巢湖烔炀河水体氮磷营养物变化特征及成因分析

2010-03-26廖荣明洪天求李如忠

合肥工业大学学报（自然科学版） 2010年10期

廖荣明，洪天求，李如忠

(合肥工业大学资源与环境工程学院，安徽合肥 230009)

河流是污染物及氮磷营养物进入湖泊水体的主要通道，入湖河流水质的污染程度直接影响湖泊水体水质。很多研究表明，近年来我国大型河流水体中的营养元素含量有升高的趋势[1-6]。文献[7]研究表明，美国大多数河流的氮、磷营养物浓度在近几十年中也不断升高。巢湖流域内共有大小入湖河流33条，其中南淝河、十五里河、派河和双桥河等入湖河流自2000年以来，水质常年维持在劣Ⅴ类[8]。文献[9]研究发现，2005年巢湖水体主要处于中营养—中富营养状态。文献[10]研究表明，在巢湖非点源营养物入湖总量上，经入湖河道输入的总磷占68%，总氮占74%。因此，研究入湖河道污染物的衰减变化规律，对削减和控制入湖污染物含量具有重要意义。本文基于对烔炀河5次水质采样(2008年10月—2009年7月)分析的结果，对河流水体中的氮、磷营养物的年际变化特征及其成因进行了初步探讨。

1 数据与方法

1.1 研究区域概况

巢湖流域属亚热带和暖温带过渡性的副热带季风气候区，气候温和湿润，四季分明，雨量适中，无霜期长(224～252 d)，热量充裕(≥10℃的年积温4 900～5 100℃。年平均温度15～16℃，年降雨量为630～1 450 mm。烔炀河位于巢湖北岸，始于巢湖市烔炀镇，流经6个自然村，最后汇入巢湖[11]。河道全长约3 km，宽约20～30m，平均水深约1.4m。流域污染主要来源于城镇居民生活用水以及河道两侧农田地表径流，河道两侧农田主要种植水稻、棉花等作物。在部分河段河道中心分布有季节性菱角，成熟季节常有渔民划船采摘。入湖河口处常年有渔民泊船于此，渔民生活用水直接排入河口。

1.2 样品采集

从烔炀河上游源头至入湖河口，大约每隔600 m设置1个采样断面，如图1所示。在每个断面上设置1个采样点，共6个采样点。每个采样点采集水样5次，采样时间分别为2008年10月、12月和2009年3月、5月、7月。

在每个采样点，利用水质采样器采集水样2 000m L，其中的1 000 m L采用聚乙烯塑料瓶盛满，加1∶1H2SO410 m L，使pH＜2.0，4℃保存，测定氨氮(NH 4+-N)、硝态氮(NO3--N)、亚硝态氮(NO2--N)、化学需氧量(CODMn)和总氮(TN);另1 000 m L用聚乙烯塑料瓶盛装，4℃低温保存，以测定总磷(TP)。本文主要是对烔炀河水体氮磷营养物变化特征及其成因进行分析，下面仅就其中氮磷营养指标进行分析。

1.3 分析测定方法

采用文献[12]中推荐方法分析测定各项指标，即:氨氮采用纳氏试剂分光光度法测定，亚硝态氮采用N-(1-萘基)-乙二胺光度法测定，硝态氮采用紫外分光光度法测定，总氮采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法测定，总磷采用钼酸铵分光光度法测定。

图1 烔炀河水质采样点布置示意图

2 河道氮、磷营养物衰减变化特征

2.1 含氮营养物变化特征

2.1.1 无机氮变化特征

氮在地表水体中的化学形态较为复杂，主要包括无机态的硝酸盐、亚硝酸盐、氨氮和有机氮[13]。不同时期，烔炀河水体硝酸盐氮、亚硝酸盐氮、氨氮变化情况如图2～图4所示。

从图2可知，硝酸盐氮质量浓度在2009年3月相对较高，最高点位于起始采样点1，质量浓度为0.815mg/L;2008年10月相对较低，最低值出现在入湖河口处，质量浓度为0.065 mg/L。在同一采样点，其它各次硝酸盐氮质量浓度均介于2008年10月和2009年3月之间，且相差不大，具有较明显的同步变化性。由图2还可以看出，2008年10月在各采样点处硝酸盐氮总体质量浓度比其它各月小得多。

由图3可知，2009年3月亚硝酸盐氮质量浓度相对最高，且最高值为0.068mg/L，而2008年10月份相对最低，最低值为0.010 mg/L。7月亚硝酸盐氮质量浓度与5月相比，出现了先高后低的现象。同样10月和12月也出现类似现象，且其总体亚硝酸盐氮质量浓度与其它各月相比相差较大，但在入湖河口处又基本接近。

由图4可以看出，相对于硝酸盐氮和亚硝酸盐氮变化，河道中氨氮变化较为平缓，除2009年3月外，其它各采样点质量浓度值差别不大，基本维持在1.5～2.0m g/L之间。而且除3月较为疏远外，其它各月的氨氮质量浓度呈现交错叠加变化的特点。直至入湖河口处，各时期的氨氮质量浓度趋于相同。

总之，在时间上，氨氮、硝酸盐氮和亚硝酸盐氮变化规律基本一致，即均为3月相对最高，10月相对最低。除少数情况外，各含氮营养物呈现一定的同步变化特点，且在入湖河口处，不同时期各指标质量浓度相差不大;空间上，硝酸盐氮、亚硝酸盐氮及氨氮变化趋势大体相同，即从上游至下游污染物质量浓度均呈衰减变化规律。

2.1.2 总氮变化特征

烔炀河总氮变化趋势如图5所示。

由图5可见，在河流起始河段的采样点1处，不同时期河流总氮质量浓度较为接近，说明源头处点源入河污染负荷较为稳定。在烔炀河水体中TN质量浓度最高值出现在2009年3月，位置在上游采样点1处，其值为2.138 mg/L;最低值出现在2008年10月，位置在下游采样点5处，其值仅为0.415 mg/L。河流TN质量浓度上游较高，属于地表水体Ⅳ～Ⅴ类，中游污染程度有所减轻，下游已达Ⅲ类水质。由图5可以看出，2008年10月和12月，采样点2处总氮质量浓度值分别达1.585m g/L和1.521 mg/L，而在采样点3处迅速下降为0.489m g/L和0.677mg/L，TN质量浓度落差较大，这与其它月份明显不同。采样点3、4之间TN质量浓度变化相对平稳，至入湖口处总氮质量浓度变化与无机氮质量浓度变化特征基本相同，且各月相差不大，这可能与巢湖水体的冲刷稀释作用有关。烔炀河水体TN与其它溶解性无机态氮空间变化规律基本一致，即为从上游至下游污染物质量浓度呈衰减变化规律。

图5 烔炀河总氮变化趋势

2.2 总磷变化特征

烔炀河水体中TP质量浓度在0.066～0.186mg/L之间，属地表水体Ⅱ～Ⅲ类水质。TP最高值出现在2009年3月，最低值在2008年10月。在采样点2处，各月的TP质量浓度相近，在采样点3、4之间变化相对平稳，到采样点5处质量浓度达到最低，而至入湖河口的采样点6处又再次升高，如图6所示。

图6 烔炀河总磷变化趋势

入湖河口处TP质量浓度与含氮营养物具有共同的特点，即各营养物质量浓度在不同时期趋于相同或相近。空间上，烔炀河水体TP质量浓度变化规律与含氮污染物略有不同，即表现为上游＞下游＞中游。

3 河流水体氮磷变化原因

通过实地调查和实验室分析，笔者以为影响烔炀河水体氮磷营养物衰减变化的原因主要可以概括为3个方面，即水生植物的影响、排污不确定影响以及河流水温变化的影响等。

3.1 水生植物的影响

为了揭示氮磷营养指标的衰减变化与河道水生植物生长的关系，研究中选取了水生植物相对较为稀疏的河段3作为对照河段，并定期清除河道内水生植物。根据水质监测数据，计算各河段(包括对照河段)单位河长上各项营养物指标的降解量，结果见表1所列。总体上看，河段3各营养指标单位河长的降解量低于同一时期其它各河段，尤其是在水生植物生长较为旺盛的季节。

表1 单位长度河段各指标降解量10-4 m g/L

例如，对氨氮而言，各河段2009年5月、2009年7月和2008年10月单位河长降解量均大于2009年3月和2008年12月。由调查可知，巢湖流域5月—10月为烔炀河主要水生植物水花生的生长、开花和成熟期。进入12月水花生陆续枯萎，而3月水花生等尚未生长。由表1可以看出，除了河段5受人为因素影响外，在有水生植物生长的河段，各月份单位河段氮磷营养物的降解量均高于对照河段3，这证明了水生植物对烔炀河水体营养物的衰减变化具有重要影响。同样，对其它各项营养指标的分析，也得到了类似结论。

3.2 污染物排污不确定性的影响

由图2～图6可以看出，在入湖河口处不同时期各氮磷营养物质量浓度总体差别不大，笔者以为这可能与河流水量相对较小，在入湖河口处湖水的混合稀释作用下，使得不同时期各指标在入湖河口处质量浓度值趋于相同。图6中TP质量浓度在入湖河口处又逐渐升高，笔者以为，这可能是由于入湖河口处常年有渔民居住，渔民生活用水在湖水的顶托作用下影响河口水质，使得河口处TP质量浓度升高。同样，在表1中，氨氮、总氮和总磷等的单位河长降解量部分出现负值，可能也是由这一原因造成的。由于该流域处于水稻种植区，除源头处的点源排污外，农田径流也成为烔炀河水体氮磷营养物不可忽视的来源。表1中，部分营养物在对照河段3中出现单位河长的降解量比其它时期高的反常现象，笔者以为可能与非点源污染影响有关。

3.3 水温变化的影响

文献[14]研究表明，挺水植物在20～30℃环境中生长最旺，对污染物吸附能力最强。由图2～图6可以看出，各氮磷营养物质量浓度变化规律表现为2009年3月最高，2008年10月最低。笔者以为，导致这种现象的因素除水生植物的影响外，温度的变化也是影响因素之一。具体表现为2008年10烔炀河水体温度在25℃左右，为水生植物吸附能力最强时期，且适宜中温型微生物生长。而2009年3月烔炀河水体平均水温在15.2℃左右，此时微生物活性较低，水生植物刚刚萌芽，尚不具备污染净化能力。

4 结论

(1)烔炀河含氮污染物在时间和空间上的变化规律基本相同。时间上，3月份最高，10月份最低;空间上，从上游至下游污染物质量浓度呈衰减变化趋势。含磷污染物与含氮污染物在时间上变化基本一致，但在空间上有所差异。

(2)水生植物对烔炀河水质变化有直接影响。烔炀河各水质指标的变化随水生植物生长季节的变化而变化，由水生植物的发芽、开花、成熟到枯萎，水体营养物质量浓度变化呈现出从高到低再到高的变化情势。在无植物生长的季节或河段，单位长度河段各指标降解量低;反之，单位长度河段各指标降解量则高。正是由于水生植物对氮磷营养物具有很好的净化效果，在烔炀河水质修复过程中，生态修复技术可能是一项较为理想的选择。

[1] 马永胜，时秋月，朱丹丹.非点源污染对嫩江上游流域水环境的影响[J].东北农业大学学报，2006，37(6):842-846.

[2] 王明远，赵桂久，章申.长江碳、氮、磷、硫输送量的研究[M]//化学元素水环境背景值研究.北京:测绘出版社，1989:121-131.

[3] 金传良，郭治清，王敦春，等.中国水资源质量评价概述[J].水文，1996，(5):1-7.

[4] 陈静生，关文荣，夏星辉，等.长江干流近三十年来水质变化探析[J].环境化学，1998，17(1):8-13.

[5] Zhang Jing.Chem ical trend of national rivers in China:Yellow and Yang tze[J].AMBIO，1994，24(5):274-278.

[6] 段水旺，章申，陈喜保，等.长江下游氮、磷含量变化及其输送量的估计[J].环境科学，2000，21(1):53-56.

[7] Sm ith R A，A lexander R B，W olman M G.W ater quality trends in the nation's river[J].Science，1995，235:1607-1615.

[8] 朱余，王凤.巢湖流域水质状况与环境目标可达性分析[J].环境监测管理与技术，2007，16(6):22-26.

[9] 石勇，李如忠，熊鸿斌，等.基于未确知数的湖泊富营养化评价模式[J].合肥工业大学学报:自然科学版，2009，32(2):150-154.

[10] 李如忠.地质环境与巢湖富营养化控制机制研究[R].合肥:合肥工业大学资源与环境工程学院，2007.

[11] 方克逸.巢湖[M].合肥:安徽科学技术出版社，1999:1-3.

[12] GB 3838-2002，地表水环境质量标准[S].