灤河流域TN濃度時空變化特征與影響因素分析

張恩廣，王 艷，楊 坤,3，彭嘉玉，呂旭波，雷 坤*，程全國

1. 沈陽大學環境學院，遼寧 沈陽 110044

2. 中國環境科學研究院流域水環境污染綜合治理研究中心，北京 100012

3. 中國海洋大學環境科學與工程學院, 山東 青島 266100

氮是自然界中普遍存在的元素[1-2]，其循環涉及硝化、反硝化、氨化作用、生物固氮等諸多過程，水體中的氮通常以硝酸鹽氮、氨氮、亞硝酸鹽氮等無機氮以及蛋白質、氨基酸和有機胺等有機氮等多種形態存在[3]. 水體中氮素的水平受眾多因素影響[4-7]，包括地質構造、地形地貌、土壤質地、氣候氣象、社會經濟和水庫的調蓄等[8-11]. 在自然變化與人類活動的影響下[12-17]，水體中的氮循環過程和氮平衡會發生改變，導致過量的氮素輸入到地表或進入地下水，引發富營養化、藻華和飲用水安全等問題[18-20].

灤河是海河流域的重要水系之一. 研究表明，灤河流域內水資源時空分布不均，年內與年際變化均較大[21]；河流水化學特征表現為TN濃度偏高且時空變化顯著[22]；地下水污染特征表現為硝酸鹽氮濃度水平較高[23-24]. 2022年2月生態環境部等七部門聯合印發了《重點海域綜合治理攻堅戰行動方案》，提出要因地制宜加強TN控制，實施入海河流TN削減. 為進一步探究灤河流域氮的變化特征及其影響因素，本文分析了2018-2022年TN濃度時空變化特征，探討了地形地貌、地下水埋深、降雨量、徑流量等因素對灤河TN濃度的影響，以期為灤河流域TN污染治理與管控提供參考.

1 研究區域與研究方法

1.1 研究區域

灤河流域位于115°30'E～119°45'E、39°10'N～42°40'N之間，該區域年均氣溫12 ℃，屬暖溫帶濕潤-半濕潤氣候. 灤河發源于河北省承德市的豐寧縣西北巴彥圖古爾山麓，流經壩上草原，穿過燕山山脈，全長1 200 km，流域面積45 000 km2. 灤河中游建設有潘家口水庫和大黑汀水庫，其中潘家口水庫位于河北省唐山市與承德市地區的交界處，壩址以上控制面積占全流域面積的75%，多年平均徑流量為24.5×108m3，占全流域多年平均徑流量的53%. 該水庫下游約30 km有大黑汀水庫，該水庫為調節水庫，與潘家口聯合調度運行，發揮防洪、供水、灌溉和發電作用. 灤河流域的流域面積大于1 000 km2的河流總共有9條，分別為青龍河、瀑河、老牛河、澈河、柳河、武烈河、興洲河、小灤河和伊遜河(見)，最終匯入渤海. 灤河流域內的大中型城市有河北省石家莊市、承德市、唐山市和秦皇島市. 灤河流域的平水期為3-5月和10-11月，豐水期為6-9月，枯水期為12月-翌年2月.

1.2 數據來源

水質數據為灤河流域2018-2022年逐月監測結果；降雨量數據來自中國氣象數據網站(http://data.cma.cn/data/detail/dataCode/A.0012.0001.html)；地下水埋深數據來自《河北省地下水位監測情況通報》. 流域范圍內共布設18個水質監測點位和3個降雨量監測點位(見圖1)，其中降雨量監測點位分別位于灤河流域源頭、中上游、下游3個區域.

圖1 灤河流域監測點位分布Fig.1 Distribution of monitoring points in Luan River Basin

1.3 研究方法

聚類分析：根據不同斷面點位的相似性與關聯性進行系統聚類分析，并利用Origin 2021軟件制圖.

相關性分析：使用SPSS 22軟件處理降雨量數據并進行非線性擬合，對TN濃度與地下水埋深數據進行Pearson相關性分析，并利用Origin 2021軟件將結果進行可視化處理. 數據處理過程中，剔除了因河道干涸帶來的異常值.

2 TN濃度時空變化特征

2.1 TN濃度空間分布特征

由2018-2022年灤河流域TN濃度平均值的空間分布(見圖2)可知，灤河干流TN濃度總體上呈現上游低、中游高、下游低的分布特征. 各子流域中，潘家口-大黑汀水庫下游的青龍河、潮河TN濃度偏低，伊遜河、武烈河、瀑河與柳河流域中TN濃度顯著高于其他河流，其中瀑河TN濃度最高，平均值高于8.00 mg/L；位于上游的閃電河流域TN濃度常年較低.

圖2 2018—2022年灤河流域TN濃度的空間分布Fig.2 Spatial distribution of TN concentrations in the Luan River Basin from 2018 to 2022

通過收集研究區域地形地貌、水質、土地利用類型等數據，對灤河流域TN濃度進行聚類分析，且依據聚類分析結果，將灤河流域TN濃度劃分為低值區、中值區和高值區(見圖3). 低值區位于灤河流域源頭區，該區域地處蒙古高原，居民村落零散分布，種植業密度較低，S1、S2斷面TN濃度保持在2 mg/L左右，常年處于較低水平.

圖3 2018—2022年灤河流域TN濃度的聚類分析結果Fig.3 Cluster analysis of TN concentrations in the Luan River Basin from 2018 to 2022

高值區位于灤河流域中上游，該區的S5～S10斷面是TN濃度較高的斷面，平均值為5.85 mg/L，其中，S10斷面為全流域TN濃度最高的斷面，多年穩定在8.50 mg/L左右. 研究表明，導致灤河中上游干流及各支流TN濃度偏高的原因有兩方面：①灤河中游干流流經承德市城區；支流伊遜河流經隆化縣、灤平縣，在承德市區匯入灤河；支流武烈河流經承德縣，在承德市城區匯入灤河. 該區域人口眾多，畜禽養殖業與農業規模均較大，2018年以來總人口達到380×104人，畜禽總存欄數超過3 000×104只，出欄數超過9 000×104只，種植面積達到3 743 km2，根據折純量計算的化肥施用量高達10.43×104t. 因此，流域范圍內居民生活污水排放、畜禽養殖污染以及化肥的施用和流失導致河流中TN濃度較高[25]. ②伊遜河和武烈河流域地處內蒙古高原向華北平原過渡帶，區域地形多樣，山脈縱橫，導致伊遜河和武烈河水土流失嚴重，伊遜河與武烈河流域的年產沙量分別為2.10～4.43和0.97～2.05 t/hm2，土壤經降水的沖刷隨產匯流進入河道，造成河流中氮濃度升高[26].

中值區位于灤河流域下游，分布于該區的S15、S17、S18斷面TN濃度平均值為3.77 mg/L，其中，入海斷面(S18)多年穩定在2.82 mg/L左右，2021年和2022年有所上升，最高達到6.34 mg/L. 該區處于潘家口和大黑汀水庫下游，因此潘大水庫泄水對TN濃度影響顯著，且水庫的調節、凈化作用降低了出庫水體TN濃度，使得下游河段TN濃度顯著低于中游[27]. 然而，潘大水庫早年的網箱養殖造成了庫底沉積物污染，近年來庫底內源污染加速釋放，加之下游城鎮密集、人口集聚，因此下游區TN濃度雖相比于中上游較低，卻仍處于較高水平[28].

2.2 TN和NH4+-N濃度時間分布特征

由圖4可見，灤河流域源頭區、中上游區和下游區的TN濃度均表現為枯水期＞平水期＞豐水期，呈U型分布特征，即年初平水期TN濃度逐漸降低，豐水期達到全年最低值，之后TN濃度逐漸上升，年末枯水期達到TN濃度最高值，平水期TN濃度介于豐水期和枯水期之間. 源頭區豐水期、平水期、枯水期TN濃度分別為3.27、1.76、1.48 mg/L，平水期、豐水期TN濃度維持在2.00 mg/L以內；中上游區TN濃度最高，豐水期、平水期、枯水期分別為7.76、5.49、4.06 mg/L；下游區TN濃度略低于中上游區，豐水期、平水期、枯水期分別為3.93、3.30、2.83 mg/L. 灤河流域中上游區、下游區的NH4+-N濃度均表現為枯水期＞平水期＞豐水期，源頭區波動較小，全年穩定在0.1 mg/L左右. 豐水期徑流量的增大對TN和NH4+-N濃度有一定稀釋作用[29]，降低了水體中TN、NH4+-N濃度；枯水期河流徑流量小、溫度低、水體的降解速率與自凈能力弱，水生生物的死亡會進一步分解釋放氮，使枯水期TN濃度達到最高值[30].

圖4 灤河流域不同水期TN、NH4+-N濃度的變化特征Fig.4 Characteristics of TN and NH4+-N concentrations in different water periods in the Luan River Basin

3 TN濃度影響因素分析

3.1 降雨量

選取位于灤河流域源頭區、中上游區、下游區監測點位(S2、S7、S18)臨近的氣象站點(R1、R2、R3)，分析TN濃度與降雨量的相關關系(見圖5). 結果表明，總體上灤河流域TN濃度與降雨量具有較好的負相關關系(P＜0.01)，相關系數絕對值(|R|)均大于0.5，中上游區|R|達到了0.96，體現出灤河流域TN濃度隨著降雨量的增大而減小的變化特點，說明降雨產生徑流時，對河道TN濃度的稀釋作用較為明顯.

圖5 灤河流域源頭區、中上游區、下游區降雨量與TN濃度的響應關系Fig.5 Response relationship between rainfall and TN concentration in the source, upstream and downstream area of the Luan River Basin

然而在極端降雨條件下，降雨量與TN濃度的關系呈現不同特征(見圖6). 2018-2022年期間，灤河流域出現多次極端降雨過程，其中，2018年7-8月，灤河流域源頭區、中上游區與下游區月降雨量均達到300 mm；2021年7月灤河流域下游區降雨量達到300 mm，源頭區與中上游區降雨量均突破350 mm，相比于7月多年平均降雨量的增幅達到50%. 由圖6可知，受強降雨影響，灤河流域源頭區在2018年7月、2021年7月出現TN濃度顯著升高的現象，中上游區和下游區在2018年8月和2021年7月出現TN濃度顯著抬升的現象. 對應于相應的月降雨量可以發現，當月降雨量小于250 mm時，TN濃度隨降雨量增大而降低；當月降雨量大于250 mm時，TN濃度呈現隨降雨量的增大而顯著升高. 2021年7月，極端降雨情況下，灤河流域源頭區、中上游區和下游區TN濃度平均值分別為3.31、6.50、4.83 mg/L，而2020年7月，正常降雨情況下，灤河流域源頭區、中上游區和下游區TN濃度平均值分別為0.95、3.97、2.26 mg/L. 因此，極端降雨事件的發生，會導致TN濃度出現明顯波動，顯著高于正常降雨情形.

圖6 灤河流域源頭區、中上游區、下游區TN濃度和降雨量隨時間的變化Fig.6 Variations of TN concentration and precipitation over time in the source, upstream and downstream area of the Luan River Basin

綜上所述，降雨對TN濃度的影響不僅存在稀釋作用，還存在沖刷作用[31-33]. 在極端降雨條件下，會造成土壤中氮素的沖刷[34]，陸面上的氮隨地表徑流進入河道，并向下游水體輸送，導致河道內氮素負荷增加，造成TN濃度的升高[35]. 此外，極端降雨事件后的一段時間內，土壤中含水量增大，氮素會進一步浸泡溶出，進而持續影響河流TN濃度[36].

3.2 水庫調蓄

進一步分析位于潘大水庫下游的河流TN濃度可以發現，不同于源頭區和中上游區，2021年8月-2022年7月，TN濃度平均值為5.28 mg/L，較2020年8月-2021年7月(平均值為2.99 mg/L)整體抬升了2.29 mg/L. 考慮到降雨和水庫調蓄均會對水庫下游河道TN濃度產生影響，對潘大水庫的上游和下游的徑流量變化(見圖7)進行分析. 結果顯示，潘大水庫上游河道徑流的變化與降雨量的變化趨勢基本保持一致，說明水庫上游降雨帶來的徑流變化對河流TN濃度的影響較大，而在水庫下游受水庫調蓄影響，2021年6-10月與2022年6月，下游河道徑流量比相同時段上游河道徑流有顯著升高. 因水庫在大量流瀉的過程中，蓄積在底層沉積物中的氮素會在水流沖刷作用下釋放出來，從而顯著增大泄水的TN濃度[37]. 據《河北省水資源公報》與引灤工程管理局的統計結果顯示，潘大水庫多年年均來水量為24.5×108m3，而2021年潘大水庫來水量達到了41.36×108m3，泄水量累計達25.01×108m3，與往年出庫水量相比顯著升高，可見位于水庫下游的河道，TN濃度變化還受水庫調蓄過程的影響.

圖7 潘大水庫上下游的TN濃度、徑流量和降雨量隨時間的變化特征Fig.7 Temporal variation characteristics of TN concentration, runoff and rainfall in the upper and lower reaches of the Panjiakou-Daheiting Reservoir

3.3 地下水埋深

選取灤河流域高原、丘陵和平原3種不同地貌類型對應的監測點位S2、S16、S18，探究地下水埋深與TN濃度間的相關關系，Pearson相關性分析結果(見圖8)顯示，位于丘陵地帶的S16斷面TN濃度隨地下水埋深的減少而增加，位于下游平原地帶的S18斷面TN濃度與地下水埋深相關性不顯著(P＞0.1)，而位于內蒙古高原的S2斷面TN濃度幾乎不受地下水的影響. 這是因為高原和平原地區地形平坦、地勢差較小，且地下水埋深較大. 其中高原地區地下水埋深基本上為10 m，平原地區在8～13 m之間，導致地下水常年無法補給到地表水，地表水與地下水之間難以發生交互作用[38-39]. 而在灤河流域丘陵地區，研究表明地表水與淺層地下水間存在密切的水力聯系，由地形控制地下水與地表水由高地勢向低地勢流動，且在水體遷移轉化的過程中存在不同程度的交互作用[40]，存在豐水期地表水補給地下水、枯水期地下水補給地表水的現象.

圖8 灤河流域不同地貌類型地下水埋深與TN濃度的響應關系Fig.8 Response relationship between groundwater depth and TN concentration in different landform types in the Luan River Basin

進一步探究丘陵地區地下水補給地表水過程中氮的遷移轉化規律，選取S16斷面分析NO3--N和NH4+-N濃度對地下水埋深的相關關系(見圖9). NO3--N濃度與地下水埋深的|R|值為0.75(P＜0.01)，相關性顯著，而NH4+-N與地下水埋深的|R|值僅為0.41. 究其原因是包氣帶中NH4+-N含量極少，在地下水與地表水的交互作用中，包氣帶中的氮素主要以NO3--N的形式進入地下水中且隨之遷移轉化，并在與地表水的交互作用中進入地表水體[41-44]. 有學者對灤河流域地下水水質變化特征進行研究[45]，結果表明，豐水期地表水對地下水的補給會造成地下水的污染，但地表水向地下水的運移存在滯后性，這一滯后性使地下水在枯水期NO3--N濃度達到最大值，并在枯水期地下水補給地表水的過程中影響河流NO3--N的濃度，進而造成TN濃度的升高. 因此在灤河流域中上游區丘陵地區，枯水期地下水可能側向補給地表水進而造成TN濃度的升高. 綜上所述，灤河流域丘陵地帶復雜的地表水-地下水交互作用是影響河流TN濃度變化的原因之一. 當然，地表水與地下水的交互過程復雜且影響因素諸多，僅通過地下水埋深的變化難以完全揭示二者之間的關系，需要結合地下水水質變化進行深入分析.

圖9 灤河流域丘陵地區地下水埋深與NO3—-N和NH4+-N濃度的響應關系Fig.9 Response relationship between groundwater depth and NO3--N and NH4+-N concentrations in the hilly area of the Luan River Basin

4 結論

a) 灤河流域TN空間分布異質性強，源頭區常年穩定在2 mg/L左右的低濃度值；中上游區TN濃度最高，平均值為5.85 m/L，部分斷面超過了10 mg/L；下游區受到潘大水庫調節，TN濃度較中上游區有所下降，維持在5 mg/L左右.

b) 降雨量對TN濃度影響顯著，當月降雨量小于250 mm時，降雨量的增加對河流TN濃度有一定的稀釋作用，TN濃度隨降雨量的增加而減少；當月降雨量大于250 mm時，極端降雨沖刷作用導致地表與土壤中積蓄的氮進入水體，使得TN濃度顯著升高，并持續影響后續月份的TN濃度.

c) 潘大水庫的調蓄作用對TN濃度的影響顯著，水庫短期內的大量泄水會極大地增加河道徑流，從而使水庫底層沉積物中積蓄的氮素，在水流的沖刷作用下釋放，極大地增加泄水TN的濃度，造成水庫下游地區TN濃度的升高.

d) 地下水埋深對灤河流域TN濃度的貢獻，受局地地勢地貌影響較大. 灤河流域下游平原地區與源頭高原地區的地勢起伏小且地下水位較深，地下水常年無法補給到地表水；中上游的丘陵地區地勢起伏大且地下水埋深較淺，存在地下水與地表水的交互作用，表現為枯水期地下水補給地表水，地表水NO3--N濃度升高，進而影響了河流TN濃度.