降雨径流对大连复州河流域氮磷变化影响研究

王主华

(辽宁省大连水文局，辽宁 大连 116023)

氮磷元素是河流污染的主要成分，会引发水体富营养化。过去的研究认为，河流中氮磷浓度过高，主要源于周围农业生产和畜牧养殖大量污染物的直接排放[1]。随着我国对入河排污口监管和治理的加强，由直接污染排放所引起的氮磷点源污染得到了有效的控制和解决。但农业的发展，使氮磷面源污染加重，且具有隐蔽性、不确定性和滞后性[2]，农业面源污染已成为水体富营养化的主要驱动力。雨水、融雪等降水冲刷以及土壤侵蚀和淋溶作用，使大量富集在农田土壤中的氮磷元素随地表径流进入河流，造成大规模的农业面源污染。

复州河作为大连市重要的农业生产水功能区，为大连普兰店、瓦房店农业灌溉提供用水。多年来复州河流域降水分布不均，土壤营养元素富集程度高，降雨径流使氮磷面源污染加剧，严重影响水功能区水环境稳定。因此有必要研究降雨条件下的复州河流域氮磷变化，分析迁移规律和污染影响。本文通过2019年8月10日由台风“利奇马”引起的强降雨，深入分析复州河氮磷元素变化特性，为复州河流域农业面源污染的防控提供依据。

1 研究概况

复州河是大连市第二大河流，流域全长137km，总面积1638km2，一级支流17条。复州河发源于普兰店市同益乡老帽山南麓，自东北向西南流经普兰店安波，瓦房店得利寺、松树等周边共13个乡镇，最后经由瓦房店三台子乡流入渤海[3]。复州河流域地形复杂，多为山区丘陵地带，周边村庄70余个，涉及人口30多万；其上游为山区，是普兰店和瓦房店的重要果蔬种植地，中游为丘陵地带，是重要的农作物生产种植地，下游为滨海地区，主要为工业、农业以及养殖业集中地[4]。复州河流域共5座水库，其中2座大型水库，即松树水库和东风水库。下游设有关家屯水文站，是复州河的重要控制站。

复州河流域属于具有海洋性特点的暖温带大陆性气候，降水量随季节变化明显，分布严重不均，其中60%以上的降水集中在夏季，且多为暴雨形式[5]。

2 研究方法

2.1 水样采集与监测

复州河下游流域设有水文站监测断面，对2019年8月10日至9月8日(共30日)降雨径流过程的径流量、总氮、总磷浓度进行监测。水样采集和径流量监测从降雨产流时开始，时间间隔2h，强降雨期间，时间间隔增加为1h，直至降雨产流结束。非降雨产流期间，每12h采集监测一次，直至径流量稳定。

采用压力式自记水位计记录断面水位，利用水位流量关系计算断面流量。总磷、总氮项目监测参照《水环境监测规范》(SL 219—2013)采用连续流动注射分析法测定。

2.2 分析方法

平均浓度计算[6]：污染物在径流过程中的质量与总径流量的比值(mg/L)按下式计算:

(1)

通量计算[6]：假定水量、水质在各时段保持不变，污染物输出量W为各时段内污染物浓度与径流量的乘积(kg/h)按下式计算：

W=∑QiCi

(2)

式中：Qi为i时刻的径流量；Ci为i时刻的污染物浓度。

污染负荷计算[7]：特定时间段内，污染物通过监测断面的总质量(kg、t)按下式计算：

(3)

式中：Cj和Cj+1分别为j时刻和j+1时刻的污染物浓度；Qj和Qj+1分别为j时刻和j+1时刻的径流量；Δt为时间间隔；n为采样次数。

3 结果与分析

3.1 径流量变化

复州河流域下游降雨于2019年8月10日8时开始，次日16时降雨量达到最大，对应的径流量从降雨开始时的5.16m3/s逐渐增大，分别于8月12日17时和8月14日9时达到峰值93.90m3/s和次峰值92.00m3/s。降雨结束后，径流量逐渐降低，于8月24日12时后保持稳定，平均径流量4.56m3/s(见图1)。

图1 径流量随时间变化情况

3.2 氮磷质量浓度变化

总氮浓度降雨初期为9.80mg/L，产流后浓度逐渐上升，于8月15日17时达到最大峰值19.00mg/L，随后快速下降至3.65mg/L，而后又逐渐上升，于8月25日到达次峰值16.90mg/L，最后逐渐降低趋于稳定，平均浓度8.92mg/L；总磷浓度变化与总氮大致相似，降雨初期的浓度为0.166mg/L，随产流影响浓度不断提高，于8月16日8时到达高点浓度0.326mg/L，后降低至0.110mg/L，随后迅速上升，于8月20日17时至最高点浓度0.414mg/L，最后逐渐降低趋于稳定，平均浓度0.042mg/L。

比较径流量与氮磷浓度的变化(见图2)，发现在产流开始后，氮磷浓度会随着径流量的提高而增大，随径流量达到最大，氮磷浓度会在一定时间后随之到达峰值。经分析，该过程源于降雨对河道的冲刷作用，地表环境中的氮磷元素在降雨前长时间积累，在降雨后通过径流冲刷大规模迁移至河流，导致其浓度水平随径流的增大而不断提高。当径流量到达最高点后，冲刷效应不能立即被水体稀释作用代替，依然会在一段时间内占据主导地位，使氮磷浓度继续增大。当降雨产流结束后，冲刷作用停止，这时浅层土壤的氮磷元素释放殆尽，水体稀释作用占主导地位，使水中氮磷浓度迅速降低[8]。

图2 总氮、总磷浓度与径流量随时间变化比较

降雨径流后期，氮磷浓度再一次升高，并到达第二次峰值，这与前期径流量与氮磷浓度的正相关特征相悖。分析该过程，主要是河道的侵蚀和淋溶作用所致[9]。复州河流域周围大部分为农业生产和生活用地，土层浅，土壤质地较为疏松，易发生水土流失；加上年降雨不均，使氮磷元素在土壤内部富集程度较高。随着降雨径流对浅层地表的长时间冲刷，河道附近土壤的侵蚀和淋溶效应严重加剧，内层土壤富集的氮磷元素随泥沙和壤中流进入河流，使得氮磷浓度再次升高。从图2、图3可以看出，总磷浓度的二次上升要早于总氮，且波动更大，其二次峰值高于一次峰值，而总氮的二次上升较为平缓且滞后。经分析，该差异与氮磷在土壤中不同的赋存和迁移行为有关[10]。降雨后期磷素主要通过侵蚀作用随泥沙迁移，而氮素主要通过雨水下渗、淋溶作用，随壤中流迁移。奚同行等[11]、蒋锐等[12]的研究也证实磷素更易于被土壤颗粒固定，总磷在土壤内部的富集程度高于总氮，导致总磷在前期的流失较小，而后期总磷随泥沙进入河流，流失量较大。而总氮在浅层土壤积累较多，前期更易流失，后期浓度上升主要由淋溶和壤中流引起[13]，因此相比总磷具有滞后性和持续性。

3.3 氮磷通量变化

氮磷通量在降雨后迅速上升，于8月12日到达峰值，分别为4698.4kg/h和78.1kg/h，随后逐渐下降趋于稳定。通过比较发现(见图3)，氮磷通量的变化与径流量变化基本相似，通量的峰值和拐点大致与径流量的时间点相同，具有比浓度曲线更好的同步性，表明降雨径流条件下，氮磷通量主要由径流量决定。总磷通量曲线在8月20日出现了比径流量曲线波动更大的锯齿状高点，而总氮通量曲线在该时刻的波动较小，表明该时间段受到流量和浓度的共同影响。侵蚀作用使得总磷通量发生突发性增大，对于总氮通量的影响较小。可见，暴雨径流后，复州河流域的氮磷元素输出主要受径流量影响，同时侵蚀效应引发的泥沙迁移会突发性地加剧磷素的输出，氮素的输出在淋溶和壤中流作用下相对稳定且具有持续性。

图3 总氮、总磷通量与径流量随时间变化比较

3.4 氮磷浓度和通量与径流的相关性分析

通过氮磷浓度和通量与径流量的统计学分析发现(见表1)，氮磷浓度与径流量变化无明显相关性，而氮磷通量与径流量变化具有很强的相关性，相关系数超过0.9，且具有极强的显著性，证明径流量是影响氮磷通量变化的重要因素。

表1 相关性分析结果

3.5 降雨径流对氮磷污染负荷的影响

2019年全年(除8月)，复州河流域少有强降雨，径流量波动不大，水文站断面非汛期平均径流量1.26m3/s，汛期平均径流量5.34m3/s。此次强降雨的平均径流量为33.60m3/s，超出年平均径流量约10倍，径流总量占全年总径流量的28.8%。

复州河流域多年以来氮磷污染较为严重，水质类别为Ⅴ类[14]。总氮浓度在2.25～14.40mg/L之间，全年平均浓度8.55mg/L，常年超标严重；总磷浓度在0.04～0.37mg/L之间，全年平均浓度0.15mg/L。此次强降雨过程中总氮、总磷平均浓度分别为13.20mg/L、0.25mg/L，远高于年平均浓度。经计算，此次强降雨过程的总氮、总磷平均通量分别为1656.8kg/h和28.2kg/h，而氮磷年平均通量分别为123.90kg/h和2.16kg/h，其值超出10倍以上。总氮、总磷污染负荷分别为595.4t和11.5t，占全年总污染负荷的39.2%和54.5%。表明复州河流域的氮磷流失主要经由降雨径流，强降雨大幅提高了氮磷元素的输出，是导致氮磷污染的主要驱动力。

4 结 论

a.氮磷元素主要通过降雨径流进入河流。降雨径流初期，氮磷元素通过降雨冲刷迁移至河流，使氮磷浓度达到峰值，而后由于稀释作用下降。降雨径流后期，总磷通过侵蚀作用随泥沙迁移，而总氮则通过淋溶作用随壤中流迁移，使氮磷浓度再次达到峰值。

b.氮磷通量总体变化与径流量变化基本一致，且具有极强的相关性(相关系数>0.9)，证实径流量是决定氮磷通量的主要原因。侵蚀作用使总磷通量发生突发性增大，淋溶作用和壤中流对于氮素通量影响平稳且持续性强。

c.降雨径流过程使复州河流域氮磷浓度、通量大幅增加；同时氮磷污染负荷占全年污染总负荷的39.2%和54.5%。复州河流域的氮磷元素主要来源于降雨径流引发的农业面源污染。