东江流域氮污染的时空格局变化及其来源解析

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东江流域作为我国最具代表性的饮用水源型河流,肩负向粤港澳大湾区核心城市香港、广州、深圳、东莞等供水的重任,东江流域水网密集,人口分布与水源分布高度重合,水源水质受人为因素干扰极大,显现典型的复合污染状况,水质的安全面临较大的风险。其中,氮素超标是影响东江水源水质的重要原因,且氮素污染所导致的水华现象频发。与区域重要饮用水源地的地位相比,东江流域水污染监控能力十分薄弱。本研究针对东江流域的氮污染问题,在东江全流域,从源头区新岗背样点至下游东江北干流汇入狮子洋口样点,开展水质样品的采集及检测。在污染时空分布的基础上结合硝态氮的氮氧双稳定同位素值(δ15N、δ18O),对各区域氮污染现状和成因进行统计分析,绘制典型污染物的氮、氧同位素特征分布图,准确追溯氮素污染来源识别东江全流水氮素污染风险。针对东江下游区(刘屋洲取水泵站河段)受到上游下泄污染影响的问题,通过同步监测水质水文数据,核算从东江干流上游下泄进入下游北干流河段的污染物的总量,分析影响刘屋洲取水泵站的干流和河涌的污染物通量及污染通量贡献率,为东江氮素的防控提供有力支撑。并采取东江增城区河底底泥与新塘污水厂生活污泥进行模拟实验,设置不同光照条件不同底泥的实验组,监测上覆水中氮素指标,探究沉积物氮释放后,水体中三氮的去除和转化规律。研究结果表明:(1)氮素污染自东江源头污染情况已经比较严重。空间上看,东江总氮浓度呈现支流区和源头区较高,干流呈现上中下游区逐渐升高趋势,整体以硝氮为主。东江流域枯水期和丰水期δ15N(NO3-)和δ18O(NO3-)呈现明显的差异,枯水期的δ15N(NO3-)整体低于丰水期的,但δ18O(NO3-)整体高于丰水期。枯水期东江源头区水体中氮来源主要为生活污水,农田施肥则为上游的主要来源,中游主要来源是生活污水、农田施肥和土壤,下游是生活污水和土壤,生活污水和农田施肥是支流氮的主要来源。丰水期东江源头硝酸盐氮主要来源是生活污水、农田施肥和土壤,上中下游以及支流硝酸盐氮主要来源都包括农田施肥和土壤,而中游以及支流的硝酸盐氮则来自生活污水。因此东江流域对氮源污染的控制,源头区、中游区和支流区主要是控制生活污水的直排,上游区和下游区主要减少农业面源污染。(2)从时间分布来看,东江北干流氮素浓度的平水期大于枯水期大于丰水期,枯、丰特征极为明显。从空间分布上也不难看出,主要支流紧水河和西福河受到的污染较严重,原因是受到沿岸居民的生活污染的影响,但对东江北干流整体水质的影响也较小。另外东江北干流氮素主要组成形态来看,以硝氮为主。根据氮氧同位素溯源结果分析,东江北干流枯水期水体中氮来源主要是生活污水和土壤中氮。平水期氮来源主要是生活污水、土壤中氮和农田氮源,其中生活污水占比较大。丰水期氮来源主要是生活污水、土壤中氮和农田氮源,其中土壤中氮源占比较大。根据东江北干流入河河涌主要污染物通量计算结果,东江北干流石龙断面、大墩断面和增江断面COD年通量分别为1017.32 t/a、1180.75 t/a和144.55 t/a,氨氮年通量分别为125.50 t/a、177.32 t/a和14.93 t/a,总磷的年通量分别为52.12 t/a、64.06 t/a和4.2 t/a。入境断面石龙的水质变化对出境断面大墩的水质影响程度最大,因而要保障大墩断面或刘屋洲取水泵站的水质达标,需保证石龙断面的水质达标。(3)不同条件下总氮质量浓度的转化规律以硝氮为主,在生活污泥进入水体后,水体的自净能力减弱,有光照组由于藻类同化作用的发生,即便有大量生活污泥的进入,仍可以控制住氨氮浓度;而黑暗组在大量生活污泥混入底泥时,氨氮浓度与对照组相比有较大幅度增加。溶解氧在光照条件下出现了两次峰值,原因可能是藻类的生长与死亡,藻类的死亡造成了溶解氧的降低。无光照条件下,在氮转化中硝化-反硝化起到了主要作用;在光照条件下,藻类的同化作用起到了主要作用。从动力学过程看,对水中氮素的去除,藻类的同化作用明显高于水体硝化反硝化作用。
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