淮河支流西淝河污染物质负荷输出特征

陈林， 易齐涛， 陈逸函， 张世文， 崔红标

(1.安徽理工大学地球与环境学院， 淮南 232001； 2.烟台大学土木工程学院， 烟台 264005)

中国的七大河流，地表主要湖泊、近海域以及地下水均受到不同程度的污染。根据《2020中国生态环境状况公报》(2021年5月26日)显示，全国地表水监测的1 937个水质断面中，Ⅲ类及以上水质断面占比45.8%，其中主要污染物为有机物(多氯联苯等)、总磷。淮河流域广阔，介于长江、黄河之间，处于中国中东部南北地理分界线，拥有五条河道可以入海，淮河流域对于泄洪、人民生活饮用水源、经济社会的发展具有重大意义。而现如今，淮河流域污染也越发严重，淮河流域主要污染指标为高锰酸盐指数、氨氮等[1-2]。淮河污染物质主要来源于各小流域支流，因此，研究小流域支流污染负荷对于淮河的水环境治理具有重大意义。

淮河干流污染主要有流域内各支流水系所产生，主要污染物质来源可分为点源和非点源两大部分，郝桂珍等研究的淮河流域的农业非点源污染[3]，杨均雯等[4]研究的降雨径流、生活污染等非点源污染；丁肇慰等[5]研究的生活污水、工业废水定点排放入河等点源污染，而研究流域内点源和非点源污染负荷输出对改善水质有重要作用[3,6]。另外，流域水文格局由于复杂的闸坝的建立而发生变化，从而影响流域水环境质量及状况[7]。而淮河小支流众多，且在闸坝的建立下，水力时间延长，导致污染物在河道中积聚，加深流域富营养化程度。淮河由于大量闸坝的建设，浮游植物的群落结构已经指示出典型的富营养化特征[8-9]。

目前，对淮河流域污染负荷及水质特征的相关研究均集中在重点流域或水域。文献[10-11]对沙颍河和涡河污染物来源、时空分布以及负荷特征的研究，文献[12-13]对结构较为复杂的淠河流域的生态健康评价与防洪调度情况的研究，文献[7，14-15]对河道闸坝的建设影响水体水质、水生态环境、水流状况以及水文特征等方面的研究。除开重点流域支流外，其他支流所在流域面积较大，实际上可能对淮河干流的总体污染负荷具有重要贡献，但是相关研究有所欠缺，因此弄清楚典型小流域支流的污染负荷特征对更加客观认识淮河污染的空间来源及潜在影响十分重要，对淮河流域整体水资源的开发利用与保护有重大意义[16]。基于此，现以淮河流域西淝河支流为代表，通过对西淝河出流水量以及水质样品进行高频次监测，根据季节性降雨变化，分为雨期和非雨期采集与监测，分析其主要污染物的季节性变化特征以及污染负荷特征，以期为淮河流域水环境污染治理提供一定的科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域和监测站点

西淝河是淮河北岸较大支流之一，发源于河南省鹿邑县，流经安徽省亳州市、太和、涡阳、利辛、颍上、凤台等县市，于凤台县西峡口(硖山口)注入淮河，全长250 km，流域面积4 750 km2，1951年治理西淝河时将西淝河上游的清水河在王河口截源，经油洺河入涡河，1970年代开挖茨淮新河后上游来水全被汇入茨淮新河，下游开引新河入淮河。本研究所涉及的西淝河小流域范围即以茨淮新河为界限至下游入淮河口，流域面积约为1 800 km2，西淝河流域主要以耕地、建设、交通用地为主，其中耕地占69%，建设用地占22.7%，水域占6.2%[17-18]，耕地主要以小麦-水稻或大豆轮作的方式进行种植。西淝河小流域地处中国东部，属暖温带半湿润季风气候区，气候温和，年平均气温为11～16 ℃，年平均降水量约为900 mm。在西淝河小流域河流出口设有西淝河闸调节西淝河和淮河干流之间的水交换，起到防洪排涝、蓄水灌溉和渔业活动等多方面的功能。水文(水位和流量)、水质监测站点均设置在西淝河流域出口(西淝河闸上)，如图1所示。

图1 西淝河流域范围及西淝河出流采样点图Fig.1 Sale of the Xifeihe River watershed and monitoring site in the outflow of Xifeihe River

1.2 样品采集与分析

1.2.1 降水、水位数据收集及流量数据计算

流域降水，监测站点水位和闸坝调度等数据来源于安徽省水文局，收集时段为2018年1—12月，其中降水量主要来自西淝河流域内20多个自动雨量站，水位主要收集西淝河闸逐日水位以及闸坝调度情况，根据闸上水位、闸孔总宽以及闸门开启度，使用水力学公式计算流量，即

(1)

式(1)中：Q为流量，m3/s；σ为淹没系数；C1为淹没堰流流量系数；B为闸孔总宽或开启净宽，m；hu为上游水头，m。淹没系数用实测流量和水位进行率定。

1.2.2 流域出口水样采集与分析

西淝河出流水样采集时间为2018年1月1日—12月31日，分雨期和非雨期进行，根据降雨径流观测结果，非雨期为1、2、10—12月，雨期为3—9月，其中5—9月为汛期。雨期采样时降雨量超过10 mm，降雨径流期间至少采集3次水样，非降雨径流期间每月至少采集3个常规水样，将水样储存于野外实验站的冰箱中，定期运送到实验室进行水质分析。

水质分析指标主要包括：高锰酸盐指数(CODMn)、总氮(TN)、硝酸盐氮(NO3-N)、氨氮(NH4-N)、亚硝酸盐氮(NO2-N)、总磷(TP)、活性磷酸盐(SRP)。原水样测定CODMn、TN、TP；原水经0.45 μm醋酸纤维膜过滤后测定NO3-N、NH4-N、NO2-N、SRP等溶解态指标。CODMn采用高锰酸盐指数法测定，TN采用过硫酸钾氧化-紫外分光光度法来测定，TP、SRP采用钼锑抗分光光度法(GB 11893—89)测定，NO3-N采用紫外分光光度法测定，NO2-N采取N-(1-萘基)-乙二胺光度法测定(GB 7493—87)测定，NH4-N采用水杨酸-次氯酸盐光度法测定。

1.3 负荷计算与统计分析

主要污染物CODMn、TN和TP的年负荷为流量、浓度与时间的乘积除以流域面积，负荷与流量、浓度之间的相关性用Pearson相关系数进行分析，分别在99%和95%的置信度下判断极显著(p<0.01)或显著(p<0.05)相关。

其四，“此在单元”的微观视域是推动中国城市社会发展的落脚点。“此在单元”是不同的家庭、社区、日常生活的实在场域，是人们的共性与个性基本关联单位，城市命运共同体合理性构建是宏观性政策与各项制度实现的合法性路径与社会发展的稳定基础。“此在单元”之间的差异性及其共融性，是宏观环境正义化与公平化在实践中使人们获取幸福感和满足感，以及实现人的自由全面发展的价值所在。因此，鼓励民间社会组织的发展，细心经营家庭与社区的紧密性，给城市社会不断注入活力且形成城市行动与行为合力，是克服奥尔森所指出的“集体行动悖论”的有效方式。

2 研究结果

2.1 流域降水与出口流量特征

西淝河流域2018年降水量为1 039.5 mm，3—9月总降雨量达860 mm，占整个研究期降雨量的82.73%，流域出口流量范围为17.34～46.91 m3/s，流量均值24.26 m3/s，雨期流量均值25.51 m3/s，非雨期流量均值22.82 m3/s，河流径流总量为765×106m3，径流系数为0.41。

2.2 水质特征

由表1可知，2018年期间西淝河出流CODMn变化范围是2.8～10.2 mg/L，年均值5.4 mg/L，依据GB 3838—2002《地表水环境质量标准》，其水质CODMn的年均浓度达到Ⅲ类水质标准。TN浓度变化范围是0.82～3.80 mg/L，年均值为 2.04 mg/L，达到Ⅴ类水质标准。NO3-N浓度变化范围是0.02～3.55 mg/L，年均值为1.42 mg/L，NH4-N浓度变化范围是0～1.07 mg/L，年均值0.21 mg/L，NO2-N浓度变化范围是0～0.78 mg/L，年均值为0.06 mg/L。无机N浓度平均占TN浓度的比率为83.08%，而无机N中，主要以NO3-N为主，其占无机氮的比率为83.8%。TP变化范围是 0.01～0.34 mg/L，年均值0.11 mg/L，达到Ⅱ水水质标准。SRP变化范围是0～0.25 mg/L，年均值0.05 mg/L，P主要以SRP形态存在。

西淝河出流监测点的CODMn、TN、TP浓度随时间变化特征如图3所示。从时间上变化看，CODMn非雨期浓度较低，最低值出现在1月和12月，随着雨季的到来(3月)，其浓度逐渐增大，平均浓度8月最高，达到 6.9 mg/L，此后随着降雨径流的减少，浓度逐渐降低至较低的浓度水平，如图3(a)所示。

流量过程线不连续的部分表示淮河水位高于西淝闸 上水位时闸门关闭情况图2 2018年西淝河出流流量随降雨过程的变化Fig.2 The flowrate change of outflow of Xifeihe River with rainfall depth during 2018

表1 2018年西淝河出流监测点水质统计Table 1 Statistics of water quality in the outflow of Xifeihe River during 2018

图3 西淝河出流监测点CODMn、TN、TP浓度 随时间变化特征Fig.3 The concentration change of CODMn, TN, TP in the outflow of Xifeihe River during 2018

西淝河出流监测点TN浓度随时间变化特征与CODMn不同，非雨期浓度均值2.19 mg/L，略高于雨期的1.97 mg/L。非雨期TN浓度最高值出现在1月下旬，为3.80 mg/L，随着3—4月雨期的来临，浓度略有升高，浓度均值为2.51 mg/L，在汛期(5—9月)径流的冲刷下，浓度降低，汛期浓度均值为1.71 mg/L，随后浓度随流域降雨径流减少逐渐回升，10—12月浓度均值为2.24 mg/L，如图3(b)所示。

研究期间TP浓度随降雨径流过程变化如图3(c)所示，非雨期和雨期TP浓度差异较大，TP非雨期均值为0.06 mg/L，雨期均值为0.13 mg/L，随着雨期的到来，TP浓度开始大幅度升高，3月浓度均值为0.09 mg/L，在汛期降雨径流的进一步影响下，5月TP浓度均值最高达到0.15 mg/L，TP浓度峰值出现在8月，为0.34 mg/L，此后随着降雨径流的减少，TP浓度开始降低并稳定至非雨期水平。

2.3 污染物质负荷特征

由表2可知，2018年期间西淝河流域CODMn的年出流负荷为22.9 kg/hm2，CODMn的日负荷变化范围是 32.4～166.0 g/hm2。TN的年负荷为 8.71 kg/hm2，日负荷范围11.36～53.80 g/hm2。TP年负荷为0.46 kg/hm2，日负荷在0.18～3.78 g/hm2变化。

表2 2018年西淝河流域出流各污染物质负荷统计Table 2 Statistics of pollutants load in the outflow of Xifeihe River during 2018

西淝河流域出流CODMn负荷变化及月均值如图4(a)所示，月负荷均值为2.0 kg/hm2，非雨期与雨期差异较大，非雨期月负荷均值为1.5 kg/hm2，雨期月负荷均值为2.3 kg/hm2。随着3月份雨期的来临，出流流量开始增大的同时CODMn的浓度也在增大[图3(a)]，因而CODMn月负荷量开始缓慢增大，8月份负荷达到最大值3.5 kg/hm2，随后降雨量减小，月负荷开始减小至非雨期水平。

西淝河出流TN负荷变化不同于CODMn，其在2018年月负荷量均不超过1.0 kg/hm2，且月份之间变化幅度不大。3月雨期TN浓度略有升高，流量增大，负荷相应增大，但随着雨量的增大，降雨径流具有稀释作用，浓度大幅度减小，但流量始终维持在一个较高水平，故月负荷量略微减小，9月份负荷最小，为0.58 kg/hm2，雨期结束后，TN出流负荷缓慢升高。

图4 西淝河出流监测点CODMn、TN、TP 负荷随时间的变化Fig.4 The load change of CODMn, TN, TP in the outflow of Xifeihe River during 2018

西淝河出流TP负荷与CODMn变化趋势十分一致，即雨期升高非雨期降低的变化特征，月负荷值在0.1 kg/hm2之内变化，非雨期月负荷均值为0.02 kg/hm2，而雨期月负荷均值为0.04 kg/hm2，汛期的8月月负荷均值达到最大0.07 kg/hm2。

2.4 相关性分析

西淝河流域出流污染物质(CODMn、TN和TP)负荷、浓度和流量相关性分析分别如表3所示。CODMn负荷与流量(r=0.557，P<0.01)、浓度(r=0.890，P<0.01)呈极显著相关，CODMn浓度与流量(r=0.151，P<0.01)呈显著相关；TN负荷与流量显著相关，但相关性系数较小(r=0.223，P<0.05)，与浓度呈现极显著相关(r=0.920，P<0.01)；TP负荷与流量(r=0.488，P<0.01)、TP浓度(r=0.938，P<0.01)极显著相关。

表3 西淝河出流各污染物质(CODMn、TN和TP) 负荷与流量、浓度之间的相关性Table 3 Correlation between pollutants (CODMn, TN and TP) load and flow rate, and concentration in the outflow of Xifeihe River

3 讨论

西淝河小流域内流量过程对降水量之间有较高的响应关系，特别是在雨期高强度降雨条件下，出流流量反应较快(图2)。3月雨期来临时，西淝河闸孔口全部处于打开状态，3—5月降雨变得稀疏时，流量开始缓慢减小，而5月汛期的到来后降雨量大且持续时间长，为防止洪涝灾害、储存水资源进行灌溉活动等，西淝河闸口孔口全部处于关闭状态，而后随着降雨量减小和淮河水位的下降，闸口孔口开放，流量由峰值开始下降，在8月中旬也出现相似情况，日降雨量最高达101.7 mm，闸门孔口开放后流量达到46.91 m3/s。10—12月处于非雨期，降雨量较少，流量也相应较小。

从土地利用上看，西淝河流域内耕地与建设用地的比例约为3∶1，径流系数为0.41，研究表明，淮河其他支流洪汝河、沙颍河和涡河的径流系数在0～0.9变化[19]，根据文献[20-21]对径流系数变化特征分析和土地利用类型之间关系的研究，结合西淝河流域由于采煤导致塌陷区面积增大、流域平均气温升高，蒸散作用变大、土地利用类型变化，流域内人口增长导致建设用地面积增大，土壤蓄水能力减弱，径流系数符合当地水文特征。

根据GB 3838—2002《地表水环境质量标准》，西淝河出流监测点CODMn年均浓度达到Ⅲ类水质标准，TP年均浓度达到Ⅱ类水质标准，TN年均浓度达到V类水质标准。由此可见，西淝河流域TN污染最为严重，而CODMn和TP的污染相对较小。在河流好氧的环境下，有机物随着水流流动过程中降解较快，导致流域内CODMn浓度较低，而流域大量生活污水的排放和农田排水及渔业等导致流域内营养盐蓄积并随降雨径流入河。

污染物质来源主要分为点源和面源[22]，点源主要是工业废水、城市、农村生活污水的排放，面源排放主要指农业、城市下垫面累积的污染物质在降雨径流的冲刷下进入河流[23]。一方面，西淝河流域周边缺乏对村镇生产生活污水的处理，相关研究表明，生活污水源对流域河流污染负荷的贡献能够达到50%以上[24]，西淝河除其周边城镇和郊区原污水外，河流上游颍上市颍东区污水处理厂二级出水尾水也是其主要污染物的来源[25]。另一方面，西淝河流域内采煤塌陷形成的沉陷区水域主要用于渔业养殖，大量饲料残留物和过剩肥料随降雨径流进入河流。此外，西淝河流域内主要耕地为主，而耕地主要以水稻-小麦(或大豆)轮作的方式进行种植，作物生长需要大量的养分，小麦在3月份经过一轮施肥，在6、7月份的稻季，进行另一轮的施肥，雨期过剩的营养物质也易于随降雨径流冲刷进入河流水体[26-27]。

从污染物质特性上看，CODMn和TP属于以颗粒物态为主的污染物，其受地表径流的冲刷影响较大[28]， TN属于溶解态污染物，存在径流稀释作用，所以TN浓度在汛期5—9月与径流量呈现相反趋势。1、2月份属于非雨期，河流流量较小，CODMn、TP冲刷较少而浓度较低，3月份雨期来临后对污染物冲刷较大，颗粒态CODMn、TP随着水流冲刷入河导致浓度升高，尤其是在汛期5—9月浓度达到峰值，此后到非雨期又逐渐减少。N主要来源于污水、农田排水、渔业等，冬季流量较小，浓度较高，春季夏初施肥、投养鱼饲料等经过径流冲刷，使得TN浓度保持在一个相对较高水平，而主汛期(5—9月)流量过大，对溶解态的N污染物稀释作用较强从而导致其汛期浓度变小。

从负荷上看，流域内污染物负荷的输出具有明显的季节性变化，降雨径流冲刷地表使流域营养盐负荷增大[29-30]。CODMn、N、P等营养盐的负荷也相应增大，COD、TP属于颗粒污染冲刷，浓度和流量同步变化，所以负荷和浓度、流量均相关，但流量相关性系数要高于浓度。TN有冲刷和稀释作用，尽管负荷和流量、浓度均相关，但浓度和流量关系较弱且负荷和浓度的相关性要远高于与流量的相关性。

2018年西淝河流域CODMn年出流总负荷0.41万t，TN年出流总负荷为0.16万t，TP年出流总负荷为0.008万t，根据据马静对淮河流域污染负荷核算结果[31]， CODMn、TN和TP入淮河总负荷分别为30.9万t、6.3万t、1.1万t，西淝河CODMn年入河负荷占淮河流域排放量的1.3%，TN占2.5%，TP占0.7%，而其流域面积占淮河流域的0.6%，可见西淝河污染负荷要高于流域平均水平且TN的污染负荷相对较大。单位面积上CODMn年出流负荷为22.9 kg/hm2，TN年出流负荷为8.7 kg/hm2，TP年出流负荷为0.46 kg/hm2，郝守宁等[32]研究表明，沙颍河流域单位面积COD负荷量为87.0 kg/hm2，单位面积TN负荷为12.3 kg/hm2，单位面积TP负荷为1.7 kg/hm2，沙颍河是淮河流域污染最为严重的一条支流，西淝河较沙颍河而言污染较轻。

4 结论

(1)西淝河流域在2018年年降水量1 039.5 mm，出流流量均值24.26 m3/s，年径流总量765×106m3，径流系数为0.41。

(2)西淝河2018年出流CODMn浓度范围为2.8～10.2 mg/L，年均值5.4 mg/L，达到III类水质标准。TN浓度范围为0.82～3.80 mg/L，年均值2.04 mg/L，达到V类水质标准。TP浓度范围为0.01～0.34 mg/L，年均值0.11 mg/L，达到地表水II类水质标准。CODMn和TP浓度随季节变化趋势与流量相一致，雨期浓度均高于非雨期浓度，在汛期达到最大。而TN浓度随季节变化趋势与CODMn、TP不同，非雨期浓度高于雨期浓度，汛期随流量增大而减小。

(3)西淝河流域污染物质负荷强度要高于流域平均水平，但是远低于污染严重的沙颍河支流。西淝河单位面积上CODMn年出流负荷量为 22.9 kg/hm2，TN年出流负荷为8.7 kg/hm2，TP年出流负荷为0.46 kg/hm2，其中CODMn和TP负荷均与流量、浓度成极显著正相关，受降雨径流冲刷影响较大。