基于總磷通量的清水江流域內(nèi)源污染研究

(1.貴州民族大學(xué) 生態(tài)環(huán)境工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025 2. 中國電建集團貴陽勘測設(shè)計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081)

清水江水體總磷超標問題長期以來一直是國家水體污染治理的重點。自2000年以來，清水江流域?qū)掖伟l(fā)生污染事故，水葫蘆頻頻爆發(fā)，導(dǎo)致清水江流域境內(nèi)部分河流的自然生態(tài)系統(tǒng)功能已經(jīng)基本喪失，耗氧污染物超標嚴重，溶解氧低，嚴重影響水體功能和出境斷面的水質(zhì)。其主要原因為清水江沿江兩岸磷開采、磷加工、化肥工業(yè)排放的工業(yè)廢水。隨著清水江流域沿岸工業(yè)企業(yè)加大對污水凈化設(shè)備的投入，以及社會各界對環(huán)境的重視，流域內(nèi)磷排放已逐漸減少，但前期蓄積在底泥中的磷，作為內(nèi)源，在一定水動力條件下會重新進入上覆水體，形成二次污染，如三板溪水庫的富營養(yǎng)化。對磷污染源的認識和了解是磷污染控制的前提，所以對內(nèi)源污染和污染物通量進行研究具有重要意義。

近年來學(xué)者們展開了大量污染物通量的研究[1-3]，部分學(xué)者側(cè)重于污染物監(jiān)測方面的研究，如孫展鴻[4]采用聲學(xué)多普勒流速儀(ADCP)對河流的COD通量及NH3-N通量進行了測量。也有學(xué)者關(guān)注到污染物通量的時空演變的研究，如鐘海濤[5]基于蘇浙滬跨界斷面2009～2014年監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析了污染物通量的時空演變。部分學(xué)者則側(cè)重于污染物通量數(shù)值模型的構(gòu)建，如高廣銀[6]通過三維水動力水質(zhì)耦合模型計算了污染物入海通量。污染物外源輸入的研究多集中在方法分析和數(shù)值模擬方面，如胡嘉鏜[7-8]對珠江三角洲的污染物通量和外源輸入進行了模擬分析；陳潮[9]對比了入江污染物計算方法的使用情況。

21世紀初，學(xué)者們對清水江流域磷污染調(diào)查研究不斷深入，如黃娟[10]基于對數(shù)型冪函數(shù)普適指數(shù)公式和模糊綜合評價法，對清水江富營養(yǎng)化風(fēng)險進行了評價；劉以禮[11]等對清水江上下游水質(zhì)、主要污染物進行了分析；宋麗婧[12]采用Daniel趨勢檢驗法測試了2006～2010年TP、氟化物指標濃度變化；馬謙[13]等對清水江流域的工業(yè)污染源福泉地區(qū)磷化工企業(yè)進行了調(diào)研分析，并提出污染防治對策。綜上所述，清水江水體富營養(yǎng)化研究方面的研究多集中在污染治理、水質(zhì)分析，以及風(fēng)險評價方面，而清水江污染物通量、污染物入河量，以及清水江內(nèi)源釋放的文章并不多見。因此，本文通過污染物年通量計算、污染物外源輸入計算等方法，計算了清水江總磷的內(nèi)源釋放及沉降量，為水環(huán)境保護管理和決策提供依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

清水江流域地處貴州省的東南部，屬亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候區(qū)，流域內(nèi)降水量比較豐富，多年平均降雨量為1 050～1 500 mm，中上游雨量偏多，下游雨量較少。清水江徑流主要由降雨形成，徑流特性與降雨特性一致，4～8月份為汛期，其水量占全年水量的68.1%，其中5～7月份占49.2%，平枯水期(9月至次年3月)徑流量僅占全年的31.9%。

清水江系長江水系洞庭湖四大支流沅水的主源，流域地勢西南高而東北低，海拔高程在200.00～1 800.00 m之間，水能資源豐富，清水江貴州境內(nèi)有3座水電站，自上游至下游分別是三板溪水電站、掛治水電站以及白市水電站。選取清水江流域具有代表性的5個干流監(jiān)測斷面和3個支流監(jiān)測斷面進行總磷年通量計算，干流流域監(jiān)測斷面為興仁橋、旁海、革東、錦屏、白市；支流流域監(jiān)測斷面為重安江大橋、黎平、天柱白市，其中，興仁橋監(jiān)測斷面位于清水江上游流域，靠近清水江發(fā)源地，都勻市的出境斷面；重安江大橋監(jiān)測斷面位于重安江匯入清水江口上游約14 km處，其污染來源主要為福泉市工業(yè)園區(qū)；旁海監(jiān)測斷面位于旁海航電樞紐附近；革東監(jiān)測斷面位于巴拉河匯口下游約13 km 處；錦屏監(jiān)測斷面位于錦屏縣六洞河與清水江干流的交匯處；黎平監(jiān)測斷面位于亮河上游；天柱白市斷面位于鑒江河的上游；白市監(jiān)測斷面位于清水江出貴州省界附近。監(jiān)測點分布情況如圖1所示。

圖1 監(jiān)測點和水電站分布Fig.1 Monitoring stations and hydropower stations

1.2 清水江內(nèi)源總磷通量影響因素

1.2.1工業(yè)因素

在旁海斷面之前，清水江匯入了其左岸最大的支流重安江，重安江上游的福泉市有目前亞洲最大的磷礦肥基地，長期堆放的磷石膏渣場及眾多的磷化工企業(yè)，導(dǎo)致了重安江和清水江的磷污染。

1.2.2水電工程

清水江流域已有三板溪水電站、掛治水電站和白市水電站3座水電站，重安江水電開發(fā)形成的梯級水庫攔截了大量的磷，水庫內(nèi)源的釋放可能是上下游通量不平衡的重要原因之一。水電工程的影響主要表現(xiàn)為改變區(qū)域水文特征和棲息地環(huán)境。

1.3 計算方法

1.3.1總磷年通量估算方法

時段通量的估算方法大致分為6種[14-18]，包括分時段通量、時段平均濃度與時段水量之積、通量頻率分布之和、對流擴散模式、時段負荷估算方法，以及月累積法。表1所列為常用的3種時段通量估算方法。

表1 總磷時段通量計算公式Tab.1 Flux formula for slot total phosphorus period

注：式中，W表示年通量；n代表估算時間段內(nèi)的樣品數(shù)量(月份數(shù))；K為估算時間段轉(zhuǎn)換系數(shù)(以下討論取時段長度),k為月份數(shù)。

上述方法中，方法C過于片面，無法體現(xiàn)清水江的徑流特性，方法B強調(diào)點源污染占優(yōu)的情況，由于清水江徑流特性與降雨特性一致，汛期集中在4～8月，占全年水量的68.1%，不能忽視徑流量的作用，而且企業(yè)污水直接排放問題也已得到解決，因此不屬于點源占優(yōu)的情況，故本文選用方法A。

1.3.2總磷外源入河量

基于楊迪虎[19]、邢寶秀[20]、程紅光[21]、喬飛[22]、黃曉敏[23]、周少林[24-25]等關(guān)于入河系數(shù)的取值研究，由于清水江徑流主要由于降水形成，因此降水對總磷入河量影響較大，故選用喬飛的考慮降水徑流條件的入河核算系數(shù)法對總磷入河量進行估算，見表2。

1.3.3總磷內(nèi)源沉降量

其他因子忽略不計的情況下，根據(jù)各監(jiān)測斷面的總磷年通量數(shù)據(jù)，以及相鄰兩個監(jiān)測斷面之間劃分單元所屬的行政區(qū)域總磷實際入河量，計算得出該單元的內(nèi)源沉降(或釋放)量。

表2 總磷入河量核算系數(shù)Tab.2 Calculation coefficient of total phosphorus into river

W總=W外源+W內(nèi)源

(1)

式中，W總?cè)「鞅O(jiān)測斷面總磷年通量;W外源為清水江沿線鄉(xiāng)鎮(zhèn)排污造成的外源入河量(包括點源入河量和面源入河量)；W內(nèi)源為內(nèi)源釋放(沉降)量。

2 結(jié)果與分析

根據(jù)清水江相鄰兩斷面間的江段及江段兩側(cè)集水區(qū)域劃分的單元(見圖2)計算總磷外源入河量(見表3～4)，并基于監(jiān)測斷面的總磷年通量，得到清水江流域總磷內(nèi)源釋放及沉降量(見表5)。

2.1 清水江總磷濃度空間分布

圖3為2013～2016年清水江流域8個監(jiān)測斷面

圖2 單元區(qū)劃Fig.2 Unit partition

單元名稱控制斷面所屬行政區(qū)面積/km2U1清水江起點-興仁橋都勻市974U2興仁橋-旁海都勻市、凱里市、麻江縣、丹寨縣3096U3旁海-革東劍河縣、臺江縣、凱里市1691U4革東-錦屏錦屏縣、劍河縣2451U5錦屏-黎平黎平縣、錦屏縣2414U6黎平-天柱白市天柱縣、錦屏縣1419U7天柱白市-白市天柱縣1100

表4 清水江流域總磷外源入河量Tab.4 Amount of total phosphorus into river

注：表中所列出的總磷入河量為該市(縣)的全部總磷入河量，并非全部流入清水江。

表5 總磷內(nèi)源釋放及沉降量Tab.5 Total phosphorus release and precipitation in water t/a

注：1.由于福泉市工業(yè)園區(qū)是清水江流域的主要污染源之一，重安江大橋監(jiān)測斷面位于重安江匯入清水江干流上游約14 km的重安江上，其污染來源主要為福泉市工業(yè)園區(qū)，故將重安江大橋監(jiān)測斷面的總磷年通量設(shè)為一個污染源排放點，因此U2單元的外源入河量=重安江大橋監(jiān)測斷面總磷年通量+1/10都勻市外源入河量+6/7凱里市的外源入河量+1/3丹寨縣外源入河量，以及麻江縣的全部外源入河量。2.總磷內(nèi)源釋放/沉降量為正表示為內(nèi)源釋放量，總磷內(nèi)源釋放/沉降量為負表示為外源排放量。

總磷濃度，可見，興仁橋斷面所代表的清水江上游總磷濃度較低，均能滿足水功能區(qū)劃對總磷的要求，年際間變化不大，但隨著重安江支流高磷水體的匯入，旁海、革東斷面總磷超標嚴重，至中游的錦屏斷面總磷超標情況有所好轉(zhuǎn)。

圖3 總磷濃度Fig.3 Total phosphorus concentration

2.2 清水江總磷通量

圖4為2013～2016年各監(jiān)測斷面的總磷通量。干流興仁橋斷面、支流亮江黎平斷面、支流鑒江天柱白市斷面總磷通量年際差別較小，而支流重安江大橋斷面、干流旁海斷面、革東斷面、錦屏斷面年際差別較大，且總體上呈下降趨勢，白市斷面有上升趨勢。

圖4 總磷年通量Fig.4 Annual total phosphorus flux

2.3 清水江總磷內(nèi)源釋放與外源入河分析

圖5～8為2013～2016年外源入河量和內(nèi)源釋放量占比?？梢?，2013～2015年，革東、錦屏、天柱白市、白市斷面所代表水域以內(nèi)源釋放為主，而興仁橋、旁海、黎平斷面所代表水域以外源排放為主， 2016年革東、白市斷面所代表水域以內(nèi)源釋放為主，而旁海、錦屏、黎平、天柱白市斷面所代表水域以外源排放為主。

圖5 2013年外源入河量與內(nèi)源釋放量占比Fig.5 Ratio of exogenous pollution and endogeous pollution in 2013

圖6 2014年外源入河量與內(nèi)源釋放量占比Fig.6 Ratio of exogenous pollution and endogeous pollution in 2014

圖7 2015年外源入河量與內(nèi)源釋放量占比Fig.7 Ratio of exogenous pollution and endogeous pollution in 2015

2.3.1清水江總磷外源入河量時空特征

圖9為各斷面總磷外源入河量，可見，旁海斷面所代表水域總磷外源入河量最大，且沿下游方向呈減少趨勢，2013～2016年，革東斷面以下水域總磷外源入河量呈遞增趨勢，原因可能是清水江流域各地區(qū)總磷排放逐年上升，或者是污染普查覆蓋面逐年擴大所導(dǎo)致的。

圖8 2016年外源入河量與內(nèi)源釋放量占比Fig.8 Ratio of exogenous pollution and endogeous pollution in 2016

圖9 總磷外源入河量Fig.9 Amount of total phosphorus into the river

2.3.2清水江總磷內(nèi)源釋放時空特征

圖10為各斷面總磷內(nèi)源釋放(沉降)量?？梢?，清水江流域內(nèi)源釋放主要集中革東至錦屏斷面所代表的中游江段，以及下游的天柱白市斷面與白市斷面所代表的水域。

圖10 總磷內(nèi)源釋放(沉降)量Fig.10 Total phosphorus release (deposition) in water

3 結(jié) 論

(1) 清水江上游興仁橋附近水域總磷濃度較低而且穩(wěn)定；中游旁海至錦屏江段總磷偏高，是由于支流重安江高磷水體的匯入。重安江磷污染主要原因由于福泉市境內(nèi)磷化工企業(yè)所致。

(2) 清水江流域總磷內(nèi)源釋放量較為突出的水域為中游的革東至錦屏江段，其次為白市江段；外源入河量最大的區(qū)域為支流重安江。從中游的革東斷面沿下游方向總磷外源入河量呈遞減趨勢，但2013～2016年期間，該區(qū)間外源入河量有所增加。