岩溶流域不同水体氮磷分布、影响因素及富营养化评价

罗广飞，韩志伟,2，田永著，赵 然，熊 佳，张 金

(1.贵州大学资源与环境工程学院，贵阳 550025；2.喀斯特地质资源与环境教育部重点实验室，贵阳 550025)

0 引 言

岩溶流域是由地下岩溶管道、岩溶裂隙、岩溶水洞、岩溶孔隙等多种岩溶空隙介质体(以岩溶管道和岩溶洞穴为主)组成的多重复合体，具有高度的空间异质性[1, 2]。在我国西南岩溶地区往往具有“二元”水文地质结构，地表水和地下水转换频繁，土层薄且水土流失严重，加之岩溶环境的脆弱性，使得水体极易受污染[3, 4]，地下水在地下岩溶系统中停留时间短，自净能力弱，一旦受到污染，短时间内很难恢复[5-7]。受地质条件和气候的影响，岩溶水和孔隙水存在明显的差异，主要表现在以下几个方面：岩溶含水介质常常具有高度管道化和非均一分布的特征，而孔隙水介质分布相对均匀，连续性好，具有统一的地下水面[8, 9]；孔隙水为层状运动，满足达西定律，岩溶水则为各向异性，地表径流和地下径流转换频繁[10, 11]；孔隙水成岩晚，污染组分处于稳定状态，而岩溶水环境极为脆弱，污染严重[12]，磷素在孔隙水中易被吸附很难进入地下水，岩溶含水层裂隙和岩溶管道发育较完整，磷素极易进入地下水造成污染。随着人为活动的加剧，流域氮磷的输入明显增加，使得氮磷等营养盐极易通过岩溶裂隙、管道等途径进入地下水系统，使地下水污染问题日益突出，因此，在岩溶地区开展氮磷在不同水体中的分布及形成过程的研究非常必要。

氮磷通常以点源和面源的形式污染水体[13, 14]。点源具有可识别的范围，对污染源的控制较简单，随着社会的发展，面源污染已经逐步成为水质控制的主体，面源污染具有随机性、广泛性、潜伏性、滞后性和非线性的特点，常常与季节性活动、降雨和土地利用类型等有关，这些影响因素造成了面源污染的复杂性[15-18]，农业面源污染是导致岩溶流域水体水质恶化的主要因素。水体中氮磷的聚集与人体健康及水生态环境密切相关，氮磷等营养盐在水体生态循环中起着重要的作用，氮磷是水体富营养化的重要限制因子，通常使用N/P值的大小判断湖泊水库的营养化状态，当N/P值小于10时可能导致水体严重富营养化[19, 20]。目前，氮磷的时空分布特征及水体富营养化已成为国内外热点研究话题之一[21-23]。

花溪河流域是典型的岩溶流域，流域内水库分布较多，水库作为重要的蓄水基地，具有调节径流、减免水灾和旱灾、农业灌溉等功能，兼有水源地功能，流域和地下水作为水库的主要补给来源，对水库水质产生直接的影响，流域内农业面源分布也较广，农业施肥使土壤氮磷逐年增加，这些长久累积的氮磷是水体富营养化的主要来源[24]。因此对流域内水库水体富营养化研究具有重要的意义。

本文以花溪河岩溶流域为研究对象，通过ArcGIS空间分析，探讨流域氮磷的时空分布特征及影响因素；采用混合模式加权法对流域水库富营养化水平进行评价。研究结果对流域水环境管理、农业面源氮磷污染防控具有实际意义，同时水库水体富营养化为相关水治理措施提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

花溪河流域(26°17′36″N～26°30′19″N, 106°28′1″E～106°41′35″E)地处黔中高原，位于贵州省贵阳市西南方向。研究区地势总体为南面和西面高，东北面低，属于亚热带高原季风湿润气候，气候温暖湿润，年平均降雨量为1 099.4 mm，年平均气温14.9 ℃。研究区主要的地质构造为褶皱和断层，主要的地层为二叠系、三叠系、侏罗系跟第四系，主要的岩性为灰岩、砂页岩夹灰岩、泥质白云岩[25]。

花溪河流域隶属于长江流域乌江水系，水资源丰富，流域全长约52.6 km，流域面积达237 km2，流域内水库河流较多，主要的水库有花溪水库、松柏山水库、凯掌水库、刘家庄水库和芦猫塘水库，主要的河流有车田河、冷饭河、干河和凯伦河[26]。流域内水功能区主要划分为一级和二级，一级为饮用水源源头保护区，二级为饮用和景观用水区，凯掌水库、松柏山水库和花溪水库为一级水功能区，车田河至花溪水库过渡区和车田河清镇花溪农业区为二级水功能区。

图1 研究区土地利用类型图(引自代克志，2016)Fig.1 Land use type map of the basin (from Dai kezhi, 2016)

流域内主要的土地利用类型包括旱地、水田、林地、建设用地4种类型，旱地主要分布在研究区的南部、中部偏东和西北部；水田主要分布在干河跟刘家庄水库及研究区的西北部；林地集中分布在研究区的南部、中部和西北部；建设用地主要分布在研究区东北部，该区域为城镇聚集区(图1)。研究区旱地以坡耕地为主，旱地和水田的面积占流域面积的比例为34.76%，建设用地面积占流域面积的比例为33.98%，因此，研究区大量的农业面源分布和生活污水排放是导致流域氮磷严重污染的主要因素[26]。主要的点源为养殖企业，其主要分布在研究区的西北部，在石板小溪分布有物流园。

1.2 采样与测试分析

1.2.1 样品采集

分别于2017年4月(施肥旺季)采集地下水样品56件和地表水样品54件，2018年1月(施肥淡季)采集地下水样品47件和地表水样品41件，采样分布点位置如图2所示。

图2 采样点位置分布图Fig.2 The distribution of sample points in the basin

水样放入500 mL聚乙烯瓶中，滴加浓硫酸酸化后(pH<2)，封装并于4 ℃冰箱中保存。

1.2.2 测试分析

1.3 数据统计与分析

(1)

PI=∑1Wi1Ii+∑2Wi2Ii

(2)

表1 水库湖泊富营养化评价标准Tab.1 Evaluation standard for eutrophication of reservoirs and lakes

2 结果与分析

2.1 氮磷污染特征

表2 流域水体氮磷浓度统计 mg/L

流域水功能区，氮磷污染特征如表3所示，总氮超标率较高，总磷超标相对较低，其污染现状给当地居民生活和流域带来了诸多问题。

2.2 氮磷时空分布及污染过程

2.2.1 总 氮

受施肥过程的影响，流域地表水和地下水的TN浓度整体上呈现4月份高于1月份(图3)。在4月份地表水TN浓度普遍高于地下水，而在1月地表水和和地下水TN浓度差异不大，主要是由于从凯伦河至松柏山水库，沿程的农业面积增大，受集中施肥的影响，氮磷负荷增大，导致沿程地表水TN浓度不断增加。

在养殖企业周边，不同水体中的TN浓度的时空差异较小，流域内规模化养殖活动未对周边水体产生明显污染。下车田河下游(Q43)处以建设用地为主，且处于排污口位置，两期在污染物输出相同的情况下，1月径流量减少，水体TN浓度有所上升，使该区域地下水TN浓度在1月高于4月。

石板小溪和花溪水库汇合处土地利用类型以旱地为主，受施肥和降雨的影响，4月地表水TN浓度高于1月，由于物流园的持续输出，该区域地下水TN的浓度两期差异不明显。

表3 花溪河流域水质评价表Tab.3 Water quality evaluation of Huaxi River Basin

图3 流域水体中TN的时空分布图Fig.3 Temporal and spatial distribution of TN in waters of the basin

2.2.2 总 磷

磷在土壤中易被吸附，岩溶水中的磷相比孔隙水很难通过入渗进入地下水，4月和1月不同水体的TP浓度整体上呈现地表水高于地下水(图4)。

图4 流域不同水体中TP的时空分布图Fig.4 Temporal and spatial distribution of TP in waters of the basin

养殖企业周边水体的TP浓度在空间和时间上差异较小，均未受明显影响，因此，流域内养殖企业未对周边的水体产生明显的污染。

在凯伦河与煤水河交汇处(R15、R16和R17)和花溪水库下游(R36)，其周边土地利用类型以旱地和建设用地为主，岩溶地区土层薄，受施肥和降雨的影响，土壤中磷素流失严重。因此，在施肥旺季氮磷负荷大，该区域地表水TP浓度较高，相反，施肥淡季地表水TP浓度明显偏低。

图5 流域水体百分比箱型图Fig.5 percentage box type of waters in the basin

图6 流域不同水体中的时空分布图Fig.6 Temporal and spatial distribution of in waters of the basin

2.3 水库水体富营养化的评价

芦猫塘水库的PI值在4月和1月均大于其他6个水库，该水库上游分布较多旱地和建设用地，农业施肥和生活污水使地表土壤氮磷增加，在降雨的影响下，氮磷通过入渗和地表径流进入水库，4月PI值为5.12达到了重富营养化(Ⅳ级)，均超地表水Ⅱ类标准。在1月份龙滩水库样品未采集，只对其4月份富营养化水平做评价，该时期水库PI值为3.86达到了中度富营养化(Ⅲ级)，TN和TP浓度为2.043 mg/L和0.062 mg/L。

图7 流域不同水库水体富营养化水平Fig.7 Eutrophication level of different reservoirs in the basin

凯掌水库和刘家庄水库周边分布较多林地，林地区难形成径流对周边污染物迁移具有一定的限制作用，污染物主要通过入渗进入地下岩溶管道和暗河补给到水库，羊艾水库周边以建设用地为主，人为活动是导致该水库氮磷污染的主要因素。研究表明水库随着温度升高水库沉积物内源释放加大水库上覆水氮磷含量[36-38]，而1月份水库储水量少，使得水库N、P相对4月浓度偏高，因此，整体上1月水库富营养化水平高于4月。

花溪水库和松柏山水库在两期富营养化水平相对较低，花溪水库4月和1月PI值分别为1.64和1.77达到中富营养化水平(Ⅲ级)，松柏山水库4月和1月PI值分别为0.95和1.14，为轻富营养化与中富营养化水平之间。

3 结 论

通过对花溪河岩溶流域地表水和地下水的氮磷污染特征、影响因素及富营养化分析，结果表明：

(3)流域内水库两期水体富营养化均达到中富营养化水平(Ⅲ级)，流域水库TN和TP浓度波动范围为0.020～3.058 mg/L和0.004～3.040 mg/L，大部分水库超地表水Ⅱ类标准。花溪水库和松柏山水库平枯两期水体富营养化相对其他水库较低，为轻富营养化水平与中富营养化水平之间，芦猫塘水库水体富营养化水平4月最高，达到重富营养化(Ⅳ级)，其他水库水体富营养化水平PI值均表现为1月大于4月。

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