.09~52.12 km2，分别在各流域出口布设固定的水文观测设施并定期采集水样，开展水文水质定位观测，并独立收集流域土地利用、景观指数、畜禽密度、社会经济等数据.根据前期的研究，10个小流域可依据土地利用和养殖业的分布特征划分为4种基本类型(表 1)，即森林小流域(伏岭)、森林-种植小流域(拔茅田、观佳、涧山)、养殖小流域(军民、团结)、种植-养殖小流域(水坝、脱甲河、惠农、东山桥).表1 10个小流域土地利用与畜禽密度2.2 数据来源与分析2.2.1 研究区土地利用和社会经济数据流域平均坡度、高程提取通过ARCGIS 9.3提取(表 1).畜禽养殖数量通过对流域内农户家庭随机抽样(10%)调查获得，再通过下述公式计算得到流域畜禽养殖密度：式中，LD为流域畜禽密度(AU · hm-2);Ni为第i种畜禽年存栏量(头或只);ei为该种畜禽单元畜禽数量(一个畜禽单元等于454 kg畜禽活体重量);A为流域面积(hm2.景观指数能够高度浓缩景观格局信息，能够反映其组织结构组成和空间配置方面特征.本研究选取在景观水平上(L and scape-level)和流域水体TN有关的8个指数，将不同流域土地利用栅格图转化成ASCII码，通过FRAGSTATS 4.0软件获得各数值(表 2).10个小流域中占主导地位的景观为林地，其中，森林小流域、养殖流域各斑块连通性强，形状无规律，而随着耕地面积比例增加，森林-种植、种植-养殖小流域中同类型斑块连通性下降，人类活动增强，林地对景观控制作用下降，土地利用呈现多样化、均匀化、斑块形状复杂程度降低、破碎度增加.表2 景观指数选取2.2.2 水文观测与水样采集和分析分别在各流域出口设置水文实时监测系统和水质采样点(图 1).水文观测系统每10 min自动采集记录流量数据，据此计算流域研究时段内的逐日和累计径流量.水质监测采样每月进行3次，即每月的8、18、28日采集径流水样.水样采集时在采样点水面下20 cm深处采集约1 L样品.根据水质分析方法要求，水样一般在采样后24 h之内进行室内分析，不能及时分析的先将样品保存在-18 ℃度冰箱内，分析时再解冻.水样TN含量采用碱性过硫酸钾消解-流动分析仪法测定.2.2.3 负荷历时曲线(LDC)与TN最大日负荷(TMDL)计算LDC根据研究区流量历时曲线(FDC)与水质治理目标计算得到.FDC是描绘河流某一流量在观测时段内发生频率的曲线，根据10个小流域的实际水文条件，将FDC划分为3个不同的流量历时区域(Flow Duration Intervals，FDI)，即：高流量区、中流量区、低流量区，各区对应的流量保证率分别为0~30%、30%~70%和70%~100%，将FDC与水质目标相乘即得到LDC.通过LDC与实际观测数据相结合，可以直观看出不同FDI内水质受损状况，若观测数据点位于LDC曲线上方，则表示水体污染物含量超过了水质标准，若在曲线下方，则表示水体状况良好.与此同时，根据实际观测指标的水质治理目标和与之对应的瞬时流速可以计算出不同FDI内污染物日负荷和允许负荷，并根据实际负荷和允许负荷计算出需要消减污染物的量或者消减率.将10个小流域观测时段内完整的流量系列分别划分为20个连续的流量单元，分别计算各单元内TN 现状日负荷(DTL)、允许日负荷(TMDL)和需要消减比例(DDR).再根据不同FDI内所含流量单元数求出10个流域不同FDI内平均DTL、TMDL和DDR.计算公式如下：式中，DTLi为在i种FDI内TN的日均负荷(kg · km-2 · d-1);TMDLi为第i种FDI内TN 最大日负荷(kg · km-2 · d-1);Cj 为i种FDI内第j个流量单元内实际观测TN浓度均值(mg · L-1);RDj 为i种FDI内第j个流量单元内实际观测径流深平均值(mm);T为水体治理目标水质，对于TN浓度，T=1.5 mg · L-1(地表水IV类标准);DRRi为i种FDI内TN需要消减比率;m为第i种FDI内包含的连续流量单元数;RD是径流深(mm);Q为实际观测流量(m3);A 为流域面积(km2).Mi为预留出的10%作为安全临界值(MOS)，避免不确定性对水体水质的影响.流域不同FDI内TN年均负荷通量计算公式如下：式中，ni为观测时段内第i种FDI内所包含的天数;N为观测年数(2010—2012年.2.2.4 灰度分析运用灰度分析法(GRA)计算不同FDI内各因子与TN负荷消减率的关联(GRG)，并通过排序确定主要影响因子.GRA是由邓聚龙研究发明的用于分析因子间相互影响度和因子对事物贡献度的方法.相比其它数据统计方法，GRA更适用于研究样本数量较少、数据较贫乏、信息不确定的对象.关联性大小由关联度表示.在关联分析中有一个基准序列{x0(k)，k=1，2，…，n}，即因子研究中的研究主体，以及q个因子序列{xi(k)，k=1，2，…，n; i=1，2，…，q}.GRA计算过程如下：①对所用序列进行标准化处理后得到标准化序列，即各序列原始数据减去平均值后再除以标准差(公式(7));②计算关联系数ζ0i(k)(式(8))，其中，ρ为分辨系数，默认ρ=0.5;③计算关联度(GRD)γ0i.GRD数值大小可反映因子贡献的大小，当γ0i>0.7时表示因子有显著影响，当γ0i<0.6时因子贡献度则可以忽略.3 结果3.1 流域降雨径流特征研究区2010—2012年的年均降雨量分别为1775.5、1034.6和1800.1 mm，其中，3—6月为雨季，9月到次年2月为旱季(图 2)，与历年平均降水量(1377.6 mm)相比，2010和2012两年为湿润年，而2011年属于干旱年，其5月份降水量仅为73.4 mm，为同期降水量的30%.10个小流域月均径流深与月均降雨量显著正相关(r=0.7661~0.9251，p<0.01)，表明当地的地表径流主要受天然降水的影响(图 2).研究区10个小流域的日流量频率变化具有基本一致的变化特征，以脱甲河和涧山小流域为例(图 3)，观测期内(2010—2012年)月均流量频率具有如下特征：3—8月份位于高流量区，其中，5月份月均流量与月内最大日流量均达到最大;9月份到次年12月份多位于中、低流量区.3.2 小流域TN 日均负荷特征图 4为10个小流域TN 历时负荷曲线，其中，除森林小流域(伏岭)外，其余小流域TN 日负荷均存在超过TMDL 现象，其中，种植-养殖小流域(水坝、脱甲河、东山桥、惠农)TN 负荷超标率为97.2%，超标情况较为严重，富营养化风险较高.森林-种植小流域(拔茅田、观佳、涧山)TN 负荷存在超标情况，但超标率(43.4%)显著低于种植-养殖小流域.不同流量阶段下小流域TN 日均负荷存在显著差异(p<0.05)(表 3)，其中，种植-养殖小流域在高、中、低流量区TN 日均负荷显著高于其余流域，分别为10.1~12.6 kg · km-2 · d-1(高流量)、4.8~6.5 kg · km-2 · d-1(中流量)、1.4~4.9 kg · km-2 · d-1(低流量).森林、森林-种植小流域TN 日均负荷在高、中流量区内显著低于其余流域.表3 不同水文阶段10个小流域TN 实际日负荷、允许最大日负荷和目标消减率3.3 小流域TN年均负荷及季节分配10个小流域TN年均负荷为739.0~2798.4 kg · km-2 · a-1(表 4)，其中，高、中流量区TN负荷所占比例分别为49.4%~69.8%、14.9%~33.8%，表明高、中流量区是N流失的主要阶段.从季节动态来看，春、夏两季(3—8月)TN负荷所占比为52.0%~80.0%，是N流失的高峰阶段(图5).从不同类型小流域TN负荷比例来看，种植-养殖、养殖小流域秋、冬季TN负荷占全年的比例为39.9%~48.0%，显著高于森林和森林-种植小流域(20.0%~33.1%).表4 亚热带小流域TN年均负荷及在不同水文阶段的分布(2010—2012年)图5 10个流域TN年均负荷季节分配3.4 小流域TN日均负荷消减率特征表 3中除森林小流域外，其余小流域在不同FDI内均需要对TN负荷进行消减，其中，不同流量阶段下养殖、种植-养殖小流域TN负荷消减率均高于森林-种植小流域，分别为36.8%~59.1%(高流量)、54.8%~76.0%(中流量)、55.0%~78.6%(低流量)，且同一小流域从高流量到低流量阶段TN负荷消减率逐渐增大.而对于森林-种植小流域，TN负荷的消减主要存在于高流量阶段，消减率为17.4%~35.7%.可见，小流域TN负荷与土地利用、畜禽养殖及水文条件等有着较为复杂的关联性.3.5 不同水文条件下TN负荷影响因子灰度分析灰度分析结果表明，在不同流量区各因子对TN消减率的影响不尽一致(表 5)，但农田面积比例(CL)、养殖密度(LD)、流域形状指数(LSI)、景观特征(香农多样性指数，SHDI)等4个因子对TN负荷影响较大，4个因子在不同流量阶段下关联度排序有所差异，其中，高、中、低流量区分别为：CL>SHDI>LSI，CL>SHDI > LD，LD> CL>SHDI，意味着不同流量段主导的影响因素有所变化.表5 10个小流域不同水文阶段TN消减率影响因子关联度及其排序4 讨论4.1 TN负荷通量和季节变化特征小流域TN负荷通量与土地利用和农业结构密切相关，不同类型小流域间TN年均负荷存在较大差异.10个小流域TN年均负荷为739.0~2798.4 kg · km-2 · a-1，其中，森林流域(伏岭)TN 年均负荷为739.0 kg · km-2 · a-1，显著高于温带森林流域TN年均负荷，如芬兰奥鲁河流域、英国Pond Branch流域TN年均负荷分别为237、190 kg · km-2 · a-1.导致这一现象的主要原因可能在于不同气候带环境因子、森林类型、氮沉降和氮库等方面的不同.相比温带地区而言，亚热带地区高温多雨使得土壤氮矿化速率较高，为硝化作用提供大量底物.研究表明，当N年均沉降超过25 kg · hm-2 · a-1的临界点时会导致“森林氮饱和”，超过森林生态系统的同化能力;同时，高N沉降量与林冠层共同作用会使土壤N库增加并提高硝化作用，在降雨-径流过程驱动下，最终导致N(通常以NO-3形式)从土壤中淋失.研究区伏岭小流域N沉降量为58.11 kg · hm-2 · a-1，其他亚热带森林流域与伏岭流域N沉降通量相近，例如，广东鼎湖山森林流域仅N湿沉降就达到47.6 kg · hm-2 · a-，这是导致森林流域TN负荷偏高的主要因素.种植-养殖小流域TN年均负荷为2386.7 kg · km-2 · a-1，研究表明，三峡库区同类型小流域TN年均负荷为1878.7 kg · km-2 · a-1.养殖小流域TN年均负荷为1408.9kg · km-2 · a-1，陈能汪等对福建山仔流域TN污染分布和来源研究发现，养殖大镇霍口TN 负荷为1400 kg · km-2 · a-1.相比种植-养殖、养殖流域，森林-种植流域仅为911.4kg · km-2 · a-1.这与他人研究结果相似，王飞儿等和Giordan等研究发现，以种植为主流域的年均TN负荷约为900~1300 kg · km-2 · a-1.九江武川小流域农业结构主要为水稻和经济作物，其年平均TN输出为1025.3 kg · km-2 · a-1因此，在我国亚热带地区由于N流失而导致的水体污染问题是普遍和严峻的.不同流量阶段下降雨-径流过程是小流域N素输出的动力.10个小流域在高、中、低流量区TN日均负荷分别为4.7~12.6、1.0~6.5、0.5~1.0 kg · km-2 · d-1，且高流量区TN负荷所占年均比例(47.3%~77.4%)远高于中、低流量区.可见流量越大，污染物迁移负荷越大，同时也表明小流域氮的流失主要发生在流量较高的雨季，其原因主要体现在两个方面：①高流量区径流量高，一般(平均)占全年的42.0%，因此，输送的污染物总量也就较高;②高流量区由于径流流速快，径流对污染物的携带和输送能力更强，因此，会对干旱期存储在流域内而未被输送出去的污染物(尤其是颗粒态)集中输移，即所谓的“景观记忆”(L and scape Memory)效应.不同类型小流域TN负荷输出呈现出明显的季节特征，流失高峰为春、夏两季，而种植-养殖、养殖小流域秋、冬季TN负荷输出比相比其它类型小流域有所增加.森林和森林-种植小流域春、夏两季(雨季)TN负荷全年比>66.9%，这与魏林宏等的研究结果基本相近，在降雨频率高的雨季径流量及污染物排放负荷占到全年的60%~90%.同时由于早稻生长所残留的N肥和晚稻基肥，以及7月底到8月中旬的灌排水所导致的土壤N的淋溶量增加，共同导致了小流域TN负荷的增加.而种植-养殖、养殖小流域春夏TN负荷全年比为52.0%~60.1%，秋、冬两季TN负荷全年比较森林、森林-种植小流域有所增加.这主要由于秋、冬两季降雨稀少，地表径流不活跃，流量频率多位于低流量区，氮素迁移受到抑制，而畜禽养殖废弃物的直排、不合理利用和以有机肥形式还田兼有点源污染性质.尽管面源污染与降雨径流有密切关系，但养殖、种植-养殖小流域TN负荷部分来源不受降雨-径流的影响，因此，在制定TMDL和水质管理方案时不应忽略旱季时期，尤其是畜禽密度较高的地区.4.2 TN负荷影响因子TN负荷消减率是反映小流域TN负荷现状和超标状况的重要指标.灰度分析结果显示，土地利用、养殖密度、流域形状指数、香农多样性指数等小流域景观格局指数是TN负荷消减率的主要控制因子.高、中流量阶段下农田面积对TN负荷消减有显著影响.这与他人研究结果相似，Schilling等研究发现，地表水中N素含量与耕地面积比例呈线性关系;Wang等发现，水稻面积与流域水体养分存在临界值(13%~27%)，当水稻面积比例高于临界值时，会加剧对周围水体的养分污染;Weller等发现，农田的比例和坡地开发的比例都会使N输出的平均浓度增加，且农田比例影响度更大.农田面积比例对于TN负荷的影响主要是由于化肥的不合理施用而导致的N盈余并通过淋溶和地表径流进入周围水体.金井地区水稻种植年均N肥施用量为374 kg · hm-2，而约有212.2 kg · hm-2在土壤累积或进入水体(Wang et al., 2007).同时，由于水田土壤犁地层会限制N素向深层土壤渗漏，更易导致N素随地表径流流失.因此，合理的土地利用规划和化肥施用量是缓解流域N养分污染的有效途径.SHDI、LSI在高、中流量区对于TN负荷消减的影响仅次于农田面积比例，SHDI、LSI增加表明人类活动干扰增强，景观复杂程度增加，流域内景观类型的分布受自然资源限制程度上升，相邻斑块类型较多和复杂边界会增加污染物进入水体的风险，尤其在山地丘陵，表现为林地水体净化能力降低.从中流量区到高流量区，暴雨事件下的山地作为污染源对于产污响应程度逐渐增强.因此，LSI与TN负荷在高流量区关联程度高于其余流量阶段.同时，流域内景观的丰富度和复杂性增加不利于流域内污染物扩散的控制.PD、CONTAG、AL、LPI分别是对景观组分的破碎度、聚集程度和景观优势度的表征.Lee等研究发现，PD与各种形态的N浓度呈正相关，表明随着景观破碎度和空间异质性的增大，流域水体氮素浓度增大.而LPI、AL、CONTAG与TN浓度负相关，其值越高表明最大斑块(林地)优势度增加，且优势斑块具有良好的连接性，斑块聚集程度高，有利于优势斑块对于N素的固定与拦截.畜禽密度对TN消减的影响主要体现在中、低流量段.黄金良等研究表明，在九江流域畜禽养殖所贡献的TN负荷占到全部负荷的24.0%~46.9%.晋江流域TN贡献源主要为畜禽养殖(31.72%)，超过农田径流(26.8%).因此，对于高畜禽密度流域，在低流量区应避免畜禽排泄物直排入水体，增加循环利用比率，同时，制定不同流域和尺度区域农田土壤所能消纳的畜禽粪便最大容量，从而减少畜禽养殖对于TN负荷的贡献率.5 结论1)10个小流域TN年均负荷变化范围为739.0~2798.4 kg · km-2 · a-1，由小到大依次为森林、森林-种植、养殖、种植-养殖小流域.2)小流域TN负荷特征与流域类型密切相关，除森林小流域外，其余类型小流域TN负荷均存在超标，其中，种植-养殖、养殖小流域超标严重，且主要发生在中、低流量阶段，森林-种植小流域TN负荷超标主要发生在高流量段.3)小流域TN负荷呈现明显季节特征，其中，春、夏(3—8月)为N素流失的高峰期，但种植-养殖和养殖小流域秋、冬两季TN负荷所占比(39.9%~48.0%)较其他类型小流域(20.0%~33.1%)有所升高.具体参见污水宝商城资料或更多相关技术文档。