随着点源污染控制的不断完善，面源污染已逐渐成为城市水体水质恶化的重要因素^[1]. 研究表明，暴雨产生的径流对地表有强烈的冲刷作用，是非点源污染的主要动力^[2]. 降雨强度的增大会导致流域氮素和泥沙的平均流失速率上升^[3]，引起的总磷流失占其雨季输出的81%^[4]. 杭州西湖作为我国著名的世界文化景观遗产，其水体仍处于轻度富营养化状态，流域内林地、 茶园等主要的红壤土层薄且疏松，极易受雨水冲刷淋溶而释出污染物，其地表径流已成为钱塘江引水外西湖入湖污染物的最大来源^[5]. 目前，西湖富营养化问题的研究大多集中于湖泊内源污染及引水水体本身的水质等，而对于入湖溪流及其流域对西湖水质影响的研究较少^{[6，7，8，9]}. 人工模拟暴雨虽然可较好地研究土壤特征、 管理措施、 降雨时长等因素对降雨径流中污染物流失的影响规律^{[10, 11]}，但人为模拟条件与自然降雨状态在降雨属性方面存在很大差异，难以准确反映流域尺度下暴雨径流中营养盐的输出情况^[12]. 本研究通过对西湖入湖溪流之一的龙泓涧流域外鸡笼山集水区在自然暴雨条件下的实时监测，探讨不同暴雨降雨条件下氮磷的流失特征，以期为西湖流域非点源污染控制提供科学依据.

西湖景区现有金沙涧、 龙泓涧、 赤山泉、 长桥溪等入湖溪流，流域面积约27.2 km². 龙泓涧流域位于景区西部(30°13′N，120°06′E)，地势西高东低，为丘陵小流域，海拔高度6~276 m(如图 1). 流域属于亚热带季风性湿润气候，年均气温16.5℃，降雨主要集中在4~9月，多年平均降雨量1454.4 mm. 基于龙泓涧数字高程模型(digital elevation model，DEM)和实地调查，将龙泓涧流域分为里鸡笼山集水区和外鸡笼山集水区. 如图 2所示，运用西湖流域1 ∶10000地形图并结合Google Earth影像分析^[13]和实地调查获得外鸡笼山集水区面积为2.82 km²，其中林地2.22 km²，茶园0.41 km²，居住地0.18 km²，其他0.01 km². 流域内茶园每年定期施肥两次，第1次施肥在3月下旬至5月下旬，主要为复合肥1100 kg ·hm^-2； 第2次为秋季深耕施肥，于10月至11月施入有机肥8000 kg ·hm^-2.

图 1

Fig. 1

图 1 龙泓涧流域位置示意 Fig. 1 Location of Longhong ravine watershed area

图 2

Fig. 2

图 2 龙泓涧流域土地利用类型分布示意Fig. 2 Land use types of the Longhong ravine watershed area

降雨数据采用浙江省水雨情信息展示系统中离研究区域最近的梅家坞监测站(站号70156450)为实时降雨量数据的来源(http://www.zjsq.net.cn:8010/webwarn/). 外鸡笼山集水区没有任何工业污染源，地表径流汇集后从同一出水口流出，因此出水口处的水质状况可以代表该流域的非点源污染状况. 在外鸡笼山出水口设置表面经光滑处理的薄壁矩形堰(长1.5 m、 深0.5 m)以保证对自然水流无较大影响，同时在监测断面放置水位自动监测仪实时记录水位变化，通过计算获得实时径流流量.

在降雨开始时的前2 h每隔0.5 h采集瞬时水样一次，其后每隔1 h采样直至降雨结束，并根据降雨强度和时长适当调整采样频次. 所有径流样品经酸化后置于便携式储柜中，按照文献^[14]分析其TN、 NO₃^--N、 NH₄⁺-N、 TP等含量.

次降雨径流中污染物的平均浓度(EMC)可以用来表示次降雨径流的污染状况^{[15, 16]}. 其值用污染物总通量同径流总量的比值来确定:

其中：

采用K-S方法检验数据的正态分布性，以满足Pearson相关分析的数据统计假设，数据统计分析采用SPSS 19.0进行.

于2014年7月~2015年7月全年实地观测的15次自然降雨事件中，选取2014年最后一次暴雨(编号为2014/9/22)、 2015年首场暴雨(编号为2015/4/6)及研究期内最强降雨(编号为2015/6/7)等3场暴雨为考察对象. 其中2014/9/22受2014年第16号台风"凤凰"的影响降雨雨量大、 历时长； 2015/4/6降雨为杭州入降雨期以来的首场暴雨，其降雨比较集中且降雨强度大； 2015/6/7次降雨为春茶结束施肥后的首场特大暴雨. 表 1和图 3分别显示了这3场不同降雨条件下，龙泓涧雨量、 雨强、 径流等主要降雨特征值的实时变化.

表 1(Table 1)

表 1 三场降雨的特征值 Table 1 Characteristics of three rainfalls 降雨编号 降雨量/mm 降雨历时/h 最大雨强/mm ·h-1 平均雨强/mm ·h-1 监测次数/次 前5日降雨量/mm 2014/9/22 87.5 32 7 2.73 44 53 2015/4/6 72.2 19 15 3.8 22 39 2015/6/7 141.5 43 16.5 3.72 55 22

表 1 三场降雨的特征值 Table 1 Characteristics of three rainfalls

龙泓涧径流的变化主要受降雨特征的影响，由图 3可知：① 3场降雨事件都有多个雨强峰值，径流曲线相应显示多个峰值，并且在降雨峰值后径流量都有明显增大，显示了雨强对径流的决定作用，符合径流的峰值一般出现在最大雨强之后的一般规律^[20]； ②2014/9/22降雨事件径流的最大峰值出现在雨强峰值后3h，峰值流量为1.29 m³ ·s^-1，而后两次降雨事件径流最大峰值出现在雨强峰值后1 h，峰值流量分别为1.15 m³ ·s^-1和1.97 m³ ·s^-1，其中2015/4/6和2014/9/22两次降雨事件前5 d的降雨量相差不大，这表明径流峰值延滞于雨强峰值的时间与当次雨情相关密切. 2014/9/22次降雨雨强呈多峰型缓慢增强，而另两次降雨的强降雨集中在降雨前期，土壤水分迅速饱和，入渗率迅速降低^[21]，形成超渗产流^{[22, 23]}，所以在降雨后期一旦雨强再次变大，径流量则呈现出直线上涨的趋势，因此径流峰值也在降雨峰值后迅速产生，这与其他流域有相似的特征^{[24, 25]}.

图 3

Fig. 3

图 3 三场降雨强度及径流量变化Fig. 3 Real-time changes of rainfall intensity and runoff during three rainfalls

影响非点源污染物排放的因素很多，包括前期降雨量、 降雨特征、 土地利用方式、 下垫面等，而径流中污染物浓度取决于降雨径流量、 施肥量、 降雨间隔时间等因素^[26]. 图 4为不同降雨条件下龙泓涧营养盐浓度随径流量的持续变化情况，表明各水质指标在降雨初期随着暴雨径流对流域内不透水路面^[27]、 林地、 茶园等透水路面^{[28, 29]}的冲刷、 浸提等效应影响呈现较明显增大.

图 4

Fig. 4

图 4 营养盐浓度随径流量的变化Fig. 4 Variation of nutrient concentrations during tree runoffs

2015/6/7次降雨总氮和硝态氮的浓度在降雨开始后呈波浪形缓慢增长，而另两次降雨总氮和硝态氮在降雨开始后迅速达到浓度峰值，这主要是由于这两次降雨事件前期降雨量多，土壤含水量多，降低了水分的入渗率，因此通过径流流失的硝态氮就多^[30]. 进入涨水阶段，总氮和硝态氮浓度呈现出波浪型增长的趋势，主要是由于3场降雨事件雨量较大，使得降雨的浸提作用和稀释作用交替变化. 随着径流量的不断增大，总氮和硝态氮浓度在径流峰值后都有一个明显下降，随后又产生一个明显的浓度峰值，这是因为在径流峰值时径流的稀释作用占主导地位^[31]，而后由于径流减少，滞后的壤中流占比增加，而壤中流硝态氮含量相对较高^[32]，使得总氮和硝态氮浓度有不同程度的上升. 图 4中2015/6/7次降雨中总磷和氨氮的峰值浓度要明显大于其他两次降雨事件，并且在降雨初期出现了氨氮浓度比硝态氮浓度高的现象. 经调查发现这主要是由于龙泓涧流域的茶园每年会在春茶结束后的5月施有机肥，而2015年5月降雨量又偏少，只有107.5 mm，因此2015/6/7的大暴雨事件在降雨初期对氮磷的浸提作用非常明显，使得总磷和氨氮的含量迅速增大，而随后在径流的稀释作用下迅速下降.

图 5进而显示了3场降雨事件的氮磷累计负荷曲线和雨水初期冲刷效应的关系，如图所示M(V)曲线与对角线垂向距离越远说明初期冲刷效应越明显，结果表明各降雨条件下总磷和氨氮的初期冲刷作用最明显，而总氮和硝态氮的初期冲刷作用不明显. 这主要是因为降雨初期暴雨对地面的冲刷作用，使得泥沙等悬浮物在降雨初期大量进入地表径流，而磷素的流失以泥沙吸附的颗粒态磷为主^[33]，氨氮主要吸附于土壤颗粒表面进行输移^[34].

图 5

Fig. 5

图 5 氮磷累积负荷累积曲线 Fig. 5 Cumulative load curves of nitrogen and phosphorus

3场暴雨径流的次降雨径流平均浓度(EMC)如图 6所示，各污染物浓度指标中总氮和硝态氮的最高值在2015/4/6事件中产生，并且2014/9/22和2015/4/6降雨事件总氮和硝态氮的EMC要明显大于2015/6/7次降雨事件，主要是由于这两次降雨事件的前期降雨量都比较大，土壤湿润，降雨对土壤中氮的浸提作用比较明显^[35]，且前两次降雨特征(最大雨强、 降雨量、 径流量、 径流时间、 降雨时间)都没有2015/6/7次降雨事件大. 如表 2所示，通过SPSS19软件对3次暴雨事件中各污染物EMC与降雨特征进行Pearson相关性分析，表明3次暴雨事件中各形态氮素的EMC值与降雨量、 降雨历时、 最大雨强和平均雨强负相关，与前5 d降雨量表现为正相关，而总磷则与之相反，这与其他研究有相似的结果^{[36, 37]}； 总磷EMC的最大值出现在2015/6/7次降雨事件，主要是因为前期施肥以及龙泓涧流域土壤的持磷效果差^[38]，磷素随雨水迅速进入径流中.

图 6

Fig. 6

图 6 氮磷EMC值 Fig. 6 EMC values of nitrogen and phosphorus

表 2(Table 2)

表 2 各形态营养盐EMC与降雨特征的相关系数 Table 2 Correlative coefficients between EMC of different nutrient concentrations and characteristics of three rainfalls 降雨量 降雨历时 最大雨强 平均雨强 前5 d的降雨量 总磷 0.526 0.193 0.995 0.952 -0.944 总氮 -0.994 -0.968 -0.347 -0.139 0.708 硝态氮 -0.975 -0.833 -0.633 -0.454 0.899 氨氮 -0.771 -0.491 -0.913 -0.805 1.000

表 2 各形态营养盐EMC与降雨特征的相关系数 Table 2 Correlative coefficients between EMC of different nutrient concentrations and characteristics of three rainfalls

由表 3各污染物迁移通量发现，总氮和硝态氮的迁移通量都与径流深有很好的相关性，Pearson分析显示，总氮和硝态氮与径流深的相关性分别达到了0.998和0.992，而总磷和氨氮与径流深的相关性相对较差，分别为0.968和0.913，说明不同强度降雨事件中总氮和硝态氮受径流深的影响很大大，而总磷和氨氮除受降雨条件的影响外还受前期施肥量和土壤特性的影响. 在各种氮素中，可溶性的硝态氮占总氮的比例最大，为84%.

表 3(Table 3)

表 3 氮磷迁移通量对比Table 3 Comparison of transport fluxes of nitrogen and phosphorus 事件 径流深/mm 迁移通量/g ·hm-2 总磷 总氮 硝态氮 氨氮 2014/9/22 16.63 17.51 1066.18 929.50 56.42 2015/4/6 9.63 17.16 694.94 554.76 28.10 2015/6/7 30.04 67.62 1825.53 1535.60 72.62 均值 20.54 34.10 1195.55 1006.62 52.38

表 3 氮磷迁移通量对比 Table 3 Comparison of transport fluxes of nitrogen and phosphorus

(1)暴雨雨强的特性对龙泓涧径流曲线峰值和形状具有决定作用，对于强降雨主要集中在降雨前期的事件，在降雨中后期产生的径流峰值滞后于雨强峰值的时间就较短.

(2)次降雨径流事件的初期冲刷效应受前期降雨量的影响较大，前期降雨量越少，总磷和氨氮的初期冲刷效应越明显； 对于暴雨事件，在径流退水阶段，高浓度硝态氮的壤中流会使径流中总氮和硝态氮再产生一个浓度峰值.

(3)3次暴雨事件中各形态氮素的EMC值均与降雨量、 降雨历时、 最大雨强和平均雨强负相关，与前5日降雨量表现为正相关，而总磷的EMC值与氮素有相反的特征.

(4)各氮素和总磷的迁移通量都随降雨量的增大而增大，总磷、 总氮、 硝态氮和氨氮的平均迁移通量分别为34.10、 1195.55、 1006.62和52.38 g ·hm^-2，总氮和硝态氮的迁移通量与径流深有很好的相关性，相关系数分别达到0.998和0.992，硝态氮占到总氮的84%.