高纬区阿什河面源氮和磷污染输出特征

马广文，王业耀，香 宝，苏布达，胡 钰，于 洋，王 光

1.中国环境监测总站，国家环境保护环境监测质量控制重点实验室，北京 1000122.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，北京 100012

高纬区阿什河面源氮和磷污染输出特征

马广文1，王业耀1，香 宝2，苏布达2，胡 钰2，于 洋1，王 光1

1.中国环境监测总站，国家环境保护环境监测质量控制重点实验室，北京 1000122.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，北京 100012

监测数据；高纬度地区；氮和磷污染；基流分割；输出量

河流富营养化不仅导致河流本身的经济、生态、环境功能下降，也是导致其受纳水体污染的重要原因[1-2]，而河流作为中国重要的淡水来源之一，也是湖泊、水库、地下水等淡水库的补给源，对中国工农业及社会的发展起着重要作用[3]。富营养化是国内外河流、湖泊、水库等淡水系统面临的一个严重环境问题[4-6]。国内外对水体富营养化氮和磷负荷进行了大量的研究[7-11]，据估算，中国水体氮和磷污染当中面源氮和磷污染分别占总量的81%和93%[12]。近年来利用水文模型对面源产污、汇污过程进行模拟成为国内外面源研究的热点[13-16]，然而这些方法需要大量的气象、水文、研究区域下垫面以及农业活动等人类对自然地貌进行改造行为的数据，以及区域内点源污染排放数据等。由于面源污染监测存在困难[17]，且中国缺乏水域面源污染常规连续监测数据，如何对模型的模拟结果进行验证成为技术难点，这些因素都限制了模型的应用范围。因此，利用数理统计模型对面源污染进行估算，目前仍然是面源污染研究不可或缺的手段之一。在理想的情况下，可获取连续的水质水量监测数据，可以评估流域污染的季节性变化，然而在中国以往的水环境常规监测中，连续的水量水质同步监测日序列数据较为缺乏，如何利用有限的监测数据进行分析，已成为需要解决的科学问题之一[18]，国内利用水量和水质数据计算点源与面源污染负荷已有一些研究[19-21]，这些研究的研究区处在纬度较低区域，水量水质同步监测数据比较连续，缺少对于冰封期长、监测数据存在缺失条件下的点源与面源污染负荷输出的计算。笔者探索处于高纬度地区阿什河氮和磷污染物输出量计算，通过对水质和水量监测分析处理，利用改进埃特金(Aitkin)、相关性拟合插值法和基流分割法等，研究阿什河氮磷污染尤其是面源污染对松花江的影响特征，为环境管理部门对高纬度地区河流面源污染的治理提供参考。

1 实验方法

1.1 研究区概况

阿什河位于黑龙江省哈尔滨市境内，全长257 km。阿什河流域的地理坐标为45°05′～45°49′N， 126°40′～127°42′E，流域面积为3 545 km2[22]，流域气候冬季寒冷而漫长、夏季凉爽而短促，属中温带大陆性季风气候，年均降水量为545.7 mm左右，年降水主要集中在6—9月，其中，降雨集中在每年7—8月，降雪集中在每年11月—次年1月。 每年11月中旬—次年4月上旬为冰封期。阿什河中下游干流丰水期水面宽238～360 m，水深为4.00～4.70 m；枯水期水面宽10.00～23.5 m，水深为0.20～0.25 m。多年平均入境水量为5.16亿m3，多年平均径流量为4.58亿m3，最大年径流量为9.01亿m3，最小年径流量为1.10亿m3。阿什河主要有12条支流水系：头道河、二道河、大泥黑河、黄玉河、西泉眼水库、洼河和海沟等，见图1。阿什河水量季节性明显，7—8月为丰水期;4—6月、9—10月为平水期;11—12月和次年的1—3月为枯水期[23]。阿什河流域上游森林植被覆盖良好，中下游耕地广布，流域内从上游到下游依次包括哈尔滨市的尚志市、五常市、阿城区、香坊区和道外区。

图1 阿什河流域位置和水系分布Fig.1 Location and water system of Ashi River Basin

1.2 监测数据及分析方法

埃特金插值法主要原理是将一个高次多项式逼近缺值点的过程转换成多个线性插值的线性组合：一个复杂的高次插值计算由多个线性计算逐步插值来实现。如果实测数据序列(xj,yj)，j=0, 1, 2, …,n, 选取其中m个(m

(k=2,3,…,m;i=k,k+1,…,m)

(1)

在指定的x=R处，运用线性组合求得近似函数值，若精度不够，可再增加选点数(m值)。在河流的封冻期和解冻期，缺失若干个数据，因此，需要对原有埃特金插值法适当改进，原指定R点作为流动点(Rj)，取出m个(可取m=n/2)实测数据，成为补差数据列，该列数在实测数据中的序号，由数据的可调指针LB(0≤LB≤m)来确定，需要使Rj位于XLB-P(P=1, 2, …,m) 之间，然后用线性组合，求得一个等距序列(其中包括实测点)。因此，式(2)为

(j=1,2,…,n;k=2,3,…,m;

i=k,k+1,…,m;p=1,2,…,m)

(2)

式中：j为补差点序列号(含缺值点与实测点)；变量i为实测数据列中补差时线性组合的次数；变量k为取出实测数据列中的数据序列号，p为补差函数值的序号[24]。阿什河口2008—2010年TN、NH+4-N和TP浓度插值后结果见图2。

图2 2008—2010年阿什河口TN、NH+4-N和TP月均浓度结果Fig.2 TN, NH+4-N and TP average monthly concentration of Ashi River estuary from 2008 to 2010

改进后埃特金插值法计算结果精度较高，是由于每次插值组合都是线性的，所以计算简单、数据可靠，高次插值不会振荡，增加插值组合的点数可以进一步提高插值函数的精度。

流量数据为阿什河水文站流量监测数据，由于流量的监测数据上下游之间的相关性比较好，对于空间点位缺失的流量数据，利用相关性进行数据插值，依据回归方程对缺失数据拟合插值。一般拟合曲线需要6个以上监测数据，呈幂函数相关。 利用Microsoft Excel软件图表向导和平滑线功能绘制过程线拟合。依照拟合公式再计算缺失的数据，得出缺失点的数据。阿什河口2008—2010年月均流量拟合结果见图3。

图3 2008—2010年阿什河口月均流量拟合结果Fig.3 Average monthly flow fitting results of Ashi River estuary from 2008 to 2010

1.3 面源污染输出量估算方法

阿什河面源污染输出量主要是在水质水量的监测并补差缺值点数据，运用基流分割法进行计算。河流不同时间的水质和水量监测数据，经过水文分割处理，用于估算进入水体的面源污染负荷。

1.3.1 基流分割法

根据水文学原理可知总径流分为基流和地表径流2部分，基流一般指来源于地下水或其他延迟部分的径流，或者定义为下渗水到达地下水面并注入河道的部分[25]。 一般认为基流是河道内常年出现的那部分水流，主要受流域的气候、植被、地质和土壤等的影响。国外的学者一般将总径流分为地面径流和基流2个部分[26]，该基流是指除地面径流以外的径流量。在中国一般认为总径流由深层地下径流、浅层地下径流和地面径流3个部分构成，其中深层地下径流成分比较稳定，也称基流[27]。目前国际上普遍采用的是这种直接将总径流分为基流和地面径流2部分的方法[28]，本文也采用这一概念的方法。该方法考虑了点源、面源污染形成规律，基流输送的污染物代表了点源负荷和自然背景值，而地表径流输送的污染物为面源污染负荷。

基流分割方法中直线分割法具有直观、易于操作等特点，应用较多。直线分割法分为平割法和斜割法2种。平割法(枯水期直线分割法)是指用直线连接流量过程线中不同拐点进行基流分割，在对年流量过程进行基流分割时，一般以枯水期月均流量的最小值作为基准，进行基流的分割。平割法一般适用于山区闭合流域的基流分割，对于洪水历时短、地下径流小的流域比较适用，适合阿什河流域的水文特征。

1.3.2 输出量核算方法

根据水文分割法原理，基流分割是在河流基流和地表径流划分基础上，将地表径流状态下水体中的污染物视为面源丰(平)水期天然背景值，将基流状态下水体中的污染负荷视为点源及枯水期天然背景值，河流年输出污染总负荷可表示为

(3)

式中：t为时间；Cp(t)为t时刻点源污染物质量浓度；Cn(t)为t时刻面源污染物质量浓度；Qp(t)为河流基流量；Qn(t)为地表径流量；Wt为输出污染总负荷。Wt可由监测断面的水质、水量数据直接求出。点源污染负荷通过枯水期实测污染物质量浓度来计算，河流基流由河流的径流分割来划分。通过对式(3)进行离散化并移项处理，面源污染负荷由总污染负荷与点源污染负荷之差来计算[29-30]：

(4)

式中：Wn为面源污染负荷；Cni为第i次监测的面源污染物质量浓度；Qni为第i次监测的流量；Δt为第i次监测的时间段；Ci为第i次监测的污染物质量浓度；Qi为第i次监测的流量；Cpi为第i次监测的点源污染物质量浓度；Qpi为第i次监测点源时的流量，即河流基流量。

2 结果与讨论

2.1 污染物年际间输出量

计算阿什河2008—2010年氮磷污染输出量，见表1。

表1 2008—2010年阿什河输出污染负荷计算结果Table 1 Output pollution loading of Ashi River from 2008 to 2010

2.2 污染物年内输出量分布

2008年各月TN、NH+4-N和TP负荷随时间变化过程见图4。

图4 2008年TN、NH+4-N、TP污染负荷随时间变化过程Fig.4 Change of TN, NH4+-N and TP pollutional loading of Ashi River in 2008

从图4可以看出，5月TP输出量最大，达129.2 t，面源TP输出量为91.5 t，TP输出量主要由面源污染造成，面源TP输出量占总量的70.8%，其次，6月TP输出量较大，再次为8月；5月TN输出量最大，达886.9 t，面源TN输出量为568.3 t，TN负荷主要由面源污染造成，面源TN输出量占总量的64.1%，其次，6月TN输出量较大，再次为4月；5月NH+4-N输出量最大，达517.7 t，面源NH+4-N输出量为420.5 t，NH+4-N输出量主要由面源污染造成，面源NH+4-N输出量占总量的81.2%，其次，6月NH+4-N输出量较大，再次为8月。

2009年各月TP、NH+4-N、TN输出量随时间变化过程见图5。

图5 2009年TN、NH+4-N和TP随时间变化过程Fig.5 Change of TN, NH+4-N and TP loading of Ashi River in 2009

从图5可以看出，10月TP输出量最大，达到38.8 t，面源TP输出量为22.2 t，TP输出量主要由面源污染造成，面源TP输出量占总量的57.1%，其次，3月TP输出量较大；9月TN输出量最大，达450.6 t，面源TN输出量为177.7 t，TN输出量主要由点源污染造成，面源TN输出量占总量的39.4%，其次，6月TN输出量较大；3月NH+4-N输出量最大，达到335.7 t，面源NH+4-N负荷为149.2 t，面源NH+4-N负荷占总量的44.5%，其次，2月NH+4-N输出量较大。

2010年各月TP、NH+4-N、TN负荷随时间变化过程见图6。

图6 2010年TN、NH+4-N和TP负荷随时间变化过程Fig.6 Change of TN, NH+4-N and TP loading of Ashi River in 2010

3 结论

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Non-point Source Pollution Output Characteristics of Nitrogen and Phosphorus in the Ashi River at High Latitudes

MA Guangwen1,WANG Yeyao1,XIANG Bao2,SUBUDA2,HU Yu2,YU Yang1,WANG Guang1

1.State Environment Protection key Laboratory of Environmental Monitoring Quality Control, China National Environmental Monitoring Centre,Beijing 100012,China2.State Key Laboratory of Environmental Criteria and Risk Assessment, Chinese Research Academy of Environmental Sciences,Beijing 100012,China

The improved Aitkin and correlation fitting interpolation method were used to complemented missing data by limited monitoring conditions, the base flow segmentation method were then used to estimated non-point source of nitrogen and phosphorus pollution output load of the Ashi River into the Songhua River, its pollution characteristics were analyzed, based on monitoring data of water quality and flow in the Ashi River from 2008 to 2010. The results showed that total nitrogen (TN) about 5 436.6 t, ammonia (NH+4-N) about 3 057.8 t, total phosphorus (TP) about 554.8 t of the Ashi River were discharged into the Songhua River per year, which point source pollution were 2 775.8, 1440.7 and 250.8 t, non-point source pollution were 2 660.7, 1 630.7, 304.1 t respectively, non-point source pollution accounts for about 50% of the total output. Ashi River pollution output amount emerged TP reduce, TN and NH+4-N added feature from 2008 to 2010. The TP, TN and NH+4-N amount of the Ashi River into the Songhua River were comprehensively analyzed each month from 2008 to 2010, the pollution output peaked in March-May or July-September, mainly caused by the spring flood or summer flood, when the peak pollution source was non-point source pollution generally.

monitoring data;high latitudes;nitrogen and phosphorus pollution;base flow separation;output

2016-04-20；

2016-05-25

国家自然科学基金(31400449)；国家水体污染控制与治理科技重大专项(2014ZX07201-009-01)

马广文(1980-),男,内蒙古呼和浩特人，博士,高级工程师。

王业耀

X824

A

1002-6002(2017)02- 0047- 08

10.19316/j.issn.1002-6002.2017.02.08