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太湖是我国第三大淡水湖,近年来富营养化问题严重,本文选择太湖上游重要入湖水系——西苕溪为研究对象,研究西苕溪流域氮浓度时空变化特征,分析引起该变化特征的影响因素,并结合地表—地下径流耦合模型,分析氮负荷在地表—地下径流中的输移特征,以期提出针对特定流域的治理与氮污染控制措施、保证关键区域水质安全的措施。
本文首先建立西苕溪流域的空间数据库,其次在该流域河网设置31个水质监测断面,收集2009年7月到2010年7月的月水样,并对两个典型水质监测点进行日水样的采集,在水样分析的基础上,选择总氮(TN)、溶解太总氦(DTN)、铵态氮(NH4+-N)、硝态氮(NO3--N)四项水质指标分析太湖西苕溪流域氮浓度时空变化特征,结合该流域空间特征分析引起变化特征的影响因素,最后采用WATLAC模型模拟西苕溪流域的地表—地下径流量,初步估算研究区域输出的氮负荷、总氮输出强度。得出以下主要结论:
1.西苕溪流域月水质监测点的各形态氮浓度呈现明显的空间分布特征,对于TN、DTN、NO3--N、NH4+-N,其浓度都表现为从上游林地地区向中下游的耕地、城镇建筑用地地区递增,上游地区硝态氮是总氮的主要成分,在下游地区铵态氮占总氮的比重增加,总体上上游水质最好,下游恶化严重。
2.以林地为主的典型子流域监测点的氮浓度明显低于耕地,尤其是铵态氮,而在天然降雨条件下这两个典型监测点的氮浓度输出特征有差异,从降雨期到干旱期,耕地子流域出口监测点的TN、DTN、NO3--N、NH4+-N浓度增加,从干旱期到降雨期,各形态氮浓度降低,对于林地子流域出口监测点情况相反。对整个西苕溪流域,TN、DTN、NO3--N、NH4+-N浓度呈明显的季节性变化。TN、DTN、NO3--N浓度在枯水期最高,丰水期次之,平水期最低,而NH4+-N丰水期最高,平水期次之,枯水期最低。No3--N、NH4+-N成分随季节变化有差异,整个流域中,在枯水期NO3--N占主导,丰水期NH+-N成分显著增加。
3.流域土地利用方式是导致氮浓度空间变化差异的主要影响因素。上游地区,地表坡度较大、林地用地比例较高,导致各形态氮浓度普遍较低,中下游地区主要受耕地逐渐增加,各形态氮浓度普遍较高。不同地形、土地利用影响流域的产流机制,导致典型林地、耕地子流域输出氮浓度随降雨过程变化规律有差异。季节性的降雨径流、农业活动差别导致西苕溪流域氮输出浓度呈明显的季节性分布特征。铵态氮、硝态氮之间硝化作用影响流域中不同区域总氮成分的组成及其成分的季节性差异,同时中下游地区地表—地下径流相互作用明显,尤其是枯水期中地下水向河道的水量补给,引起硝态氮的输送,导致NO3--N、NH4+-N的浓度比高于其他季节。
4.地表—地下径流耦合模拟,结合氮浓度数据,估算得到西苕溪流域2009年7月至2010年7月输出总氮负荷为5400t,7月份总氮负荷最大,大部分来自于地表径流输入;12月份最低,大部分来自于地下径流输入。全流域总氮平均输出强度为2.63t/km2,以林地为主要用地类型地区,总氮输出强度最低,为0.81t/km2,城镇地区总氮输出强度最高,为3.3t./km2,耕地居中。
5.西苕溪流域水质处于恶化趋势,农业耕地及城镇生活区产生的非点源氮污染是西苕溪流域氮素的主要来源。因此优化上游流域内产业结构,提高耕地氮肥利用率,以及提高当地居民的环保意识,是减少流域内氮污染负荷、降低太湖水体富营养化风险的重要途径。