2022, Vol. 43
2. 中国科学院生态环境研究中心环境模拟与污染控制国家重点联合实验室, 北京 100085;
3. 吉林建筑大学市政与环境工程学院, 长春 130118;
4. 中国科学院生态环境研究中心水污染控制实验室, 北京 100085;
5. 中国科学院大学, 北京 100049
2. State Key Joint Laboratory of Environment Simulation and Pollution Control, Research Center for Eco-Environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100085, China;
3. School of Municipal and Environmental Engineering, Jilin Jianzhu University, Changchun 130118, China;
4. Laboratory of Water Pollution Control, Research Center for Eco-Environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100085, China;
5. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
河岸带是沿河流、湖泊和水库等分布的、介于水生态系统和陆地生态系统之间的区域; 具有一定宽度, 且和周边基质不同, 包括护岸、河漫滩和植被缓冲带等[1, 2].独特的空间结构与要素决定了河岸带能够抵御一定程度的外来干扰, 并可通过一系列物理、化学和生物过程(如吸附、沉淀、植物吸收转化和微生物反硝化作用等)截留地表径流中的营养物, 维持自身和河流生态系统的动态平衡[3, 4].河岸带截留转化非点源污染一直是河岸带生态系统的研究重点, 并在植被对营养物的吸收和转化方面取得了一些研究进展.Peterjohn等[5]的研究认为河岸带总体可滞留80%以上的N和P, 且不同植被类型对C、N和P等具有不同截留率.Records等[6]的研究综述了河岸带中的P动态变化, 发现不同的植被类型存在较大差异, 并建议综合不同植被类型对河岸带进行完整性管理.Omidvar等[7]的研究应用Meta分析发现, 河岸带的植被恢复使得土壤TN显著增加; 且不同植被类型对N的影响不同, 林地可能更有效地保留土壤中的NO3--N.河岸带植被可有效削减径流污染已成共识, 但不同降雨条件对河岸带净化效果的影响尚认识不足.例如, Maître等[8]的研究认为雨水对河岸带地下水NO3--N有显著的稀释效果; Dupas等[9]的研究通过分析河岸带P的季节性释放机制, 发现河水P浓度升高时段与夏季汛期来临时间相吻合.城市河流因频繁的人类活动干扰和复杂的生产生活需求, 其河岸带生态系统结构类型和生态服务功能与自然河流存在巨大差异[10].例如, 受周边土地利用限制, 城市河岸带宽度较窄, 坡度较大; 为河道行洪安全, 修筑防洪堤或防洪挡墙等[11].因此, 探讨在不同降雨条件下城市河流不同河岸带生态系统结构特征对地表径流污染的削减影响, 可为削减城市河流岸边带面源污染提供依据.
北运河是北京市城区主要的防洪和排水河道, 是《北京城市总体规划(2016年-2035年)》城市河湖水系绿色生态廊道的重要组成部分[12, 13].自2000年开始, 北京市为改善水环境质量, 实施了一系列控源截污和污染减排等工程措施, 点源污染已得到有效控制, 北运河水环境质量明显好转[12~16], 但面源污染对北运河水环境质量的影响日益凸显.荆红卫等[17]的研究对北运河水系主要干支流污染源分析发现, 降雨地表径流、生活源和农业源等面源污染是影响北运河水质达标的重要污染源.辛苑等[18]的研究监测了2019年3场强降雨, 发现雨后北运河沙河水库水质指标浓度增加, 面源污染是影响汛期北运河水质的主要原因.北运河是典型城市河流, 本文选择北运河上游支流南沙河和北沙河的河岸带为研究对象, 考察其生态系统结构类型, 并选择典型区域开展河岸带面源污染防控工程试验, 分析不同降雨条件下河岸带对径流污染物的截留净化效果, 以期为北运河水环境质量改善提供科技支撑.
1 材料与方法 1.1 研究区域南沙河和北沙河是北运河上游两大主要支流, 流域面积分别为263 km2和597 km2; 地处半干旱大陆性季风气候, 四季分明, 降雨集中在夏季[19].作为典型的城市河流, 受河流周边复杂的人类活动如城镇的园林绿化、道路建设和水利防洪设施等的干扰, 南沙河和北沙河建设有防洪堤, 防洪堤均为硬质路面, 兼道路功能, 研究区域南、北沙河面源污染主要为堤防路的路面径流.本研究河岸带以堤防路至河道水陆交错面为研究范围, 经调研, 研究区土地利用类型以林地和草地为主, 其中林地与防洪堤海拔相同, 河岸带边坡植被类型以草地为主(图 1).根据河岸带结构及植被类型组合, 河岸带生态系统分为以下2种类型: Ⅰ型为防洪堤-挡墙-林地-草地, 该类型河岸带为防洪安全, 防洪堤设置挡墙, 挡墙底部每隔约10 m布设1个雨水口(长×宽=20 cm×20 cm, 厚度和挡墙相同), 道路(宽约10 m)面源经雨水口进入边坡, 形成“面源转点源”特征.Ⅱ型为防洪堤-林地-草地, 该类型河岸带无防洪挡墙.南沙河北岸(NB)和北沙河南岸(BN)均为Ⅰ型河岸带, 南沙河南岸(NN)为Ⅱ型河岸带(图 1).
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图 1 研究区域采样点分布示意 Fig. 1 Map of sampling sites in Shahe Reservoir |
本研究选择沙河水库入库NN、NB和BN河岸带各1 km开展河岸带面源污染防控工程试验, 具体位置如图 1所示.在各施工河岸段选取3个大样方, 每个大样方由2个重复小样方组成.每个小样方从防洪堤至河岸水陆交错带纵向设置三道径流样品采集装置, 用于收集汛期雨水径流样品(图 2).根据河岸带类型不同, Ⅰ型河岸带第一道样品收集布设于雨水口下方, 为降低雨水径流的冲刷效应, 在雨水口下方设置以砾石和碎石等为主要填料的滞留池(长×宽×深=1 m×1 m×0.4 m); Ⅱ型河岸带第一道样品收集紧邻道路后采用围挡围栏样方的方式, 布设于样方出水口处, 样方面积与Ⅰ型河岸带雨水口汇水面积相同.第二道样品收集布设于坡面约10~15 m的位置处, 设置原则以径流流经该处代表性植被的下方, 第三道布设于河岸水陆交错带.
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图 2 试验布设示意和现场 Fig. 2 Trial layout diagram and trial site |
第一道样品收集装置处同时布设远传式流量计(型号: ZY-WLG-02, 北京泽源伟业环保科技有限公司)对进入河岸带的降雨径流量进行实时监测, 采集频率为5 min·次-1.该监测设备主要由侧板槽、渗排板、计量堰和远传式流量计及设备安全防护设施组成.水流自雨水口流入侧板槽, 经渗排板过滤水流中的枯枝落叶等垃圾后流入导管, 后进入2 L的取样桶, 取样桶内放置悬浮自封盖, 满桶封盖后进入取样井, 取样井壁钻孔与周边土壤连通, 防止水流满井后溢出形成冲刷.第二道按照现状坡降比, 设置砾石填料截流沟(长×宽×深=10 m×0.25 m×0.1 m), 填料上栽植当地植物, 称为植草沟; 沟内设置导管连接2 L的取样桶, 径流经植草沟汇集导入取样桶.第三道布设半圆PVC管导流至2 L的取样桶.具体试验布设如图 2所示.
由图 1和表 1可以看出, Ⅰ型河岸带(防洪堤-挡墙-林地-草地)林地平均长度为(3.91±1.74)m, 面积较小, 边坡呈现“坡短坡陡”特点.该类型河岸带边坡主要承接堤防路面径流.NB和BN河岸带各1 km设置3个宽20 m的大样方(NB1、NB2、NB3和BN1、BN2、BN3), 每个大样方由2个宽10 m的重复小样方组成, 在雨水口、植草沟和坡底各设置1道样品收集桶, 收集雨水径流样品.相比Ⅰ型河岸带, Ⅱ型河岸带(防洪堤-林地-草地)林地平均长度为(27.50±2.29)m, 面积较大, 边坡呈现“坡长坡缓”特点.路面径流经林地后进入边坡.NN河岸带1 km设置3个宽20 m的大样方(NN1、NN2和NN3); 因该类型河岸带无挡墙雨水口设置, 故仅在NN1样方采用围挡围栏1个小样方(长×宽=10 m×10 m), 用于第一道雨水收集.其余设置与Ⅰ型相同.
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表 1 河岸带信息表 Table 1 Information of terrestrial plants in the trial zone |
1.3 监测及采样 1.3.1 河岸带植物调研
本研究对各大样方选择样带和样方法进行河岸带植物调研, 样带从河流沿岸以垂直于河岸线方向设置.陆生植物每条样带宽20 m, 根据堤防路到河道距离设置调查和采样样方, 样带内样方数为6~9个.乔木层和灌木层植物调查样方为5 m×5 m, 草本层植物调查样方为1 m×1 m.记录样方内所有植物的种名、株数、平均高度和盖度等数据.
1.3.2 降雨及次降雨径流监测沙河水库区域降雨信息通过沙河水库现场安装的雨量计(型号QS-3000, 邯郸开发区清易电子科技有限公司)获得, 采集频率为5 min·次-1[20].进入河岸带的次降雨径流信息通过远传式流量计(型号: ZY-WLG-02, 北京泽源伟业环保科技有限公司)获得, 采集频率为5 min·次-1.本研究以2020年8月降雨为监测对象, 将两个降雨时段间隔不超过6 h的视为同一场降雨[21], 次累积降雨量(mm)为一场降雨的总降雨量, 降雨历时(h)为从降雨开始至结束所经历的时间, 平均降雨强度(mm·h-1)为一场降雨量与降雨历时之比[22], 最大降雨强度[mm·(5 min)-1]为采集频率下的最大降雨量, 瞬时降雨强度[mm·(5 min)-1]为采集频率下的降雨量[20]. 2020年8月1日至31日共监测到7场降雨, 次降雨特征如表 2所示.
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表 2 2020年8月7场降雨特征 Table 2 Characteristics of the seven rainfalls in August 2020 |
根据中国气象局《降水等级标准》(GB/T 28592-2012), 将监测期次降雨按照降雨量大小划分为小雨(0.1~9.9 mm)、中雨(10~24.9 mm)、大雨(25~49.9 mm)、暴雨(50~99.9 mm)和大暴雨(100~249.9 mm)这5种类型. 2020年8月1~31日共监测小雨、暴雨和大暴雨各1场, 中雨和大雨各2场, 其中8月的2、8和9日(上旬)降雨强度大, 历时短; 8月12日(中旬)降雨强度大, 历时长, 为本年度北京市主汛期的最大强降雨, 降雨量达193.4 mm; 8月的18~31日(下旬), 降雨强度减小, 历时变长(表 2和图 3).
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图 3 2020年8月沙河水库区域降雨情况 Fig. 3 Rainfall events of Shahe Reservoir area in August 2020 |
本研究以2020年8月7场降雨径流为测试对象.采用500 mL聚乙烯塑料瓶采集三道取样桶内样品, 采集前对桶内样品充分搅动, 保证桶内悬浮物分布均匀.取样后, 将空桶放回取样井内, 共采集252个样品.样品4℃冷藏保存, 24 h内返回实验室并完成指标测定.
测定的水质指标包括电导率(Cond)、悬浮物(SS)、化学需氧量(COD)、总氮(TN)、氨氮(NH4+-N)、硝酸盐氮(NO3--N)、总磷(TP)、溶解性总磷(DTP)和磷酸盐(PO43--P), 其中Cond采用多功能水质检测仪(HQ43d, 德国WTW)现场测定, SS采用重量法测定, COD采用分光光度法(DR2800, 美国HACH)测定, 其余指标采用连续流动注射分析仪(SAN++, 荷兰SKALAR)测定; 溶解态污染物需将水样经0.45 μm滤膜(Millipore, USA)过滤后再行测定.
1.4 数据分析数据采用Excel 2016和SPSS 17.0进行统计分析, Origin 9.0 (OriginLab, USA)和Gephi 0.9.2制图.
为全面、准确地描述河岸带植物状况, 本研究对样方植物乔木层、灌木层和草本层分别计算Berger-Parker优势度指数(d), Shannon-Wiener多样性指数(H′)和Simpson多样性指数(D)[23].计算公式如下:
Berger-Parker优势度指数:
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Shannon-Wiener多样性指数:
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Simpson多样性指数:
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式中, S为物种数目, N为所有物种的个体数之和, ni为第i个种个体数量, 
以河岸带坡长、坡度、植物总盖度, 草本层Berger-Parker优势度指数(d)、Shannon-Wiener多样性指数(H′)、Simpson多样性指数(D), 次累积降雨量、降雨历时、平均降雨强度、最大降雨强度、雨水口径流量和雨水口径流出现时间等降雨和径流特征与Cond、SS、COD、NH4+-N、NO3--N、TN、PO43--P和TP等8项水质指标为原始数据矩阵, 采用Pearson相关分析计算河岸带类型、降雨特征和径流污染的相关性.
2 结果与讨论 2.1 河岸带的植物群落结构特征河岸带区域是一个动态的水陆交错带生态系统, 植被是其中一个重要且高度多变的要素.河岸带植物类型和空间组合方式受干扰因素较多, 降雨径流侵蚀和营养物沉积的局部差异是增加已建成群落植物类型的复杂性和多样性的重要自然因素之一[24].此外, 人为活动对土地利用类型的改变是对城市河流生态环境最大的扰动.识别和分类河岸植被带结构特征是研究河岸带生态系统服务功能的基础[25].已有研究表明, 河岸带植物类型和结构对污染物截留效果有较大影响[4, 7, 24~26].河岸物理形态和植物群落调研结果显示(表 1和表 3), 沙河水库入库河岸带乔木层植物Berger-Parker指数d为0, 优势度极高[27], 基本为园林绿化品种. Ⅰ型河岸带堤防路同时作为交通道路使用, 乔木层以体型高大的毛白杨和银杏物种居多; 河岸植被总盖度低, 草本层盖度最低仅为5.40%; 因边坡短且陡, 人为活动较少, 草本层以野生物种居多, 多样性高[28].Ⅱ型河岸带堤防路后为较大面积林地, 是居民夏秋季消暑钓鱼的优先去处, 故乔木层观赏性质的垂柳物种较多; 边坡长且缓, 植被总盖度为71.72%, 大于Ⅰ型(54.74%), 草本层盖度高(29.16%), 但多样性低, Shannon-Wiener指数H′为1.18.
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表 3 河岸带植物多样性指数 Table 3 Diversity index of plants in the trial zone |
2.2 降雨径流和污染特征
2020年8月降雨期间, 河岸带边坡径流量连续在线监测结果显示(图 4), 以NB为代表的Ⅰ型河岸带在7场降雨中, 当次累积降雨量分别达到约18.6、20.2、13.2、23.4、8.4、8.8和5.8 mm时, 第一道雨水口开始有径流产生; 从开始降雨到发生雨水口径流历时分别为15、40、60、150、20、250和400 min, 雨水口的径流量峰值和瞬时降雨强度峰值相差时间在5~10 min内. 8月的2、8和9日三场降雨的平均降雨强度分别为37.6、40.4和42.1 mm·h-1, 雨水口径流发生趋势均为单峰型. 8月12日平均降雨强度为16.12 mm·h-1, 雨水口径流发生趋势呈现三峰型. 8月的18日和24日两场降雨的平均降雨强度分别为3.89 mm·h-1和3.18 mm·h-1, 雨水口的径流发生趋势均为双峰型.与前三场降雨径流单峰型不同的是, 8月31日径流持续时间仅25 min, 雨水口径流发生趋势为单峰型, 而8月31日之前三场降雨的雨水口径流持续时间均高于60 min.径流发生前的降雨强度明显影响径流发生和持续的时间, 径流发生前的降雨强度越大, 径流发生时间所需的时间越小, 其持续时间也较长, 该趋势和降雨产汇流过程趋势一致, 降雨强度越大, 地面径流形成越快, 其雨水口径流发生也更快[29].
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图 4 次累积降雨量与雨水口径流量之间的变化关系 Fig. 4 Relationship between gutter inlet flow and accumulated rainfall per event |
以NN为代表的Ⅱ型河岸带在7场降雨中, 仅8月12日大暴雨发生时产生了径流, 且其和Ⅰ型河岸带趋势明显不同.Ⅱ型河岸带雨水口开始有径流产生的累积降雨量为194.2 mm, 从开始降雨到发生雨水口径流历时是845 min, 径流的瞬时流量最大为0.003 m3·s-1; 与Ⅱ型河岸带相比, Ⅰ型河岸带开始有径流产生的次累积降雨量为23.4 mm, 从开始降雨到发生雨水口径流历时为150 min, 径流的瞬时流量最大为0.008 m3·s-1, 其产流时间更短, 次累积降雨量更少, 径流峰值更大.这与不同河岸带下垫面类型有关, Ⅰ型河岸带下垫面为不透水的沥青路面, Ⅱ型河岸带为林灌地, 不同类型下垫面的产流系数不同.胡振龙[30]的研究对重庆园博园内草地和沥青路面等进行人工模拟降雨分析发现, 草地下垫面产流出现时间是沥青路面的5倍, 且草地的瞬时径流系数与雨强呈正相关, 而沥青路面的瞬时径流系数与雨强相关性较弱.本研究中具有较大林地面积的Ⅱ型河岸带对汛期降雨径流的滞留效果更好, 符合海绵城市建设理念, 是城市绿色设施的一个有效示范.
以Ⅰ型和Ⅱ型河岸带的第一道采集点样品水质数据为基础分析降雨径流污染特征(图 5), 结果表明, 不同降雨条件下Ⅰ型河岸带对不同污染物的削减效果不同. Cond范围为157.63~347.5μS·cm-1, 平均值为232.67 μS·cm-1, 最高值出现在小雨条件下; 平均ρ(COD)为214.45 mg·L-1, 最高值(352.56 mg·L-1)出现在中雨条件下, 这可能与中雨为初次降雨雨型, 降雨冲刷效应导致; SS和COD趋势一致, 中雨条件下浓度最大. ρ(NH4+-N)、ρ(NO3--N)和ρ(TN)趋势一致, 平均值分别为1.48、1.02和3.36 mg·L-1, 在小雨条件下浓度最高, 暴雨条件下浓度最低; 平均ρ(PO43--P)、ρ(DTP)和ρ(TP)低于1.0 mg·L-1.荆红卫等[31]对北京全市域开展水环境非点源污染监测研究发现, 天然降雨ρ(NH4+-N) 和ρ(TN)分别为2.72 mg·L-1和4.23 mg·L-1, 劣于地表水Ⅴ类标准限值(2 mg·L-1和2 mg·L-1); 侯立柱等[32]的研究监测北京城区机动车路面和沥青面屋顶ρ(NH4+-N)分别为3.84 mg·L-1和15.6 mg·L-1; 欧阳威等[33]的研究分析了北京市沥青路面、硬质和草地屋顶的雨水径流污染物, 发现初期降雨径流中ρ(COD)、ρ(NH4+-N)和ρ(TP)均超出《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)中的二级排放标准(10、25和3 mg·L-1).与之相比, 本研究中Ⅰ型河岸带雨水径流的COD、N和P等污染物浓度大幅下降, 这可能与雨水口设置了以砾石和碎石等为主要填料的滞留池有关, 在降低水流速度的同时过滤和吸附部分污染物[34].Ⅱ型河岸带雨水口仅在大暴雨条件下收集到样品, 其ρ(SS)骤升至4 000 mg·L-1, 平均值是Ⅰ型河岸带的2倍; N和P等污染物浓度显著高于Ⅰ型河岸带(P < 0.05), ρ(TN)和ρ(TP)高达18.99 mg·L-1和1.98 mg·L-1.大暴雨条件下对土壤的冲刷力度大, 易携带较多N和P等污染物, 这与降雨量和土壤及N和P流失特征显著相关的研究结果一致[35].
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nI=82 图 5 河岸带第一道采集点的水质变化 Fig. 5 Changes in water quality at the first collection site in the RBZs |
以NN、NB和BN河岸带三道径流采集点样品水质数据为基础, 分析以NB和BN为代表的Ⅰ型河岸带和以NN为代表的Ⅱ型河岸带类型对径流污染削减效果的影响(图 6).水质分析结果表明, 第二道植草沟ρ(SS), Ⅰ型河岸带(BN和NB)平均较第一道升高4.82倍, Ⅱ型河岸带则降低50.14%, SS截留作用显著高于Ⅰ型河岸带(P < 0.05).Ⅱ型河岸带坡面长, 植被覆盖度高(表 3), 草地对泥沙的拦截作用已有证实[36, 37].Ⅰ型河岸带中, BN河岸带植草沟除ω(NH4+-N) 和ω(TN)分别降低63%和35%外(P < 0.05), 其余指标质量分数均升高; 而NB河岸带植草沟各指标均无显著降低.不同于Ⅰ型河岸带, Ⅱ型河岸带(NN)植草沟污染物削减效果明显, ρ(NO3--N)、ρ(TN)和ρ(DTP)分别为2.35、4.08和0.03 mg·L-1, 与第一道雨水口径流水质相比, 分别降低了64%、56%和73%(P < 0.05); ω(NH4+-N) 和ω(PO43--P)分别降低了21%和39%(P < 0.05).
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图 6 不同河岸带类型三道采集点水质变化 Fig. 6 Changes in water quality at three collection points in different riparian zones |
两类型河岸带植草沟对污染物的削减效果差异归因于边坡结构及植被覆盖不同. NN边坡(Ⅱ型)坡长分别是BN和NB边坡(Ⅰ型)坡长的1.9倍和3.3倍, 且NN边坡植物总盖度(71.72%)大于BN和NB河岸带(56.14%和53.34%), 尤其草本层盖度是其2倍以上, 为29.16%(表 3).较大的坡长, 植被覆盖度高且多样性更为丰富的Ⅱ型河岸带对径流污染物的截留和削减效果更为明显.已有研究表明, 相同降雨条件下, 草地下垫面场次径流系数随坡度增大而增大, 产流高[30]; 受植被叶冠截留和根部吸收作用影响, 草地对于降雨径流的下渗速率比无植被覆盖的裸土低[37], 在减少径流的同时, 过滤滞留N和P营养物, 从而实现污染物的削减作用[38].Lee等[36]的研究设置田间试验研究河岸缓冲带在天然降雨条件下对氮、磷和泥沙的拦截效果, 其缓冲带平均坡度低于10%, 径流中SS、NO3--N、TN和DTP拦截率为60%以上; 爱荷华州不同宽度河岸缓冲带的研究表明[39], 相似下垫面类型下, 较宽的河岸缓冲带在泥沙截留及其挟带营养物质削减方面效果更为显著, 且降雨强度越大, 效果越明显.这与具有相近坡度且边坡较长的Ⅱ型河岸带植草沟对SS和污染物的拦截效果一致.
以不同降雨条件下(表 2)采集到的NN、NB和BN河岸带三道径流采集点样品水质数据为基础, 分析降雨特征对径流污染的影响(图 7).实际采样调查发现, 大暴雨条件下河水上涨, 第三道采集点被河水淹没无法收集; 小雨条件下坡面径流少, 第三道采集点无样品收集.第一道采集点在中雨条件下的ρ(SS)最高, 为1 715 mg·L-1, 这可能是因为本年度汛期开始降雨雨型为中雨有关, 8月初两次中雨强度大, 贡献了本年度最大降雨强度, 为13.9 mm·(5 min)-1, 降雨历时短, 降雨持续时间仅0.5 h, 对地面冲刷力度较大, 故ρ(SS)较高.这与海永龙等[20]对北运河上游合流制管网溢流污染特性的研究结果一致, 2019年初期降雨管道溢流浊度最高.而第二道采集点的ρ(SS)在大雨条件下最高, 后随着降雨强度增加而降低, 但总体浓度高于第一道采集点.
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图 7 不同降雨条件下河岸带水质变化 Fig. 7 Changes in water quality at three collection points in different rainfall conditions |
各水质指标在不同降雨条件下的趋势不同.在第一道采集点, 氮类污染物在暴雨条件下浓度最低, ρ(NH4+-N)、ρ(NO3--N)和ρ(TN)分别为0.69、0.59和1.92 mg·L-1; ρ(PO43--P)在中雨和大雨条件下最低, 为0.02 mg·L-1; ρ(DTP)在暴雨和大暴雨条件下较低, 与之相反的是, ρ(TP)在该两种降雨条件下较高.在第二道采集点, 氮类污染物在中雨条件下浓度较高, ρ(NO3--N)和ρ(TN)最高分别为2.97 mg·L-1和5.66 mg·L-1; 磷类污染物浓度高于第一道采集点, ρ(PO43--P)在大暴雨条件下最低, 为0.1 mg·L-1, 在暴雨条件下最高, 为0.47 mg·L-1; ρ(DTP)与ρ(PO43--P)一样, 在大暴雨条件下最低, 而ρ(DTP)在大雨条件下最高; ρ(TP)在暴雨和大暴雨条件下较高.第三道采集点仅在中雨、大雨和暴雨条件下收集到水样品, 且COD、SS、N和P污染物的浓度于三道采样点中最高, 这可能与采集点布设位置有关, 第三道采集桶布设于河岸水陆交界面处, 是河岸带植物生长最旺盛和腐败情况最严重的区域, 且河水涨落情况下会对采集桶内样品造成干扰, 故而影响了水质.除暴雨外, 相同降雨条件下第二道采集点ρ(NH4+-N)均低于第一道采集点.
非点源污染的发生主要以降雨径流事件为驱动因素, 还受到地形地势、植被覆盖和土壤类型等因素影响[40]. Norton等[41]的研究发现, 丘陵等集水区陡坡有助于减少土壤中的N滞留, 增加向下级溪流的N输送, 这与本研究边坡N类污染物随坡度浓度渐高的结果一致.然而, 中国学者在不同流域降雨-径流的产流模式研究中发现, 在半干旱半湿润地区, 同时存在“蓄满产流”和“超渗产流”两种基本产流模式, 产流模式相对复杂[42, 43].根据表 2和图 4, 8月的2日和8日的降雨强度大, 对路面的初始冲刷强, 故ρ(SS)在初期中雨最大; 而第二道植草沟采集处ρ(SS)在8月下旬的大雨条件下达到最高, 说明前期雨量充足使得北运河流域河岸带土壤含水量升高, 在后期长时强降雨类型下可形成“蓄满产流”和“超渗产流”, 携带大量的地表沉积物并将之迁移至受纳水体中.污染物浓度变化趋势与SS不同, 说明径流携带颗粒物和浓度响应除受降雨特征影响外, 还和汛期整体降雨情势有关.
2.4 河岸带类型及降雨特征与径流污染的相互关系河岸带结构类型、降雨特征与水质指标的Pearson相关关系以网络展示, 结果表明, 河岸带类型和降雨特征对径流污染有明显影响, 尤其对SS、COD、TN、PO43--P和TP影响显著.从图 8可知, SS与坡长、坡度及植物总盖度呈显著负相关(P < 0.05), 这与Bu等[38]对太湖岸边带对雨水径流污染的研究结果一致.COD与次累积降雨量、降雨历时、雨水口径流量、雨水口径流出现时间和草本层Berger-Parker指数d呈极显著负相关(P < 0.01), 与平均降雨强度和草本层Shannon-Wiener指数H′呈显著正相关(P < 0.05); TN与坡长和植物总盖度呈显著正相关, 而与坡度呈显著负相关(P < 0.05). PO43--P与降雨历时呈极显著负相关, 而与平均降雨强度呈极显著正相关(P < 0.01); TP与COD相似, 与降雨历时和雨水口径流出现时间呈极显著负相关(P < 0.01), 而与平均降雨强度呈显著正相关关系(P < 0.05).
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紫线: 显著正相关, 绿线: 显著负相关; P1: 河岸带坡长; P2:坡度; C: 植物总盖度; R1:次累积降雨量; R2: 平均降雨强度; R3: 最大降雨强度; R4:雨水口径流量; t1: 降雨历时; t2: 雨水口径流出现时间 图 8 河岸带结构特征和降雨特征与水质指标的相关性分析网络 Fig. 8 Network diagram of correlation analysis between riparian structure characteristics, rainfall characteristics, and water quality indicators |
(1) 沙河水库流域河岸带生态系统根据河岸带结构及植物群落的分布特征可分为Ⅰ型河岸带(防洪堤-防洪挡墙-林地-草地)和Ⅱ型河岸带(防洪堤-林地-草地)2种类型.其中Ⅰ型河岸带植被总盖度低, 边坡“短且陡”; Ⅱ型植被总盖度高, 边坡“长且缓”.
(2) 2020年8月河岸带径流量监测表明, 当单场次平均累积降雨量达到约14.1 mm和平均降雨强度达到20.6 mm·h-1时, Ⅰ型河岸带雨水口开始有径流产生, 雨水口径流流量峰值与瞬时降雨强度峰值相差时间在5~10 min内; Ⅱ型河岸带仅大暴雨条件下产生雨水口径流; 说明Ⅱ型河岸带对大雨以下径流的滞留能力较大.
(3) 河岸带雨水口设置以砾石和碎石等为主要填料的滞留池在N和P污染削减方面起积极作用, 其中ρ(NH4+-N)、ρ(NO3-N)低于1.6 mg·L-1, ρ(TN)低于5 mg·L-1, ρ(PO43--P)、ρ(DTP)和ρ(TP)低于1.0 mg·L-1.第二道植草沟可有效降低ρ(NH4+-N).Ⅱ型河岸带对SS的截留率和N、P污染物的削减效果优于Ⅰ型, 这与河岸带结构及植被覆盖不同有关.
(4) 沙河水库流域径流污染受河岸带坡长、坡度、植被盖度及降雨特征的共同影响.其中SS受河岸带结构及植被影响显著, COD、N和P污染与降雨特征呈显著相关关系.
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