华东某市老城区潜层地下水硝酸盐分布特征

2015-04-12王剑波吴伟宏阮彬彬

环境监控与预警 2015年2期

关键词：老城区硝酸盐亚硝酸盐

王剑波，吴伟宏，阮彬彬

(1.安徽农业大学资源与环境学院，安徽合肥 230036;2.厦门高新人才有限公司，福建厦门 361000)

华东某市老城区潜层地下水硝酸盐分布特征

王剑波1，吴伟宏2，阮彬彬2

(1.安徽农业大学资源与环境学院，安徽合肥 230036;2.厦门高新人才有限公司，福建厦门 361000)

为了解华东某市老城区潜层地下水硝酸盐分布特征，对老城区地下水现场采样，运用统计学软件spss中的Pearson相关系数和sufer软件Kriging插值方法分析数据，研究了无机氮与地球化学因素间的相关性，同时绘制了pH值、总硬度、硝酸盐、亚硝酸盐的空间分布图。结果表明，硝酸盐是该地区地下水中无机氮的主要存在形态，其所占总氮含量为45.5%～74.8%，封口井的硝酸盐的含量明显低于敞口井的含量，其硝酸盐所占比例最低达到2.2%，且敞口井均受到污染；从相关性的角度来看，氮的转化受到Fe影响较弱。同时氮的形态与pH值、矿化度(TDS)、电导率(EC)等地球化学因素相关水平显著；从分布特征来看，地下水环境中硝酸盐和亚硝酸盐含量东北部高于西南部；不同形态氮的相互转化影响地下水pH值和总硬度，致使pH值的高值区为西南部，而总硬度高值区为东北部。

地下水；硝酸盐；亚硝酸盐；相关性分析；分布特征；华东某市老城区

当前，地下水已经成为我国城镇与乡村工农业及生活用水的重要水源。随着人口不断增长，经济迅速发展与城市化进程的加快，地下水开采规模日益扩大，而工业生产过程中产生的污染物通过各种途径渗入土-水环境，恶化地下水水质。研究表明，硝酸盐是进入地下水中最频繁的污染物质[1]。

我国硝酸盐污染地下水的现状不容乐观，长江三角洲地区地下水硝酸盐污染已经比较严重，特别是城市中心的老城区，由于其下水管道设施落后，导致其污水污染地下水严重。同时在此区域的地下水方面的研究也少于北方，主要是因为地表水网密布，地表水资源丰富，对地下水依赖较少[2]。

1 研究方法

1.1 研究区概况

研究区域位于华东地区某市的老城区，属于亚热带海洋性气候，四季分明，雨量充沛。春末夏初时多有梅雨发生，夏季炎热多雨，最高气温常达35℃以上，冬季空气湿润，气候阴冷。地势平坦,地表水系发育,属于典型的平原区,地面标高一般在2～5 m，年降雨量约为1 000 mm，区内第四纪地层分布广，沉积厚度变化较大，80～230 m不等，总体上自西向东、自南向北逐渐增厚。

研究区域内主要含水层为粉砂及少量杂填土层，一般呈薄夹层或透镜状，砂、填土成份较杂，且含水层厚度各地不一，变化较大，具有由平原边缘向流域方向细颗粒增加，粗颗粒减少的特点。由于地势平坦，水力坡度较小，加之颗粒较细而不稳定，富水性和渗透性较差，使地下水径流缓慢，分散地向附近沟、凹地和河流运移，地下水位埋藏较浅，一般<8 m。整体上地下水水位较稳定。

该区域主要为老居民区以及第三产业，其下水管网比较落后，区域内主要河流有2条，分别是穿城而过的北市河以及北部的关河，生活污水主要排入北市河，导致北市河污染严重。

1.2 样品采集

采样时间为2013年9月。用GPS和地形图为主进行定点采样，采样点为沿北市河周边布设7个位点，编号为：DX-1、DX-2、DX-3、DX-4、DX-5、DX-6、DX-7，其中DX-1、DX-5、DX-7点为敞口井，DX-2、DX-3、DX-4、DX-6为封口井，位点分布见图1。

野外采集的水样主要在潜水层，深度约为潜水面以下50 cm处，采集后的水样立即放入4 ℃环境下保存，24 h内测定。

图1 老城区采样点位置

1.3 监测指标

1.4 分析方法

地下水矿化度(TDS)用重量法测定；无机阴离子采用离子色谱法(戴安ICS90)；Ca2+、Mg2+、Fe等均采用Thermo ICAP-6000测定；TP采用钼酸铵分光光度法；TN采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法；TOC采用TOC仪(analytikjena multi N/C2100)测定。

2 结果与讨论

2.1 地下水中无机氮的分布及变化

敞口井中硝酸盐含量所占总氮比例高于封口井，可能是由于敞口井能够与空气接触，增加地下水中DO使其环境转变为氧化环境，致使发生硝化作用，氨氮转化为硝酸盐[7]。反映硝酸盐在老城区的地下水环境中占氮的总量比例较高，老城区潜层地下水与河流水系相连，整体上偏氧化环境，易发生硝化作用。可能是由于硝酸盐和亚硝酸盐含量都较低，DX6采样井是新钻井，且是封口井，很少使用，若地下水处于还原环境，易将硝酸盐还原转化为氨氮，但由于厌氧环境，不能发生其逆反应[8]，因此硝酸盐不断消耗，导致其值较低。

表1 老城区地下水中无机氮含量及所占比例

2.2 水文地球化学因素与无机氮的相关性分析

运用spss相关分析中的Pearson相关系数计算各影响因子与地下水硝酸盐含量的相关系数，结果见表 2。

表2 研究区域内地下水中各指标的相关性①

①*：显著性概率水平0.05；**：显著性概率水平0.01

由表2可见，在研究区域地下水环境中硝酸盐、亚硝酸盐与部分地球化学因素相关水平显著。Cl-、电导率(EC)和矿化度与亚硝酸盐氮存在着正相关性，其值分别为0.532、0.609和0.664。一般认为Fe元素是自然因素的代表[9],与Fe相关性强的物质其可能主要受到自然因素的影响。相反与Fe的相关性较差，可能受到人为因素作用。Fe与硝酸盐相关系数较小，其值0.034，而Fe与亚硝酸盐呈负相关，相关系数值为-0.159。初步反映出Fe离子对氮的转化影响较弱，与文献[10]结论相似；同时也表明老城区内地下水中的硝酸盐及亚硝酸盐主要是受人类活动污染。

2.3 研究区地下水中无机氮分布规律及形成原因

基于取样点的实测数据，结合Kriging插值方法[11]获得研究区域内pH值、总硬度、硝酸盐及亚硝酸盐浓度等值线图,见图2(a)(b)(c)(d)。pH值等高线图反映出沿北市河周边pH值变化较小，将整个老城区的潜层地下水划分成高值区域(西南部)和低值区域(东北部)。总硬度也具有明显的空间分布特征，其最高值出现在老城区东北部，而低值区主要在DX3附近。

由图2(c)和(d)可见，地下水硝酸盐和亚硝酸盐在整个研究区域内呈现出明显的空间分布趋势。总体上，硝酸盐和亚硝酸盐都是从西南往东北方向逐渐增大。硝酸盐的高值区出现在DX5附近，可能由于该采样点位于北市河和关河之间其潜层地下水受到河水影响大，存在着河流补给地下水导致污染物进入潜层地下水环境。同时此地区主要是城中村，其生活污水随意排放污染潜层地下水，使硝酸盐含量高于其他区域。亚硝酸盐的高值出现在北市河附近，同样反映出潜层地下水受到河水影响。硝酸盐和亚硝酸盐浓度分布具有一定的重合性，表明地下水环境中氮的形态是在互相转化的。

图2 老城区潜层地下水中pH值、矿化度、硝酸盐、亚硝酸盐含量空间分布

4 结论

(1)研究区域内地下水已受到不同程度的硝酸盐污染，其大部分含量占总氮60%以上，同时潜层地下水处于偏氧化环境；

(2)不同形态的氮在研究区域内分布不均匀，东北部污染较严重。进一步反映出老城区氮污染物主要是污染源氮的形态转化，表明氨氮在氧化环境下的转化是该区域地下水硝酸盐污染来源之一，并对地下水中的pH和总硬度产生影响。

[1] RIVETT M O, BUSS S R,MORGAN P，et al. Nitrate attenuation in groundwater：A review of biogeochemical controlling processes[J]. Water Research, 2008, 42(16)：4215-4232.

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Nitrate Distribution Characteristics of Shallow Groundwater in an Old City of East China

WANG Jian-bo1,WU Wei-hong2,RUAN Bin-bin2

(1.CollegeofResourcesandEnvironment,AnhuiAgricultureUniversity,HeiFei,Anhui230036,China;2.XiamenHigh-techTalentsDevelopmentCo.Ltd.,Xiamen,Fujiang361000,China)