广利灌区总干渠水质及氮磷污染初步评价

2021-03-17谷少委刘杰云范习超秦京涛忠智博吕谋超高剑民

灌溉排水学报 2021年2期

谷少委，刘杰云，范习超，秦京涛，忠智博，吕谋超*，高剑民

（1.中国农业科学院农田灌溉研究所/农业农村部节水灌溉工程重点实验室，河南新乡453002；2.中国农业科学院研究生院，北京100081；3.连云港市通榆河北延送水工程管理处，江苏连云港222000）

0 引言

【研究意义】灌区是中国农业规模化生产的重要基地和农业、农村及国民经济发展的重要基础设施，同时也是一个开放式生态系统。目前灌区水环境恶化、农业面源污染严重、生物多样性减少等一系列问题严重影响着灌区的持续发展[1]。河流水质是流域地形、地貌等自然条件和人类生产、生活综合作用的结果[2]。水体富营养化是河流污染的一个典型问题[3]，已经严重影响到水资源的可持续利用和经济社会的可持续发展[4]。氮、磷是影响水体富营养化的主要因素，氮、磷等营养物质进入湖泊、河口等水体中，导致水体中的藻类大量繁殖，使得水体的富营养化程度日益严重[5]。因此，对灌区水质及氮磷污染状况进行研究对进一步促进生态灌区建设具有重要意义。

【研究进展】在中国污染物排放中，农业生产排放的污染物成了重要排放源，超过了工业和生活污染，其中氮磷污染占50%以上[6]。农业面源污染已成为当前形势下最严重的面源污染[7-9]。灌区内大量废水的排放，导致灌溉回归水中的氮、磷等普遍超标，已成为灌区河道的主要污染来源[10]；宁夏引黄灌区排水沟水环境的研究表明，农业面源污染及工业废水是影响其水环境的主要原因[11]。河套灌区秋浇导致沟道中总氮、氨态氮质量浓度明显增大，对地表水及地下水环境都产生了很大的影响[12]，控水控肥有利于控制农田面源污染[13]。【切入点】而广利灌区流经城镇生活区、工业区和农业生产区，面临着诸多污染和富营养化等问题，而且村镇级小河流数目众多且狭窄，大多是监测盲点。且灌区水环境的改善和河流污染综合治理在加强农村污染治理和生态环境保护，推动农业农村绿色发展等方面承担着重要的角色。因此，有必要对广利灌区总干渠水质及氮磷污染进行研究。

【拟解决的关键问题】本文从灌区尺度出发，研究灌区总干渠总氮（TN）、总磷（TP）、CODCr和BOD5等的负荷特征及趋势，全面了解河流水环境及氮磷污染和富营养化状况，有助于准确掌握灌区的水环境状况，可为灌区总干渠的水环境治理，尤其是氮磷污染控制与治理提供基础和依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况与样品采集

广利灌区位于河南省焦作市西南部，北纬34°55′—35°11′，东经112°37′—113°13′，属暖温带大陆性季风气候，多年平均气温14.2～14.8 ℃，年平均降水量为585 mm，多年平均蒸发量为1 668 mm，无霜期216～240 d。灌区是集灌溉、补源等功能为一体的井渠结合大型灌区，涉及济源市东北部、沁阳市沁南地区、温县以北、武陟沁南西部24 个乡（镇、办事处）、441 个行政村，人口50 余万人；现有总干渠1 条、干渠10 条、支渠33 条，设计自流灌溉面积1.2 万hm2，以灌代补面积0.87 万hm2，补源面积1.33 余万hm2；作物种植模式以冬小麦-夏玉米轮作为主，并有少量水稻以及花生、油菜等经济作物。本研究选取灌区内最具有代表性的输水总干渠为研究对象，沿总干渠在乡镇下游排水沟渠交汇点、渠道转折点，分别在五龙口渠首、二号闸、水东站、三号闸、补源进水口和龙涧节制闸，设置6 个取样点进行水质监测。于2019年6—12月期间每月采集1 次样品，另外在降雨能形成有效径流的8月7日取样。采样时，每个取样点均匀设置3 个断面、并于监测断面水下0.5 m 处采集水样，装入采样瓶中低温保存，在24 h 内送到实验室分析。

图1 广利灌区灌排系统示意Fig.1 Schematic diagram of irrigation and drainage system in Guangli irrigation district

1.2 样品分析与数据处理方法

TN 采用碱性过硫酸钾消解-紫外分光光度法（HJ636—2012）测定；TP 采用钼锑抗-分光光度法（GB11893—1989）测定；氨氮采用纳氏试剂-分光光度法（HJ535—2009）测定；化学需氧量（CODCr）采用重铬酸盐法（HJ828—2017）测定；5 d 生化需氧量（BOD5）使用培养箱采用稀释与接种法（HJ505—2009）测定。具体操作方法参照水和废水监测分析方法[14]。所有数据采用Excel 进行分析和图形制作。

1.3 河流综合水质标识指数计算方法

采用适用于我国河流水质综合评价的综合水质标识指数法来综合评价河流水质，并根据综合水质标识指数的各级分级标准（Ⅰ类：0≤X1.X2≤2.0；Ⅱ类：2.0＜X1.X2≤3.0；Ⅲ类：3.0＜X1.X2≤4.0；Ⅳ类：4.0＜X1.X2≤5.0；Ⅴ类：5.0＜X1.X2≤6.0；劣Ⅴ类但不黑臭：6.0＜X1.X2≤7.0；劣Ⅴ类并黑臭：X1.X2＞7.0），对研究区河流的综合水质类别，水质情况与水环境功能区类别进行评价与划分。其计算式[15]为：

其中：

式中：Iwq为综合水质评价指数；X1.X2由计算获得，X3和X4根据比较结果获得；其中X1为河流总体的综合水质类别，X2为综合水质在X1类水质变化区间内所处位置，X3为参与综合水质评价的水质指标中，劣于水环境功能区目标的单项指标个数，X4为综合水质类别与水体功能区类别的比较结果、视综合水质的污染程度而定；m为参加综合水质评价的水质单项指标的数目；P1′、P2′、Pm′分别为第1、第2、第m个水质因子的单因子水质指数，为对应单因子水质标识指数中的整数位和小数点后第1 位，单因子水质标识指数的中的X1.X2计算方法见参考文献[16]。

1.4 河流富营养化指数计算方法

采用广泛适用于我国湖、库和地面河流水体的富营养化评价的对数型幂函数普适指数公式，计算广利灌区区域内河流水体富营养化评价综合指数（EI）；根据富营养化状态的各级分级标准（贫：EI≤20；中：20≤EI≤39.42；富：39.42≤EI≤61.29；重富：61.29≤EI≤76.28；极富：76.28≤EI≤99.77），评价灌区内河流各个取样点处水体的富营养化状态，其计算式[17]为：

式中：Wj为指标j的归一化权重值，本次研究将各个指标作等权重处理；EIj为指标j的富营养化评价普适指数；Yj为由“规范表示式”计算得到的指标j的“规范值”，由于不同评价指标的单位、量纲并不完全相同，致使不同指标的同级标准值差异很大，有的甚至相差几个数量级。本文中对各个指标分别设定一个适当的“参照值”Cj，对不同指标，构造相对于指标“参照值”Cj的不同“规范变换式”，最后可计算出各指标的“规范值”Yj，具体计算方法见参考文献[17]。

表1 2019年广利灌区沁阳站降水量Table 1 Qinyang station in Guangli irrigation district in 2019

图2 广利灌区总干渠主要污染物变化特征Fig.2 Variation characteristics of main pollutants in main canal of Guangli irrigation district

2 结果与分析

2.1 广利灌区总干渠主要污染物的时空变化特征

广利灌区总氮（TN）、总磷（TP）、CODCr和BOD5随时间和空间变化明显。广利灌区6—11月的引水量分别为75.2 万、180.9 万、419.5 万、683.0 万、1 329.7 万和757.1 万m3，6、7月广利灌区引水量较少，6月河道基本处于断流状态（水流不连续，故未取样）。如图2 所示，在7月枯水期，各个监测指标质量浓度都相对较高，TN 质量浓度为5.95～17.40 mg/L，为Ⅴ类水标准的3～8.7 倍，都处于劣Ⅴ类水标准；在8月，TN 质量浓度相对其他月份较低，大多为Ⅳ类水或Ⅴ类水，最高在三号闸断面（2.79 mg/L），超出了Ⅴ类水标准39.5%；9月TN 质量浓度呈现出和7月相同的趋势，相对于8月增加了3 倍以上；10、11月情况类似，TN 质量浓度相对于9月有所降低。总体上整个灌区内TN 质量浓度都较高，平均质量浓度为5.30 mg/L，为地表水Ⅴ类水标准的2.65 倍。TP质量浓度在7月枯水期质量浓度较高，为0.06～0.66 mg/L，最高为Ⅴ类水标准的1.65 倍。在8月上旬，水质相对于7月逐渐转好，但TP 质量浓度大多还处在Ⅳ类水或Ⅴ类水之间，在补源进水口处为劣Ⅴ类水，从8月下旬开始，TP 质量浓度逐渐降低，最高在三号闸断面为0.21 mg/L，为Ⅴ类水标准的52.5%，渠道水质大多处在Ⅱ类水或Ⅲ类水。进入冬季之后，TP 质量浓度处于较低水平，但在城市下游龙涧节制闸断面TP 质量浓度相对较高。灌区内总干渠内的TP质量浓度除夏季枯水期之外都相对较低，灌区内氮、磷比为33.97∶1，利于藻类的生长与繁殖。总干渠水体内CODCr及BOD5质量浓度较低，能满足农业功能区用水要求，在监测期内，91%的水体都在Ⅴ类水标准以下，污染程度较轻，CODCr和BOD5呈现出的变化趋势大致相同，7、8月质量浓度相对较高，上游水质大多为Ⅲ类水，而在9、10、11月CODCr和BOD5质量浓度逐渐回落，水质相对较好，大多为Ⅲ类水。沿总干渠走向，从上游到下游，TN 质量浓度总体上逐渐升高，最高在水东站断面达到了17.4 mg/L。但从水东站断面到三号闸断面，河道为无衬砌土质渠道，TN 质量浓度呈降低趋势，相比水东站下降了23.6%。从三号闸断面到龙涧节制闸断面，TN 质量浓度又呈逐渐升高的趋势。TP 质量浓度沿总干渠走向直至补源进水口，质量浓度逐渐升高，且在水东站大幅度升高，在水东站到补源进水口，都处于Ⅴ类水标准及以下。之后在龙涧节制闸断面质量浓度显著降低。随着河流经过城镇，CODCr和BOD5质量浓度逐渐升高，最高在水东站，达到了8.10 mg/L 和35.00 mg/L，水质仅为Ⅳ类水或Ⅴ类水标准。

2.2 广利灌区河流水质综合变化特征

采用广泛适用于我国河流水质综合评价的综合水质标识指数法来评价各取样点不同时期的水质。由图3 可知，在7月，随着水流从渠首进入灌区，水质逐渐恶化，在水东站已经超出了Ⅴ类水标准，属于劣Ⅴ类水但不黑臭，但在三号闸和补源进水口已经属于劣Ⅴ类并产生了黑臭水体，远远超出了功能区所要求的水质。随着水流经过无衬砌的土渠，水质在龙涧节制闸有所转好，但也超出了功能区所要求的标准。在8月整个灌区内的水质相对较好，灌区总干渠内水质大多不超过Ⅳ类水标准，仅在8月上旬的补源进水口为Ⅴ类水。9月水质相对于8月下旬变差，但9月整个灌区内水质较好且稳定，在三号闸水质为Ⅲ类，其余监测点水质都为Ⅳ类。10月总干渠内水质较好，都为Ⅲ类水。11月总干渠内在三号闸和补源进水口为Ⅳ类水，其余监测点都为Ⅲ类水。

图3 广利灌区综合水质标识指数Fig.3 Comprehensive water quality identification index of Guangli irrigation district

综上所述，灌区内除7月外，在下半年水质都能满足农业用水和一般景观要求用水的水质要求，但在7月，整个灌区内66.7%的区域都超出了此类标准，有些地方还出现了黑臭水体。灌区总干渠内水质从渠首进入灌区内基本上都呈现出水质变差的规律，但在水东站到三号闸这2 个监测点，在50%监测时间，水质呈现出变好的趋势。在其他时间水质增加幅度也较小，从补源进水口到龙涧节制闸，渠道经过长距离无衬砌土渠，水质相对于补源进水口处呈变好的趋势。

2.3 广利灌区河流水质富营养化变化特征

广利灌区总干渠水体富营养化评价综合指数结果如图4 所示。

图4 广利灌区富营养化评价综合指数Fig.4 Comprehensive index of evaluation status of eutrophication in Guangli irrigation district

灌区内河流富营养化水平较高，水体100%处于富营养状态，且41.6%的水体处于重富营养化状态。EI最低值出现在10月（51.4），EI最高值出现在7月（69.1）。富营养化水平在7月远远高于其他月份，属于重富营养化水平，其中在7月补源进水口EI值达到最高值（80.5），属于极富营养化状态；伴随着雨季的降雨，富营养化水平在8月呈下降趋势；但在9月富营养化水平又有所升高，处于重富营养化水平的边缘；10月灌区引水量加大而使富营养化水平处于下半年历史最低点；11月富营养化水平又有所升高。就空间分布而言，所有水体都处于富营养化状态。水体从渠首进入灌区之后，伴随着水体经过城镇和农业工业区，水体富营养化程度逐渐升高，但在水东站至三号闸这段除7月和10月之外，富营养化程度都有所降低，这与水质综合评价结果一致。水体在补源进水口进行了分流，大部分水体进入补源区，另一部分水体随总干渠往下游到达龙涧节制闸，在龙涧节制闸水体富营养化程度相对于补源进水口有所下降，但仍处于富营养化或重富营养化水平。

3 讨论

3.1 总干渠水质及氮磷污染时间变化特征分析

灌区内水体水质在7月污染较为严重，综合水质标识指数最高值为7.64，平均值为5.81，超出Ⅴ类水标准52.8%，属于劣Ⅴ类水。EI最高值出现在7月的补源进水口（80.5），处于极富营养化水平；且TN、TP最大值也均出现在7月，这主要是由于7月灌区引水量较小，因此对农业面源污染和工业点源污染的稀释作用较小，导致7月整体水质较差[18]。有研究表明，河流水体中的氮磷质量浓度随河流流量的增加而降低[19]，但河流水体中的氮磷质量浓度并不是随着流量的增大而一直降低，当流量达到一定值后，其质量浓度会趋于稳定[20]。TN质量浓度在8月降至较低水平。分析其原因，主要是因为河流自净能力与降雨呈相关关系，8月降雨较多，雨水进入渠道对污染物进行了一定的稀释，增强了河流自净能力，致使水质变好[21]，经过对水质和降雨线性回归分析，广利灌区的水质与降雨之间的相关系数为0.32，呈一定的相关关系。在雨季，河流水体中的氮磷质量浓度有一定的降低，而9—11月，氮磷质量浓度显著增加，分析原因，可能是由于雨季藻类的大量繁殖吸收了一定的氮、磷等营养元素[22]，但随着降雨减少，气温降低，存在藻类死亡的情况，导致氮磷质量浓度增加[23]。广利灌区内富营养化程度严重，整个灌区内的所有监测断面都处于富营养化状态，在8月，TP质量浓度和富营养化水平较高，这主要是受降雨的影响，降雨对地面产生冲刷，使地面污染物和土壤中的氮磷随地表径流进入水体中[24]，同时周围农业生产过程中的大量化肥和农药，牲畜粪便等也径流到河流中[25]，但由于磷在土壤中易形成难溶或不溶的磷酸盐，随雨水进入水体后造成水体中磷质量浓度增高[26]，这与刘峰等[27]研究结果一致，其认为河底沉积物承担着“汇”和“源”的作用，河流中水体的扰动使其不断释放磷而使水体中磷质量浓度增加，但随着降雨量的增大，其增长幅度会逐渐变缓。对富营养化和降雨经过线性回归分析，广利灌区的富营养化状况与降雨之间的相关系数为0.23，呈一定的相关关系。广利灌区TP质量浓度在10月和11月相对于9月有所减少，且10月富营养化水平较低，这主要是由于10月灌区引水量较大，对氮磷及其他影响水质的因子进行了稀释，使水体中TP质量浓度处于较低水平[19]，进而使EI值下降[28]。以往研究表明，一定的生态流量可以满足河流生态系统的保护和修复需要，并在一定程度上可保障敏感河段的生态系统健康[29]。CODCr和BOD5质量浓度变化趋势一致且随时间变化显著，CODCr和BOD5质量浓度在7—9月质量浓度较高，根据调查与查阅资料，CODCr主要污染源为畜禽养殖和农业种植，BOD5受到农业种植、工业废水与生活污水影响[30]，在7—9月伴随着降雨，农业面源污染进入渠道和工业生活污水的排放导致这段时间内的CODCr和BOD5质量浓度较高。进入10月，广利灌区引水量达到了1 329.7万m3，分别为7、8、9月的7.35、3.17、1.95倍，对CODCr和BOD5质量浓度进行了一定的稀释，使CODCr和BOD5质量浓度在10月降低的一个主要原因。11月灌区引水量减少，导致11月的CODCr和BOD5质量浓度又有所升高。

3.2 总干渠水质及氮磷污染空间变化特征分析

广利灌区流经城市生活区、村镇工业区和农业区，污染来源较为复杂，TN、TP、CODCr及BOD5质量浓度空间变化大。灌区总干渠水质、富营养化情况、TN、TP质量浓度等从渠首进入灌区内都呈逐渐升高的趋势。分析其原因，主要是因为广利灌区总干渠流经城镇生活区，区域内生活污水、工业废水的汇集以致渠道内的TN、TP质量浓度升高，且区域内的人类活动也会引发了较多的河流生态问题[31-32]。有研究表明，水质与土地利用类型关系密切[33-35]，渠首断面的TN、TP质量浓度较低，这主要是由于其位于五龙口沁河出山口，山区主要以林地为主，林地利于减少水土流失和水质的污染[36]。水东站断面的水质综合指数及TN质量浓度平均值最高，富营养化水平较高，分析原因，一方面是由于此处位于城镇，水体中氮磷污染物受生活污水、工业废水等排放的影响较大[37]，且城镇排水系统较差，生活污水直接进入河道，加剧了污染程度[38]；另一方面由于城镇污染物的排放对水生植物产生了毒害，不利于氮磷的降解，人类活动加剧了河道的富营养化水平[39]。三号闸断面位于水东站下游，但其水质综合指数、富营养化水平及TN质量浓度都有所减少。分析原因，主要是由于从水东站至三号闸是一段长达8 km的无衬砌土质渠道，两岸与护坡上生长着许多水生植物。以往研究表明，渠道衬砌不仅减少了浅层地下水补给，而且影响河道护坡上草本植物的生长，影响渠道周边的生态环境[40]，不利于水体的自我净化，面源污染很容易通过衬砌护坡进入水体加剧水体的污染负荷[41]。从生态角度来说，土质渠道是多种草、水生生物、昆虫等繁衍栖息的场所[1]，且水生植物对于水体中的氮磷有很好的吸收作用，对农业面源污染有很好的拦截效果[42]；其自我净化能力相对较好。随着水体流过村庄、乡镇和城市，CODCr和BOD5质量浓度逐渐升高，但从水东站到三号闸，同样出现了质量浓度降低的情况，这与TN所呈现的规律一致，这表明土质渠道同样对CODCr和BOD5有一定的净化能力。