洱海10条入湖河流缓冲带三圈内氮含量沿程变化

卢少勇,张闻涛,邢 奕



洱海10条入湖河流缓冲带三圈内氮含量沿程变化

卢少勇1*,张闻涛1,2,邢 奕2

(1.中国环境科学研究院,环境基准与风险评估国家重点实验室,国家环境保护湖泊污染控制重点实验室,湖泊环境研究中心,国家环境保护洞庭湖科学观测研究站,湖泊工程技术中心,北京 100012：2.北京科技大学,土木与环境工程学院,北京 100083)

2013年7月采集了10条洱海入湖河流缓冲带三圈(外圈、内圈、中圈)内沿程34个断面的表层水样,测定了水样中总氮、可溶性总氮和氨氮的含量,分析其空间分布特征.结果表明,缓冲带内3个采样点的水质变化规律有9种类型:连续升高型,连续降低型,先降低后升高的“V”字型,先升高后降低的倒“V”字型,平稳型,先升高后平稳型,先下降后平稳型,先平稳后降低型,先平稳后升高型,10条洱海入湖河流水体(TN)较高,平均值为2.93mg/L,特别是内圈入湖河口处(TN)平均值为3.74mg/L,对洱海威胁较大,应加大河道治理,完善缓冲带内圈村落管网收集系统和垃圾处理设施.其中,茫涌溪、黑龙溪和清碧溪流域缓冲带(DTN)为0.30~2.31mg/L,占TN比例的平均值为81%,中圈水体中氮负荷明显较内圈和外圈的高,应通过测土平衡施肥以及有机肥增施来降低化肥使用量,减少农田污染物随径流流失.考虑入湖河流水质上游普遍较好,中游开始恶化,建议在缓冲带外圈建设生态砾石床、生态塘和地下渗透池等生态截蓄净化工程.

洱海；缓冲带；入湖河流；氮

缓冲带作为保护区域位于湖泊外围,用以减少上游面源污染对湖泊的影响[1-4].入湖河流是陆地生态系统和湖泊生态系统进行物质交换的通道,其通过接纳大量的生活污水、工业废水和农业余水,已成为湖泊富营养化的驱动力[5].

洱海是云南省第二大高原湖泊,正处于由中营养向富营养状态转变阶段[6].根据《云南洱海绿色流域建设与水污染防治规划》,洱海缓冲带总面积约94km2,其下边界为洱海最高水位1966.00m,从下边界线向陆地扩展,划分为3个圈层:内圈为洱海最高水位线以上100m环湖带,外圈为大丽线近湖侧30m左右的截蓄净化带,中圈为外圈和内圈之间的绿色经济带.洱海入湖河流河道两侧大部分乡镇和村落在生产、生活的过程中产生的污染物直接入河,特别是北部和西部农田面积比例较大,施用大量化肥和农药,对洱海水质影响非常明显[7].

目前针对洱海入湖河流的研究不多,翟玥[8]监测了洱海流域北部入湖河流罗时江和永安江从源头到入湖河口的水质,分析了河流污染特征.于超等[7]分析了弥苴河上关镇江尾大桥到入湖河口下游河段氮、磷季节性变化特征.马连根[9]监测了西部苍山十八溪出山口和入湖口的水质.较系统地对入湖河流在洱海缓冲带内农田、村落交界处的水质状况的研究尚未见报道.本研究主要对洱海10条入湖河流在缓冲带内的34个断面进行了水质监测,分析氮含量在缓冲带3圈内的空间分布特征,旨在为洱海缓冲带的构建与完善和功能缺失提出合理建议.

1 材料与方法

1.1 河流概况

考虑洱海北岸和西岸湖岸较缓,缓冲带相对较宽的特点,选择北部的永安江和西部的阳溪、茫涌溪、锦溪、灵泉溪、中和溪、白鹤溪、黑龙溪、清碧溪和莫残溪10条入湖河流为研究对象.参考2008年《大理市地表水资源调查报告》,各条河流基本情况见表1和图1.

表1 河流基本情况Table 1 Descriptions of sampling rivers

1.2 样点布设与采集

各条河流在洱海缓冲带3圈中每圈分别布设1~2监测断面,共34个,见图1.于2013年7月用有机玻璃采水器采集表层(0~0.5m)水样,储存于聚乙烯瓶中低温保存,迅速运回洱海基地实验室,立即处理分析.

1.3 测试指标及方法

现场用意大利米克MT106测定仪测定DO和pH值.水质测试指标包括总氮(TN)、可溶性总氮(DTN)和氨氮(NH3-N).其中(TN)用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法(GB11894-89)测定;(DTN)经0.45µm微孔滤膜过滤后用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法(GB11894-89)测定;(NH3-N)用纳氏试剂分光光度法(GB7479- 87)测定.

1.4 数据处理

试验数据取各圈采样点指标数据平均值,并通过SPSS 13.0和Origin 8.0软件分析.

2 结果与讨论

河流水体中污染物浓度在缓冲带三圈内沿程变化大体可分为9种类型:连续升高型,连续降低型,先降低后升高的“V”字型,先升高后降低的倒“V”字型,平稳型,先升高后平稳型,先下降后平稳型,先平稳后降低型,先平稳后升高型(如变幅£10%,忽略其变化).

2.1 水中总氮含量呈先平稳后上升型河流

阳溪、锦溪、灵泉溪和莫残溪水体中(TN)在洱海缓冲带外圈、中圈和内圈的沿程变化呈先平稳后上升的变化趋势,见图2.

阳溪(TN)为1.80~2.47mg/L,平均值2.02mg/L,属地表水劣V类(GB3838-2002)[10].(DTN)为0.41~1.33mg/L,DTN占TN的23%~ 54%.(NH3-N)为0.17~0.80mg/L,NH3-N占TN的比例从外圈的26%降低到中圈的9%,随后在内圈大幅升高到32%.锦溪(TN)为2.16~7.20mg/L,平均值3.89mg/L,属地表水劣V类.(DTN)为1.79~7.11mg/L,DTN占TN的83%~99%.(NH3- N)为0.14~2.98mg/L,NH3-N占TN的比例从外圈的6%升高到中圈的9%,大幅升高到内圈的41%.灵泉溪(TN)为0.88~1.18mg/L,平均值1.00mg/L,属地表水III类.(DTN)为0.63~0.95mg/L,DTN占TN的67%~89%.(NH3-N)为0.10~0.19mg/L.莫残溪(TN)为2.34~3.74mg/L,平均值2.82mg/L,属地表水劣V类.(DTN)为1.78~3.91mg/L,DTN占TN的80%~100%.(NH3-N)为0.06~0.38mg/L, NH3-N占TN的比例从外圈和中圈的3%大幅升至内圈的10%.

阳溪、锦溪、灵泉溪和莫残溪在缓冲带内圈河水中(TN)高于外圈和中圈,且NH3-N占TN的比例在内圈变幅较大.因入湖河流缓冲带内圈段两岸有许多村落,各村落基本情况见表2.村落人口众多,居民日常排水包括:厨房污水、冲厕水和洗涤污水,排水无序地汇入沟渠和河流[11].畜禽养殖以牛、猪为主,奶牛为当地特色产业,但畜禽粪便不能及时处理和有效利用,在岸边堆放,而粪便中氮淋溶性很强[12],对河流水质的威胁较大.4条河流水体中NH3-N占DTN比例的平均值仅为28%,这与水体中溶解氧含量(DO)较高(7.52mg/L),利于硝化作用密不可分.

表2 村落基本情况Table 2 Descriptions of countries

2.2 水中总氮含量呈平稳型河流

永安江从洱海缓冲带外圈流经中圈到内圈水体中(TN)沿程变化不大(变幅£10%),属平稳型,见图3,(TN)为1.09~1.12mg/L,平均值为1.10mg/L,属地表水IV类.(DTN) 为0.33~ 0.61mg/L.因永安江属强侵蚀区,从缓冲带外圈到中圈虽(TN)较平稳,但DTN占TN比例从57%增加到70%,在缓冲带内圈河道中水生植物等的作用下,内圈DTN占TN比例有降低,占TN的45%.(NH3-N) 为0.22~0.32mg/L,水体pH值在7.25~7.96间变化,在微生物作用下,利于水体中含氮有机物转化成NH3-N[13],使NH3-N占DTN的比例从外圈的47%增加到中圈的96%.

2.3 水中总氮含量呈“V”字型河流

中和溪从洱海缓冲带外圈进入中圈再进入内圈最后入湖,水体中(TN)沿程变化呈“V”字型,见图4.(TN)为3.95~15.83mg/L,平均值10.19mg/L,水质较差,显著(<0.05)高于永安江、阳溪、锦溪和灵泉溪的(TN)平均值.(DTN)为3.64~15.30mg/L,DTN占TN的90%以上.河水中(TN)和(DTN)在中圈明显低于外圈和内圈.这与中和溪特殊地理位置有关,入缓冲带前,其上游来水通过了人口较密集的大理古城,在缓冲带内圈是旅游景区—才村码头.大理古城和才村码头沿岸商铺、餐饮店和客栈等较多,且未实现生活污水收集系统全覆盖,部分垃圾随意堆放,大量污染物入河,致使氮含量较高[14].(NH3-N)为2.16~ 12.76mg/L,从外圈到内圈先降后升,NH3-N占DNT的59%~83%,因中和溪水中溶解氧含量平均值仅为3.44mg/L,pH值为7.29~7.51,属碱性范围,不利于硝化.

2.4 水中总氮含量呈倒“V”字型河流

茫涌溪、清碧溪和黑龙溪从洱海缓冲带外圈流经中圈到内圈(TN)沿程变化呈倒“V”字型,见图5.

茫涌溪(TN)为1.46~1.80mg/L之间,平均值1.58mg/L,属地表水V类.(DTN) 为1.38~ 1.54mg/L.(NH3-N) 为0.05~0.13mg/L.黑龙溪水体中(TN)为1.00~1.48mg/L之间,平均值1.19mg/L,属地表水IV类.(DTN) 为0.52~ 1.21mg/L之间.(NH3-N) 为0.15~0.20mg/L.清碧溪水体中(TN)为0.27~2.74mg/L,变幅较大,平均值1.58mg/L,属地表水V类.(DTN)为0.30~ 2.31mg/L.(NH3-N) 为0.08~0.38mg/L.

茫涌溪、黑龙溪和清碧溪中圈河段两岸分布大面积农田,主要作物有水稻、大蒜、蚕豆等作物.当地长期依赖化肥,有机肥3150kg/hm2,尿素375~450kg/hm2,磷肥308kg/hm2,硫酸钾58kg/ hm2,其中氮肥利用率仅25%~50%[15].大量氮随农田退水和径流流失,进入河流,导致(TN)从外圈到内圈呈先升高后降低的趋势.水体中TN以DTN为主,3条河流水体中DTN占TN比例的平均值为81%.其中清碧溪属于季节性河流,在5~10月份的雨季河水流量加大,大部分泥沙进入水体中,导致非溶解性总氮含量增大,因此DTN占TN比例从外圈到内圈呈降低的趋势.而黑龙溪DTN占TN比例呈升高的趋势,可能是部分非溶解性氮转化成可溶性态氮的缘故.

2.5 水中总氮含量呈连续升高型河流

总氮含量呈“连续升高型”的河流见图6.白鹤溪从洱海缓冲带外圈流经中圈到内圈(TN)沿程呈连续升高的趋势.(TN)为1.23~2.53mg/L,平均值2.00mg/L,属地表水V类.(DTN) 为1.00~ 1.96mg/L.(NH3-N) 为0.15~0.31mg/L.白鹤溪缓冲带中圈段与黑龙溪和清碧溪的土地利用现状相似,但缓冲带内圈段是旅游景区—龙龛码头,周边餐饮服务较多,且大多无收集管网统一收集,直排[16].因此水体中(TN)从中圈到内圈不但未降低,反而呈升高趋势.

2.6 讨论

入湖河流水质变化受多种外界因素的影响,如企业、居民生活、旅游产排污染物未经处理直排入河、畜禽与水产养殖污染、种植业面源污染、水土流失、干湿沉降及河流的不合理开发利用等都会导致河流水质下降[17-18].通过入湖河流监测断面污染特征及变化趋势调查,分析存在的环境问题及其与污染物的响应,并提出相应对策和建议,是治理入湖河流的关键.

10条河流内圈入湖河口处(TN)平均值为3.74mg/L,其中优于地表水III类(含III类)的溪流仅占所监测溪流的20%,劣V类占所监测溪流的50%,明显较洱海湖滨带和湖区水体的高[19-20].河流外圈和中圈段河水(TN)平均值为2.19mg/L,内圈河口水域的污染有加重趋势.据入湖河流年均径流量,污染物TN入湖量约为795t/a,污染负荷对洱海水质影响较大[21].洱海西部区阳溪、锦溪、灵泉溪、莫残溪、中和溪、茫涌溪、黑龙溪、清碧溪和白鹤溪9条入湖河流缓冲带内水体(TN)平均值为2.92mg/L,较北部区永安江(TN)高,主要因西部乡镇村落和农田较密集[22],给河流带来较大污染,严重影响河流水质,属重点治理区.西部区茫涌溪、黑龙溪和清碧溪在缓冲带中圈段两岸分布大面积农田.例如,茫涌溪流域缓冲带中圈耕地面积近7056亩,主要种植水稻、大蒜、大蔬菜等作物,按水稻施肥氮输入量(76.5kg/ (hm×a)和大蒜施肥氮输入量(76.5kg/(hm2×a))平均值76.5kg/(hm2×a)计[23],茫涌溪流域施肥氮输入量为36.0t/a,种植业污染TN入湖量为40%(参考同类型云南高原湖泊抚仙湖缓冲带)[24],该流域农田每年约有14.4t TN流失到河流和洱海,可见氮流失风险较大.茫涌溪、黑龙溪和清碧溪流域内的缓冲带中圈的农田面积大,污染物的流失较严重.在这些区域应充分实施测土平衡施肥、用生物肥代替化肥、降低化肥用量,提倡科学轮作模式,在农田和水体间建立草地过滤带等措施,减少污染物入水体的量.应加大入湖河流的污染防治力度,完善缓冲带内圈的村落管网收集和垃圾处理处置,禁止养殖牲畜,尤其要控制旅游景点(如才村码头、龙龛码头等)的无序发展带来的临湖污染负荷量增加较快,逐步恢复河流的生态结构和功能,提高其自净能力.10条入湖河流中,阳溪、锦溪、灵泉溪、莫残溪、中和溪、茫涌溪、黑龙溪、清碧溪和白鹤溪属苍山十八溪.源头是苍山国家自然保护区,流经大理坝子,最后注入洱海,水质在上游普遍较好,中游开始恶化[25].特别是入洱海缓冲带后,水质最差,外圈河段水体(TN)平均值为2.34mg/L,属地表水劣V类,(DTN)平均值为1.96mg/L,(NH3-N)平均值为1.06mg/L.给缓冲带带来了较大压力.因此应在缓冲带外圈建设生态砾石床、生态塘、地下渗透生态池等生态截蓄净化工程.

3 结论

3.1 入湖河流水中氮含量在缓冲带三圈内具有明显的空间分布特征,10条洱海入湖河流缓冲带段内的河水水质的沿程变化规律有9种:连续升高型,连续降低型,先降低后升高的“V”字型,先升高后降低的倒“V”字型,平稳型,先升高后平稳型,先下降后平稳型,先平稳后降低型,先平稳后升高型.

3.2 河水的(TN)较高,平均值为2.93mg/L,而内圈入湖河口处(TN)的平均值为3.74mg/L,给洱海II类水的水质目标的保障带来较大的压力.

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* 责任作者, 研究员, lushy2000@163.com

Nitrogen evolution with distance of 10 inflow rivers in the three circles of buffer zone around Erhai Lake

LU Shao-yong1*, ZHANG Wen-tao1,2, XING Yi2

(1.Engineering and Technology Center of Lake, State Environmental Protection Scientific Observation and Research Station for Lake Dongtinghu, Research Centre of Lake Environment, State Environmental Protection Key Laboratory for Lake Pollution Control, State Key Laboratory of Environmental Criteria and Risk Assessment, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China；2.Civil and Environmental Engineering School, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China)., 2016,36(5)：1561~1567

Surface water of 34 monitoring sections in 10inflow rivers, which were located at the 3 ribbon sections (inner, outer and middle) of the buffer zone of Erhai Lake, was sampled in July 2013. The water quality including total nitrogen, dissolved total nitrogen and ammonia nitrogen was measured and the spatial variabilities of selected water quality parameters were analyzed, aiming at put forward reasonable suggestions for the lack of function and establishment and improvement of the buffer zone. The results showed that there were 9 categories of the variation of water quality in ribbon sections, i.e., rise continuously, reduce continuously, first reduce then rise emerge “V” shape, first rise then reduce emerge inverted “V” shape, gently, first rise then steady, first reduce then steady, first keep gently then reduce, first keep gently then rise. The average(TN) in 10inflow rivers of Erhai Lake was 2.93mg/L. The average(TN) of estuary in the inner ribbon section was 3.74mg/L, which was a threat to the lake. So improving the collection network of sewage and garbage disposal facilities was very important in the inner ribbon section. At the same time, management strengthen of rivers should be made.(DTN) of Mangyongxi River, Heilongxi River and Qingbixi River in the buffer zone were changed between 0.30mg/L and 2.31mg/L, occupying 81% of(TN) averagely. The nitrogen load of the 3 rivers in the middle ribbon section in the buffer zone was obviously higher than that in the inner and outer parts. Therefore, the use of fertilizer in the farmland should be controlled so that reducing nitrogen losses with the runoff. Ecological gravel bed, ecological pond and underground infiltration pond and other ecological purification engineering measures should be built in the outer ribbon section, considering the water quality began to deteriorate from the middle reaches.

Erhai Lake；buffer zone；inflow rivers；nitrogen

X522

A

1000-6923(2016)05-1561-07

卢少勇(1976-),男,湖南郴州人,研究员,博士,主要研究方向为湖泊水污染防治与水生态修复.发表论文140余篇.

2015-10-12

国家水体污染控制与治理科技重大专项(2012ZX07105-002,2013ZX07101-014),中央级公益性科研院所基本科研业务专项(2012-YSKY-14)