河套灌溉区干渠和乌梁素海污染特点

本文作者：贾红梅 李青丰 胡杨 王譞 单位：内蒙古农业大学生态环境学院

内蒙古河套灌区土质肥沃，地势平坦，地形由西南向东北逐渐降低，非常适于自流灌溉。目前全灌区经过几次扩建,灌排渠系十分丰富,纵横交错,由总干渠、总排干沟2个双总工程调节着全灌区的灌排水系[1]。但近年来河套灌区大量使用化肥和农药，由此引发的农业面源水污染问题也日益严重。2002年河套灌区化肥使用量已经超过52×104吨，，仅年来化肥用量有增无减。但化肥利用率一直比较低（仅为30％），致使大量肥料流失于农田中[2]。流失的肥料随农田退水由总排干沟排入乌梁素海，造成湖水污染严重，并进而引发严重的富营养化问题。据相关研究报道，湖中各种营养盐总和达到56～110×104吨，腐烂水草以每年9～13mm的速度在湖底沉积，乌梁素海已成为世界上沼泽化最快的湖泊之一[3]。因此，本文以富营养化的主控因子总氮和氨氮为例，通过对2002～2009年总排干沿途及乌梁素海湿地总氮和氨氮监测结果分析，了解其污染现状和污染特点，为改善河套地区和乌梁素海水环境状况提供借鉴。

1研究区概况

1.1总排干沟概况河套灌区灌排水渠系十分丰富，纵横交错，通过总干渠、总排干沟调节着全灌区的灌排水系，整个灌区的灌溉余水、山前洪水、地表降雨、地下渗水和工农业废水、生活废水都靠灌区北缘依阴山山脉东行的总排干沟排出去，最后注入乌梁素海湿地，并与黄河相通[1]总排干沟是河套灌区排水系统的主体工程，总长度为204km，沿途汇入一排干、二排干、三排干、四排干、五排干、六排干、七排干的农田退水及部分城镇的工业废水和生活污水。三、五、七排是比较大的干沟，分别处于灌区的中上部，这3个干沟既排除灌溉余水，又因为穿越城区，还兼有排泄杭锦后旗、临河市、五原县的城镇、厂矿生产、生活污水。五排干接纳临河区的工业废水和城镇生活污水；七排干接纳五原县隆兴昌镇的工业废水和城镇生活污水；其余排干基本均为农田退水的受纳体；八排干、九排干位于乌拉特前旗境内，是乌梁素海的直接补给源，主要为农田退水；十排干直接进入乌梁素海的出口乌毛计断面总排干沟位于河套灌区的北端,沿黄河冲积扇与阴山山脉洪积扇交界东行,西起灌区西端杭锦后旗张大圪旦村,经乌后旗、磴口县、临河市、乌中旗、五原县,从乌前旗树林子乡红圪卜村注入乌梁素海,通过乌梁素海调蓄后,从乌梁素海南端的乌毛计闸经三湖河口泄入黄河。

1.2乌梁素海概况乌梁素海是内蒙古河套灌区排灌水系的重要组成部分，是农田灌溉退水和工业、生活废水的唯一承泄渠道，对河套灌区节水灌溉工程正常运行和控制土地盐碱化起着关键作用。乌梁素海接纳了河套灌区90%以上的农田排水[4]，年入湖水量约0.7～0.9亿m3[5]，是河套地区工业、生活废水的唯一承泄渠道。乌梁素海流域的农田面源污染主要来自河套灌区的灌溉排水系统，灌区农田排水退水经红圪卜扬水站排入乌梁素海，在西山咀镇排入黄河。然而，每年汇入乌梁素海的各种营养盐加速了乌梁素海的沼泽化。每年排入乌梁素海的总氮为1088.59t，总磷为65.5t[6]，平均每年出湖总氮约759.9t，总磷约37.8t，每年留在湖中参与积累储备的总氮约328.7t，总磷约28.0t[7]。乌梁素海水体中氮储备量已达其临界负荷的14倍，使乌梁素海成为以大型水生植物过量生长为主要表征的草型富营养化湖泊[8]。河套灌区排水渠系以及与乌梁素海和黄河位置关系示意图如图1所示。

1.3研究方法调查总排干沿途和乌梁素海污染源和污染现状。在总排干布设四支断面、银定图断面、美林断面和红个卜断面四个监测点，在乌梁素海设置入口区、湖心区和出口区三个监测点。4月份是河套灌区枯水期，湖泊刚化冻，植物生长缓慢，7月份至植物生长最旺盛的季节，10月份是河套灌区丰水期，当地进行大规模秋浇，选择4月、7月和10月不但具有代表性，而且能反映出总排干沟及乌梁素海在不同时期水质的变化情况。本文选取2002～2009年的4、7、10月总排干沟和乌梁素海水质监测数据以总氮和氨氮为例评价水质类别，分析总排干沟和乌梁素海污染特征。水质评价标准如表1所示，断面基本情况如表2所示。

2结果与讨论

2.1总排干沟年季氮污染特征如表3所示，总排干四个断面4月份总氮和氨氮浓度明显高于7月和10月，氮浓度严重超标，在2004年4月银定图断面总氮浓度甚至达到188mg/L，水质相对较好的四支断面总氮年平均浓度高于1.5mg/L，属于Ⅳ类水。银定图、美林和红个卜断面总氮严重超标，最高值可达170mg/L，分析其原因主要是4月份属河套地区枯水期，主要补给水源为地下水和总干渠区域的工业废水和生活污水，加之该时期温度逐渐升高，水中微生物释放大量氮，所以该时期氮污染较严重。7月份总排干受植物、沿途季节性番茄厂、温度等多种因素的影响，使得该时期氮浓度变化较大，但总体上7月份水质有所好转，但污染最小的四支断面总氮平均浓度仍达4.18mg/L，仍属Ⅴ类水。10月份属河套灌区丰水期，该时期河套地区进行大规模秋浇，使得氮被稀释，加之秋浇不施用化肥，因此10月份氮浓度较4月份明显降低，但此时受污染最小的四支断面总氮平均浓度为1.90mg/L，仍接近Ⅴ类水。总体上四支断面受污由表3可以看出，近两年氮污染有所改善并趋于稳定，虽然在大多数的情况下总排干各断面的总氮和氨氮浓度较高，水质属于Ⅳ类水甚至Ⅴ类水，但其数值已明显下降，如银定图2003年、2004年7月总氮为63.4mg/L和19.5mg/L，氨氮51.9mg/L和7.79mg/L，2008年和2009年7月总氮则为1.18mg/L和2.68mg/L，氨氮为0.308mg/L和0.111mg/L。

2.2总排干沟沿程氮污染变化特征由图1所示，四支断面位于总排干的上游。由图4、图5、图6可以看出，总排干四个断面中，四支断面氮污染程度相对较轻且氮污染多年较稳定，但总氮平均浓度在2.24mg/L以上，属Ⅴ类水，甚至在2003年4月和2004年4月总氮浓度达14.9mg/L和17.7mg/L，总氮浓度严重超标。银定图断面和美林断面除接纳农田退水还接纳该区域的工业污水和生活污水，所以氮污染相对较严重，总氮平均浓度分别在15.6mg/L和6.4mg/L以上，红个卜断面总氮平均浓度在9.17mg/L以上，总体上总排干四个断面氮污染严重，属Ⅴ类水。农田退水在总排干流动的过程中，由四支断面到银定图断面受到工业和生活污染氮污染加重，由美林断面到红个卜断面沿途工业污染减少，氮污染有所减轻，因此农田退水在总排干沟受到工业和生活污染时污染加重，并且总排干沟具有一定的降解能力，2003年4月为例，四支断面、银定图断面、美林断面和红个卜断面总氮浓度分别为14.9mg/L、129mg/L、57.1mg/L和24.3mg/L。但因为总排干沿途受到多种污染物共同影响，氮浓度升高和降解没有明显规律。总体来看总排干四个断面总氮浓度都1.5mg/L以上，四支断面属Ⅳ类水，其他断面均属于Ⅴ类水，近两年来水质虽有改善，但氮仍是超标的。

2.3乌梁素海年季污染特征通过2002年～2009年对乌梁素海入口、湖中和出口每年4月、7月和10月氮污染监测。受总排干红个卜断面影响，乌梁素海入口处氮浓度较高，且与红个卜断面总氮季节变化基本一致。如表4所示，入口处4月份总氮和氨氮浓度较高，年平均浓度分别为30.5mg/L和18.7mg/L，氮严重超标。4月份乌梁素海刚化冻，温度逐渐升高，底泥和残留植物释放大量氮，因此4月份氮浓度较高。王东红[10]等研究认为:上覆水体中总氮浓度冬季明显高于夏、秋季，造成这种差异的原因可能为北方和南方气候上的差异以及温度对内源释放的影响。7月份和10月份总氮浓度相对较稳定且较4月份有所降低，年平均浓度分别为8.2mg/L和6.4mg/L，总氮超标，属Ⅴ类水。7月份湖中和出口氮含量季节变化不明显，总氮平均浓度在1.4mg/L左右，水质基本基本接近Ⅳ类。7月份是水生植物生长旺盛时期，植物对氮的吸收、固定使得该时期水质好转。10月份秋浇入湖水量增加，氮被稀释，该时期氮浓度较低。2006年和2007年入口总氮浓度突然升高，与李畅游[9]等的研究在2006～2007年，因排入水量减少使得总氮平均浓度较秋季有所增加(19.4%)。而湖中和出口季节变化不明显，根据李畅游、高瑞中等的研究可能是因为7月湖泊水位及水质指标的影响因素较多,除乌梁素海入出水量以外，还受水中动植物的多寡与长势、降雨量、蒸发量的强烈影响。如表4所示，2002年～2004年乌梁素海入口处总氮浓度逐年降低，2005年和2006年又有所升高，近两年氮浓度降低且较稳定。湖中和出口自2006年以来氮含量趋于稳定。总体上看，乌梁素入口处水质呈逐年好转的趋势，湖心和出口水质基本稳定，但乌梁素海氮处于超标状态，水体富营养化严重。

2.4乌梁素海不同监测点的污染特征如图5、图6、图7所示，乌梁素海湖中和出口4月、7月总氮和氨氮浓度较低且较稳定，10月份由于秋浇的影响，入口、湖中和出口氮变化较大。乌梁素海氮浓度在空间上分布出现由乌梁素海入口到湖中到出口逐渐降低的趋势，由于总排干渠带有的大量污染物质排入乌梁素海，所以高浓度区集中在总排干排入乌梁素海入湖口附近。湖水在流动的过程中部分氮被芦苇、水草等大量水生植物会吸收、固定、降解，因此湖中和出口处氮浓度降低。以7月份为例，入口处总氮和氨氮年平均浓度分高达8.2mg/L和4.2mg/L，水质属Ⅴ类水。湖水由入口向湖中和出口流动的过程中总氮和氨氮浓度逐渐减低，湖中总氮和氨氮年平均浓度分别为1.4mg/L和0.4mg/L，出口处总氮和氨氮年平均浓度为1.3mg/L和0.3mg/L，湖水由入口到出口总氮可降解80％左右，氨氮可降解90％左右。因此，乌梁素海具有一定的自净能力，根据我们的测定，每年收获其1/3的芦苇（约10万吨），即可移除950吨的N和200吨的P。相当于乌梁素海年均3440吨N污染负荷的27.6%，以及全部的198吨/年P污染负荷[11]。但因为富营养化严重，自净能力有限，水体仍然没能摆脱严重污染的局面，这与李畅游[9]等的研究是相符的。

3结论

河套灌区总排干氮污染严重，总体上全年水质属Ⅴ类水。四支断面氮污染程度最低且年季变化较稳定，季节污染呈4月＞7月＞10月的规律，水质基本属Ⅳ类水。银定图、美林和红个卜断面4月份氮污染最严重，但受多种污染因素共同影响，没有明显季节变化规律，全年水质属Ⅴ类水。乌梁素海受多种因素影响，年季变化规律不明显。入口处受总排干的影响，氮污染严重，水质属Ⅴ类水，湖中和出口处水质好转，但仍属Ⅳ类水，整体上乌梁素海富营养化严重。