（环境工程专业论文）小清河流域陆源无机氮非点源入海通量的研究.pdf

s t u d y o ft h ei n o r g a n i c n i t r o g e nf l u x i n t ol a i z h o u b a y f r o m t h en o n - p o i n t p o l l u t i o ns o u r c e s i nt h ex i a o q i n g h eb a s i n a b s t r a c t t h er e dt i d e so fl a i z h o ub a ya l w a y st a k e p l a c e i nt h e r e g i o n s w h e r et h e i n o r g a n i cn i t r o g e nc o n c e n t r a t i o ni sh i g h e rt h a no t h e ro n e s t h ei n o r g a n i cn i t r o g e n f r o mx i a o q i n gr i v e rw a t e r s h e di st h em a i ni n p u ts o u r c eo fl a i z h o ub a y w i t l l c a r r y i n go nt h ep r o t e c t i o np r o j e c t s ，t h en o n - p o i n tp o l l u t i o nb e c o m e so n eo f t h em a j o r r e a s o n so f t h ei n o r g a n i cn i t r o g e np o l l u t i o no f t h ex i a o q i n gr i v e r b a s i n t h e r e f o r e ，i t i sn e c e s s a r yt oe s t a b l i s ham o d e lt op r e c i s e l ye v a l u a t ea n dc a l c u l a t et h ef l u xi n t os e a f r o m x i a o q i n gr i v e rb a s i n i no r d e rt oc o n t r o lt h er e dt i d e so f l a i z h o u b a y i nt h i sd i s s e r t a t i o ni tf i r s tc o l l e c t st h em e t e o r o l o g i c a l ，h y d r o l o g i c a l ，g e o l o g i c a l ， s o i la n dw a t e r q u a l i t yd a t a , i n v e s t i g a t e s t h e c o m p o s i t i o n o f i n o r g a n i c n i t r o g e n ( a m m o n i an i t r o g e n 、n i t r i t en i t r o g e na n dn i t r a t en i t r o g e n ) p o l l u t i o ns t a t u si n t h es o i l ，w a t e ra n ds i l to ft h em a i ns t a t i o ni n x i a o q i n gr i v e ra n da n a l y z e st h e a n n u a la n ds e a s o n a li n o r g a n i cn i t r o g e nc o n c e n t r a t i o n c h a n g e ss i n c e1 9 8 4 c o m b i n i n g t h er e s e a r c hr e s u l t so fm e t e o r o l o g i c a l ，h y d r o l o g i c a la n d g e o l o g i c a la n a l y s e s a n d p r i n c i p l e s o fh y d r o l o g y , t h e f o r m i n gm e c h a n i s mo fn o n p o i n tp o l l u t i o n a n dt h e p o l l u t a n tm o v e m e n tr u l e s ，i ti se s t a b l i s h e dan o n p o i n tl o a dm o d e l t h ep a r a m e t e r so f t h i sm o d e li sa d o p t e dt h es e r i a lo b s e r v a t i o nd a t ab e f o r e1 9 9 6t oc a l c u l a t ea n dt h ed a t a f r o m1 9 9 6t o1 9 9 9t oc o n f i r m t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e s e p a r a m e t e r sa r ea p p l i c a b l e t h ec o n c e n t r a t i o no ft h e n o n - p o i n t c o n t a m i n a n t si sc a l c u l a t e d b y t h e r e g u l a r o b s e r v a t i o nd a t a f i n a l l y , i ti su s e dt h i sm o d e lt o c a l c u l a t e t h et o t a lf l u xo ft h e i n o r g a n i cn i t r o g e ni n t ot h es e af r o m1 9 9 6 - 1 9 9 9i nx i a o q i n gr i v e rr e g i o n ，e s t i m a t e t h ef l u xo ft h en o n - p o i n ts o u r c e si n t ot h es e aa n da n a l y z et h ea n n u a lc h a n g e so f t h e f l u xa n dt h ei n f l u e n c ef a c t o r so nt h ef l u x t h er e s u l t ss h o w ：t h ef l u xo ft h e i n o r g a n i cn i t r o g e nf r o mx i a o q i n gr i v e r w a t e r s h e di n t ot h es e ah a st h eo b v i o u st r e n dt o i n c r e a s e 1 9 9 6 1 9 9 9 ，t h ea v e r a g e a n n u a lf l u xo fi n o r g a n i c n i t r o g e nf r o mn o n - p o i n tp o l l u t i o n si n t ol a i z h o ub a yi s 3 4 3 6 7 3t o n sa n di t s p r o p o r t i o nt o t h et o t a lf l u xo ft h e i n o r g a n i cn i t r o g e ni s3 5 8 p e r c e n t t h ep r o p o r t i o no f t h ef l u xo fa m m o n i a n i t r o g e n ，n i t r i t en i t r o g e na n dn i t r a t e n i t r o g e ni n t ol a l z h o ub a yt ot h et o t a lf l u xt h ei n o r g a n i cn i t r o g e nf r o mn o n p o i n t p o l l u t i o n si s9 0 - 1p e r c e n t , 7 1p e r c e n ta n d2 8p e r c e n t ，p e r s p e c t i v e l y k e y w o r d ：n o n p o i n t ， i n o r g a n i cn i t r o g e n ，f i u xt os e a ， x i a o q i n g r i v e rw a t e r s h e d 小清河流域陆源无机氮非点源入海通量研究 0 前言 莱州湾位于渤海南部，水深在1 5 米以内，底质以粉沙和泥沙为主，面积约 占渤海的1 0 ，是我国北方重要的渔场之一。沿岸潮间带为宽阔平地，坡降很小。 受淡水势力的影响。形成了黄、渤海水产资源群系的主要产卵场，主要有小黄鱼、 带鱼、黄姑、河豚等2 0 多种经济鱼类和渤海对虾来此产卵。 近几年由于黄河每年断流并且时间越来越长，致使其来水来沙量大量减少 污染物入海量也随之骤减：而小清河流域由于社会经济的发展速度较快，污染防 治措施力度不够，小清河干流及其支流受纳污水和污染物量逐年增多，又缺乏水 源补充，河水污染极为严重，对莱州湾的污染贡献份额越来越多。小清河流域属 季风气候，丰水期为每年的6 9 月，枯水期为每年的1 0 月至翌年的5 月。由于 汛期降雨的集中。在暴雨期间，小清河径流携带大量的污染物进入莱州湾，对湾 内水质造成严重污染。尤其是无机氮的大量排入，使莱州湾近几年赤潮频频发生。 有资料表明：1 9 9 4 - 1 9 9 8 年丰水期无机氮浓度以莱州湾西南部小清河河口为轴心 由低向东呈舌状分布【l 】，表明近几年来小清河河口的无机氮浓度一直高于其它河 口。这说明小清河是莱州湾的主要无机氮源啪1 3 1 。 小清河在1 9 9 6 年冬开始综合治理工程，到2 0 0 0 年，小清河流域主要排放口 浓度控制排放达标率达到9 5 ，说明点源污染已得到一定程度的控制，但是水质 却没有较大的改观。一方面是由于流域没有达到总量控制的目标，另一方面随着 流域经济作物种植面积的扩大，化肥、农药等的大量施用和近几年水产业的快速 发展，使得非点源问题日益突出。美国等发达国家的研究发现，即使是点源污染 全部实现零排放，河流的达标率仅有6 5 ，湖泊、水库的达标率仅有4 2 ，且 湖泊、水库、河口富营养化主要是来源于非点源污染】。因此小清河流域非点 源无机氮的输入是导致莱州湾赤潮频繁发生的主要原因。为控制莱州湾赤潮发 生，防止其生态环境恶化，为小清河的综合治理和污染控制规划提供科学依据， 必须建立适合该地区的数学模型估算小清河流域非点源无机氮的入海通量。国外 在非点源模型方面已经开展了广泛的研究，但在我国同类研究尚处于起步阶段， 针对沿海流域的非点源污染负荷模型研究更为罕见。 本文在山东省重点基金项目( 莱州湾陆源边界营养盐通量研究) 研究的基础 小清河流域陆源无机氯非点源入海通量研究 上，总结国内外已建立的非点源污染物负荷计算模型，结合小清河流域的资料现 状，建立了一个技术上合理、经济上可行的非点源污染物入海通量计算模型，对 小清河流域陆源非点源无机氮及其各成分入海通量的年际变化及其影响因素进 行了探讨分析。 小清河流域陆源无机氮非点源入海通量研究 i 研究意义、研究现状与研究方法 1 1 研究意义 据统计，1 9 9 6 - 1 9 9 9 年小清河年均受纳2 2 亿吨工业污水和0 8 亿吨生活污 水，并且随着近几年污染尤其是农业非点源污染的加剧，使河水水质日趋恶化， 向莱州湾的排污量也日趋加大，使莱州湾海域营养盐p d 4 一p 、n h + 一n 和 n 0 2 一一n 等值线以小清河河口为轴心呈舌状分布的状况 2 1 。1 9 9 8 年6 月小清河 河口水质调查发现，小清河河口水质已成褐红色，n h 。+ 一n 含量在3 5 帅o i i 以上。田家怡【6 j 利用数学模型估算出每年小清河污染造成的生态环境破坏的经济 损失为2 3 7 7 9 5 5 万元。人类健康影响的经济损失3 7 8 2 3 4 万元，污灌造成的农 业经济损失至少为6 7 1 2 5 2 万元。因此。小清河已成为渤海三大湾之一一莱州湾 的主要污染源。 莱州湾沿岸地区养殖业、盐业及盐化工业等海洋产业发展很快，已经成为山 东最大的养虾和盐业、盐化工基地，我国第二大油田一胜利油田位于该湾西岸。 由于沿岸城镇和工矿企业的高速发展，入海污染物质日益引起人们的关注。近几 年，莱州湾渔业资源日趋枯竭，养殖对虾大批死亡，造成这种状况的原因虽然很 多，但海域环境质量的恶化也是不可忽视的重要原因之一。近年来赤潮的频繁发 生以及暴雨季节小清河河口地区大批生物死亡都与环境污染有直接的关系。自 7 0 年代以来，许多单位曾先后对莱州湾的环境质量进行过调查和研究。总的来 看，莱州湾大面积水域环境质量符合一类海水水质标准，湾内大面积水域水质比 较好。但是，近岸尤其是西南部一些河口附近及其邻近潮间带以及一些港口水域 水质较差，污染比较严重，主要污染物质是c o d 、石油类，其次是无机氮、无 机磷和挥发酚。近年，有机污染呈增长趋势，赤潮发生频度上升，主要水质污染 区域分布示于表i - 1 【7 】，全湾水质污染区域面积近4 0 0 k m 2 ，大约占全湾面积的 5 7 。汛期河口和潮间带水质恶化，曾出现c o d 超标5 倍，石油超标2 8 倍的 高值。 无机氮和无机磷等营养盐类是海洋浮游植物生长、繁殖必须的成分，其浓度 高低可以直接反映海域的营养化程度。从表1 1 也可以看出，无机氮污染主要发 小清河流域陆源无机氮非点源入海通量研究 i 研究意义、研究现状与研究方法 1 1 研究意义 据统计，1 9 9 6 - 1 9 9 9 年小清河年均受纳2 2 亿吨工业污水和0 8 亿吨生活污 水，并且随着近几年污染尤其是农业非点源污染的加剧，使河水水质日趋恶化， 向莱州湾的排污量也日趋加大，使莱州湾海域营养盐p d 4 一p 、n h + 一n 和 n 0 2 一一n 等值线以小清河河口为轴心呈舌状分布的状况 2 1 。1 9 9 8 年6 月小清河 河口水质调查发现，小清河河口水质已成褐红色，n h 。+ 一n 含量在3 5 帅o i i 以上。田家怡【6 j 利用数学模型估算出每年小清河污染造成的生态环境破坏的经济 损失为2 3 7 7 9 5 5 万元。人类健康影响的经济损失3 7 8 2 3 4 万元，污灌造成的农 业经济损失至少为6 7 1 2 5 2 万元。因此。小清河已成为渤海三大湾之一一莱州湾 的主要污染源。 莱州湾沿岸地区养殖业、盐业及盐化工业等海洋产业发展很快，已经成为山 东最大的养虾和盐业、盐化工基地，我国第二大油田一胜利油田位于该湾西岸。 由于沿岸城镇和工矿企业的高速发展，入海污染物质日益引起人们的关注。近几 年，莱州湾渔业资源日趋枯竭，养殖对虾大批死亡，造成这种状况的原因虽然很 多，但海域环境质量的恶化也是不可忽视的重要原因之一。近年来赤潮的频繁发 生以及暴雨季节小清河河口地区大批生物死亡都与环境污染有直接的关系。自 7 0 年代以来，许多单位曾先后对莱州湾的环境质量进行过调查和研究。总的来 看，莱州湾大面积水域环境质量符合一类海水水质标准，湾内大面积水域水质比 较好。但是，近岸尤其是西南部一些河口附近及其邻近潮间带以及一些港口水域 水质较差，污染比较严重，主要污染物质是c o d 、石油类，其次是无机氮、无 机磷和挥发酚。近年，有机污染呈增长趋势，赤潮发生频度上升，主要水质污染 区域分布示于表i - 1 【7 】，全湾水质污染区域面积近4 0 0 k m 2 ，大约占全湾面积的 5 7 。汛期河口和潮间带水质恶化，曾出现c o d 超标5 倍，石油超标2 8 倍的 高值。 无机氮和无机磷等营养盐类是海洋浮游植物生长、繁殖必须的成分，其浓度 高低可以直接反映海域的营养化程度。从表1 1 也可以看出，无机氮污染主要发 ! ：塑塑煎苎堕塑歪垫墨堇生塑垒塑望墨堕塞 生在黄河1 ：2 1 与小清河口附近。根据山东省渔业环境监测站近十年来对莱州湾无机 氮的连续监测资料，可以看出莱州湾无机氮的分布规律( 如图l l 所示) 。图中 列举了1 9 9 4 、1 9 9 5 、1 9 9 6 和1 9 9 8 年丰水期莱州湾无机氮平面分布情况，它们主 表1 - 1 莱州湾主要污染区域位置、污染物种类 主要超标物质范围 位置 c o d石油酚无机氮无机磷 ( k m 2 ) 小清河河口附近 v 1 7 l 旺河河口附近 7 8 淄脉河口附近 v ， 5 2 自浪河( 含弥河) 河口附近 v 2 8 虞河河口附近 x v 3 6 潍河河口附近 ( 1 黄河口附近 v ， 龙口市造纸厂、莱州市 v v 造纸厂等工厂直排口 要有以下两个特点： 1 ) 莱州湾西部浓度高于东部，沿海水域无机氮含量高于中部，海域内无机 氮的最高值集中在小清河河口附近。 2 ) 以莱州湾西南部小清河河口为轴心，无机氮浓度由高至低向东呈舌状分布。 上述两个特点说明了莱州湾无机氮来源主要是小清河携带入海所致。据有 关部门监测，小清河近十年无机氮含量平均达到o 5 6 1 1 1 m o l 1 。近几年来，渤 海赤潮频频发生，造成极大的经济危害和环境危害。1 9 9 8 年8 月，莱州湾发生 大面积赤潮，主要集中在无机氮浓度过高的地区。富营养化水体除了容易发生赤 潮危害渔业外，由于初级生产力过剩，大量的有机物分解使水体缺氧导致水质恶 化对渔业危害也很大。在莱州湾浅海滩涂，由于浮游生物量过高和高温、高p h 值、高n h 4 + 一n ，形成大量非离子氨而出现贝类氨中毒导致大面积死亡的现象 时有发生。在小清河河口及其附近的浅海滩涂是各种鱼类、对虾的产卵和幼鱼、 仔鱼、仔虾索饵肥育的重要场所，严重的水体污染和富营养化对产卵场已造成了 4 ! ：塑塑亟苎堕塑歪墨墨斐皇塑垒塑| 里苎竺窒一 很大的破坏，致使水产资源衰退，物种减少，生态平衡失调。 图l 近年莱州湾汛期无机氮分布规律( m 鲥) 图1 a 莱州湾1 9 9 4 年丰水期无机氟平面分布图1 - b 莱州湾1 9 9 5 年丰水期无机氯平面分布 图l c 莱州湾1 9 9 6 年丰水期无机氪平面分布 图1 - d 莱州湾1 9 9 8 年丰水期无机氪平面分布 本文通过研究小清河流域无机氮陆源非点源的入海通量，为小清河的综合治 理和污染控制规划提供科学依据，为莱州湾乃至渤海海洋环境评估提供重要的边 界条件，为评价渤海营养盐结构的变化及其循环机制和渤海的生态环境的变化提 供依据，也为一系列的海洋生态环境问题的进一步研究奠定基础。因此，对小清 河流域无机氮非点源入海通量的研究不仅具有重要的科学意义，而且有十分重要 的实用价值。 1 2 国内外研究现状 国内学者对无机氮的研究主要集中在无机氮的存在形式、形态转化、分布 特征和在沉积物中的吸附和释放等方面。 刘全友等先后对海河流域土壤中的氮、磷的分布特征及库存量和通量进行了研 5 ! ：塑塑亟苎堕塑歪墨墨斐皇塑垒塑| 里苎竺窒一 很大的破坏，致使水产资源衰退，物种减少，生态平衡失调。 图l 近年莱州湾汛期无机氮分布规律( m 鲥) 图1 a 莱州湾1 9 9 4 年丰水期无机氟平面分布图1 - b 莱州湾1 9 9 5 年丰水期无机氯平面分布 图l c 莱州湾1 9 9 6 年丰水期无机氪平面分布 图1 - d 莱州湾1 9 9 8 年丰水期无机氪平面分布 本文通过研究小清河流域无机氮陆源非点源的入海通量，为小清河的综合治 理和污染控制规划提供科学依据，为莱州湾乃至渤海海洋环境评估提供重要的边 界条件，为评价渤海营养盐结构的变化及其循环机制和渤海的生态环境的变化提 供依据，也为一系列的海洋生态环境问题的进一步研究奠定基础。因此，对小清 河流域无机氮非点源入海通量的研究不仅具有重要的科学意义，而且有十分重要 的实用价值。 1 2 国内外研究现状 国内学者对无机氮的研究主要集中在无机氮的存在形式、形态转化、分布 特征和在沉积物中的吸附和释放等方面。 刘全友等先后对海河流域土壤中的氮、磷的分布特征及库存量和通量进行了研 5 小清河流域陆潭无机氮非点源入海通量研究 究分析，得出海河流域营养盐的分布特征，营养盐的输入和输出特征，并给出计 算营养盐通量的方法，即通量= 输入量一输出量【8 以1 01 ”。戴同顺等对海河流域 灌溉平原氮、磷形态等进行了研列1 2 】。王保栋研究了长江干流营养盐的输送，得 到了长江1 2 1 区的营养盐随季节变化特征和在平面上的分布特征1 1 3 】。叶仙森等以第 二次全国污染基线调查资料为依据，分析了长江口海域硝酸盐分布特征及其成 因。结果表明，本海域硝酸盐分布沿岸高，外海低。长江口内营养盐含量明显偏 高，这主要是长江口径流携带大量沿岸污水进入本区域所致，此海域富营养化程 度较高，一旦外界条件成熟，极易发生赤潮【1 。沈志良分析了三峡工程对长江口 海区营养盐分布变化的影响【1 5 i ，并对1 9 8 6 年长江无机氮来源进行了初步估算i l6 1 ， 认为降水输入量为5 5 8 1 0 4 ，占同年长江输出量的6 2 9 ；氮肥流失输入量为 2 1 3 1 0 4 ，占同年长江输出量2 4 1 ；土壤流失输入量为9 1 1 0 4 t ，占同年长 江输出量的1 0 2 ；点源输入量为5 4 1 0 4 ，占同年长江输出量的6 1 。 在河流向海的营养盐输送量研究方面，国内已经有不少成果。沈志良在对长 江干流营养盐通量的初步研究中，利用回归分析提出无机氮及其各成分的通量公 式【”】。蒋岳文等根据1 9 9 2 年5 月和8 月辽河口水域营养要素的两次实测结果， 讨论了溶解态无机氮( n h 4 + 一n 、n 0 3 一一n 和n 0 2 一一n ) 在辽河口水域的含 量、分布特征、化学特性，并估算了它们的入海通量分别为7 0 8 0 、2 1 6 和5 9 2 0 t a l l 8 。 刘国华等在1 9 9 3 1 9 9 7 年海河水质监测资料的基础上，计算了各污染因子的污染 指数和入海通量，指出海河日。+ 一n 、n 0 2 一一n 和n 0 3 一一n 的入海通量分别 由1 9 9 3 年的3 3 7 、1 5 6 和2 5 1 0 4 七g a 上升到1 9 9 6 年的2 5 1 6 、1 5 2 8 和 1 8 8 1 0 4 培口，而1 9 9 7 年又急剧下降至5 7 2 、3 5 5 和3 1 1 0 4 堙口，并且指出， 污染物入海通量的变化主要受径流量的影响【1 9 l 。 近年来由国际地圈一生物圈计划组织的( i g b p ) 沿海岸带陆海相互作用研 究( 1 a n d - o c e a ni n t e r a c t i o n si nt h ec o a s t a lz o n e ，1 9 9 4 - 2 0 0 0 2 简称l o i c z ) 计划已经 把经河流和河口输向沿岸海洋的物质通量研究列为首要行动目标。这个计划已经 受到各国科学家的重视。美国科学家a l e x a n d e r r b 等根据大西洋沿岸1 0 4 条河 流监测站的资料计算了输入大西洋的n 0 3 一一n ，并探讨了其年变化和季节变化 2 0 1 o 俄国科学家g o r d e e v v v 等讨论了欧亚地区数十条河流营养盐向北冰洋输送 的情况口”。b r o o k e r 和j o h n s o n l 9 8 4 年建 r - j 1 2 条威尔士河流n 0 3 一一n 平均浓 6 小清河流域陵源无机氮非点源入海通量研究 度与年径流量之间的关系，发现其中有七条河流的n 0 3 一一n 平均浓度与河流流 量之间呈正相关关系。e c n e a n d i a 等f 2 2 】利用多元回归方法讨论了l e a 河( 西班牙) n o ，一一n 和n h 。+ 一n 通量与流量的关系。m c y b e c k 估算1 9 8 2 年世界江河中营 养盐的自然本底，得出每年由河流输入沿岸近海的t d n 为1 4 6 1 0 6 t ，其中， d 1 一一n 为4 1 0 6 t ，n h 。+ 一n 为o 5 1 0 6 t ，n 0 2 一一n 为0 0 5 1 0 6 t ，d o n 为 1 0 1 0 6 t 。从以上研究成果可以发现，国内外学者对河流中无机氮入海通量的研 究大多是利用经验相关模型计算无机氮的入海通量，利用数学模型进行定量计算 的较少，对非点源无机氮入海通量的研究更是无人涉及。 1 3 研究方法 根据小清河流域水文、水质资料短缺状况，尤其是次降雨水文、水质同步监 测资料的短缺现状，建立了一个非点源污染物负荷量计算模型。并根据小清河的 常规水文水质监测断面，结合实际的地形和水文地质情况，确定研究区域和研究 断面。利用所建模型分别对研究区域的降雨产流、土壤侵蚀过程进行模拟、计算 研究区域的径流量和泥沙侵蚀量，然后利用污染物子模型计算非点源无机氮的入 海通量，并分析其构成特征及影响因素。在建模过程中，主要使用了以下技术和 手段： 1 水文观测 对于较大的支流，在河流交汇处设常规水文、水质监测断面，委托山东省 水文水资源局监测流量、流速、水位，每年在枯水期( 5 月) ，丰水期( 8 月) ， 平水期( 1 1 月) 对无机氮及其各种形态的浓度各监测一次，为入海通量的计算 以及寻找水文与水质之间的关系及各自的变化规律提供资料。 2 实地调查及取样分析 为了解流域水土污染状况以及流域土地利用方式，2 0 0 2 年5 月2 0 臼至6 月1 0 日在小清河流域的吴家堡断面、黄台断面、湖滨断面、大营断面进行实地 考察，并在其附近的蔬菜地、小麦地、河边裸露地各取土样l 千克以及河水样2 升和污泥样2 千克，进行室内实验分析，主要分析样品中的无机氮及其各成分含 量，以了解流域的土壤氮污染和河水的氮污染状况。 3 室内和野外实验结合分析，确定模型参数 在野外调查的基础上，通过一系列室内实验诸如土壤吸附实验、土壤含水量 实验等确定污染物负荷子模型中的泥沙吸附系数等参数。另外，通过野外实地调 小清河流域陵源无机氮非点源入海通量研究 度与年径流量之间的关系，发现其中有七条河流的n 0 3 一一n 平均浓度与河流流 量之间呈正相关关系。e c n e a n d i a 等f 2 2 】利用多元回归方法讨论了l e a 河( 西班牙) n o ，一一n 和n h 。+ 一n 通量与流量的关系。m c y b e c k 估算1 9 8 2 年世界江河中营 养盐的自然本底，得出每年由河流输入沿岸近海的t d n 为1 4 6 1 0 6 t ，其中， d 1 一一n 为4 1 0 6 t ，n h 。+ 一n 为o 5 1 0 6 t ，n 0 2 一一n 为0 0 5 1 0 6 t ，d o n 为 1 0 1 0 6 t 。从以上研究成果可以发现，国内外学者对河流中无机氮入海通量的研 究大多是利用经验相关模型计算无机氮的入海通量，利用数学模型进行定量计算 的较少，对非点源无机氮入海通量的研究更是无人涉及。 1 3 研究方法 根据小清河流域水文、水质资料短缺状况，尤其是次降雨水文、水质同步监 测资料的短缺现状，建立了一个非点源污染物负荷量计算模型。并根据小清河的 常规水文水质监测断面，结合实际的地形和水文地质情况，确定研究区域和研究 断面。利用所建模型分别对研究区域的降雨产流、土壤侵蚀过程进行模拟、计算 研究区域的径流量和泥沙侵蚀量，然后利用污染物子模型计算非点源无机氮的入 海通量，并分析其构成特征及影响因素。在建模过程中，主要使用了以下技术和 手段： 1 水文观测 对于较大的支流，在河流交汇处设常规水文、水质监测断面，委托山东省 水文水资源局监测流量、流速、水位，每年在枯水期( 5 月) ，丰水期( 8 月) ， 平水期( 1 1 月) 对无机氮及其各种形态的浓度各监测一次，为入海通量的计算 以及寻找水文与水质之间的关系及各自的变化规律提供资料。 2 实地调查及取样分析 为了解流域水土污染状况以及流域土地利用方式，2 0 0 2 年5 月2 0 臼至6 月1 0 日在小清河流域的吴家堡断面、黄台断面、湖滨断面、大营断面进行实地 考察，并在其附近的蔬菜地、小麦地、河边裸露地各取土样l 千克以及河水样2 升和污泥样2 千克，进行室内实验分析，主要分析样品中的无机氮及其各成分含 量，以了解流域的土壤氮污染和河水的氮污染状况。 3 室内和野外实验结合分析，确定模型参数 在野外调查的基础上，通过一系列室内实验诸如土壤吸附实验、土壤含水量 实验等确定污染物负荷子模型中的泥沙吸附系数等参数。另外，通过野外实地调 小清河流域陆源无机氮非点源入海通量研究 查，确定土壤侵蚀模型中的一些参数，诸如作物覆盖因子、侵蚀控制措施因子、 地形因子等参数。 8 小清河流域陆源无机氟非点源入海通量研究 2 研究区概况 2 1 研究区自然地理状况 2 1 1 地理位置 小清河发源于山东省省会济南市，趵突泉、黑虎泉、珍珠泉、五龙潭四大泉 群所汇成的东西泺河是小清河的正源。其干流流经历城、章丘、邹平、高青、桓 台、广饶、寿光，在羊角沟镇东面2 2 公里处注入渤海莱州湾，全长2 3 7 k m ，具 有排水、灌溉、养殖等多种功能。小清河流域位于山东省鲁北平原南部，是省境 内的重要工农业产区，其南依泰沂山峦齐鲁长城，北临黄河，西以玉符河为界， 东濒渤海莱州湾，大小支流共1 5 0 余条，其中较大支流4 0 余条，主要是韩苍、巨 野、绣江、胜利、孝妇、淄河、塌河、乌河及新、老预备河等，大部分分布在南 侧。由于各支流上游山区已修建水库1 3 0 多座，使各支流基本断流成为排污沟。 f 一、 渤i 1 檄憨 i 厂 燎 嗣 ? ”剩m 湾c - 台仲 钕 ，| 产 ， q渊阁刘惫 w 嘎 厂 瓣 临 驴 f 黄 电式 海 料戳： ， 久 、 图2 - 1 小清河流域位置图 流域范围包括济南市( 历下区、天桥区、槐荫区、市中区、历城区、章丘市) 、 滨州地区( 邹平县、博兴县) 、淄博市( 博山区、淄川区、临淄区、张店区、周 村区、桓台县、高青县) 、东营市( 广饶县) 、潍坊市( 青州市、寿光市) ，计5 市( 地) 1 8 个县( 市) 区，流域面积1 0 5 7 2 k m 2 ( 见图2 1 ) ，约占全省的1 1 5 。 9 小清河流域陆源无机氟非点源入海通量研究 2 研究区概况 2 1 研究区自然地理状况 2 1 1 地理位置 小清河发源于山东省省会济南市，趵突泉、黑虎泉、珍珠泉、五龙潭四大泉 群所汇成的东西泺河是小清河的正源。其干流流经历城、章丘、邹平、高青、桓 台、广饶、寿光，在羊角沟镇东面2 2 公里处注入渤海莱州湾，全长2 3 7 k m ，具 有排水、灌溉、养殖等多种功能。小清河流域位于山东省鲁北平原南部，是省境 内的重要工农业产区，其南依泰沂山峦齐鲁长城，北临黄河，西以玉符河为界， 东濒渤海莱州湾，大小支流共1 5 0 余条，其中较大支流4 0 余条，主要是韩苍、巨 野、绣江、胜利、孝妇、淄河、塌河、乌河及新、老预备河等，大部分分布在南 侧。由于各支流上游山区已修建水库1 3 0 多座，使各支流基本断流成为排污沟。 f 一、 渤i 1 檄憨 i 厂 燎 嗣 ? ”剩m 湾c - 台仲 钕 ，| 产 ， q渊阁刘惫 w 嘎 厂 瓣 临 驴 f 黄 电式 海 料戳： ， 久 、 图2 - 1 小清河流域位置图 流域范围包括济南市( 历下区、天桥区、槐荫区、市中区、历城区、章丘市) 、 滨州地区( 邹平县、博兴县) 、淄博市( 博山区、淄川区、临淄区、张店区、周 村区、桓台县、高青县) 、东营市( 广饶县) 、潍坊市( 青州市、寿光市) ，计5 市( 地) 1 8 个县( 市) 区，流域面积1 0 5 7 2 k m 2 ( 见图2 1 ) ，约占全省的1 1 5 。 9 小清河流域陆潭无机氮非点源入海通量研究 流域共拥有7 4 0 万亩耕地( 占全省耕地面积的1 8 ) ，粮食总产量已超过 2 5 5 x 1 0 8 七g 。济南淄博两市的产值已超过l o o x l 0 8 元a 省会城市济南位于小清河 上游，工业重要城市淄博位于中游。新兴石油城东营位于河流下游。我国重要石 油化工基地齐鲁石化总公司及著名的盐场寿光羊口盐场也地处小清河流域。 2 1 2 地形地貌 该流域地形比较复杂，属山丘平原混合型。其中山地丘陵面积占总面积的 4 2 2 ，平原面积占4 7 3 ，湖泊洼地约占1 0 。南部为低山丘陵区，除鲁山海 拔1 1 0 8 m 外，其余均在8 0 0 m 以下。各支流下游至干流之间，主要由山前冲积扇 和黄河冲积平原组成。整个地形南高北低，地面由南向北倾斜，地面坡度由1 5 0 0 逐步减少到1 3 0 0 0 左右( 图2 2 和图2 3 ) 。 图2 - 2 小清河流域地形图 图2 - 3 小清河流域地貌图 l o 小清河流域陆潭无机氮非点源入海通量研究 流域共拥有7 4 0 万亩耕地( 占全省耕地面积的1 8 ) ，粮食总产量已超过 2 5 5 x 1 0 8 七g 。济南淄博两市的产值已超过l o o x l 0 8 元a 省会城市济南位于小清河 上游，工业重要城市淄博位于中游。新兴石油城东营位于河流下游。我国重要石 油化工基地齐鲁石化总公司及著名的盐场寿光羊口盐场也地处小清河流域。 2 1 2 地形地貌 该流域地形比较复杂，属山丘平原混合型。其中山地丘陵面积占总面积的 4 2 2 ，平原面积占4 7 3 ，湖泊洼地约占1 0 。南部为低山丘陵区，除鲁山海 拔1 1 0 8 m 外，其余均在8 0 0 m 以下。各支流下游至干流之间，主要由山前冲积扇 和黄河冲积平原组成。整个地形南高北低，地面由南向北倾斜，地面坡度由1 5 0 0 逐步减少到1 3 0 0 0 左右( 图2 2 和图2 3 ) 。 图2 - 2 小清河流域地形图 图2 - 3 小清河流域地貌图 l o 小清河流域陆源无机氮非点源入海通量研究 2 1 3 地质构造 该流域的地质构造属于华北陆台的一部分。在各支流上游山区，寒武纪和 奥陶纪灰岩分布较广；中游分布着石炭二叠纪地层和侏罗碎屑岩类地层：北部平 原地区为第四系沉积层。在胶济铁路北侧的冲积洪积扇和古河道带，覆盖着较厚 的卵石、砂砾层、富水性强，是山东省地下水资源比较丰富的地区之一。 2 1 4 气象 流域各市、地太阳辐射量在5 1 1 6 5 3 3 8 1 d c m 2 a 。春、夏太阳辐射量较高， 冬季是全年太阳辐射量最少的季节，仅为年总辐射量的1 5 左右。各县( 市) 、 区日照时数约为2 5 4 8 2 2 8 3 2 7 h ( 见附表1 ) ，年日照百分率为5 8 6 2 。春夏 日照时数最长，冬季日照时数最短，为年日照时数的2 0 4 2 0 8 。 该流域年平均气温在1 2 2 1 4 2 之间，其分布特点是：西部高于东部，南 部高于北部，内陆高于沿海，平原高于山区，总的趋势是由东北向西南逐渐递增。 四季平均温度为：冬季( 1 2 2 月) 寒冷、干燥、少雨雪，季平均气温在0 3 2 4 。c ；1 月份最冷，平均温度为1 4 3 7 。春季( 3 5 月) 温度回升较快，气 候干燥少降水，蒸发量大而多春旱，季平均气温在1 1 9 1 4 9 。c 之间，为小清 河的枯水期。夏季( 6 8 月) 天气炎热，湿润多雨，季平均气温在2 4 9 2 6 6 之间；7 月最热，月平均气温在2 6 o 2 7 4 c 。秋季( 9 1 1 月) 为夏冬过渡季 节，降水锐减，天气稳定，时有冷空气南下，温度迅速下降，季平均气温在1 3 3 1 5 1 之间。 该流域无霜期在1 8 9 2 1 8 天之间，以济南市无霜期最长。平均无霜期在 l o 月1 9 日至3 0 日，最晚终霜期在3 月2 4 日至4 月1 8 日之间。 全流域属于亚季风气候区的华北暖温带半湿润大陆性气候，风向具有地方性 特点，盛行西南风和东北风，少东南风和西北风，只有莱州湾西岸的羊角沟风向 与之相反。全流域年均风速3 1 3 7 m s 一。流域年降雪日数8 4 1 1 6 天，冬 季积雪日数为1 4 6 1 8 8 天，最大积雪深度可达1 5 3 5 厘米，年平均空气相对湿 度在5 8 6 7 之间。 年蒸发量在1 0 2 0 8 2 4 1 7 4 m m ，图2 - 4 所示的是1 9 9 9 各月蒸发量变化图， 从图中可以看出，年内蒸发量的变化趋势，即从一月份开始增加，到5 、6 月份 小清河流域陆源无机氮非点源入海通量研究 2 1 3 地质构造 该流域的地质构造属于华北陆台的一部分。在各支流上游山区，寒武纪和 奥陶纪灰岩分布较广；中游分布着石炭二叠纪地层和侏罗碎屑岩类地层：北部平 原地区为第四系沉积层。在胶济铁路北侧的冲积洪积扇和古河道带，覆盖着较厚 的卵石、砂砾层、富水性强，是山东省地下水资源比较丰富的地区之一。 2 1 4 气象 流域各市、地太阳辐射量在5 1 1 6 5 3 3 8 1 d c m 2 a 。春、夏太阳辐射量较高， 冬季是全年太阳辐射量最少的季节，仅为年总辐射量的1 5 左右。各县( 市) 、 区日照时数约为2 5 4 8 2 2 8 3 2 7 h ( 见附表1 ) ，年日照百分率为5 8 6 2 。春夏 日照时数最长，冬季日照时数最短，为年日照时数的2 0 4 2 0 8 。 该流域年平均气温在1 2 2 1 4 2 之间，其分布特点是：西部高于东部，南 部高于北部，内陆高于沿海，平原高于山区，总的趋势是由东北向西南逐渐递增。 四季平均温度为：冬季( 1 2 2 月) 寒冷、干燥、少雨雪，季平均气温在0 3 2 4 。c ；1 月份最冷，平均温度为1 4 3 7 。春季( 3 5 月) 温度回升较快，气 候干燥少降水，蒸发量大而多春旱，季平均气温在1 1 9 1 4 9 。c 之间，为小清 河的枯水期。夏季( 6 8 月) 天气炎热，湿润多雨，季平均气温在2 4 9 2 6 6 之间；7 月最热，月平均气温在2 6 o 2 7 4 c 。秋季( 9 1 1 月) 为夏冬过渡季 节，降水锐减，天气稳定，时有冷空气南下，温度迅速下降，季平均气温在1 3 3 1 5 1 之间。 该流域无霜期在1 8 9 2 1 8 天之间，以济南市无霜期最长。平均无霜期在 l o 月1 9 日至3 0 日，最晚终霜期在3 月2 4 日至4 月1 8 日之间。 全流域属于亚季风气候区的华北暖温带半湿润大陆性气候，风向具有地方性 特点，盛行西南风和东北风，少东南风和西北风，只有莱州湾西岸的羊角沟风向 与之相反。全流域年均风速3 1 3 7 m s 一。流域年降雪日数8 4 1 1 6 天，冬 季积雪日数为1 4 6 1 8 8 天，最大积雪深度可达1 5 3 5 厘米，年平均空气相对湿 度在5 8 6 7 之间。 年蒸发量在1 0 2 0 8 2 4 1 7 4 m m ，图2 - 4 所示的是1 9 9 9 各月蒸发量变化图， 从图中可以看出，年内蒸发量的变化趋势，即从一月份开始增加，到5 、6 月份 ! ：煎塑鎏堡堕塑歪墨墨斐塞塑垒查望苎堕塑 达到最大值，随后逐渐减少。与降水量相比蒸发量的年内最大值往往要比降水的 最大值来得早。一般要早l 2 个月。这是研究区的气候特点决定的。 1 6 0 1 2 0 一 虽 捌8 0 裂 蟪 4 0 0 lz345b，891 0l ll z 时间( 月) 图2 - 41 9 9 9 年小清河流域各月蒸发量变化图 流域全年降水量在5 5 0 7 0 8 m m 之间，接近于全省多年平均降水量7 1 0 m m 的水平，降水量年际变化很大，年内分配不均。流域年最大降水量1 1 4 1 6 m m ( 1 9 6 4 年) ，平均年最小降水量为3 9 7 o m m ( 1 9 6 8 ) ，年最大降水量为年最小降水量的 2 9 倍，年际变率达2 9 ，c ，值为o 2 4 。多年平均6 9 月份降水量占年降水量的 7 3 5 ，7 8 月份占年降水量的5 1 4 。年降水量在区域上的分布是南部大于北 部， 1 0 0 0 8 0 0 3 6 0 0 删 差4 0 0 2 0 0 0 1 9 8 01 9 8 31 9 8 61 9 8 91 9 9 21 9 9 5 1 9 9 8 时间( 年) 图2 - 51 9 8 0 - 1 9 9 9 年小清河流域年降雨量变化图 上游大于下游( 1 9 8 0 至1 9 9 9 年月降水量列与附表2 中) ，淄博市石马水库以南 大于7 5 0 r n m ，而邹平、桓台、广饶以北，小于6 0 0 m m ，其它地区在6 0 0 7 0 0 m m 。 流域降水丰枯交替，周期变化明显。图2 5 所示的是1 9 8 0 1 9 9 9 年小清河流域年 降水量变化图。根据流域上游济南市8 3 年长系列( 1 9 1 6