程全國,張志敏,呂旭波,王 艷,雷 坤*

(1.沈陽大學 環(huán)境學院,遼寧 沈陽 110044;2.中國環(huán)境科學研究院 水生態(tài)環(huán)境研究所,北京 100012)

隨著全球沿海城市經(jīng)濟和工業(yè)的快速發(fā)展,近岸海域生態(tài)環(huán)境引起了人們的重視。雖然近年來對近岸海域生態(tài)環(huán)境的治理取得了一定成效,但水體富營養(yǎng)化和生態(tài)功能喪失等問題依然嚴重[1-2]。近岸海域的環(huán)境污染無法得到有效改善,研究顯示海洋污染物總量的85%以上來自于陸源污染物,其中由入海河流排入的超過80%[3-4]。我國自20世紀80年代以來,工業(yè)發(fā)展和城市化進程加速,每年上百億噸的工業(yè)和生活污水攜帶大量的有害物質(zhì)排放入海,造成近岸海域水質(zhì)惡化。計算流域內(nèi)入海污染物通量和分析時空分布特征是研究流域內(nèi)污染物質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化的重要方法,也是近岸海域污染治理的基礎和前提[5-8]。入海污染物通量是指在指定的時間內(nèi)通過某監(jiān)測斷面的污染物總量,不僅受工業(yè)廢水、生活污水等點源污染的影響,而且與非點源污染及河流徑流量等影響因素有關[9]。河流入海污染物通量是近岸海域環(huán)境保護與管理的重要關注因子,估算入海污染物通量是入海污染物總量控制的關鍵。目前國內(nèi)外已有大量污染物入海通量研究[10-14],計算污染物通量大多采用文獻[15]的時段平均濃度與時段水量之積和分時段通量2類估算方法。

杭州灣-浙江近海是我國近海富營養(yǎng)化最嚴重、生態(tài)環(huán)境問題最突出的海域。杭州灣水質(zhì)極差,為劣Ⅳ類海水水質(zhì)標準,主要超標指標為無機氮和活性磷酸鹽,生態(tài)環(huán)境常年處于“不健康”狀態(tài),整體處于重度富營養(yǎng)化狀態(tài)。杭州灣近岸海域入海河流主要有錢塘江和曹娥江2條河流,其水環(huán)境質(zhì)量事關區(qū)域社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展,而曹娥江是錢塘江河口段主要支流,于紹興三江口以下注入杭州灣。自2013年以來,浙江省陸續(xù)實施了“五水共治”、“一打三整治”等政策措施,控制陸源入海污染物排放,全省陸域生態(tài)環(huán)境有了顯著改善,但曹娥江區(qū)域人口密集、經(jīng)濟發(fā)達,受城市規(guī)模和社會發(fā)展影響,流域水環(huán)境污染問題依然不容樂觀。近5年對曹娥江流域的水質(zhì)展開全面分析的研究較少,Ji等[16]以曹娥江的支流長樂江為研究對象,利用氮氧穩(wěn)定同位素技術對長樂江展開氮污染來源分析,結(jié)果表明硝酸鹽氮是長樂江氮污染的主要存在形式,糞便和生活污水是硝酸鹽氮的主要來源。本文基于2016—2021年曹娥江流域的水質(zhì)和水文監(jiān)測數(shù)據(jù),系統(tǒng)分析曹娥江的水質(zhì)時空變化趨勢和水環(huán)境質(zhì)量狀況,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來源,以期為提升曹娥江水環(huán)境質(zhì)量、控制入海污染物總量和改善錢塘江水質(zhì)環(huán)境提供參考。

1 數(shù)據(jù)來源與方法

1.1 研究區(qū)概況

曹娥江位于東經(jīng)120°30′至121°15′,北緯29°08′至30°15′之間,屬錢塘江水系,是錢塘江河口段主要支流,全長193 km,流域面積6 080 km2。發(fā)源于磐安縣尚湖鎮(zhèn)王村的大盤山脈長塢,自南而北流經(jīng)新昌縣、嵊州市、上虞區(qū)、柯橋區(qū),于紹興三江口以下在新三江閘下游經(jīng)曹娥江大閘注入杭州灣。嵊州城關以上為上游,嵊州城關至上虞百官為中游,百官以下為下游。上游段屬山溪性河流,中游的上虞上浦閘以下為感潮河段,受杭州灣潮汐的影響。流域內(nèi)有大量工業(yè)企業(yè)分布,主要污染源為來自新昌、嵊州的工業(yè)廢水以及干支流沿岸鄉(xiāng)鎮(zhèn)的工業(yè)廢水,除工業(yè)廢水排放外,尚有生活污水和農(nóng)田面源污染。

1.2 數(shù)據(jù)來源與方法

選取曹娥江流域4個水質(zhì)監(jiān)測斷面和3個水文站,其中水質(zhì)監(jiān)測斷面分別為曹娥江大閘閘前、湯曹匯合口、屠家埠、長詔水庫出口,水文站分別為上虞東山站、嵊州(三)站和黃澤站,各斷面和水文站的位置見圖1。水質(zhì)監(jiān)測斷面數(shù)據(jù)來源于2016—2021年生態(tài)環(huán)境部在線監(jiān)測數(shù)據(jù),水文站數(shù)據(jù)來源于2016—2019年水文年鑒資料,本文分析的水質(zhì)指標有高錳酸鹽(mg·L-1)、氨氮(mg·L-1)、總氮(mg·L-1)、總磷(mg·L-1)、石油類污染物(mg·L-1)和化學需氧量(COD,mg·L-1)。由于豐水期和枯水期是環(huán)保部門經(jīng)常采用的說法,在南北不同區(qū)域有不同的時間,曹娥江流域位于浙江省紹興市,結(jié)合當?shù)貙嶋H降雨情況,豐水期為6、7月份,枯水期為1月份,以下文中分析直接采用豐水期和枯水期進行分析。

圖1 曹娥江流域監(jiān)測斷面和水文站分布Fig.1 Monitoring section and distribution of hydrographic stations in Cao-E River

2 結(jié)果與分析

2.1 水質(zhì)時空分布特征

在4個監(jiān)測斷面中,從上游到下游依次為長詔水庫出口、屠家埠、湯曹匯合口和曹娥江大閘閘前。圖2是高錳酸鹽質(zhì)量濃度變化,從圖2可以看到,高錳酸鹽年、月質(zhì)量濃度在空間上表現(xiàn)出從上游到下游整體上升的趨勢。2016—2021年,各斷面年均高錳酸鹽質(zhì)量濃度總體較低,其中曹娥江大閘閘前斷面呈下降趨勢,其余3個斷面質(zhì)量濃度總體保持穩(wěn)定,但存在一定年際波動,見圖2(a);月均高錳酸鹽指數(shù)整體呈現(xiàn)出豐水期質(zhì)量濃度高,枯水期質(zhì)量濃度低的現(xiàn)象,見圖2(b),說明面源污染對河流水質(zhì)影響顯著。

圖3為氨氮質(zhì)量濃度變化,從圖3中可知,氨氮的年、月平均質(zhì)量濃度整體表現(xiàn)為屠家埠斷面質(zhì)量濃度最高,長詔水庫出口斷面質(zhì)量濃度最低,湯曹匯合口和曹娥江大閘閘前斷面氨氮質(zhì)量濃度較為接近。2016—2021年,各斷面氨氮質(zhì)量濃度整體呈下降趨勢,見圖3(a)。曹娥江大閘閘前、湯曹匯合口和屠家埠斷面氨氮質(zhì)量濃度整體呈枯水期高,豐水期低的特征;長詔水庫出口斷面主要受水庫出流影響,氨氮質(zhì)量濃度較低且基本保持穩(wěn)定,見圖3(b)。在長詔水庫出口至湯曹匯合口處,河流氨氮質(zhì)量濃度在豐水期受降水、上游和匯入地表水體稀釋作用顯著,說明氨氮主要來源于點源;在湯曹匯合口以下,匯入河流的氨氮發(fā)生硝化作用而轉(zhuǎn)化為硝酸鹽氮,導致氨氮質(zhì)量濃度在曹娥江大閘閘前顯著下降。

圖2 高錳酸鹽質(zhì)量濃度變化Fig.2 Change of permanganate index

圖3 氨氮質(zhì)量濃度變化Fig.3 Change of ammonia nitrogen mass concentration

圖4為總氮質(zhì)量濃度變化,整體來看,總氮的年、月平均質(zhì)量濃度最高的是屠家埠斷面,質(zhì)量濃度最低的是長詔水庫出口斷面。中下游3個斷面的年均總氮質(zhì)量濃度基本一致,且均呈現(xiàn)下降趨勢,見圖4(a);月均總氮質(zhì)量濃度在豐水期和枯水期無明顯變化,見圖4(b)?？紤]到總氮的質(zhì)量濃度相對較穩(wěn)定且不易發(fā)生遷移轉(zhuǎn)化,所以屠家埠站的總氮質(zhì)量濃度基本決定了下游總氮質(zhì)量濃度水平,匯入到該斷面的總氮是下游總氮的主要來源。4個斷面的總氮年均質(zhì)量濃度都很高,造成這種現(xiàn)象是由于流域內(nèi)有大量工業(yè)企業(yè)分布,工業(yè)廢水、生活污水和農(nóng)田面源污染流入水體。月均質(zhì)量濃度變化較穩(wěn)定,但曹娥江大閘閘前斷面總氮質(zhì)量濃度在2020年6月達到最高,為8.16 mg·L-1,見圖4(b),可能是上虞區(qū)蓋北鎮(zhèn)豐棉村、豐富村、新河村等鄉(xiāng)鎮(zhèn)存在大面積區(qū)域葡萄種植,農(nóng)藥使用量、化肥施用量較大,氮隨地表降水進入水體,使其質(zhì)量濃度過高。

圖4 總氮質(zhì)量濃度變化Fig.4 Change of total nitrogen mass concentration

圖5為總磷質(zhì)量濃度變化,從圖5(a)中可以看到,總磷質(zhì)量濃度總體保持在較低水平,屠家埠斷面年均總磷質(zhì)量濃度高于其他斷面,且在2018年后呈現(xiàn)上升趨勢;從圖5(b)可以看到,月均總磷質(zhì)量濃度變化起伏較大,其豐水期和枯水期質(zhì)量濃度無明顯變化,但屠家埠斷面在2021年3月總磷質(zhì)量濃度達到最高,為0.35 mg·L-1。曹娥江大閘閘前和湯曹匯合口處總磷質(zhì)量濃度低于屠家埠斷面,是由于總磷易于吸附于泥沙顆粒而沉降,導致總磷質(zhì)量濃度下游顯著低于中游。

圖6為石油類污染物質(zhì)量濃度變化,從圖6(a)中可以看到,石油類污染物的4個斷面年均質(zhì)量濃度整體呈現(xiàn)下降趨勢,石油類污染物質(zhì)量濃度最高出現(xiàn)在2016年的湯曹匯合口斷面處,為0.04 mg·L-1;從圖6(b)可知,4個斷面月均石油類污染物質(zhì)量濃度差別不大,且豐水期和枯水期質(zhì)量濃度無明顯變化。

圖7為化學需氧量變化,從圖7(a)中可以看到,化學需氧量的年、月平均質(zhì)量濃度整體最高的是位于最下游的曹娥江大閘閘前斷面,質(zhì)量濃度最低的是位于流域上游的長詔水庫出口斷面;從圖7(b)可知,月均化學需氧量呈現(xiàn)出豐水期質(zhì)量濃度高,枯水期質(zhì)量濃度低的現(xiàn)象,說明面源污染對河流水質(zhì)影響顯著。

圖5 總磷質(zhì)量濃度變化Fig.5 Change of total phosphorus mass concentration

圖6 石油類污染物質(zhì)量濃度變化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 污染物入海通量的時間變化趨勢

污染物入海通量采用實測法,即采用河流斷面的實測數(shù)據(jù)估算入海通量,可以真實反映污染物的排放量[17]。監(jiān)測斷面流量數(shù)據(jù)以就近的水文站流量為依據(jù),即湯曹匯合口處的徑流量采用上虞東山站的流量數(shù)據(jù)計算,屠家埠處的徑流量采用嵊州(三)站流量,長詔水庫出口采用黃澤站流量數(shù)據(jù)。基于流量在線監(jiān)測技術原理,根據(jù)3個水文站的集水面積和年徑流量之間的關系,推算曹娥江大閘閘前斷面的年徑流量。

考慮到曹娥江流域水質(zhì)監(jiān)測頻率基本以月為單位的實際情況,各斷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:

圖8 4個監(jiān)測斷面年徑流量變化Fig.8 Annual runoff changes at four monitored sections

式中:W為年污染物入海通量,t·a-1;Wy為月污染物入海通量,t·月-1;ρy為監(jiān)測斷面第y個月的污染物質(zhì)量濃度,mg·L-1;Qy為水文站第y個月的徑流量,億m3·月-1。

2016—2019年長詔水庫出口、屠家埠、湯曹匯合口和曹娥江大閘閘前4個監(jiān)測斷面年徑流變化如圖8所示,從圖8中可以看到,4個監(jiān)測斷面的年徑流量整體呈上升趨勢,且從上游到下游各斷面年徑流量也呈上升趨勢,可能與2019年紹興市發(fā)生“利奇馬”臺風有關,當年降雨量較往年偏多,致使監(jiān)測斷面年徑流量增加。

4個監(jiān)測斷面不同污染物年入海通量如圖9所示。與2016年相比,2019年曹娥江大閘閘前、湯曹匯合口斷面的氨氮污染物入海通量分別下降了15.3%、3.0%,見圖9(b);石油類污染物入海通量分別下降了4.4%、68.4%,見圖9(e);2個斷面其余4種污染物入海通量均有不同程度的增加,見圖9(a)、圖9(c)、圖9(d)、圖9(f);屠家埠斷面除石油類污染物外,剩余5種污染物入海通量都有所增加;長詔水庫出口斷面的高錳酸鹽、氨氮、石油類污染物和化學需氧量入海通量分別下降了18.9%、44.0%、38.1%、34.8%,總氮和總磷的污染物入海通量都有所增加。年污染物入海通量一般與年徑流量呈正比,即年徑流量高的年份污染物入海通量高[21-22]。結(jié)合圖8分析,4個監(jiān)測斷面中曹娥江大閘閘前斷面年徑流量最大,各污染物入海通量最高;長詔水庫出口斷面年徑流量最小,各污染物入海通量最低。整體來看,近4年曹娥江各水文站的年徑流量有所增加,流域的不同污染物入海通量也有所增加,今后應加強曹娥江水環(huán)境管理,從而改善流域水環(huán)境狀況。

圖9 4個監(jiān)測斷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個監(jiān)測斷面的月徑流量變化如圖10所示,從圖中可以看到,各斷面徑流量呈現(xiàn)出上下波動變化,整體呈現(xiàn)出豐水期徑流量大而枯水期徑流量小的特征,這與夏季降雨多、冬季降雨少有關,雨水隨地表滲入到水體中使豐水期的斷面徑流量增大。

圖10 4個監(jiān)測斷面的月徑流量變化Fig.10 Monthly runoff changes at four monitoring sections

4個監(jiān)測斷面不同污染物月入海通量如圖11所示,從圖中可以看到,2016—2019年期間,曹娥江大閘閘前斷面高錳酸鹽、氨氮、總氮、總磷、石油類污染物和化學需氧量月入海通量整體最高,長詔水庫出口斷面月入海通量整體最低。曹娥江大閘閘前、湯曹匯合口、屠家埠和長詔水庫出口4個斷面的高錳酸鹽、總氮、總磷、石油類污染物和化學需氧量的入海通量與月均流量變化趨勢一致,月均流量越大,其污染物入海通量越大,即豐水期流量大,污染物入海通量高,枯水期流量小,污染物入海通量低。具體表現(xiàn)為每年從1月到6、7月的污染物入海通量整體呈上升趨勢,在豐水期達到最高值然后呈下降趨勢,在豐水期期間,這5種污染物入海通量變化起伏波動大,而在非豐水期時,變化不大,趨于穩(wěn)定,見圖11(a)、圖11(c)、圖11(d)、圖11(e)、圖11(f)。

圖11 4個監(jiān)測斷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

氨氮月入海通量大體上與月均徑流量成正比,但氨氮在每年的豐水期月均徑流量最大,而入海通量卻不是豐水期最大,見圖11(b)。水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示,曹娥江大閘閘前和湯曹匯合口斷面在2019年枯水期氨氮質(zhì)量濃度高而豐水期氨氮質(zhì)量濃度低,導致枯水期氨氮入海污染物通量最大?？梢娢廴疚锶牒Ｍ坎粌H與徑流量有關,還和污染物質(zhì)量濃度有關,由于受降水以及水體對外交換,導致豐水期水體中氨氮的質(zhì)量濃度被雨水稀釋,這與上述水質(zhì)分析結(jié)果一致。

整體來看,斷面徑流量越大,污染物入海通量越大,但入海通量也與污染物質(zhì)量濃度有關。污染物月入海通量大體上呈現(xiàn)出豐水期高而枯水期低的現(xiàn)象,4年間僅2019年部分監(jiān)測斷面的氨氮入海通量出現(xiàn)枯水期高于豐水期的現(xiàn)象,可能與2019年降水量大稀釋了水體中氨氮質(zhì)量濃度有關。

2.2.2 污染物入海通量的來源分析

通過對污染源的調(diào)查分析,可以得到其受納水體為曹娥江流域,且排水類型為直接進入江河湖庫的污染源廢水、氨氮、總氮和總磷排放量,結(jié)果如表1所示。從表中可以看到,廢水排放量最少的是規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖廠,氨氮排放量最少的是工業(yè)企業(yè),總氮、總磷排放量最少的是城鎮(zhèn)污水處理廠;廢水、氨氮、總氮、總磷排放量最多的都是農(nóng)村集中生活污水,說明曹娥江流域內(nèi)入海污染物主要來源于農(nóng)村集中生活污水,水體受點源污染影響顯著。由于農(nóng)村生活污水收集率較低,簡單處理后就近排放,導致對曹娥江流域水體污染比較嚴重,今后應加強農(nóng)村污水處理,完善污水管網(wǎng)建設,提高污水收集率,從而減少流域污染物排放,提高水生態(tài)環(huán)境。

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

3 結(jié) 論

1) 曹娥江流域內(nèi)的長詔水庫出口、屠家埠、湯曹匯合口和曹娥江大閘閘前4個監(jiān)測斷面的高錳酸鹽指數(shù)和化學需氧量時間上呈現(xiàn)出豐水期質(zhì)量濃度高而枯水期質(zhì)量濃度低的現(xiàn)象,空間上呈現(xiàn)出從上游到下游整體下降的趨勢,說明面源污染對河流水質(zhì)影響顯著。曹娥江大閘閘前、湯曹匯合口和屠家埠斷面氨氮質(zhì)量濃度呈枯水期高而豐水期低的特點;長詔水庫出口斷面主要受水庫出流影響,氨氮質(zhì)量濃度較低且基本保持穩(wěn)定。氨氮質(zhì)量濃度在豐水期受降水、上游和匯入地表水體稀釋作用顯著,說明氨氮主要來源于點源。2016—2021年期間,曹娥江流域內(nèi)的4個監(jiān)測斷面的水環(huán)境質(zhì)量整體呈好轉(zhuǎn)趨勢?？偟|(zhì)量濃度普遍較高,總磷質(zhì)量濃度總體保持在較低水平,且符合水質(zhì)要求;總氮和總磷在空間上均表現(xiàn)出屠家埠斷面處質(zhì)量濃度最高,長詔水庫出口斷面質(zhì)量濃度最低。4個斷面的石油類污染物年均質(zhì)量濃度整體呈現(xiàn)下降趨勢,月均質(zhì)量濃度差別不大,豐水期和枯水期質(zhì)量濃度無明顯變化。

2) 曹娥江流域內(nèi)4個監(jiān)測斷面的高錳酸鹽、氨氮、總氮、總磷、石油類污染物和化學需氧量年入海通量在2016—2018年呈下降趨勢,在2018—2019年呈上升趨勢;月均污染物入海通量大體上呈現(xiàn)豐水期高枯水期低的現(xiàn)象,4年期間僅2019年部分監(jiān)測斷面的氨氮入海通量出現(xiàn)枯水期高于豐水期的現(xiàn)象;污染物入海通量與流量變化趨勢基本一致,一般流量越大,污染物入海通量越大,但也與污染物質(zhì)量濃度有關。曹娥江流域內(nèi)入海污染物主要來源于農(nóng)村集中生活污水,今后應加強農(nóng)村污水處理,完善污水管網(wǎng)建設,提高污水收集率,從而減少流域污染物排放,提高水生態(tài)環(huán)境。