大凌河流域磷素输出时程变化特征分析

王 颖

(辽宁省葫芦岛水文局，辽宁 葫芦岛 125000)

针对水污染问题日趋严峻的发展趋势，我国环保部门逐渐加强了对城镇居民生活与工业企业生产废污水等水环境治理力度，其中点源污染治理已取得一定的成效。点源污染问题的深入解决促使我国水环境污染治理的重点逐渐转向为非点源污染。在降水淋溶与冲刷作用下流域面上非特定地点的污染物，通过地下径流、地表径流的驱动流入塘坝、水库、河湖等受纳水体，从而对水体环境造成污染的过程即为非点源污染。非点源污染的迁移过程在流域范围内的变化特征非常复杂，污染形成机制涉及生态学、环境科学、植物学、土壤学及水文学等多个学科[1]。

非点源污染的重要表现形式为向水体中输入过度的氮、磷等富营养化物质，磷素进入水体的主要途径有植物固氮、大气沉降、人为排放等，排入水体的形式多样且来源较为广泛。沉积型过程为磷素循环的典型特征，农药化肥在农业生产过程中的过量施用、居民生活污水或工业废水等人为活动为增加天然水体磷素含量的主要来源。研究表明，淡水水体富营养化控制的关键因子为磷素含量。所以，为改善水体环境和控制水体富营养变化有必要深入研究磷素的输出规律。流域水文过程具有明显的不确定性特征，磷素流失的内在驱动力为降雨径流作用，研究分析磷素迁移规律的重要方法是对磷素迁移过程与原位水位过程开展野外观测相关研究。在非点源磷素输出规律方面国内外许多学者开展了大量研究，主要集中在磷素污染防控措施、磷素流失影响因素、随降雨径流作用磷素浓度的变化规律以及磷素负荷计算等。Pionke H等[2]研究认为，虽然暴雨径流时段在农业小流域暴雨事件总降雨径流中的占比较短，但在此时段拥有的溶解态与颗粒态磷素的输出浓度最高；张丽等[3]以抚顺境内的杜河流域为例，根据水量水质监测资料揭示了磷素流失受降雨径路过程的影响规律，探讨了洪峰流量与磷素浓度峰值之间的对应关系；王鹏等[4]以环太湖丘陵区为例，揭示了随地表径流作用各形态磷素的动态变化特征。

本文以辽宁省西部具有代表性的大凌河流域为例，通过同步监测流域水质水量等数据资料，揭示了流域不同连续天数磷素最大输出负荷占全年的比例特征和总磷浓度及其输出负荷的时程变化特征，可为评估水功能区纳污能力和非点源污染输入负荷提供一定理论参考，为控制与延缓河流、塘坝、水库等水体富营养化进程提供技术支撑，以及为制定非点源污染防控策略提供一定决策依据。

1 数据来源与研究方法

1.1 流域概况

大凌河流域位于辽宁省西部，主脉贯穿辽西、东南汇入渤海，流域全长为398km，总面积2.35万km2，其中98%为山丘区，其他极少地区为平原区。大凌河主干支流纵横交错，主要有细河、清河、牤牛河、沙河、凉水河等，流域属于温带季风气候，四季分明，冬冷夏热，日超充足，年降水量在450～600mm范围，年均气温8.0～12.6℃，≥10℃积温3536.5℃，平均日照时数为2254h，平均风速2.0m/s，无霜期146d，最大冻土深度为1.2m。资料显示，每年的7—8月为降雨汛期，60.0%以上的降水发生在汛期且多以强降雨和暴雨形式出现。大凌河主干流以上有3条支流汇入，分别为北源、西源与南源，流域内景观变化比较剧烈、经济增长速度较快，不仅是辽宁省经济发展的重点区域，而且在促进区域工农业发展和居民生活用水等方面发挥着不可替代的作用。研究区内多轻亚黏土、亚黏土、淤泥质粉黏土以及粉黏土，另外存在少量砂壤土且土质属于柔弱、中软，交通用地、农村用地、水域、耕地、林地及其他用地为流域内土地利用主要类型。近年来，大凌河朝阳河段、喀左至凌源河段等水质污染问题日趋突出，水体中挥发酚、BOD5、COD等污染物含量均大于地表水Ⅲ类水质标准，对流域内用水安全和生态平衡构成潜在威胁[5- 10]。

1.2 水质与水量监测方法

通过对大凌河已建水文站观测设施的适当改造建立同步监测水质与水量设施，然后对2015、2016年的水质水量进行高频次监测获取相应的数据资料，野外监测数据主要有地表水水质、地表径流流量计降水数据等资料。

采用自动雨量计监测大凌河流域降水数据，根据大城子、朝阳、凌海、义县等具有代表性雨量站的降水量算术平均值确定大凌河流域面平均降水量，各雨量站的统计时段为1h。选择凌海水文站监测断面作为大凌河流域出口断面，为实时记录该断面监测水位数据采用HOBO压力式自计水位计，断面流量监测时段为1h，然后根据水位流量关系曲线确定断面流量。

采用ISC06712型便携式水样自动采集器对凌海水文站控制断面进行水样采集，考虑到采样断面水位在降雨期间将明显上涨的实际情况，因此可按照1次/h的采样频率利用便携式自动采样仪对控制断面进行水质采样；采样断面水位在非降雨时段未出现明显的上涨，因此可按照2～3d一次的采样频率进行人工采样。水样采集后，将浓度为0.05mL的稀硫酸加入至每个水样，然后进行冷冻储存，对水样中总磷浓度的测定采用紫外分光光度法和碱性过硫酸钾氧化法[11]。

1.3 数据处理

(1)污染负荷计算方法。在一定的时段内径流某出口断面的污染物质量即为流域出口污染负荷，单位为kg、t。根据上述定义，为确定某监测断面在某特定时段内的污染负荷，需要掌握在该监测时段内流域出口控制断面的污染物浓度、流量数据，计算方法如下：

(1)

式中，Qj、Qj+1—第j时刻与第j+1时刻在一次径流过程中的监测流量；Cj、Cj+1—第j时刻与第j+1时刻在一次径流过程中监测的污染物浓度；n、Δt—一次径流过程中的采样次数及相邻两次采样的时间间隔。

(2)浓度变差系数的计算方法。为准确反映总磷浓度监测结果的离散程度本研究引入变差系数Cv，其表达式为：

(2)

(3)全年输出负荷中不同连续天数最大负荷占比。流域每日总磷负荷根据监测方案计算得到的水质、流量数据确定，计算单元选择为日历年2015、2016年，设定移动窗口变量为不同连续天数，以每年的1月1日为基准计算确定总磷输出负荷在不同连续天数内的总和，计算确定总磷输出负荷在不同连续天数的总和最大值及其占全年的比例，从而实现在不同时间尺度上反映全年总磷输出负荷的集中程度。

2 结果分析

2.1 总磷浓度年内变化特征

大凌河流域2015、2016年地表径流总磷浓度、流量与降雨年内变化过程如图1所示。

由图1可知，大凌河流域降雨径流过程与年内总磷浓度变化总体趋势之间具有一一对应的关系，总磷浓度随流域出现降雨时程显著增大，随降雨过程结束逐渐降低；相对于非汛期时段总磷浓度在汛期6—9月普遍较高。通过对比分析年内总磷浓度在2015、2016年的变化过程可知，研究期间总磷浓度变化存在一定差异，相对于2015年的总磷浓度偏高时段2015年的历时较长。大凌河流域2015、2016年平均降水量约为542、630mm，大凌河流域

图1 大凌河流域2015年、2016年总磷浓度年内变化过及水文特征

年份20152016雨洪时段汛期非汛期全年汛期非汛期全年径流量/104m320178052820323013624586水样个数/个4069448626867332总磷浓度/(mg·L-1)最小值0.0330.0060.0080.0200.0170.015最大值1.1820.1711.1820.7350.1040.738最大/最小35.828.5147.836.86.149.2均值0.3400.0480.2840.2260.0400.188变差系数0.670.810.850.660.570.80

总磷浓度变化过程存在差异的另一关键因素为年降水量偏多。

统计分析大凌河流域总磷浓度与水文要素在2015、2016年的监测结果特征值，见表1。由表1可知，大凌河流域年内总磷浓度变化较大，2015、2016年的全年总磷浓度倍比分别为147.8、49.2，汛期、非汛期倍比分别为35.8、28.5与26.8、6.1，非汛期总磷浓度变化幅度普遍低于汛期。非汛期总磷浓度显著低于汛期，2015年非汛期、汛期的总磷浓度值分别为0.048、0.340mg/L，二者相差约7.08倍，2016年非汛期、汛期的总磷浓度值分别为0.040、0.226mg/L，二者相差约5.65倍。通过对比分析总磷浓度在地表水环境质量标准中的标准限值与汛期、非汛期及全年的平均值，大凌河流域2015年全年、汛期、非汛期水质标准分别为Ⅳ、Ⅴ、Ⅱ类水质，而2016全年、汛期、非汛期水质标准分别为Ⅲ、Ⅳ与Ⅱ类水质。

根据大凌河流域2015、2016年水质水量年内同步监测结果分布状况，总磷浓度在非汛期能够满足Ⅱ类水质要求，水质状况良好；而在非汛期处于Ⅳ～Ⅴ类水质，水质最差。流域降雨径流变化与总磷浓度变化幅度保持较好的一致性，该变化特征与总磷迁移方式、形态特征等因素相关，另外由于磷易附着于土壤颗粒且不溶于水，所以地表径流是引起磷迁移的主要因素。地表土壤中的磷在降雨开始时刻随发生迁移，因此随着地表径流过程的变化总磷浓度发生改变，如果降水径流主要为地下与壤中径流，则可显著降低总磷浓度。

2.2 总磷输出负荷年内分配特征

2015、2016年大凌河流域总磷输出负荷在非汛期、汛期、雨洪时段、全年内的计算结果见表2。流域2015—2016年期间出现明显雨洪过程的时段总数即为表2中的雨洪时段，雨洪起涨时刻为雨洪过程的开始时刻，而结束时刻可分为后续无洪水与后续紧接着洪水两种情况。对于后续无洪水过程的情况，雨洪过程结束时刻至雨峰时刻的时段长为T，其计算公式为T=0.8×A0.2，A为流域面积。针对后续紧接着洪水的情况，下次雨洪过程的起涨时刻即为本次雨洪过程结束时刻。

表2 大凌河流域不同时段的总磷输出负荷

根据表2特征值统计结果，大凌河流域总磷年输出负荷的主要时段发生在6—9月汛期，2015、2016年汛期总磷输出负荷分别占全年的93.3%、90.2%。雨洪时段输出负荷在汛期总磷输出负荷中占比较大，2015、2016年占比为81.5%、76.2%。研究表明，汛期的雨洪时段为大凌河流域总磷输出负荷集中期。2015全年时段的8.25%和2016全年时段的6.74%，分别为对应时间内大凌河流域的雨洪时段，全年总磷输出负荷占比分别为75.0%、68.3%。根据上述统计结果，大凌河流域总磷输出负荷在不到全年9%的时段内占年总输出的60%以上。

为便于对比分析，以单位面积负荷输出量反映大凌河流域凌海水文站控制断面的总磷负荷变化特征，2015、2016年大凌河流域单位面积总磷负荷输出强度在汛期分别为0.70、0.82，全年为0.75、0.91，雨洪时段为0.55、0.63。在72kg/(hm2·a)常规施肥条件下，大凌河流域部分地区的农田土壤磷素径流损失系数均值及其变化区间见表3。

表3 不同土壤类型下大凌河流域单位面积磷素输出负荷强度 单位：kg/(hm2·a)

根据表3计算结果，凌源部分地区的输出负荷较低，而凌海控制断面的总磷输出较强，二者计算结果基本保持一致属于相同量级，由此表明大凌河流域单位面积总磷输出负荷强度基本能够反映我国东北地区部分区域的实际磷素分布状况。

2.3 总磷浓度输出负荷季节变化特征

结合大凌河流域农业生产活动特点和气候特征，将每年的12月—次年2月、9—11月、6—8月、3—5月分别设定为流域的冬、秋、夏、春季节。然后统计分析2015—2016年各个季节中的地表径流磷素负荷，由此计算确定总磷浓度在大凌河流域的输出负荷与统计特征值，见表4。

表4 不同季节内大凌河流域总磷浓度输出负荷与统计特征值

根据表4计算结果可知，夏季的总磷浓度均值达到最大，2015、2016年夏季大凌河流域总磷浓度均值分别为0.380、0.221mg/L，水质类别分别为Ⅴ、Ⅳ。大凌河流域夏季的总磷输出负荷达到最大，2015、2016年夏季总磷输出负荷分别为5067、5248kg。监测数据显示，夏季为大凌河流域磷负荷输出最大期间。该计算结果与文献资料对辽河流域相关研究结论保持一致，由于夏季降雨较为频繁，进一步说明流域总磷输出受降雨径流过程的影响较为显著。

2.4 最大输出负荷不同连续天数占比

大凌河流域全年60%以上的降雨集中在汛期，且几次较大的降水径流过程承担了汛期大部分降水。随着降水径流过程非点源污染负荷输出，因此较大场次的降雨径流事件为非点源污染负荷的主要输出，换而言之就是短时间内脉冲式输出为大凌河流域非点源污染负荷输出的特征。2015—2016年期间，大凌河流域全年总磷负荷输出中不同连续天数最大负荷占比见表5。

大凌河流域1d总磷负荷最大输出在2015、2016年占比分别为10.01%、11.72%，2015、2016年大凌河流域总磷负荷最大占比超过50%的

表5 不同连续天数下大凌河流域总磷负荷最大占比 单位：%

连续天数为14、38d。随着连续天数的增加大凌河流域总磷输出分布规律存在一定差异。在1～20d内随着连续天数的增大2014年的总磷负荷输出占比快速增大，而在2016年的增加程度相对平缓，因此在2014年的少数几次强降雨事件中总磷输出负荷占比较大。凌海水文站控制断面总磷负荷的主要来源于地表累计的总磷，随地表径流作用总磷输出不断增大，影响总磷输出的关键因素为全年降雨量的分布特征。统计分析2015、2016年大凌河流域降雨情况见表6。

表6 2015—2016年大凌河流域降雨情况统计表 单位：d

大凌河流域2015、2016年全年降雨量分别为542、630mm，2015年出现大暴雨和暴雨、大雨和中雨的天数分别为2、11、15d，而在2016年分别为5、11、20d。相对于2015年，大凌河流域2016年日降雨强度在10mm以上的天数多7d；2016年总磷占全年总量输出负荷比例由于较多的降雨量与降雨事件呈一定的下降趋势。

短时间内聚集的非点源磷负荷输出研究对于流域水环境治理具有重要的现实意义，非点源污染控制的关键时期为几次或一次雨洪过程中较短时间内的集中输出负荷，全年负荷输出中连续最大日负荷占比呈非线性增加特征，非点源污染控制时间成本的边际效应随污染负荷输出的增大呈逐渐下降的变化趋势。应结合脉冲式输出的非点源负荷特征制定流域污染负荷控制策略，在该过程中为使之处于稳定有效的处理状态应首先采取缓冲措施储存污染负荷。

3 结论

(1)大凌河流域降雨径流过程与年内总磷浓度变化总体趋势之间具有一一对应的关系，总磷浓度随流域出现降雨降雨时程显著增大，随降雨过程的结束逐渐降低；相对于非汛期时段总磷浓度在汛期6—9月普遍较高。大凌河流域年内总磷浓度变化较大，2015、2016年的全年总磷浓度倍比分别为147.8、49.2。

(2)凌河流域总磷年输出负荷的主要时段发生在6—9月汛期，2015、2016年汛期总磷输出负荷分别占全年的93.3%、90.2%。雨洪时段输出负荷在汛期总磷输出负荷中占比较大，2015、2016年占比为81.5%、76.2%。大凌河流域总磷输出负荷在不到全年9%的时段内占年总输出的60%以上，研究表明主导大凌河流域总磷输出的关键因素为雨洪过程。

(3)大凌河夏季的总磷浓度均值、总磷输出负荷达到最大，2015、2016年夏季大凌河流域总磷浓度均值分别为0.380、0.221mg/L，水质类别分别为Ⅴ、Ⅳ。计算结果与文献资料对辽河流域相关研究结论保持一致，由于夏季降雨较为频繁，进一步说明流域总磷输出受降雨径流过程的影响较为显著。

(4)大凌河流域1d总磷负荷最大输出在2015、2016年占比分别为10.01%、11.72%，2015、2016年大凌河流域总磷负荷最大占比超过50%的连续天数为14、38d。非点源污染控制的关键时期为几次或一次雨洪过程中较短时间内的集中输出负荷，全年负荷输出中连续最大日负荷占比呈非线性增加特征，非点源污染控制时间成本的边际效应随污染负荷输出的增大呈逐渐下降的变化趋势。因此，应结合流域耐受高强冲击负荷的特点制定针对整个系统的负荷消减控制措施，在流域面上采用增加植被缓冲带、水塘等缓冲措施，可有效控制流域非点源污染。