密云县蛇鱼川小流域地表水水质变化的规律

2012-01-02吴敬东张洪江段淑怀叶芝菡易作明

中国水土保持科学 2012年1期

吴敬东，张洪江，段淑怀，叶芝菡，易作明

(1.北京林业大学水土保持学院，100083，北京;2.北京市水利科学研究所，100048，北京;3.北京市水土保持工作总站，100038，北京)

北京市水资源总量严重不足，人均水资源量不足300 m3，是资源型重度缺水地区。由于水源分散和水污染，资源型缺水、工程型缺水和水质型缺水三者并存。水资源紧缺已成为制约北京经济社会发展的第一瓶颈，水资源保护成为北京市长期的战略目标。

山区是首都北京的天然生态屏障和主要水源涵养与供给源地。伴随郊区工业化、城市化进程及规模养殖、休闲旅游业的发展，污水排放量不断增加，水环境问题凸显，以小流域为基本单元的水资源和水环境承载力问题日益突出，水是流域发展的限制因子［1］，将人类活动控制在水环境可承载的能力范围之内，方能实现环境生态安全和经济社会可持续发展。生态清洁小流域建设是解决北京山区生态环境问题与水源保护问题的有效途径之一［2－5］。笔者以北京市密云县蛇鱼川生态清洁小流域2005—2009 年监测资料为依据，研究并分析小流域水质变化规律，以期为生态清洁小流域建设、水源保护及生态环境建设提供理论依据。

1 研究区概况

北京位于华北土石山区的中部地区，地理坐标为E115°25'～117°30'，N39°28'～41°05'。密云县位于北京市的北部，研究区设在密云县石城镇蛇鱼川小流域。蛇鱼川小流域毗邻密云水库，属于白河水系蛇鱼川河流域，蛇鱼川河流经该流域直接流入密云水库，小流域跨越密云水库一级和二级水源保护区，流域面积25.86 km2。蛇鱼川干流河道全年大部分时间为断流状态，只有在汛期暴雨条件下才有流水。

蛇鱼川小流域属燕山山脉，地势北高南低，大部分为远高山区，海拔140 ～986 m，相对高差846 m。流域内两岸山势较陡，主河道狭长，约15 km，主要支沟长4.4 km。沟壑密度0.56 km/km2，沟壑面积占总面积的17.6%，主河道平均比降为2.8%，主要支沟平均比降为3%～5%。全流域坡度变化于0 ～79°之间，坡度大于35°的面积占到全流域的56%。流域多年平均降水量为652 mm，75%集中在6—9月份。小流域岩石以花岗岩和片麻岩为主。土壤以褐土为主，包括淋溶褐土和普通褐土。土壤质地较粗，多为砂壤土，颗粒松散，黏粒含量低，保水性较差，容易产生土壤侵蚀。小流域植被类型有人工的针叶林、落叶阔叶林、灌丛、灌草丛、草丛、水生植物以及经济林、农田等植被。

小流域包括黄峪口、西湾子2 个行政村，2008年共471 户，人口1 101 人，劳动力626 人。流域主导产业为养殖业(养鸡为主)和林果业，人均年收入8 643 元。流域内人畜饮水和灌溉用水主要以利用地下水资源为主，现有深、浅机井共37 个。流域内有4 座塘坝，分别为高家岭塘坝、群英塘坝、蛇鱼川塘坝和石炮沟小塘坝，其中群英塘坝、高家岭塘坝可用于农业灌溉，其他塘坝蓄水未被利用。

2 研究方法

在全流域布设地表水监测点有11 个，包括了对典型自然沟道、污染源旁沟道和塘坝水体的采样和化验;监测项目包括常规物理、化学项目，同时为了解塘坝的富营养化水平，对塘坝增加了浮游动植物的监测，由生物项目辅助化学项目共同判断。地下水监测点共设11 个，包括对典型饮水井、灌溉井和污染源旁水井的水体采样与化验。针对流域内分布有较多养鸡场的现状，选择典型鸡场对主要污染源——冲洗鸡舍废水进行了采集和化验［6－9］。具体布设情况见图1 和表1，监测指标包括化学指标(CODMn/(mg·L－1)、BOD5/(mg·L－1)、TN/(mg·L－1)、NH3－N/(mg·L－1)、TP/(mg·L－1)、pH 值(量纲为1)、溶解氧(DO/(mg·L－1))、物理指标(流速/(m·s－1)、流量/(m3·h－1)、气温/℃、水温/℃、电导率/(μS·cm－2)、固体悬浮物(SS) /(mg·L－1))和生物指标(叶绿素α(Chlorophyll a) /(μg·L－1)、浮游动物(量纲为1)、浮游植物(量纲为1)、透明度/m)。

图1 蛇鱼川小流域监测点空间分布Fig.1 Spatial distribution of monitor points in Sheyuchuan small watershed

表1 蛇鱼川小流域监测点布设与监测方法Tab.1 Location of monitor points and monitor methods in Sheyuchuan small watershed

3 结果与分析

3.1 河流水质的时间变化

蛇鱼川小流域河流大部分处于常年干涸状态，为了能监测到河流水质的全年变化情况，选取河道常年有水的2 个点S1 和S4(图1)进行监测。该小流域每年10 月入冬，11 月—翌年1 月河道结冰，取样困难，因此仅监测2—10 月数据，以10 月份数据代表冬季水质状况。

以2008 年监测为例，NH3－N、TN、TP 和CODMn质量浓度的月变化如图2 ～图5 所示。NH3－N 质量浓度全年较低，冬春季变化较大，夏季中期以后质量浓度比较稳定。TN、TP 和CODMn质量浓度月变化趋势比较明显，冬春季质量浓度较低，夏季汛期质量浓度显著上升，秋季降雨结束后，各指标质量浓度回落。这个变化规律反映出夏季降雨引发了面源污染，影响了河流水质:在降雨的冲刷下，流域山坡、农田等水土流失加剧，所产生的径流、泥沙连同村庄生活、养殖污染物被冲刷汇集入河道，使河水中氮、磷等营养物质质量浓度升高。这个过程随着雨季的结束而得到缓解。

3.2 河流水质的空间变化

蛇鱼川小流域河流常年干涸，多数时段不能在全流域上、中、下游同时采到水样。2008 年降雨量较多，选取一场暴雨后河道出现连续水流状态下采样，借以反映流域地表水质的空间变化。采样点包括S1、S4(上游西支)—S8(上游东支)—S9(中游，2沟交汇点)—S11(下游)，采样时间为2008 年9 月。

图2 2008 年河流氨氮质量浓度月变化Fig.2 Monthly variation of mass concentration of river NH3－N in 2008

图3 2008 年河流总氮质量浓度月变化Fig.3 Monthly variation of mass concentration of river total N in 2008

图4 2008 年河流总磷质量浓度月变化Fig.4 Monthly variation of mass concentration of river total P in 2008

各点NH3－N、TN、TP 和CODMn质量浓度的空间变化表2。NH3－N 质量浓度在上游东支最高，其他点差异不显著。TN 质量浓度在上游东支同样很高，达到25 mg/L，明显受到了铁矿污染的影响，在其作用下中游交叉处河水水质TN 质量浓度也很高，除此之外其他点的TN 质量浓度正常。TP 和CODMn质量浓度基本未受铁矿影响，各点质量浓度总体较低，在Ⅱ类水标准限内，空间变化上总体趋势是上、中游较下游高，可能是由于上游向下游污染物逐渐衰减，并且下游污染源对河水TP 和CODMn质量浓度贡献不大的缘故。

图5 2008 年河流高锰酸钾指数月变化Fig.5 Monthly variation of mass concentration of river CODMn in 2008

表2 河流不同监测指标质量浓度空间变化Tab.2 Spatial variation of mass concentration of different monitoring index mg/L

3.3 湖库水质的季节性变化

蛇鱼川小流域有4 个塘坝，其分布和现状见图6。塘坝是流域农业灌溉水源之一，也作为水景观成为了当地主要的旅游景点。通过监测，塘坝水质呈现一定的季节变化规律，以2006 年(图7 ～图10)为例。氨氮冬高夏低，这是由于冬天水体封冰，水体不能从空气中获得氧源而降低，使得冬天氨氮质量浓度高，而在夏天高温、阳光充足，藻类光合作用强烈，溶解氧增加使得氨氮容易被转化为其他形态的氮，从而降低氨氮质量浓度。总氮也呈现冬高夏低的规律，说明塘坝水体中的氮质量浓度受外源汇入的贡献较低，而更多地来自于坝底沉积的底泥及其他物质，冬天封冻，塘坝相对静闭，水体中的氮主要来自于底泥内源。对于总磷和高锰酸钾指数，均呈现出冬季质量浓度较高的状态，这也和静闭水体受内源污染影响较大有关;另外，2 个指标在夏季也有较高的质量浓度，分析其原因主要是夏季污染物受降雨、径流增大影响，迁移量加大，增加了塘坝水体营养物质量浓度，尤其是总磷。

3.4 总体水质评价

图6 蛇鱼川小流域塘坝分布Fig.6 Dams distribution in Sheyuchuan small watershed

图7 塘坝氨氮质量浓度季节变化Fig.7 Seasonal variation of mass concentration of NH3－N in small reservoir

图8 塘坝总氮质量浓度季节变化Fig.8 Seasonal variation of mass concentration of Total N in small reservoir

综合分析11 个地表水监测点的监测结果，主要化学项目氨氮(NH3－N)、总磷(TP)和高锰酸钾指数(CODMn)的平均质量浓度水平如图11、13 和15 所示。对照GB/T 3838—2002《地表水质量标准》，各指标所对应的水质分级状况见图12、14 和16。监测结果反映，小流域地表水质良好，氨氮属Ⅰ～Ⅱ级，总磷属Ⅱ级，高锰酸钾指数属Ⅱ～Ⅲ级，氨氮、总磷的质量浓度状况总体优于高锰酸钾指数。

图9 塘坝总磷质量浓度季节变化Fig.9 Seasonal variation of mass concentration of Total P in small reservoir

图10 塘坝高锰酸钾指数质量浓度季节变化Fig.10 Seasonal variation of mass concentration of CODMn in small reservoir

图11 小流域地表水氨氮质量浓度空间分布Fig.11 Spatial distributin of NH3－N concentration in small watershed

图12 小流域地表水氨氮质量浓度分级Fig.12 Classification of NH3－N concentration in small watershed

图13 小流域地表水总磷质量浓度空间分布Fig.13 Total P concentration of surface water in small watershed

虽然总氮不作为河流水质的评价指标，但从流域地表水总氮质量浓度的分布(图17)可以看出，流域局部区域受到了污染，集中在监测点S7、S8 所处的流域上游东支，总氮质量浓度最高超过60 mg/L，进一步分析得到其硝酸盐质量浓度相当高。经调查，此处水污染因上游冯家峪铁矿而起。石炮沟上游坡面长年堆积从分水岭另一侧的冯家峪铁矿倾倒的大量废弃矿渣，根据铁矿建立前当地不存在水污染情况，并且依据现状水中TN 和NO3－N 质量浓度随与铁矿距离增加而递减的规律，可以基本确定该铁矿弃渣的存在是导致当地水污染的主要原因。