小流域典型降雨—径流—产污实验

小流域典型降雨—径流—产污实验_流域水环境生态系

4.4　小流域典型降雨—径流—产污实验

由于逐月降雨量和径流量都是一个时段的逐渐累积量，一般来说主要是从总体上反映该地区的产流特性^［226］。然而在进行野外实验时，通常更关注在一次降雨过程中的污染物迁移流失规律，因此，本文进一步分析了几次典型的降雨－径流过程。

由于流域面积较小，而且实验区地势较平坦，一般在6～9月汛期才会产生地表径流，对于大径流场，在收集的资料中有6场较完整的次雨洪过程，中尺度径流场有3场较为完整的次雨洪过程，如图4.9～图4.17，并以此作为分析依据。

图4.9　实验区大径流场1989-8-6降雨径流过程

图4.10　实验区大径流场1991-7-6降雨径流过程

图4.11　实验区大径流场1997-7-4降雨径流过程

图4.12　实验区大径流场2005-8-2降雨径流过程

图4.13　实验区40 000 m²径流场2005-8-2降雨径流过程

图4.14　实验区大径流场2006-8-6降雨径流过程

图4.15　实验区40 000 m²径流场2006-8-6降雨径流过程

图4.16　实验区大径流场2007-7-6降雨径流过程

图4.17　实验区40 000 m²径流场2007-7-6降雨径流过程

分析大径流场的6场次雨洪过程发现，即使是同一流域，在不同年份不同时期的径流效应也是不一样的，但流量峰值与降雨峰值均有较好的响应关系。受下垫面土壤水分和供水的影响，径流过程线表现出不同的特征，其中有单峰型、双峰型甚至多峰型。另外，比较不同尺度径流场的同期次雨洪过程发现，随着流域面积的减小，洪峰流量明显降低，但峰现时间却基本保持一致。这说明在实验区域，下垫面对径流到达流域出口无明显滞留影响。相对而言，2007年的降雨量要远远大于2005年和2006年，因此径流量明显增大，而且由于区域内产生大量积水，洪峰比降雨峰滞后约24h。

由实验测得2007年典型大暴雨条件下的一次降雨－径流过程（见图4.16和图4.17）可以看出，流量峰与降雨峰有较好的响应关系，而不同尺度径流场的峰现时间基本保持一致，说明在实验流域，下垫面对径流到达流域出口没有明显的滞留影响。

对于流域里采集的水样进行处理分析，水样静置3h后抽取上层清液测定水相营养盐含量，测定项目包括pH值、总氮、氨氮、硝氮、总磷。其中pH值用pH计测得；氨氮用纳氏比色法测得；硝氮用酚二磺酸法测得；将水样经过硫酸钾和氢氧化钠所配的氧化剂消煮后测得总氮；将水样经过硫酸钾消煮后采用钼蓝比色法测得总磷^{［221～223］}。具体分析方法如下：

（1）总氮：过硫酸钾氧化—紫外分光光度法

在120～124℃的碱性介质条件下，用过硫酸钾作氧化剂，不仅可将水样中的氨氮和亚硝酸盐氮氧化为硝酸盐，同时将水样中大部分有机氮化合物氧化为硝酸盐。而后，用紫外分光光度法分别于波长220nm与275nm处测定其吸光度，按A＝A220－2A275计算硝酸盐氮的吸光度值，从而计算总氮的含量。

（2）总磷：过硫酸钾消解—钼锑抗分光光度法

在酸性条件下，正磷酸盐与钼酸铵、酒石酸锑氧钾反应，生成磷铝杂多酸，被还原剂抗坏血酸还原，则变成蓝色络合物，通常即称磷钥蓝。该络合物在波长700nm处比色进行定量测定。

（3）硝氮：酚二磺酸分光光度法

硝酸盐在无水情况下与酚二磺酸反应，生成三硝基酚，在碱性溶液中生成黄色的碱式盐，黄色的深浅与硝态氮含量在一定范围内呈正相关，可以在分光光度计上410nm处比色进行定量测定。

（4）氨氮：纳氏试剂比色法

碘化汞和碘化钾的碱性溶液与氨反应生成淡红棕色胶态化合物，此颜色在较宽的波长内具有强烈吸收，可以在分光光度计上420nm处比色进行定量测定。

由此得到在该次暴雨过程中，大尺度和中尺度流域出口氮磷流失情况分别见图4.18～图4.21。

图4.18　中尺度径流场TN随时间的变化过程

据图4.18分析，TN浓度在前两次连续强降雨后浓度很高，为7.34mg/L，随着流量峰的出现则迅速降低。本次洪水过程有三个洪峰，随着第一次流量峰值的出现，TN浓度在滞后约4h后也达到第一个峰值，之后则迅速降低并在第二次洪峰流量出现后再次达到一个较大值。随后流量在第75h达到最小，此时对应着TN的第二个浓度峰值。第三次浓度峰在第三次洪峰约6h后出现。据此可以得出以下结论：TN浓度峰要滞后于径流峰；在出现多个洪峰时，TN浓度变化比较剧烈。从图4.19可以看出，随着流量的增大，TP浓度相应增大，TP的浓度变化趋势与流量过程有较好的对应关系，呈现三次明显的浓度峰过程。而且该次暴雨事件中吸附态磷流失比重较大，TP的变化趋势表现出随径流量变化的特征，并且磷的流失以吸附态为主。

图4.19　中尺度径流场TP随时间的变化过程

图4.20　大尺度径流场TN随时间的变化过程

图4.21　大尺度径流场TP随时间的变化过程

分析比较图4.18和图4.20，大尺度径流场的TN流失呈现与中尺度径流场完全不同的特征。初始TN浓度较高，之后随着径流的增大浓度迅速降低，并有轻微的波动，但是没有特别明显的浓度峰出现。整个过程中的变化不如中尺度剧烈。只是在第71小时突然增大，随后呈现一个逐渐减小的趋势。由此我们认为，随着径流场尺度的增大，TN浓度过程的变化趋向平缓。图4.21显示大尺度TP的浓度变化过程与TN类似，变化很平缓。说明径流量对TN和TP浓度的变化起着决定性作用。除此之外由于随着径流场尺度的增大，泥沙流失量相应增大，从而导致吸附态磷含量升高，因而与中尺度TP流失比较，大尺度径流场TP浓度相对较大。