滦河流域TN浓度时空变化特征与影响因素分析

张恩广，王 艳，杨 坤,3，彭嘉玉，吕旭波，雷 坤*，程全国

1. 沈阳大学环境学院，辽宁 沈阳 110044

2. 中国环境科学研究院流域水环境污染综合治理研究中心，北京 100012

3. 中国海洋大学环境科学与工程学院, 山东 青岛 266100

氮是自然界中普遍存在的元素[1-2]，其循环涉及硝化、反硝化、氨化作用、生物固氮等诸多过程，水体中的氮通常以硝酸盐氮、氨氮、亚硝酸盐氮等无机氮以及蛋白质、氨基酸和有机胺等有机氮等多种形态存在[3]. 水体中氮素的水平受众多因素影响[4-7]，包括地质构造、地形地貌、土壤质地、气候气象、社会经济和水库的调蓄等[8-11]. 在自然变化与人类活动的影响下[12-17]，水体中的氮循环过程和氮平衡会发生改变，导致过量的氮素输入到地表或进入地下水，引发富营养化、藻华和饮用水安全等问题[18-20].

滦河是海河流域的重要水系之一. 研究表明，滦河流域内水资源时空分布不均，年内与年际变化均较大[21]；河流水化学特征表现为TN浓度偏高且时空变化显著[22]；地下水污染特征表现为硝酸盐氮浓度水平较高[23-24]. 2022年2月生态环境部等七部门联合印发了《重点海域综合治理攻坚战行动方案》，提出要因地制宜加强TN控制，实施入海河流TN削减. 为进一步探究滦河流域氮的变化特征及其影响因素，本文分析了2018-2022年TN浓度时空变化特征，探讨了地形地貌、地下水埋深、降雨量、径流量等因素对滦河TN浓度的影响，以期为滦河流域TN污染治理与管控提供参考.

1 研究区域与研究方法

1.1 研究区域

滦河流域位于115°30'E～119°45'E、39°10'N～42°40'N之间，该区域年均气温12 ℃，属暖温带湿润-半湿润气候. 滦河发源于河北省承德市的丰宁县西北巴彦图古尔山麓，流经坝上草原，穿过燕山山脉，全长1 200 km，流域面积45 000 km2. 滦河中游建设有潘家口水库和大黑汀水库，其中潘家口水库位于河北省唐山市与承德市地区的交界处，坝址以上控制面积占全流域面积的75%，多年平均径流量为24.5×108m3，占全流域多年平均径流量的53%. 该水库下游约30 km有大黑汀水库，该水库为调节水库，与潘家口联合调度运行，发挥防洪、供水、灌溉和发电作用. 滦河流域的流域面积大于1 000 km2的河流总共有9条，分别为青龙河、瀑河、老牛河、澈河、柳河、武烈河、兴洲河、小滦河和伊逊河(见)，最终汇入渤海. 滦河流域内的大中型城市有河北省石家庄市、承德市、唐山市和秦皇岛市. 滦河流域的平水期为3-5月和10-11月，丰水期为6-9月，枯水期为12月-翌年2月.

1.2 数据来源

水质数据为滦河流域2018-2022年逐月监测结果；降雨量数据来自中国气象数据网站(http://data.cma.cn/data/detail/dataCode/A.0012.0001.html)；地下水埋深数据来自《河北省地下水位监测情况通报》. 流域范围内共布设18个水质监测点位和3个降雨量监测点位(见图1)，其中降雨量监测点位分别位于滦河流域源头、中上游、下游3个区域.

图1 滦河流域监测点位分布Fig.1 Distribution of monitoring points in Luan River Basin

1.3 研究方法

聚类分析：根据不同断面点位的相似性与关联性进行系统聚类分析，并利用Origin 2021软件制图.

相关性分析：使用SPSS 22软件处理降雨量数据并进行非线性拟合，对TN浓度与地下水埋深数据进行Pearson相关性分析，并利用Origin 2021软件将结果进行可视化处理. 数据处理过程中，剔除了因河道干涸带来的异常值.

2 TN浓度时空变化特征

2.1 TN浓度空间分布特征

由2018-2022年滦河流域TN浓度平均值的空间分布(见图2)可知，滦河干流TN浓度总体上呈现上游低、中游高、下游低的分布特征. 各子流域中，潘家口-大黑汀水库下游的青龙河、潮河TN浓度偏低，伊逊河、武烈河、瀑河与柳河流域中TN浓度显著高于其他河流，其中瀑河TN浓度最高，平均值高于8.00 mg/L；位于上游的闪电河流域TN浓度常年较低.

图2 2018—2022年滦河流域TN浓度的空间分布Fig.2 Spatial distribution of TN concentrations in the Luan River Basin from 2018 to 2022

通过收集研究区域地形地貌、水质、土地利用类型等数据，对滦河流域TN浓度进行聚类分析，且依据聚类分析结果，将滦河流域TN浓度划分为低值区、中值区和高值区(见图3). 低值区位于滦河流域源头区，该区域地处蒙古高原，居民村落零散分布，种植业密度较低，S1、S2断面TN浓度保持在2 mg/L左右，常年处于较低水平.

图3 2018—2022年滦河流域TN浓度的聚类分析结果Fig.3 Cluster analysis of TN concentrations in the Luan River Basin from 2018 to 2022

高值区位于滦河流域中上游，该区的S5～S10断面是TN浓度较高的断面，平均值为5.85 mg/L，其中，S10断面为全流域TN浓度最高的断面，多年稳定在8.50 mg/L左右. 研究表明，导致滦河中上游干流及各支流TN浓度偏高的原因有两方面：①滦河中游干流流经承德市城区；支流伊逊河流经隆化县、滦平县，在承德市区汇入滦河；支流武烈河流经承德县，在承德市城区汇入滦河. 该区域人口众多，畜禽养殖业与农业规模均较大，2018年以来总人口达到380×104人，畜禽总存栏数超过3 000×104只，出栏数超过9 000×104只，种植面积达到3 743 km2，根据折纯量计算的化肥施用量高达10.43×104t. 因此，流域范围内居民生活污水排放、畜禽养殖污染以及化肥的施用和流失导致河流中TN浓度较高[25]. ②伊逊河和武烈河流域地处内蒙古高原向华北平原过渡带，区域地形多样，山脉纵横，导致伊逊河和武烈河水土流失严重，伊逊河与武烈河流域的年产沙量分别为2.10～4.43和0.97～2.05 t/hm2，土壤经降水的冲刷随产汇流进入河道，造成河流中氮浓度升高[26].

中值区位于滦河流域下游，分布于该区的S15、S17、S18断面TN浓度平均值为3.77 mg/L，其中，入海断面(S18)多年稳定在2.82 mg/L左右，2021年和2022年有所上升，最高达到6.34 mg/L. 该区处于潘家口和大黑汀水库下游，因此潘大水库泄水对TN浓度影响显著，且水库的调节、净化作用降低了出库水体TN浓度，使得下游河段TN浓度显著低于中游[27]. 然而，潘大水库早年的网箱养殖造成了库底沉积物污染，近年来库底内源污染加速释放，加之下游城镇密集、人口集聚，因此下游区TN浓度虽相比于中上游较低，却仍处于较高水平[28].

2.2 TN和NH4+-N浓度时间分布特征

由图4可见，滦河流域源头区、中上游区和下游区的TN浓度均表现为枯水期＞平水期＞丰水期，呈U型分布特征，即年初平水期TN浓度逐渐降低，丰水期达到全年最低值，之后TN浓度逐渐上升，年末枯水期达到TN浓度最高值，平水期TN浓度介于丰水期和枯水期之间. 源头区丰水期、平水期、枯水期TN浓度分别为3.27、1.76、1.48 mg/L，平水期、丰水期TN浓度维持在2.00 mg/L以内；中上游区TN浓度最高，丰水期、平水期、枯水期分别为7.76、5.49、4.06 mg/L；下游区TN浓度略低于中上游区，丰水期、平水期、枯水期分别为3.93、3.30、2.83 mg/L. 滦河流域中上游区、下游区的NH4+-N浓度均表现为枯水期＞平水期＞丰水期，源头区波动较小，全年稳定在0.1 mg/L左右. 丰水期径流量的增大对TN和NH4+-N浓度有一定稀释作用[29]，降低了水体中TN、NH4+-N浓度；枯水期河流径流量小、温度低、水体的降解速率与自净能力弱，水生生物的死亡会进一步分解释放氮，使枯水期TN浓度达到最高值[30].

图4 滦河流域不同水期TN、NH4+-N浓度的变化特征Fig.4 Characteristics of TN and NH4+-N concentrations in different water periods in the Luan River Basin

3 TN浓度影响因素分析

3.1 降雨量

选取位于滦河流域源头区、中上游区、下游区监测点位(S2、S7、S18)临近的气象站点(R1、R2、R3)，分析TN浓度与降雨量的相关关系(见图5). 结果表明，总体上滦河流域TN浓度与降雨量具有较好的负相关关系(P＜0.01)，相关系数绝对值(|R|)均大于0.5，中上游区|R|达到了0.96，体现出滦河流域TN浓度随着降雨量的增大而减小的变化特点，说明降雨产生径流时，对河道TN浓度的稀释作用较为明显.

图5 滦河流域源头区、中上游区、下游区降雨量与TN浓度的响应关系Fig.5 Response relationship between rainfall and TN concentration in the source, upstream and downstream area of the Luan River Basin

然而在极端降雨条件下，降雨量与TN浓度的关系呈现不同特征(见图6). 2018-2022年期间，滦河流域出现多次极端降雨过程，其中，2018年7-8月，滦河流域源头区、中上游区与下游区月降雨量均达到300 mm；2021年7月滦河流域下游区降雨量达到300 mm，源头区与中上游区降雨量均突破350 mm，相比于7月多年平均降雨量的增幅达到50%. 由图6可知，受强降雨影响，滦河流域源头区在2018年7月、2021年7月出现TN浓度显著升高的现象，中上游区和下游区在2018年8月和2021年7月出现TN浓度显著抬升的现象. 对应于相应的月降雨量可以发现，当月降雨量小于250 mm时，TN浓度随降雨量增大而降低；当月降雨量大于250 mm时，TN浓度呈现随降雨量的增大而显著升高. 2021年7月，极端降雨情况下，滦河流域源头区、中上游区和下游区TN浓度平均值分别为3.31、6.50、4.83 mg/L，而2020年7月，正常降雨情况下，滦河流域源头区、中上游区和下游区TN浓度平均值分别为0.95、3.97、2.26 mg/L. 因此，极端降雨事件的发生，会导致TN浓度出现明显波动，显著高于正常降雨情形.

图6 滦河流域源头区、中上游区、下游区TN浓度和降雨量随时间的变化Fig.6 Variations of TN concentration and precipitation over time in the source, upstream and downstream area of the Luan River Basin

综上所述，降雨对TN浓度的影响不仅存在稀释作用，还存在冲刷作用[31-33]. 在极端降雨条件下，会造成土壤中氮素的冲刷[34]，陆面上的氮随地表径流进入河道，并向下游水体输送，导致河道内氮素负荷增加，造成TN浓度的升高[35]. 此外，极端降雨事件后的一段时间内，土壤中含水量增大，氮素会进一步浸泡溶出，进而持续影响河流TN浓度[36].

3.2 水库调蓄

进一步分析位于潘大水库下游的河流TN浓度可以发现，不同于源头区和中上游区，2021年8月-2022年7月，TN浓度平均值为5.28 mg/L，较2020年8月-2021年7月(平均值为2.99 mg/L)整体抬升了2.29 mg/L. 考虑到降雨和水库调蓄均会对水库下游河道TN浓度产生影响，对潘大水库的上游和下游的径流量变化(见图7)进行分析. 结果显示，潘大水库上游河道径流的变化与降雨量的变化趋势基本保持一致，说明水库上游降雨带来的径流变化对河流TN浓度的影响较大，而在水库下游受水库调蓄影响，2021年6-10月与2022年6月，下游河道径流量比相同时段上游河道径流有显著升高. 因水库在大量流泻的过程中，蓄积在底层沉积物中的氮素会在水流冲刷作用下释放出来，从而显著增大泄水的TN浓度[37]. 据《河北省水资源公报》与引滦工程管理局的统计结果显示，潘大水库多年年均来水量为24.5×108m3，而2021年潘大水库来水量达到了41.36×108m3，泄水量累计达25.01×108m3，与往年出库水量相比显著升高，可见位于水库下游的河道，TN浓度变化还受水库调蓄过程的影响.

图7 潘大水库上下游的TN浓度、径流量和降雨量随时间的变化特征Fig.7 Temporal variation characteristics of TN concentration, runoff and rainfall in the upper and lower reaches of the Panjiakou-Daheiting Reservoir

3.3 地下水埋深

选取滦河流域高原、丘陵和平原3种不同地貌类型对应的监测点位S2、S16、S18，探究地下水埋深与TN浓度间的相关关系，Pearson相关性分析结果(见图8)显示，位于丘陵地带的S16断面TN浓度随地下水埋深的减少而增加，位于下游平原地带的S18断面TN浓度与地下水埋深相关性不显著(P＞0.1)，而位于内蒙古高原的S2断面TN浓度几乎不受地下水的影响. 这是因为高原和平原地区地形平坦、地势差较小，且地下水埋深较大. 其中高原地区地下水埋深基本上为10 m，平原地区在8～13 m之间，导致地下水常年无法补给到地表水，地表水与地下水之间难以发生交互作用[38-39]. 而在滦河流域丘陵地区，研究表明地表水与浅层地下水间存在密切的水力联系，由地形控制地下水与地表水由高地势向低地势流动，且在水体迁移转化的过程中存在不同程度的交互作用[40]，存在丰水期地表水补给地下水、枯水期地下水补给地表水的现象.

图8 滦河流域不同地貌类型地下水埋深与TN浓度的响应关系Fig.8 Response relationship between groundwater depth and TN concentration in different landform types in the Luan River Basin

进一步探究丘陵地区地下水补给地表水过程中氮的迁移转化规律，选取S16断面分析NO3--N和NH4+-N浓度对地下水埋深的相关关系(见图9). NO3--N浓度与地下水埋深的|R|值为0.75(P＜0.01)，相关性显著，而NH4+-N与地下水埋深的|R|值仅为0.41. 究其原因是包气带中NH4+-N含量极少，在地下水与地表水的交互作用中，包气带中的氮素主要以NO3--N的形式进入地下水中且随之迁移转化，并在与地表水的交互作用中进入地表水体[41-44]. 有学者对滦河流域地下水水质变化特征进行研究[45]，结果表明，丰水期地表水对地下水的补给会造成地下水的污染，但地表水向地下水的运移存在滞后性，这一滞后性使地下水在枯水期NO3--N浓度达到最大值，并在枯水期地下水补给地表水的过程中影响河流NO3--N的浓度，进而造成TN浓度的升高. 因此在滦河流域中上游区丘陵地区，枯水期地下水可能侧向补给地表水进而造成TN浓度的升高. 综上所述，滦河流域丘陵地带复杂的地表水-地下水交互作用是影响河流TN浓度变化的原因之一. 当然，地表水与地下水的交互过程复杂且影响因素诸多，仅通过地下水埋深的变化难以完全揭示二者之间的关系，需要结合地下水水质变化进行深入分析.

图9 滦河流域丘陵地区地下水埋深与NO3—-N和NH4+-N浓度的响应关系Fig.9 Response relationship between groundwater depth and NO3--N and NH4+-N concentrations in the hilly area of the Luan River Basin

4 结论

a) 滦河流域TN空间分布异质性强，源头区常年稳定在2 mg/L左右的低浓度值；中上游区TN浓度最高，平均值为5.85 m/L，部分断面超过了10 mg/L；下游区受到潘大水库调节，TN浓度较中上游区有所下降，维持在5 mg/L左右.

b) 降雨量对TN浓度影响显著，当月降雨量小于250 mm时，降雨量的增加对河流TN浓度有一定的稀释作用，TN浓度随降雨量的增加而减少；当月降雨量大于250 mm时，极端降雨冲刷作用导致地表与土壤中积蓄的氮进入水体，使得TN浓度显著升高，并持续影响后续月份的TN浓度.

c) 潘大水库的调蓄作用对TN浓度的影响显著，水库短期内的大量泄水会极大地增加河道径流，从而使水库底层沉积物中积蓄的氮素，在水流的冲刷作用下释放，极大地增加泄水TN的浓度，造成水库下游地区TN浓度的升高.

d) 地下水埋深对滦河流域TN浓度的贡献，受局地地势地貌影响较大. 滦河流域下游平原地区与源头高原地区的地势起伏小且地下水位较深，地下水常年无法补给到地表水；中上游的丘陵地区地势起伏大且地下水埋深较浅，存在地下水与地表水的交互作用，表现为枯水期地下水补给地表水，地表水NO3--N浓度升高，进而影响了河流TN浓度.