20年来密云水库主要入库河流总氮变化趋势和影响因素_李文赞
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DOI:10.13671/j.hjkxxb.2013.11.023
第 33 卷第 11 期 2013 年 11 月
环 境 科 学 学 报 Acta Scientiae Circumstantiae
Vol． 33 ， No． 11 Nov． ， 2013
J］ ． 环境科学学报， 33 （ 11 ） ： 3047-3052 李文赞， 李叙勇， 王晓学． 2013． 20 年来密云水库主要入库河流总氮变化趋势和影响因素［ Li W Z，Li X Y，Wang X X． 2013． Trends in the total nitrogen concentration and the major influencing factors in the main rivers flowing into the Miyun 33 （ 11 ） ： 3047-3052 Ｒeservoir in recent 20 years［J］． Acta Scientiae Circumstantiae，
度、 总碱度、 溶解氧、 氨氮、 硝态氮、 高锰酸盐指数、 电导率、 总磷、 钙、 镁、 氯化物和硫酸盐等数据作为 数据来源于密云水库管理局监测 统计分析的基础， 站， 采样和测试均符合国家水文水质监测标准 ． 本文采用季节性 Kendall 检验方法检验水质指 标的变化趋势． 季节性 Kendall 方法是一种非参数 通过比较历年相同月份的水质数据 ， 检验的方法， 2003 ） ． 它不需要 以避免季节性的影响 （ Stow et al． ， 考虑数据的分布特征， 适用于有漏测值、 未检测值 的数据分析， 通过分别计算各月检验统计量和方差 最后比较总统计量与标 并计算各月份的总统计量， 2012 ） ． 准正态表， 进行统计显著性趋势检验（ 滕昱， 采用流量校正方法识别去除流量影响后水质 通过曲线拟合和残差分析确定流 的长期变化趋势， 量校正后的 TN 浓度． 残差是实际观察值与回归估 计值的差， 在拟合流量和 TN 含量的关系时， 不同时 间的数据对拟合值的残差不同， 通过分析残差的时 可以从整体上排除掉流量因素对水质 间序列数据， 1991 ） ． 通过相关分析和偏相 的影响 （ Hirsch et al． ， 关分析方法分析 TN 与其它水质指标的相互关系， 并排除某种指标的影响． 所有的统计分析都在 SPSS 软件中完成． 4 4． 1 结果（ Ｒesults） TN 浓度变化趋势 1990 —2010 年期间， 由图 2 可知， 潮河、 白河的 TN 浓度都呈明显增加的趋势， 潮河 TN 浓度均值约 · L －1， 为 4 mg 总体上高于白河； 2000 年前潮河、 白河 的 TN 浓度增加速度明显高于 2000 年后． 在 TN 极 2000 年前多分布在汛期， 2000 年后多 大值分布上， 分布在非汛期． 由表 1 可知， 潮河和白河的 TN、 硝酸根、 电导 、 ， 率 硬度在所有时间段都显著增加 潮河的氨氮含
wenku.baidu.com
基金项目： 国家水体污染控制与治理科技重大专项课题 （ No． 2012ZX07203003 ） Supported by the Major Science and Technology Program for Water Pollution Control and Treatment（ No． 2012ZX07203003 ） Email： liwenzan@ yahoo． cn； * 通讯作者（ 责任作者） ， Email： xyli@ rcees． ac． cn 作者简介： 李文赞（ 1987 —） ， 男， 博士研究生， Biography： LI Wenzan（ 1987 —） ， male， Ph． D． candidate， Email： liwenzan@ yahoo． cn； * Corresponding author， Email： xyli@ rcees． ac． cn
1． State Key Laboratory of Urban and Ｒegional Ecology， Ｒesearch Center for Eco － Environmental Sciences， Chinese Academy of Sciences， Beijing 100085 2． University of Chinese Academy of Sciences， Beijing 100049 Ｒeceived 21 February 2013 ； received in revised form 18 April 2013 ； accepted 22 April 2013
密云水库上游 面源等因素的影响． 近几十年以来， 流域径流量呈逐渐减小的趋势， 特别是 1999 年以来 2008 ） ， 径流流量的减小趋势更为明显 （ 李子君等，
3 －1 潮河流量由 20 世纪 90 年代的 10 m·s 左右降到 3 s －1． 近几年不足 3 m·
3
研究方法（ Methodology） TN、 以潮河、 白河 1990 —2010 年的流量、 总硬
摘要： 密云水库是北京市最主要的饮用水源地 ， 但近年来， 密云水库遭遇了氮类污染物浓度逐渐增加的问题． 因此， 本文分析了密云水库主要入 1990 —2010 年期间， 库河流潮河和白河在 1990 —2010 年的总氮变化趋势和影响因素 ． 结果表明， 潮河、 白河的总氮浓度呈明显增加的趋势 ， 且 TN 浓度随流量的增加呈减小趋势 ， 2000 年后汛期潮河的 TN 浓度减小； 总氮主要以 经流量校正后， 潮河在非汛期和白河的 TN 浓度显著增加， 硝态氮存在， 与总硬度的相关系数最大 ； 20 年来， 区域人类活动逐渐增强， 水利水保措施并未改变总氮浓度增加的趋势． 农业非点源污染物和 径流量减少又放大了这一效应， 污染物主要通过淋溶作用补给到地下水， 再补给到河 畜禽养殖污染物的增加是入库河流总氮增加的主要原因 ， 要有效控制河流的总氮浓度 ， 应把重点放在减小地下水的过度利用和控制区域内的非点源污染上． 流水体中． 研究表明， 关键词： 总氮； 流量校正； 季节性 Kendall 检验； 残差分析； 地下水 2468 （ 2013 ） 11-3047-06 文章编号： 0253中图分类号： X52 文献标识码： A
Abstract： Miyun Ｒeservoir is the main source of drinking water in Beijing，while it has been suffering from increasing nitrogen concentration in recent years． This manuscript analyzes the total nitrogen （ TN） trends and influencing factors of Chaohe Ｒiver and Baihe Ｒiver flowing into the Miyun Ｒeservoir from 1990 to 2010． The results show that trends in the TN concentration increased significantly，the TN concentration decreased first and then increased as the flow increased； after being adjusted by the flow，the trend still increased significantly in the two rivers； nitrate was the major present state of nitrogen，and had a good correlation with the total hardness． Human activities in the region gradually increased in the 20 years，while water conservation measures since 2000 did not change the increasing trend of TN concentrations． The increase of agricultural nonpoint source pollution and livestock pollution was the main reason for the increased trend of TN in rivers． Our findings indicate that in order to control the increasing trend of TN concentration effectively，the government should focus on the protection of the groundwater and reduce the nonpoint source pollution in the basin． Keywords： TN； flowadjusted； seasonal Kendall test； residuals analysis； groundwater
20 年来密 云 水 库 主 要 入 库 河 流 总 氮 变 化 趋 势 和 影 响 因素
李文赞
1， 2 1， * 1， 2 ， 李叙勇 ， 王晓学 1． 城市环境与区域生态国家重点实验室 ， 中国科学院生态环境研究中心， 北京 100085 2． 中国科学院大学， 北京 100049 收稿日期： 2013-02-21 修回日期： 2013-04-18 录用日期： 2013-04-22
Trends in the total nitrogen concentration and the major influencing factors in the main rivers flowing into the Miyun Ｒeservoir in recent 20 years
* LI Wenzan1，2 ，LI Xuyong1， ，WANG Xiaoxue1，2
1
引言（ Introduction）
2011 ） ， Institute， 并带来了富营养化和饮水安全等问 题． 研究表明， 自然环境和人类活动都会影响氮污 2012 ） ． 例如， 染物的浓度（ Shrestha et al． ， 水体流量 的增加既可稀释污染物， 又可携带更多的污染物进
进入 20 世纪以来， 地表水体在世界范围内都出 现了总氮 （ TN ） 浓 度 增 加 的 趋 势 （ World Ｒesources
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报
33 卷
入水体中． 农业活动会使得氮释放量增加， 但如果 采取一定的生态措施又可在一定程度上降低 TN 的 2009 ） ． 同时， 释放（ 王庆锁等， 水体中氮的增加常伴 随着其它污染物的变化， 通过各水质要素对环境变 化响应的差异分析， 可分辨出影响 TN 变化的主要 因素． 密云水库是北京市的主要饮用水源地， 近年来 ， 面临着诸多的水质问题 如入库径流大幅减小 （ 李 2008 ） ， 子君等， 氮类污染物浓度增加和富营养化风 险加剧等． 研究发现， 点源排放、 大气氮沉降、 畜禽 养殖和农田面源等因素都增加了 TN 的释放， 降雨 量变化、 水利水保措施和土地利用变化则改变了污 2004 ） ． 而识别影响河流 染物的输移路径 （ 王照蒸， TN 变化的主要因素， 是控制氮类污染物所面临的首 要问题． 因此， 本文通过分析密云水库主要入库河 流潮河和白河在 1990 —2010 年期间 TN 的变化趋 势， 研究其与流量和其它水质指标及人类活动之间 的关系， 揭示近 20 年来 TN 增加的主要因素， 并据 此对密云水库 TN 控制提供相应建议． 2 研究区概况（ Study area）
第 33 卷第 11 期 2013 年 11 月
环 境 科 学 学 报 Acta Scientiae Circumstantiae
Vol． 33 ， No． 11 Nov． ， 2013
J］ ． 环境科学学报， 33 （ 11 ） ： 3047-3052 李文赞， 李叙勇， 王晓学． 2013． 20 年来密云水库主要入库河流总氮变化趋势和影响因素［ Li W Z，Li X Y，Wang X X． 2013． Trends in the total nitrogen concentration and the major influencing factors in the main rivers flowing into the Miyun 33 （ 11 ） ： 3047-3052 Ｒeservoir in recent 20 years［J］． Acta Scientiae Circumstantiae，
度、 总碱度、 溶解氧、 氨氮、 硝态氮、 高锰酸盐指数、 电导率、 总磷、 钙、 镁、 氯化物和硫酸盐等数据作为 数据来源于密云水库管理局监测 统计分析的基础， 站， 采样和测试均符合国家水文水质监测标准 ． 本文采用季节性 Kendall 检验方法检验水质指 标的变化趋势． 季节性 Kendall 方法是一种非参数 通过比较历年相同月份的水质数据 ， 检验的方法， 2003 ） ． 它不需要 以避免季节性的影响 （ Stow et al． ， 考虑数据的分布特征， 适用于有漏测值、 未检测值 的数据分析， 通过分别计算各月检验统计量和方差 最后比较总统计量与标 并计算各月份的总统计量， 2012 ） ． 准正态表， 进行统计显著性趋势检验（ 滕昱， 采用流量校正方法识别去除流量影响后水质 通过曲线拟合和残差分析确定流 的长期变化趋势， 量校正后的 TN 浓度． 残差是实际观察值与回归估 计值的差， 在拟合流量和 TN 含量的关系时， 不同时 间的数据对拟合值的残差不同， 通过分析残差的时 可以从整体上排除掉流量因素对水质 间序列数据， 1991 ） ． 通过相关分析和偏相 的影响 （ Hirsch et al． ， 关分析方法分析 TN 与其它水质指标的相互关系， 并排除某种指标的影响． 所有的统计分析都在 SPSS 软件中完成． 4 4． 1 结果（ Ｒesults） TN 浓度变化趋势 1990 —2010 年期间， 由图 2 可知， 潮河、 白河的 TN 浓度都呈明显增加的趋势， 潮河 TN 浓度均值约 · L －1， 为 4 mg 总体上高于白河； 2000 年前潮河、 白河 的 TN 浓度增加速度明显高于 2000 年后． 在 TN 极 2000 年前多分布在汛期， 2000 年后多 大值分布上， 分布在非汛期． 由表 1 可知， 潮河和白河的 TN、 硝酸根、 电导 、 ， 率 硬度在所有时间段都显著增加 潮河的氨氮含
wenku.baidu.com
基金项目： 国家水体污染控制与治理科技重大专项课题 （ No． 2012ZX07203003 ） Supported by the Major Science and Technology Program for Water Pollution Control and Treatment（ No． 2012ZX07203003 ） Email： liwenzan@ yahoo． cn； * 通讯作者（ 责任作者） ， Email： xyli@ rcees． ac． cn 作者简介： 李文赞（ 1987 —） ， 男， 博士研究生， Biography： LI Wenzan（ 1987 —） ， male， Ph． D． candidate， Email： liwenzan@ yahoo． cn； * Corresponding author， Email： xyli@ rcees． ac． cn
1． State Key Laboratory of Urban and Ｒegional Ecology， Ｒesearch Center for Eco － Environmental Sciences， Chinese Academy of Sciences， Beijing 100085 2． University of Chinese Academy of Sciences， Beijing 100049 Ｒeceived 21 February 2013 ； received in revised form 18 April 2013 ； accepted 22 April 2013
密云水库上游 面源等因素的影响． 近几十年以来， 流域径流量呈逐渐减小的趋势， 特别是 1999 年以来 2008 ） ， 径流流量的减小趋势更为明显 （ 李子君等，
3 －1 潮河流量由 20 世纪 90 年代的 10 m·s 左右降到 3 s －1． 近几年不足 3 m·
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研究方法（ Methodology） TN、 以潮河、 白河 1990 —2010 年的流量、 总硬
摘要： 密云水库是北京市最主要的饮用水源地 ， 但近年来， 密云水库遭遇了氮类污染物浓度逐渐增加的问题． 因此， 本文分析了密云水库主要入 1990 —2010 年期间， 库河流潮河和白河在 1990 —2010 年的总氮变化趋势和影响因素 ． 结果表明， 潮河、 白河的总氮浓度呈明显增加的趋势 ， 且 TN 浓度随流量的增加呈减小趋势 ， 2000 年后汛期潮河的 TN 浓度减小； 总氮主要以 经流量校正后， 潮河在非汛期和白河的 TN 浓度显著增加， 硝态氮存在， 与总硬度的相关系数最大 ； 20 年来， 区域人类活动逐渐增强， 水利水保措施并未改变总氮浓度增加的趋势． 农业非点源污染物和 径流量减少又放大了这一效应， 污染物主要通过淋溶作用补给到地下水， 再补给到河 畜禽养殖污染物的增加是入库河流总氮增加的主要原因 ， 要有效控制河流的总氮浓度 ， 应把重点放在减小地下水的过度利用和控制区域内的非点源污染上． 流水体中． 研究表明， 关键词： 总氮； 流量校正； 季节性 Kendall 检验； 残差分析； 地下水 2468 （ 2013 ） 11-3047-06 文章编号： 0253中图分类号： X52 文献标识码： A
Abstract： Miyun Ｒeservoir is the main source of drinking water in Beijing，while it has been suffering from increasing nitrogen concentration in recent years． This manuscript analyzes the total nitrogen （ TN） trends and influencing factors of Chaohe Ｒiver and Baihe Ｒiver flowing into the Miyun Ｒeservoir from 1990 to 2010． The results show that trends in the TN concentration increased significantly，the TN concentration decreased first and then increased as the flow increased； after being adjusted by the flow，the trend still increased significantly in the two rivers； nitrate was the major present state of nitrogen，and had a good correlation with the total hardness． Human activities in the region gradually increased in the 20 years，while water conservation measures since 2000 did not change the increasing trend of TN concentrations． The increase of agricultural nonpoint source pollution and livestock pollution was the main reason for the increased trend of TN in rivers． Our findings indicate that in order to control the increasing trend of TN concentration effectively，the government should focus on the protection of the groundwater and reduce the nonpoint source pollution in the basin． Keywords： TN； flowadjusted； seasonal Kendall test； residuals analysis； groundwater
20 年来密 云 水 库 主 要 入 库 河 流 总 氮 变 化 趋 势 和 影 响 因素
李文赞
1， 2 1， * 1， 2 ， 李叙勇 ， 王晓学 1． 城市环境与区域生态国家重点实验室 ， 中国科学院生态环境研究中心， 北京 100085 2． 中国科学院大学， 北京 100049 收稿日期： 2013-02-21 修回日期： 2013-04-18 录用日期： 2013-04-22
Trends in the total nitrogen concentration and the major influencing factors in the main rivers flowing into the Miyun Ｒeservoir in recent 20 years
* LI Wenzan1，2 ，LI Xuyong1， ，WANG Xiaoxue1，2
1
引言（ Introduction）
2011 ） ， Institute， 并带来了富营养化和饮水安全等问 题． 研究表明， 自然环境和人类活动都会影响氮污 2012 ） ． 例如， 染物的浓度（ Shrestha et al． ， 水体流量 的增加既可稀释污染物， 又可携带更多的污染物进
进入 20 世纪以来， 地表水体在世界范围内都出 现了总氮 （ TN ） 浓 度 增 加 的 趋 势 （ World Ｒesources
3048
环
境
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学
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报
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入水体中． 农业活动会使得氮释放量增加， 但如果 采取一定的生态措施又可在一定程度上降低 TN 的 2009 ） ． 同时， 释放（ 王庆锁等， 水体中氮的增加常伴 随着其它污染物的变化， 通过各水质要素对环境变 化响应的差异分析， 可分辨出影响 TN 变化的主要 因素． 密云水库是北京市的主要饮用水源地， 近年来 ， 面临着诸多的水质问题 如入库径流大幅减小 （ 李 2008 ） ， 子君等， 氮类污染物浓度增加和富营养化风 险加剧等． 研究发现， 点源排放、 大气氮沉降、 畜禽 养殖和农田面源等因素都增加了 TN 的释放， 降雨 量变化、 水利水保措施和土地利用变化则改变了污 2004 ） ． 而识别影响河流 染物的输移路径 （ 王照蒸， TN 变化的主要因素， 是控制氮类污染物所面临的首 要问题． 因此， 本文通过分析密云水库主要入库河 流潮河和白河在 1990 —2010 年期间 TN 的变化趋 势， 研究其与流量和其它水质指标及人类活动之间 的关系， 揭示近 20 年来 TN 增加的主要因素， 并据 此对密云水库 TN 控制提供相应建议． 2 研究区概况（ Study area）