沱江流域河流氮、磷浓度时空分布特征及污染状况评价*

2021-09-01张云霞

环境污染与防治 2021年8期

张云霞魏峣汪涛

(1.中国科学院、水利部成都山地灾害与环境研究所，四川成都 610041；2.中国科学院大学，北京 100049；3.四川省生态环境科学研究院，四川成都 610041)

氮、磷是植物生长必需的营养元素。但是，随着经济的快速发展，大量富含氮、磷的污水直排或随地表径流进入江河湖泊，造成水体氮、磷含量激增，导致水体富营养化[1-2]，造成严重的环境污染及经济损失[3-4]。2018年《长江流域水资源公报》显示，长江流域61个湖泊和365座水库中，中营养湖泊和水库分别占到13.10%和64.90%，富营养湖泊和水库分别占到86.90%和35.10%。可见，水体富营养化已经成为长江流域重要的水环境问题。

沱江是长江上游水污染问题最为突出的支流之一。已有研究表明，氮、磷是沱江流域水体污染的主要污染物[5-6]。氮、磷易溶于水中进行长途迁移。因此，沱江的氮、磷污染输入可能直接加重三峡库区乃至长江流域的水体富营养化风险。关于沱江流域水质的研究已有报道。一些学者对沱江流域水质现状进行了研究，发现干流水质大多数处于《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)Ⅳ类[7-9]。杨耿[10]研究发现，沱江流域河流磷污染较重，且以溶解态总磷为主，德阳市、资阳市河段中总磷浓度较高。还有一些学者对沱江流域部分支流历史年份的水质变化及污染物来源等进行了分析[11-12]。尽管关于沱江流域河流氮、磷污染的研究很多，但大部分的研究仅关注沱江干流或部分支流，缺乏全流域长时间尺度的时空变化研究，尤其缺乏全流域尺度的整体评价。因此，本研究根据沱江流域2008—2018年河流总氮、总磷的长期监测数据，研究沱江流域河流总氮、总磷浓度的时空分布，并从全流域尺度进行污染评价，以期为沱江流域地表水氮、磷污染治理及长江流域水环境保护提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

沱江位于长江上游四川盆地中东部(103.68°E ～105.76°E，28.87°N～31.70°N)，发源于四川西北部的九顶山，在泸州市江阳区汇入长江。沱江长627.40 km，河道总落差4 756.70 m。沱江流域地处亚热带温湿气候区，夏季高温多雨，冬季温和少雨，整个流域年平均气温为17.10 ℃，多年平均降水量约1 029 mm，多年平均径流量约149.40亿m3，丰水年径流量为262.40亿m3，枯水年径流量为66.20亿m3。

沱江流经四川德阳市、成都市、资阳市、内江市、自贡市及泸州市的16个县(市、区)、108个乡(镇、街道)，流域面积2.78万km2。流域内城市化进程较快，人口密集；流域内经济发展迅速，2015年流域内人均 GDP达4.12×104元，较2000年增涨了近8倍[13]；流域内农业发达，农业总人口达1 515万[14]。流域内磷矿资源丰富，德阳市绵远河、石亭江一带分布着金河、清平等大型磷矿工业。

1.2 样品采集与分析

本研究数据采集于2008—2018年沱江流域24个地表水水质监测国(省)控断面。这些断面分布在沱江上、中、下游干流和支流(见图1)。自上游而下，依次分别有：绵远河(W1)、石亭江(W2)、鸭子河(W3)、北河(W4)、青白江(W5、W6)、毗河(W7)、绛溪河(W9)、阳化河(W10)、九曲河(W11)、球溪河(W14、W15)、威远河(W17)、旭水河(W18)、釜溪河(W19、W20)、濑溪河(W23)、沱江干流(W8、W12、W13、W16、W21、W22、W24)。利用水样采集器在所选断面采集混合水样(至少5点混合)，用经过稀硫酸处理并以蒸馏水洗净的玻璃瓶收集500 mL混合水样。采样频率为每月1次。

图1 采样点分布Fig.1 Distribution of sampling points

采集的水样首先放入冷藏箱保存，然后送回实验室进行分析，24 h内分析完毕，如来不及分析，加硫酸酸化到pH<2，一周内必须分析完毕。水样在实验室内测定总氮、总磷浓度。总氮测定采用《水质总氮的测定碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法》(GB 11894—89)，总磷测定采用《水质总磷的测定钼酸铵分光光度法》(GB 11893—89)。

1.3 污染风险评价方法

采用内梅罗综合污染指数法进行评价[15]，水质等级划分见表1。评价标准选取GB 3838—2002 Ⅲ类标准限值(总氮1.0 mg/L，总磷0.2 mg/L)。

表1 水质等级划分

2 结果与分析

2.1 沱江流域河流氮、磷浓度的统计特征

2008—2018年沱江干流及主要支流总氮、总磷统计特征见表2。由表2可见，沱江干流总氮为0.50～7.96 mg/L，干流上、中、下游总氮多年平均质量浓度分别为4.04、3.43、4.06 mg/L。沱江干流总磷为0.02～0.55 mg/L，干流上、中、下游总磷多年平均质量浓度分别为0.24、0.21、0.23 mg/L。14条支流氮、磷浓度差异较大。其中，釜溪河总氮多年平均质量浓度最高，达到7.53 mg/L；威远河总磷多年平均质量浓度最高，达到0.65 mg/L。北河总氮多年平均浓度最低，阳化河总磷多年平均浓度最低。值得注意的是，总氮、总磷浓度极大值均出现在釜溪河，分别为32.90、16.00 mg/L。

表2 沱江流域河流总氮、总磷质量浓度统计

根据GB 3838—2002，沱江流域85.51%的水样总氮浓度高于Ⅴ类标准(2.0 mg/L)，53.90%的水样总磷浓度超过Ⅲ类标准(0.2 mg/L)(见图2)。其中，干流中91.94%的水样总氮浓度高于Ⅴ类标准，支流中43.31%～100.00%的水样总氮浓度超过Ⅲ类标准(1.0 mg/L)，威远河所有水样总氮浓度都超过Ⅴ类标准。干流中42.86%～68.86%的水样总磷浓度超过Ⅲ类标准，支流中阳化河83.08%的水样总磷浓度低于Ⅲ类标准。值得注意的是，釜溪河40.91%的水样总磷浓度超过Ⅴ类标准(0.4 mg/L)。

图2 沱江流域河流总氮、总磷浓度占比分布Fig.2 Proportion distribution of TN and TP concentrations of rivers in Tuojiang River Basin

2.2 河流氮、磷浓度的时空分布

2.2.1 时间分布

以沱江干流入长江口断面(W24)为例，分析2008—2018年沱江流域河流总氮、总磷浓度的时间变化特征，结果见图3。由图3(a)可知，河流总氮浓度呈现出明显的高浓度与低浓度随时间交替变化的规律，前期浓度极大值(>4.00 mg/L)出现频率较高，而后期大部分质量浓度小于4.00 mg/L。总氮浓度年内波动的现象较为明显，但年际间浓度变化趋势平稳，至2018年，总氮浓度总体上较2016年前浓度略有下降，但仍高于GB 3838—2002中Ⅴ类标准。总磷浓度在2008年出现极大值(0.50 mg/L)，2009—2016年总体上较平稳，但年内波动明显。整体上，总磷浓度年际变化呈逐渐下降趋势。特别是2017—2018年，总磷逐渐下降至低于GB 3838—2002 Ⅲ类标准的水平。沱江入长江口断面总氮、总磷浓度的年内波动可能与沱江流域丰水期和枯水期的动态交替变化有关。

图3 断面W24的总氮、总磷年变化Fig.3 Annual variation of TN and TP concentrations in the site of W24

沱江入长江口断面(W24)多年月平均总氮、总磷浓度见图4。由图4可见，2—4月总氮平均浓度出现极大值，其后逐渐降低，至9月出现极低值，9月后逐渐升高。这可能与沱江流域降水量季节变化有关。沱江流域降水春冬少、夏秋多，2—4月降水量仅为全年降水量的3%[16]，且随着春季农业用水量的增加，河流径流量进一步减少，降低了河流的稀释自净能力，造成河流总氮浓度偏高。夏秋季(6—10月)降水径流增加，径流的稀释作用导致总氮浓度降低。与总氮不同，总磷浓度在5—7月较高，9月出现极低值，其他月份总磷浓度差异不大。5—7月总磷浓度略高，可能与高温条件下底泥中磷的释放有关[17]。尽管5—7月降水较多，稀释作用增强，但温度较高，底泥中磷释放进入水体导致总磷浓度增加。

图4 断面W24的总氮、总磷月变化Fig.4 Monthly variation of TN and TP concentrations in the site of W24

2.2.2 空间分布

沱江流域2008、2013、2018年总氮和总磷年平均浓度见表3。由表3可见，沱江流域2008、2013年总氮呈现明显的空间变异，下游总氮浓度明显高于上游和中游，其中下游威远河、釜溪河是沱江流域总氮浓度最高的。2018年沱江流域河流总氮浓度空间变异较小，特别是下游总氮浓度明显降低。与总氮不同，2008年上游和下游总磷浓度较高，中游较低；2013年总磷浓度较2008年有明显降低，但空间上上游支流石亭江、鸭子河和下游威远河、釜溪河总磷浓度较高；2018年沱江流域除球溪河、九曲河总磷浓度较高外，其他区域总磷浓度空间差异较小。

表3 沱江流域河流2008、2013、2018年的总氮和总磷

2.3 综合评价结果

沱江流域主要河流总氮、总磷污染状况评价结果见表4。从总氮来看，仅北河处于中度污染水平，其他河流均处于重度污染水平。从总磷来看，北河、绛溪河和阳化河处于轻度污染水平，毗河、九曲河、威远河和釜溪河处于重度污染水平，其余支流及沱江干流处于中度污染水平。污染综合评价结果显示，沱江流域主要河流氮、磷内梅罗综合污染指数处于重度污染水平。

表4 沱江流域河流总氮、总磷污染状况评价

2.4 聚类分析

对沱江流域14条支流进行聚类分析，结果见图5。由图5可知，14条支流可以分为3类。第1类支流包括青白江、北河和阳化河。此类支流氮、磷浓度较低，且总磷平均浓度甚至低于GB 3838—2002中Ⅲ类标准(见图6)。第2类支流包括毗河、鸭子河、濑溪河、绵远河、石亭江、绛溪河、旭水河，氮、磷含量较高。第3类支流包括釜溪河、威远河、九曲河和球溪河。这类支流流经资阳市、内江市、自贡市的主要乡镇和城区，氮、磷浓度显著高于其他两类。

图5 沱江流域各支流聚类分析结果Fig.5 Clustering results of tributaries in the Tuojiang River Basin

3 讨论

沱江流域自北向南区域跨度大，流域内气候、地形地貌和经济社会发展状况均差异较大，造成流域内河流氮、磷污染来源复杂。总的来说，导致沱江流域河流氮、磷污染的原因主要有以下几点[18]：(1)水资源短缺，每平方千米水资源量仅38.40万m3，流域以占四川3.50%的水资源量支撑四川20%以上的人口和GDP。(2)水污染物排放量大，单位面积水污染物排放量是四川平均水平的3倍以上。(3)流域径流年内分配不均匀，水资源供需矛盾大。(4)存在结构性污染，产业结构和布局仍待优化，特别是由于历史布局遗留问题，大量废水排放企业沿江分布，污染风险较大。(5)流域城镇化水平持续提高，但生活污水处理率低。据调查，2015年流域内城镇生活污水处理率仅64%，乡镇污水处理厂建设比例仅22.70%，而且处理能力不足与配套管网不完善的问题并存，雨污分流不彻底，生活污水直排现象突出。(6)农业与农村污染问题突出，特别是农村生活污水基本处于无序排放状态，而流域内农业面源污染的治理则缺乏有效手段。

沱江流域河流氮、磷浓度的时空分布主要受到区域内降雨、产业结构和城镇化水平等因素的影响[19]。降水量的年内分布不均是导致沱江流域河流氮、磷浓度年内波动的主要原因。沱江流域年内降水量分布极不均匀[20]。区域降水量差异也可能影响沱江河流氮、磷浓度的空间分布，上游山区年均降水量为1 200～1 700 mm，中下游年均降水量为870～1 100 mm[21]。另外，产业结构、城镇化水平差异也会影响沱江流域河流氮、磷的空间分布。沱江上游以农业为主，受工业和城市生活污水的影响较少，河流氮、磷浓度较低[22]。沱江中游是沱江流域较发达的地区，区域内河流的氮、磷主要来源于城市污水和工业废水[23]；沱江下游不仅农业发达，而且近年来工业和城镇化水平发展迅速，河流氮、磷浓度不仅受农业面源污染的影响，而且受城市生活污水和工业废水的影响[24]。