雷州半岛地表水体非点源污染物时空变化特征研究

生态环境 2005, 14(6): 830-834 Ecology and Environment E-mail: 基金项目： 联合国环境规划署 (UNEP)/全球环境基金 (GEF)项目“ 扭转南中国 海及泰国湾环境退化趋势” ；广东省重大科研项目（ 9811022） 作者简介： 许炼烽 （ 1963）， 男，高级工程师，研究方向为生 态环境保护和生态经济。 E-mail: 收稿日期： 2005-10-18 雷州半岛地表水体非点源污染物时空变化特征研究 许炼烽 1，林 尹 2，仓恒瑾 1，杨惠宁 2，徐 斌 2 1. 国家环境保护总局华南环境科学研究所，广东 广州 510655； 2. 湛江市环境监测站，广东 湛江 524022 摘要： 以雷州半岛为研究区，利用 2000 2003 年间南渡河与九洲江，以及赤坎水库与鹤地水库的 4 年常规监测数据，结合实地调查，利用数理统计分析，对雷州半岛地表水体非点源污染物及其时空变化规律进行了初步研究。研究发现，河流与水库的水质均是以氮污染为主，水体有富营养化现象发生，同时，两河流在雨季都 不同程度受到了非点源污染的影响，而只有赤坎水库明显受到了非点源污染的影响。究其原因，主要是由于土地利用方式的不同在一定程度上决定了雷州半岛地表水体非点源污染物质量浓度的时空变化特征。因此，只有合理调整流域和库区的土地利用方式、加强区域的水土流失治理工作，才能有效降低非点源污染所带来的地表水体环境污染问题。 关键词： 雷州半岛；地表水体；非点源污染；土地利用 中图分类号： X522 文献标识码： A 文章编号： 1672-2175（ 2005） 06-0830-05河流水质污染及湖泊富营养化 是水环境质量下降的重要原因之一，也是水资源匮乏的重要原因之一，影响到生态安全和社会的可持续发展水平 1-7。土地利用对水质影响的主要途径是非点源污染，通过水质监测，分析水质时空变化规律，找出重点污染源区，是研究土地利用类型对非点源污染影响的基础 8-10。本研究利用 2000 2003 年 4 年的水质监测资料，分析雷州半岛主要地表水体监测指标在不同年际、不同季节的动态变化特点，以及在空间上的分布特征等，并结合面上的调研，以期揭示土地利用与地表水体非点源污染物质量浓度之间的关系，为区域的非点源污染防治与相应的环 境管理提供借鉴。 1 研究区域与方法 主要研究雷州半岛具有代表性的河流：南渡河与九洲江。其中，在南渡河上设置一个监测点位（南渡河桥，东经 1100337，北纬 215232），在九洲江上设置两个监测点位（石角和排里，东经1101903、北纬 215334和东经 1100352、北纬 213015）。针对农业利用引发非点源污染的特点，我们仅分析比较不同监测点位不同年份间硝态氮、亚硝态氮、悬浮物、 BOD5、 溶解氧和高锰酸盐指数年度平均值，以及在枯水期、丰水期和平水期的平均值，以此研究河流非点源污染物质量浓度的时空变化特征。 研究水库为赤坎水库和鹤地水库。其中，赤坎水库位于湛江市赤坎区，鹤地水库位于九州江中游的廉江市东北部，监测点位分别是塘口和渠首。由于二者的功能定位不完全一致，所以在监测指标上也不完全一样，因此分别分析比较它们不同年份非点源污染物质量浓度的差异，从而研究水库非点源污染物质量浓度的时空变化特征。 2 测定项目与分析方法 地表水体常规监测按照广东省地面水水质监测省控断面监测方案进行，具体时间 安排是：江河水体全年于枯水期（ 3 月）、丰水期（ 7 月）、平水期（ 10 月）采样 3 次，水库水体全年采样 2 次，分别是 3 月和 9 月上旬，共获得两条河流 3 个监测点位 4 年内共 12 次水质监测数据，以及两座水库 2个监测点位 4 年内共 8 次水质监测数据。 项目分析方法均按国标进行，具体分析方法是：硝态氮采用紫外分光光度法、亚硝态氮用 N-（ 1-萘基） -乙二胺光度法、氨氮用纳氏试剂比色法、总氮用过硫酸钾消解 -紫外分光光度法、总磷用钼酸铵分光光度法、悬浮物用质量法、 CODcr 用重铬酸盐法、 BOD5 用稀释与接种法、高锰酸盐指数用酸性高锰酸盐 法、溶解氧采用电化学探头法。 3 结果与讨论 3.1 河流非点源污染物质量浓度的年际变化特征 2000 2003 年南渡河水质情况年际变化如表 1所示，硝态氮质量浓度呈逐年增加趋势，悬浮物、BOD5、高锰酸盐指数质量浓度则是逐年下降趋势，表 1 南渡河水质情况年际变化 Table 1 Annual variation of water quality of Nandu River mgL-1 年份 (硝态氮 ) (亚硝态 氮 ) (悬浮物 ) (BOD5) (溶解氧 ) (高锰酸盐指 数 ) 2000 0.550 0.056 33.8 2.40 6.44 4.20 2001 0.570 0.036 28.1 2.00 7.39 3.84 2002 0.870 0.046 26.4 1.80 6.62 3.40 2003 1.80 6.80 3.10 “ ”表示缺少本年度常规监测数据，以下同 许炼烽等：雷州半岛地表水体非点源污染物时空变化特征研究 831 而亚硝态氮和溶解氧质量浓度呈现波动变化规律，其中，溶解氧质量浓度总体是增加，而亚硝态氮质量浓度总体是呈降低趋势。尤以 2000 年度的污染最为突出，在该年度出现最高质量浓度的污染物指标有亚硝态氮、悬浮物、 BOD5、高锰酸盐指数。 4年之中， 2001 年为丰水年、 2003 年为枯水年， 其余两年是平水年，从南渡河桥断面 4 年的监测数据可以看出，丰水年雨量偏多对一些污染物起到了稀释作用，情况有所改善；同时也有一些指标在丰水年处于最轻状态，考虑到工业废水和生活污水在丰水年被稀释，以及南渡河流域土地利用既有农业利用类型，又有城市及工业利用类型，因此，污染物指标出现这种情况是几种土地利用的综合反映。 整体表明，南渡河水质有所污染，其中以氮污染最为严重，水体有富营养化现象发生。 九洲江不同监测点位（石角、排里） 2000 2003年水质情况年际变化如表 2 所示，总体来看，两个监测点位的 4 年水质变化情况是有 所改善，各种指标最高质量浓度大部分是出现在 2000 年。其中，石角监测点位在 2000 年达到最高质量浓度值的指标有硝态氮、亚硝态氮、悬浮物、 BOD5 与高锰酸盐指数等，排里监测点位在 2000 年达到最高质量浓度值的指标有亚硝酸盐、 BOD5、高锰酸盐指数等。同时，石角监测点位所反映的水质变化情况是：除硝态氮、悬浮物、溶解氧质量浓度是波动变化之外，其余指标的质量浓度均是逐年下降；而排里监测点位的情况则有所不同，亚硝态氮呈逐年递减趋势，除此之外，其余指标均是呈波动变化。 九洲江两个监测点位水质已经明显受到污染，尤以氮污染 最为突出，水体达到了富营养化水平。 3.2 河流非点源污染物质量浓度的季节变化特征 硝态氮和亚硝态氮在地表水中存在密切联系，即它们之间存在相互转化关系，因此将其一起讨论（图 1A、 B）。由于降水、人类活动等因素的季节性变化以及硝态氮和亚硝态氮本身的化学性质，使得它们在时间上的分布呈现 一定的季节性变化特征。其中南渡河桥监测点位的硝态氮质量浓度在枯水期、丰水期和平水期监测结果平均值分别是 0.75、0.47、 0.47 mgL-1；而九洲江的石角和排里两个监测点位，在三个监测时段的监测结果平均值分别为0.72、 0.70、 0.49 mg/L 和 0.53、 0.66、 0.54 mgL-1。可见，总体上，以平水期河流水中硝态氮质量浓度为最低。同时可以看出，河流中不同监测点位、不同季节亚硝态氮质量浓度都非常低，主要是因为亚硝态氮是硝化和反硝化过程的中间产物，非常不稳定 11。而从季节变化来看，两条河 流的下游均是相同的变化规律，即由枯水期、丰水期至平水期，质表 2 九洲江监测点位水质情况年际变化 Table 2 Annual variation of water quality of Jiuzhou rive mgL-1 监测 点位 年份 (硝态氮 ) (亚硝 态氮 ) (悬浮物 ) (BOD5) (溶解氧 ) (高锰酸盐指数 ) 石角 2000 0.800 0.025 16.4 3.50 7.86 3.30 2001 0.547 0.025 13.7 1.50 8.27 2.32 2002 0.660 0.020 15.8 1.20 6.89 2.30 2003 1.10 7.71 2.10 排里 2000 0.560 0.064 18.0 2.80 7.69 5.20 2001 0.723 0.045 23.1 1.89 7.64 3.76 2002 0.570 0.037 16.6 2.70 6.52 4.20 2003 2.20 6.85 4.10 00 . 20 . 40 . 60 . 81枯水期 丰水期 平水期(硝态氮)/(mgL-1) 南渡河桥 石角 排里 00 . 0 20 . 0 40 . 0 60 . 0 80 . 1枯水期 丰水期 平水期亚硝态氮/(mgL-1) 南渡河桥 石角 排里 012345枯水期 丰水期 平水期(BOD5)/(mgL-1)南渡河桥 石角 排里 A B C - 1 00102030405060枯水期 丰水期 平水期(悬浮物)/(mgL-1)南渡河桥 石角 排里 0246810枯水期 丰水期 平水期(溶解氧)/(mgL-1)南渡河桥 石角 排里 012345678枯水期 丰水期 平水期(高锰酸盐)/(mgL-1) 南渡河桥 石角 排里 D E F 图 1 河流硝态氮、亚硝态氮、 BOD5、悬浮物、溶解氧、高锰酸盐指数季节变化 Fig. 1 Seasonal difference of NO3-N, NO2-N, BOD5, TSS, DO, Permanganate contents in Nandu River and Jiuzhou River 832 生态环境 第 14 卷第 6 期（ 2005 年 11 月） 量浓度逐渐降低，而在九洲江上游（石角）则是丰水期处于最高值。 图 1C 反应了 BOD5 在三个监测点位的季节变化趋势。可以看出，在丰水期，三个监测点位的BOD5 都呈最高态势，表明两条河流在丰水期受到明显的有机污染，究其原因，主要是与非点源污染有关。南渡河桥和排里的变化趋势一致，即在丰水期达到最高值 3.63 mgL-1、 3.23 mgL-1，在平水期处于最低水平，而石角则是在丰水期保持最高质量浓度 3.10 mgL-1，在枯水期处于最低质量浓度。 河流中 的悬浮物季节变化如图 1 D 所示。在丰水期，无论是南渡河还是九洲江，河流中悬浮物质量浓度远远高于同类地区的枯水期和平水期质量浓度，尤以排里监测点位最为突出，其丰水期悬浮物质量浓度是枯水期的 4.06 倍。丰水期的 7 月份是该区雨季，降雨最为集中的时间，农作物也处于旺盛生长季节，也是人类对生态系统和地表土壤干扰最活跃时段，从而造成了河流水中悬浮物的质量浓度相应增加。 两条河流溶解氧质量浓度均保持较高的态势（见图 1E），溶解氧质量浓度无论在时间还是空间上的差异性都不是很大，而总体上是以石角监测点位在不同季节的溶解氧质量 浓度高于其它两个监测点位。 河流高锰酸盐指数质量浓度呈现一定的季节性变化（图 1F），其中，南渡河桥和石角监测点位均是在丰水期达到最高值 4.70 mgL-1、 3.30 mgL-1，而排里监测点位则是在枯水期出现最高值 6.20 mgL-1，两条河流在枯水期高锰酸盐指数质量浓度差异性较大。同时，无论在哪个季节，石角的高锰酸盐质量浓度始终低于另外两个监测点位，而排里的污染情况较重。 从进行非点源污染研究中常用的几个指标（硝态氮、 BOD5、悬浮物、溶解氧）来看，丰水期质量浓度均是不同程度的增加，特别是 BOD5、 悬浮物指标，三个点位都是在丰水期处于最高质量浓度，丰水期非点源污染物总量更是明显高于其它两个时期，这与非点源污染的发生时间与特征相吻合，表明河流在雨季明显受到了非点源污染的影响，不仅造成了土地养分的流失，而且对河流下游乃至海岸带形成了污染，导致海岸带生物多样性的减少 12，应当引起人们的重视。 3.3 河流非点源污染物质量浓度的空间分布特征 南渡河与九洲江河流污染物质量浓度的空间分布差异，在本研究中采用的是由各点污染物年平均值进行独立样本 T 检验（ SPSS 11.5）比较分析（见表 3）。 由于南渡河的监测点（南渡河桥）位于其下游，所以对南渡河和九洲江的指标空间差异，仅以九洲江下游的排里监测点位数据与之比较分析。由前面论述知道，南渡河与九洲江的污染情况相似，主要是生活污水和非点源污染的有机污染所导致的氮化合物质量浓度较高，而九洲江的个别污染指标高于南渡河，不过差异并不显著，出现这种情况可能与二者所处的地理环境有关。南渡河全长 88 km，流域面积 1 444 km2，支流较少，雷州市位于其下游，有生活污水和工业废水的汇入，而九洲江 广东段河长 107 km，流域面积 2 245 km2， 主要污染源是支流沙铲河的泥沙和污水的汇入，由泥沙所携带的氮磷营养物以及生活污水影响了河段的水质。 石角、排里监测点分别位于九洲江的上游与下游，由于整个流域非点源污染物的汇入，同一河流的下游接受了更多的污染物，导致下游的水质情况差于上游，表 3 的数据也说明了这一点，其中，排里监测点位高锰酸盐指数质量浓度明显高于石角监测点位，达到了极显著水平，而溶解氧质量浓度则是 显著低于石角监测点位。 3.4 水库非点源污染物质量浓度的年际变化特征 本项研究中的水库有两座，分别是赤坎水库和鹤地水库，由于二者的功能定位不完全一致，常规监测项目也不完全一样，因此本文将对二者分别进行研究论述。 赤坎水库是湛江市的饮用水源地之一，从所获得的 4 年有效数据来看（表 4），赤坎水库的水体的富营养化有加重的趋势。硝态氮质量浓度是逐年增加，其它指标均是呈现波动的变化规律，但氨氮和CODcr 总体上也是呈增加的趋 势。 按照我国地面水环境质量标准规定总氮为 1.00 表 3 南渡河、 九洲江排里、石角监测点位污染物独立样本 T 检验 Table 3 Independent -Samples T Test of different contaminations in Nandu River and Jiuzhou River 项目 硝态氮 (n=3) 亚硝态氮 (n=3) 悬浮物 (n=3) BOD5 (n=4) 高锰酸盐 指数 (n=4) 溶解氧 (n=4) X Y 0.0410 -0.002 7 10.20* -0.397 5 -0.680 0 -0.362 5 Y Z -0.0513 0.031 3* 3.933 0.572 5 1.810 0* -0.507 5* 1） X 代表南渡河； Y 代表排里； Z 代表石角。 2） *代表 P0.05； *代表 P0.01。 表 4 赤坎水库主要污染物质量浓度及其年际变化 Table 4 Annual variation of important contaminations concentrations in Chikan Reservoir mgL-1 项 目 (硝态氮 ) (氨氮 ) (总磷 ) (COD) (溶解氧 ) 2000 0.170 5.65 2001 0.713 0.028 0.053 13.3 7.61 2002 0.130 0.020 8.0 7.74 2003 1.260 0.098 0.052 7.60 许炼烽等：雷州半岛地表水体非点源污染物时空变化特征研究 833 mgL-1 即处于富营养化水平，赤坎水库 2003 年硝态氮质量浓度达到 1.26 mgL-1，氨氮为 0.098 mgL-1，总氮已经处于富营养化水平。而总磷的形势也不乐观，按 Vollenweider 的营养类型划分方法：总磷 30 100 gL-1 为富营养型，大于 100 gL-1为超富营养型 13，赤坎水库的总磷质量浓度也已经处于富营养化水平。 CODcr 是水质监测的重要项目，也是有机污染的重要指标，当其质量浓度超过4 mgL-1 时，表示水体已经受到 有机物的污染 14，2001 年赤坎水库 CODcr 质量浓度达到最高值 13.3 mgL-1， 2000 年的最低值为 5.65 mgL-1，说明水库已有一定程度的有机污染，并有潜在的增大趋势。 2001 年为丰水年，在该年度总磷和 CODcr 都达到了最高质量浓度，而该年度硝态氮质量浓度与2000 年同比增加了 3.19 倍，表明赤坎水库也受到了非点源污染的影响。 鹤地水库水质的年际变化情况是：除 BOD5 始终维持在同一水平之外，其余指标都是呈波动的变化规律（见表 5），以总氮的污染最为严重，水体有富营养化现象发生。 鹤地水库 2000 年总氮的质量浓度是 1.468 mgL-1 ，按照国家地表水环境质量标准（ GB3838-2002），水质评价为类（ 1.0 1.5 mg/L）水质，达到了富营养化水平，而 2001 年硝酸盐质量浓度是四年中的最低值，可能是与当年属于丰水年、降雨量偏多有关， 2002、 2003 年水质较 2000年有所改善，但仍处于类水平。总磷的变化基本是以 2 年为一周期， 2003 年达到最高值 0.016 mgL-1，水质情况尚好。高锰酸盐指数质量浓度 2000年为 4 年最高值（ 4.10 mgL-1），随后三年有所降低，而 BOD5 和溶解氧均是维持在一个较好的水平上。由此可见，鹤地水库主要是以氮污染为主，水质容易发生富营养化。 3.5 水库非点源污染物负荷的空间分布特征 赤坎水库和鹤地水库水质情况存在相似之处，即总氮污染都非常明显（见表 4、 5），个别年份水库的水质呈现富营养化现象，水质受到污染。通过比较 2001 年丰水年的数据就会发现，赤坎水库该年度硝态氮质量浓度较高，而鹤地水库该年度总氮质量浓度是四年之中的 最低值，说明二者所受的污染来源可能存在一定的差异。 不同土地利用方式对水环境有着不同程度的影响，由于赤坎水库和鹤地水库所处的地理环境差异，以及周围土地利用类型的不一致，因此在污染物负荷上具有一定的空间分布性。经过调查发现，赤坎水库处于湛江市郊结合地带，土壤为砖红壤，易被侵蚀，土地利用类型既有工业利用（附近有湛江造纸总厂、赤坎糖厂和湛江汉宝食品饮料有限公司等），又有农业土地利用类型（村庄，如东菊村及农田等），因此对于水库水质的影响有工业废水和暴雨条件下的非点源污染物等，在个别年份（ 2001 年）是以氮磷等有机物 形成的非点源污染对水质所造成的影响为主。鹤地水库位于粤西最重要的一条河流九州江中游的廉江市东北部，总库容11.44108 m3，库区周围多为马尾松、桉树等人工林以及凤尾草、铁芒箕等草本植物，植被保持尚好，土壤为黄壤土，入渗较大，水土流失较轻，非点源污染对鹤地水库水质污染贡献较小。 4 结论 两条河流水质均以氮污染为主，水体有富营养化现象发生，其在空间差异上并不显著。同时，两条河流在雨季都明显受到了非点源污染的影响。 水库均是以氮污染为主，有富营养化现象发生，同时赤坎水库也受到了非点源污染的影响，而鹤地 水库所受影响较小，究其原因主要是土壤等自然因素及土地利用方式的差异所致。 综合分析可知，非点源污染对雷州半岛地表水体污染的加重有重要贡献作用，地理位置的不同并不是导致地表水体污染情况差异的原因，而土地利用方式是决定地表水体污染物质量浓度时空变化的重要因素。为此，应当合理调整流域和库区的土地利用方式，加强区域的水土流失治理工作，才能缓解日益加剧的非点源污染状况，才能有效降低非点源污染所造成的环境问题。 参考文献： 1 CARPENTER S R, CARACO N F, HOWARTH D L, et al. 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