黄河水系水环境质量变化趋势分析

黄河水系水环境质量变化趋势分析

黄河是中华民族的母亲河，是中国西北和华北的重要水资源。流域内降水量多年平均为3280亿3m，常年天然产量为580亿米。由于社会经济发展对水资源的需求增加，黄河现在面临着严重的水资源不足问题。这不仅反映在水量不足的情况上，而且也反映在水质恶化和水体功能的减少和丧失上。据黄河流域水环境监测中心公布的黄河流域地表水环境质量年报(1999),氮是黄河干、支流河水的主要污染指标之一,且主要包括氨氮和亚硝酸盐氮污染.本文将针对黄河水系的氮污染开展研究,揭示黄河干、支流河水氮的污染特征、来源及年际变化,为提高黄河流域的水环境质量提供依据.1文献检验和数据整理进行本研究所依据的资料为:1)黄河水资源保护办公室编制的黄河流域地表水资源水质调查评价附表中黄河164个水文站点的水质监测统计数据(1980年).2)我国水利部黄河水利委员会编制的水文年鉴(1989—1990年)中黄河317个水文站点的逐月水质监测数据以及黄委会水资源保护所提供的黄河干流1997年的逐月水质监测数据.3)我国环保总局在黄河设置的117个水文站点的水质监测年均值(1999年).所有氮浓度监测数据均为河水溶解性氮的含量.将研究站点(图1)的数据输入工作用数据库后,先按Grubbs检验法剔除异常值;然后按研究需要进行各项统计分析.2结果与讨论2.1黄河水系的特点是河流氮的污染2.1.1主要河流氨氮、总氮含量根据1990年水质监测数据(因为该年的数据较系统全面),对各支流最下游水文站点的水质进行分析,以研究支流河水氮的整体污染情况.黄河主要支流河水氨氮的年均值在0.062mg/L—35.032mg/L之间.污染最轻的为大通河,污染最重的为涑水河.河水亚硝酸盐氮的年均值范围为0.004mg/L—0.362mg/L.河水硝酸盐氮年均浓度范围为0.470mg/L—9.732mg/L.硝酸盐氮含量最高的河流为清水河,含量最低的为大黑河.支流河水总氮(氨氮+亚硝酸盐氮+硝酸盐氮)的年均浓度范围为0.876mg/L—10.511mg/L.河水总氮含量大于2.5mg/L的河流为湟水、清水河、窟野河、三川河、延水、汾河、涑水河、北洛河、渭河、伊洛河和大汶河.如图2所示,黄河流域从上游至下游各主要支流河水氨氮和总氮浓度有增加的趋势.2.1.2盐水的浓度据1990年的水质监测数据,黄河干流河水氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮、总氮浓度明显低于各支流河水的浓度.据1990和1997年的数据,虽然河水氮浓度沿程有所波动,但从上游至下游有增高的趋势(图3),氨氮、总氮浓度分别由循化站的0.11mg/L和1.13mg/L增至三门峡站的0.80mg/L和5.25mg/L(1997),这与沿途依次汇入的支流河水氮浓度的增高有关.2.2枯水期水管理Behrendt指出在某一监测站中污染物的浓度或通量与其源排放量之间存在非线性相关,根据这种关系能计算污染物的点源和面源强度.其中“排放或通量”(“immissionortransport”)计算方法的基本原理为,枯水期(低流量状态下)河水水质主要反映点源的污染情况,而丰水期(高流量状态下)河水水质主要受面源污染的影响,是点源和面源综合作用的结果.从流域尺度来讲,黄河水系河水氮的点源主要包括城市生活污水、工业废水及乡镇企业废水;面源主要包括农田施肥和水土流失等(虽然作为面源的农灌退水有一定的季节性,但由于耕作季节的影响,大部分仍发生在丰水期).河水氮浓度是点源、面源和天然背景浓度(包括地下水的氮输入)之和.黄河流域由于地下水对河流的补给主要发生在山区,而山区的耕地较少,施肥较少,故地下水受氮的污染较小,可作为天然背景浓度。黄河干流枯水期总氮浓度、氨氮浓度、硝酸盐氮浓度均高于丰水期的浓度(图4所示为总氮的浓度),由此说明丰水期水量对河水氮浓度存在稀释作用.由于点源排放速率在年内基本保持不变,因此,可进一步用式(1)和式(2)分别表示点源和面源对河水氮污染的贡献量.P=(C1−C0)⋅Q1⋅12M1(1)Ρ=(C1-C0)⋅Q1⋅12Μ1(1)D=(C2−C0)⋅Q2−(C1−C0)⋅Q1⋅M2M1(2)D=(C2-C0)⋅Q2-(C1-C0)⋅Q1⋅Μ2Μ1(2)P:点源通量;D:面源通量;C1:枯水期氮浓度;C2:丰水期氮浓度;C0:天然背景浓度;Q1:枯水期河水水量;Q2:丰水期河水水量;M1:枯水期月份;M2:丰水期月份;12:一年包括12个月份.将黄河水系各主要支流最下游的水文站点和干流主要站点丰水期(7—10月)、枯水期(1—6月、11—12月)河水氮的平均浓度,干、支流汛期(7—10月)水量(约占年水量的60%左右)代入公式(1)和(2),另外由于氮的天然背景浓度相当低,因此计算过程中忽略C0项,得到黄河水系各主要支流点源、面源对河水氮污染的贡献比.虽然河水氨氮、亚硝酸盐氮和硝酸盐氮之间存在形态转化,但三氮的浓度之和不会发生太大变化,所以在此主要对河水的总氮进行分析.如表1所示,据1990年的水质数据,除无定河、伊洛河外,其他支流河水总氮主要来源于点源.无定河流经黄土丘陵区,水土流失严重,且流域耕地面积和施肥量相对于流经“砒砂岩”(当地的命名)地区水土流失严重的窟野河流域要大,因此点源对河水氮污染的贡献较大.伊洛河流域陆浑水库和故县水库的建立发展了流域的农业灌溉,与其它支流相比氮肥施用量的增加造成河水氮污染主要来源于点源.点源和面源对干流河水总氮的贡献沿程发生变化(图5).据1990年水质数据,在循化站至青铜峡站之间,河水总氮主要来源于点源,且点源与面源的比例沿程存在上升的趋势,这与沿程西宁、兰州、白银等大城市点源污染的排放相关.在青铜峡至头道拐之间,点源与面源的比例存在降低的趋势,在三湖河口、昭君坟、镫口和头道拐,点源与面源的比例小于1,河水总氮主要来源于面源,这是由于在此区间宁蒙灌区农田施肥造成的氮非点源排放对河水氮含量起主导作用.由头道拐至潼关区间,由于沿途汇入了汾河、渭河等受点源影响较大的河水,致使河水氮的点源与面源比例逐渐增加,府谷、吴堡、龙门和潼关河水氮的点源与面源之比大于2.据1997年水质监测数据,干流潼关以上所有站点河水氮污染的点源/面源之比均大于1.潼关以下河段汇入的水量较小,且由于三门峡站河水氮受水库滞留作用的影响,所以未能直接采用前面提出的公式计算点源与面源的比例.因此从分析潼关水质的角度看,黄河干流氮污染与支流一样,仍主要来源于点源.从中国农村统计年鉴查得黄河流域各省1990年的氮肥施用量和耕地面积,计算得出流域氮肥施用量(折纯氮)约为12.6g/m2,该数不仅远远低于农业发达的省区如江苏的氮肥施用量33.0g/m2,亦低于全国氮肥平均施用量17.1g/m2.另外,黄河流域的耕地面积为1.2×107?m2,有效灌溉面积仅为4.5×106?m2,远远低于长江流域的耕地面积2.4×1011?m2.因此,较小的耕地面积和较低的氮肥施用量是造成黄河流域氮污染点源/面源之比较高的重要原因.据黄河流域水资源保护局编写的“黄河干流纳污量调查报告1998”,干流入黄排污口与农灌排水沟对河水总氮的贡献比约为4.3,这进一步说明了点源对黄河干流氮污染的贡献较大.在1990—1997年间,黄河干流河水氮污染的点源/面源之比有所变化.如图5所示,青铜峡站河水氮污染的点源/面源之比由1990年的3.2降至1997年的2.0,石嘴山至头道拐之间点源/面源之比有较大幅度的升高,潼关站河水氮污染的点源/面源之比由2.7降至1.8.干流点源/面源之比的这种变化与社会经济发展导致污水排放的变化有关,国家自1994年加大淮河流域的治理力度后,经济利益的驱动使一些污染严重的小型企业向西部转移,使黄河流域某些地区的重污染小企业数量急剧增加,造成局部地区污染排放增大.但就潼关站以上流域来说,氮污染的点源/面源之比在1990—1997年间有所降低.2.3黄河水系河水氮污染年度变化2.3.1内河氨氮浓度在所有1980、1990、1999三年监测数据较齐全的站点中,河水氨氮均存在上升的趋势.湟水民和站氨氮的年均值在1980年为0.40mg/L,至1999年后,其浓度增至2.209mg/L.汾河河津站河水氨氮浓度的1980、1990、1999年年均值分别为0.130mg/L、2.631mg/L和9.80mg/L,其浓度随时间在加速上升.渭河华县站河水氨氮浓度年均值由1980年的0.64mg/L增至1990年的1.23mg/L,至1999年后,浓度又上升为4.38mg/L.2.3.2地表水氨氮的年均值及废水排放量黄河干流河水氨氮浓度的年均值在1980、1990、1997、1999年间也存在上升的趋势(图6).循化站氨氮浓度的年均值在1980年为0.08mg/L,至1997年后,浓度上升至0.105mg/L.青铜峡站氨氮浓度的年均值在1980、1990和1997年分别为0.06mg/L、0.106mg/L、0.890mg/L,其上升速率平均约为0.049mg·L-1.a-1.利津站河水氨氮的年均值在1980年为0.04mg/L,至1990年后,浓度增至0.11mg/L,增加速率平均为0.007mg·L-1.a-1,至1999年后,浓度上升为0.36mg/L,上升速率约为0.028mg·L-1.a-1,由此可见,干流河水氨氮的年均值在1980—1999年间呈加速上升的趋势.干流河水总氮浓度在此期间亦呈上升趋势,如图7所示,三门峡站河水总氮浓度由1990年的2.00mg/L增至1997年的5.25mg/L,增速为0.46mg·L-1.a-1.据统计,黄河流域80年代初废污水排放量为21.7亿t、90年代初已达32.6亿t,90年代末废污水排放量约为92.2亿t,在此期间,废污水排放量呈加速上升的趋势.将废污水排放量与利津站河水氨氮浓度作相关分析,发现二者的相关系数为0.998,由此表明黄河水系干、支流河水氨氮在1980—1990—1999年间的上升趋势与流域废污水排放量的增加密切相关.由于点源/面源之比在此期间有降低的趋势,由此表明流域的面源污染亦有增加的趋势,这是由流域氮肥施用量的逐年增加所导致,1994年的氮肥施用量约为15.6g/m2,比1990年的氮肥施用量高出3.0g/m2.因此,黄河水系河水氮污染水平的增强亦与流域氮肥施用量的增加有关.3地表水氮污染的