曹娥江流域水质特征及主要污染物入海通量

程全国,张志敏,吕旭波,王 艳,雷 坤*

(1.沈阳大学 环境学院,辽宁 沈阳 110044;2.中国环境科学研究院 水生态环境研究所,北京 100012)

随着全球沿海城市经济和工业的快速发展,近岸海域生态环境引起了人们的重视。虽然近年来对近岸海域生态环境的治理取得了一定成效,但水体富营养化和生态功能丧失等问题依然严重[1-2]。近岸海域的环境污染无法得到有效改善,研究显示海洋污染物总量的85%以上来自于陆源污染物,其中由入海河流排入的超过80%[3-4]。我国自20世纪80年代以来,工业发展和城市化进程加速,每年上百亿吨的工业和生活污水携带大量的有害物质排放入海,造成近岸海域水质恶化。计算流域内入海污染物通量和分析时空分布特征是研究流域内污染物质迁移转化的重要方法,也是近岸海域污染治理的基础和前提[5-8]。入海污染物通量是指在指定的时间内通过某监测断面的污染物总量,不仅受工业废水、生活污水等点源污染的影响,而且与非点源污染及河流径流量等影响因素有关[9]。河流入海污染物通量是近岸海域环境保护与管理的重要关注因子,估算入海污染物通量是入海污染物总量控制的关键。目前国内外已有大量污染物入海通量研究[10-14],计算污染物通量大多采用文献[15]的时段平均浓度与时段水量之积和分时段通量2类估算方法。

杭州湾-浙江近海是我国近海富营养化最严重、生态环境问题最突出的海域。杭州湾水质极差,为劣Ⅳ类海水水质标准,主要超标指标为无机氮和活性磷酸盐,生态环境常年处于“不健康”状态,整体处于重度富营养化状态。杭州湾近岸海域入海河流主要有钱塘江和曹娥江2条河流,其水环境质量事关区域社会经济可持续发展,而曹娥江是钱塘江河口段主要支流,于绍兴三江口以下注入杭州湾。自2013年以来,浙江省陆续实施了“五水共治”、“一打三整治”等政策措施,控制陆源入海污染物排放,全省陆域生态环境有了显著改善,但曹娥江区域人口密集、经济发达,受城市规模和社会发展影响,流域水环境污染问题依然不容乐观。近5年对曹娥江流域的水质展开全面分析的研究较少,Ji等[16]以曹娥江的支流长乐江为研究对象,利用氮氧稳定同位素技术对长乐江展开氮污染来源分析,结果表明硝酸盐氮是长乐江氮污染的主要存在形式,粪便和生活污水是硝酸盐氮的主要来源。本文基于2016—2021年曹娥江流域的水质和水文监测数据,系统分析曹娥江的水质时空变化趋势和水环境质量状况,估算曹娥江主要污染物的入海通量,分析曹娥江入海污染物主要来源,以期为提升曹娥江水环境质量、控制入海污染物总量和改善钱塘江水质环境提供参考。

1 数据来源与方法

1.1 研究区概况

曹娥江位于东经120°30′至121°15′,北纬29°08′至30°15′之间,属钱塘江水系,是钱塘江河口段主要支流,全长193 km,流域面积6 080 km2。发源于磐安县尚湖镇王村的大盘山脉长坞,自南而北流经新昌县、嵊州市、上虞区、柯桥区,于绍兴三江口以下在新三江闸下游经曹娥江大闸注入杭州湾。嵊州城关以上为上游,嵊州城关至上虞百官为中游,百官以下为下游。上游段属山溪性河流,中游的上虞上浦闸以下为感潮河段,受杭州湾潮汐的影响。流域内有大量工业企业分布,主要污染源为来自新昌、嵊州的工业废水以及干支流沿岸乡镇的工业废水,除工业废水排放外,尚有生活污水和农田面源污染。

1.2 数据来源与方法

选取曹娥江流域4个水质监测断面和3个水文站,其中水质监测断面分别为曹娥江大闸闸前、汤曹汇合口、屠家埠、长诏水库出口,水文站分别为上虞东山站、嵊州(三)站和黄泽站,各断面和水文站的位置见图1。水质监测断面数据来源于2016—2021年生态环境部在线监测数据,水文站数据来源于2016—2019年水文年鉴资料,本文分析的水质指标有高锰酸盐(mg·L-1)、氨氮(mg·L-1)、总氮(mg·L-1)、总磷(mg·L-1)、石油类污染物(mg·L-1)和化学需氧量(COD,mg·L-1)。由于丰水期和枯水期是环保部门经常采用的说法,在南北不同区域有不同的时间,曹娥江流域位于浙江省绍兴市,结合当地实际降雨情况,丰水期为6、7月份,枯水期为1月份,以下文中分析直接采用丰水期和枯水期进行分析。

图1 曹娥江流域监测断面和水文站分布Fig.1 Monitoring section and distribution of hydrographic stations in Cao-E River

2 结果与分析

2.1 水质时空分布特征

在4个监测断面中,从上游到下游依次为长诏水库出口、屠家埠、汤曹汇合口和曹娥江大闸闸前。图2是高锰酸盐质量浓度变化,从图2可以看到,高锰酸盐年、月质量浓度在空间上表现出从上游到下游整体上升的趋势。2016—2021年,各断面年均高锰酸盐质量浓度总体较低,其中曹娥江大闸闸前断面呈下降趋势,其余3个断面质量浓度总体保持稳定,但存在一定年际波动,见图2(a);月均高锰酸盐指数整体呈现出丰水期质量浓度高,枯水期质量浓度低的现象,见图2(b),说明面源污染对河流水质影响显著。

图3为氨氮质量浓度变化,从图3中可知,氨氮的年、月平均质量浓度整体表现为屠家埠断面质量浓度最高,长诏水库出口断面质量浓度最低,汤曹汇合口和曹娥江大闸闸前断面氨氮质量浓度较为接近。2016—2021年,各断面氨氮质量浓度整体呈下降趋势,见图3(a)。曹娥江大闸闸前、汤曹汇合口和屠家埠断面氨氮质量浓度整体呈枯水期高,丰水期低的特征;长诏水库出口断面主要受水库出流影响,氨氮质量浓度较低且基本保持稳定,见图3(b)。在长诏水库出口至汤曹汇合口处,河流氨氮质量浓度在丰水期受降水、上游和汇入地表水体稀释作用显著,说明氨氮主要来源于点源;在汤曹汇合口以下,汇入河流的氨氮发生硝化作用而转化为硝酸盐氮,导致氨氮质量浓度在曹娥江大闸闸前显著下降。

图2 高锰酸盐质量浓度变化Fig.2 Change of permanganate index

图3 氨氮质量浓度变化Fig.3 Change of ammonia nitrogen mass concentration

图4为总氮质量浓度变化,整体来看,总氮的年、月平均质量浓度最高的是屠家埠断面,质量浓度最低的是长诏水库出口断面。中下游3个断面的年均总氮质量浓度基本一致,且均呈现下降趋势,见图4(a);月均总氮质量浓度在丰水期和枯水期无明显变化,见图4(b)。考虑到总氮的质量浓度相对较稳定且不易发生迁移转化,所以屠家埠站的总氮质量浓度基本决定了下游总氮质量浓度水平,汇入到该断面的总氮是下游总氮的主要来源。4个断面的总氮年均质量浓度都很高,造成这种现象是由于流域内有大量工业企业分布,工业废水、生活污水和农田面源污染流入水体。月均质量浓度变化较稳定,但曹娥江大闸闸前断面总氮质量浓度在2020年6月达到最高,为8.16 mg·L-1,见图4(b),可能是上虞区盖北镇丰棉村、丰富村、新河村等乡镇存在大面积区域葡萄种植,农药使用量、化肥施用量较大,氮随地表降水进入水体,使其质量浓度过高。

图4 总氮质量浓度变化Fig.4 Change of total nitrogen mass concentration

图5为总磷质量浓度变化,从图5(a)中可以看到,总磷质量浓度总体保持在较低水平,屠家埠断面年均总磷质量浓度高于其他断面,且在2018年后呈现上升趋势;从图5(b)可以看到,月均总磷质量浓度变化起伏较大,其丰水期和枯水期质量浓度无明显变化,但屠家埠断面在2021年3月总磷质量浓度达到最高,为0.35 mg·L-1。曹娥江大闸闸前和汤曹汇合口处总磷质量浓度低于屠家埠断面,是由于总磷易于吸附于泥沙颗粒而沉降,导致总磷质量浓度下游显著低于中游。

图6为石油类污染物质量浓度变化,从图6(a)中可以看到,石油类污染物的4个断面年均质量浓度整体呈现下降趋势,石油类污染物质量浓度最高出现在2016年的汤曹汇合口断面处,为0.04 mg·L-1;从图6(b)可知,4个断面月均石油类污染物质量浓度差别不大,且丰水期和枯水期质量浓度无明显变化。

图7为化学需氧量变化,从图7(a)中可以看到,化学需氧量的年、月平均质量浓度整体最高的是位于最下游的曹娥江大闸闸前断面,质量浓度最低的是位于流域上游的长诏水库出口断面;从图7(b)可知,月均化学需氧量呈现出丰水期质量浓度高,枯水期质量浓度低的现象,说明面源污染对河流水质影响显著。

图5 总磷质量浓度变化Fig.5 Change of total phosphorus mass concentration

图6 石油类污染物质量浓度变化Fig.6 Change of petroleum pollutants mass concentration

2.2 曹娥江污染物入海通量分析

2.2.1 污染物入海通量的时间变化趋势

污染物入海通量采用实测法,即采用河流断面的实测数据估算入海通量,可以真实反映污染物的排放量[17]。监测断面流量数据以就近的水文站流量为依据,即汤曹汇合口处的径流量采用上虞东山站的流量数据计算,屠家埠处的径流量采用嵊州(三)站流量,长诏水库出口采用黄泽站流量数据。基于流量在线监测技术原理,根据3个水文站的集水面积和年径流量之间的关系,推算曹娥江大闸闸前断面的年径流量。

考虑到曹娥江流域水质监测频率基本以月为单位的实际情况,各断面污染物的年入海通量和月入海通量的估算方法[18-20]如下:

图8 4个监测断面年径流量变化Fig.8 Annual runoff changes at four monitored sections

式中:W为年污染物入海通量,t·a-1;Wy为月污染物入海通量,t·月-1;ρy为监测断面第y个月的污染物质量浓度,mg·L-1;Qy为水文站第y个月的径流量,亿m3·月-1。

2016—2019年长诏水库出口、屠家埠、汤曹汇合口和曹娥江大闸闸前4个监测断面年径流变化如图8所示,从图8中可以看到,4个监测断面的年径流量整体呈上升趋势,且从上游到下游各断面年径流量也呈上升趋势,可能与2019年绍兴市发生“利奇马”台风有关,当年降雨量较往年偏多,致使监测断面年径流量增加。

4个监测断面不同污染物年入海通量如图9所示。与2016年相比,2019年曹娥江大闸闸前、汤曹汇合口断面的氨氮污染物入海通量分别下降了15.3%、3.0%,见图9(b);石油类污染物入海通量分别下降了4.4%、68.4%,见图9(e);2个断面其余4种污染物入海通量均有不同程度的增加,见图9(a)、图9(c)、图9(d)、图9(f);屠家埠断面除石油类污染物外,剩余5种污染物入海通量都有所增加;长诏水库出口断面的高锰酸盐、氨氮、石油类污染物和化学需氧量入海通量分别下降了18.9%、44.0%、38.1%、34.8%,总氮和总磷的污染物入海通量都有所增加。年污染物入海通量一般与年径流量呈正比,即年径流量高的年份污染物入海通量高[21-22]。结合图8分析,4个监测断面中曹娥江大闸闸前断面年径流量最大,各污染物入海通量最高;长诏水库出口断面年径流量最小,各污染物入海通量最低。整体来看,近4年曹娥江各水文站的年径流量有所增加,流域的不同污染物入海通量也有所增加,今后应加强曹娥江水环境管理,从而改善流域水环境状况。

图9 4个监测断面不同污染物年入海通量Fig.9 Annual fluxes of different pollutants into the sea at four monitored sections

4个监测断面的月径流量变化如图10所示,从图中可以看到,各断面径流量呈现出上下波动变化,整体呈现出丰水期径流量大而枯水期径流量小的特征,这与夏季降雨多、冬季降雨少有关,雨水随地表渗入到水体中使丰水期的断面径流量增大。

图10 4个监测断面的月径流量变化Fig.10 Monthly runoff changes at four monitoring sections

4个监测断面不同污染物月入海通量如图11所示,从图中可以看到,2016—2019年期间,曹娥江大闸闸前断面高锰酸盐、氨氮、总氮、总磷、石油类污染物和化学需氧量月入海通量整体最高,长诏水库出口断面月入海通量整体最低。曹娥江大闸闸前、汤曹汇合口、屠家埠和长诏水库出口4个断面的高锰酸盐、总氮、总磷、石油类污染物和化学需氧量的入海通量与月均流量变化趋势一致,月均流量越大,其污染物入海通量越大,即丰水期流量大,污染物入海通量高,枯水期流量小,污染物入海通量低。具体表现为每年从1月到6、7月的污染物入海通量整体呈上升趋势,在丰水期达到最高值然后呈下降趋势,在丰水期期间,这5种污染物入海通量变化起伏波动大,而在非丰水期时,变化不大,趋于稳定,见图11(a)、图11(c)、图11(d)、图11(e)、图11(f)。

图11 4个监测断面的不同污染物月入海通量Fig.11 Monthly fluxes of different pollutants into the sea at four monitoring sections

氨氮月入海通量大体上与月均径流量成正比,但氨氮在每年的丰水期月均径流量最大,而入海通量却不是丰水期最大,见图11(b)。水质监测数据显示,曹娥江大闸闸前和汤曹汇合口断面在2019年枯水期氨氮质量浓度高而丰水期氨氮质量浓度低,导致枯水期氨氮入海污染物通量最大。可见污染物入海通量不仅与径流量有关,还和污染物质量浓度有关,由于受降水以及水体对外交换,导致丰水期水体中氨氮的质量浓度被雨水稀释,这与上述水质分析结果一致。

整体来看,断面径流量越大,污染物入海通量越大,但入海通量也与污染物质量浓度有关。污染物月入海通量大体上呈现出丰水期高而枯水期低的现象,4年间仅2019年部分监测断面的氨氮入海通量出现枯水期高于丰水期的现象,可能与2019年降水量大稀释了水体中氨氮质量浓度有关。

2.2.2 污染物入海通量的来源分析

通过对污染源的调查分析,可以得到其受纳水体为曹娥江流域,且排水类型为直接进入江河湖库的污染源废水、氨氮、总氮和总磷排放量,结果如表1所示。从表中可以看到,废水排放量最少的是规模化畜禽养殖厂,氨氮排放量最少的是工业企业,总氮、总磷排放量最少的是城镇污水处理厂;废水、氨氮、总氮、总磷排放量最多的都是农村集中生活污水,说明曹娥江流域内入海污染物主要来源于农村集中生活污水,水体受点源污染影响显著。由于农村生活污水收集率较低,简单处理后就近排放,导致对曹娥江流域水体污染比较严重,今后应加强农村污水处理,完善污水管网建设,提高污水收集率,从而减少流域污染物排放,提高水生态环境。

表1 曹娥江流域水体污染源排放量Table 1 Discharge of water pollution sources in Cao’e River basin 单位:t·a-1

3 结 论

1) 曹娥江流域内的长诏水库出口、屠家埠、汤曹汇合口和曹娥江大闸闸前4个监测断面的高锰酸盐指数和化学需氧量时间上呈现出丰水期质量浓度高而枯水期质量浓度低的现象,空间上呈现出从上游到下游整体下降的趋势,说明面源污染对河流水质影响显著。曹娥江大闸闸前、汤曹汇合口和屠家埠断面氨氮质量浓度呈枯水期高而丰水期低的特点;长诏水库出口断面主要受水库出流影响,氨氮质量浓度较低且基本保持稳定。氨氮质量浓度在丰水期受降水、上游和汇入地表水体稀释作用显著,说明氨氮主要来源于点源。2016—2021年期间,曹娥江流域内的4个监测断面的水环境质量整体呈好转趋势。总氮质量浓度普遍较高,总磷质量浓度总体保持在较低水平,且符合水质要求;总氮和总磷在空间上均表现出屠家埠断面处质量浓度最高,长诏水库出口断面质量浓度最低。4个断面的石油类污染物年均质量浓度整体呈现下降趋势,月均质量浓度差别不大,丰水期和枯水期质量浓度无明显变化。

2) 曹娥江流域内4个监测断面的高锰酸盐、氨氮、总氮、总磷、石油类污染物和化学需氧量年入海通量在2016—2018年呈下降趋势,在2018—2019年呈上升趋势;月均污染物入海通量大体上呈现丰水期高枯水期低的现象,4年期间仅2019年部分监测断面的氨氮入海通量出现枯水期高于丰水期的现象;污染物入海通量与流量变化趋势基本一致,一般流量越大,污染物入海通量越大,但也与污染物质量浓度有关。曹娥江流域内入海污染物主要来源于农村集中生活污水,今后应加强农村污水处理,完善污水管网建设,提高污水收集率,从而减少流域污染物排放,提高水生态环境。