海河流域平原区地下水水质评价及硝态氮污染研究

王喜峰，贾仰文

(1.中国社会科学院数量经济与技术经济研究所，北京100732;2.中国水利水电科学研究院，北京100038)

海河流域平原区包括北京市平原区部分、天津市、河北省平原区部分、河南省海河流域平原区部分以及山东省海河流域部分，其在全国以及海河流域位置如图1所示。研究区北部为燕山山脉，西部为太行山脉，南部为黄河干流河堤，东部为渤海湾。区域内地势平坦，山前坡度在千分之一左右，东部平原在万分之一左右。按照地质成因来分，山前为冲洪积平原，中部为冲积平原，东部为滨海冲积平原和海积平原［1］。

图1 研究区在全国的位置

1 研究区地下水水质综合评价

1.1 实验方法

地下水质综合评价选取实测资料进行，实测数据由中国地质环境检测研究院提供。采样为海河流域平原区内河北与北京的采样点，其中河北省共有大约291个采样点，分布在9个地级市里(考虑到数据一致性，唐山市与秦皇岛市一起统计)，平均每个地级市有30多个采样点;时间序列为1996年到2000年五年时间，每年五月底六月初采样一次，九月底十月初采样一次，共两次结果;北京的采样点有12个，为2000年，采样时间与河北采样时间基本一致。采样点空间坐标如图2所示。图2 海河流域平原区地下水质站点分布示意图

1.2 分析方法

根据这些采样点的水质监测数据，对采样点进行综合评价，评价方法参照地下水质标准 GBT14848－93［2］。其中Ⅰ类标准主要反映地下水化学组分的天然本底背景含量;Ⅱ类主要反映地下水化学组分的天然背景含量;Ⅲ类以人体健康基准值为依据，主要适用于集中式生活饮用水水源及工、农业用水;Ⅳ类以农业和工业用水要求为依据，除适用于农业和部分工业用水外，适当处理后可作生活饮用水;Ⅴ类不宜饮用［73］。地下水监测项目为 PH值、氨氮、硝酸盐、亚硝酸盐、挥发性酚类、氰化物、砷、汞、铬(六价)、总硬度、铅、氟、镉、铁、溶解性总固体、高锰酸盐指数、硫酸盐、氯化物、大肠菌群。这次采样与水质标准推荐的测评项目相比缺少一项指标:锰，监测项目比较齐全，可以综合反映研究区域的含水层地下水水质状况。

评价方法首先对单项组分根据每个组分所属的质量类别进行分类评分，得到每个组分评价分数Fi，根据下面公式计算每个站点每次采样的综合评价分值F，其计算公式见式(1)和式(2);再根据F的分值进行分级。

其中F为该测站综合评分;Fi为该站各组分的评分;为该站各组分评分的平均值;为该站各组分中评分最大值。

1.3 结果与分析

从总体上来说，研究区内水质比较稳定。评价分级百分比结果见表1，研究区内Ⅰ类站点所占比例为零，说明研究区内本底值含量的水体已经在研究区内基本不存在，人类活动已经影响到全部含水层。Ⅱ类所占比例在30%以下，说明适合人类饮用的地下水比例较少。Ⅳ、Ⅴ类的站点约占总站点数的70%以上，说明地下水污染严重，对于水资源匮乏的海河流域平原区来说必然形成水危机。

表1 研究区地下水水质综合评价结果

从区域特征来看，邯郸、廊坊、沧州和衡水水质较差。位于邯郸境内的地下水质测站评级绝大多数为Ⅴ和Ⅳ，严重污染物为重金属污染、氨氮，氯离子、总硬度和硫酸根离子，由于大面积的总硬度和硫酸根因农业面源引起［3］，可见邯郸的面源污染已经影响到了地下水水质。重金属污染的主要污染项目为铁和镉。廊坊市的地下水污染也比较严重，境内测站评级在Ⅳ和Ⅴ的占绝大多数，与邯郸市不同，其境内重金属污染不严重，重污染项目多集中在铵盐和亚硝酸盐上，其他项目污染不严重，但是重污染铵盐和亚硝酸盐影响了该市的污染评级。沧州市地下水污染严重，其境内地下水测站评级也集中在Ⅴ和Ⅳ上，其主要污染物为铵盐和亚硝酸盐，部分地区的砷化物污染也比较严重，铁污染也比较严重，此外，总硬度、氯离子和硫酸根离子也严重超标。衡水市是研究区地下水污染最严重的地区，其境内80%的测站的评级都在Ⅴ，主要污染为重金属汞、铁和镉污染，氟化物，总硬度、氯离子和硫酸根离子也严重超标。其他市污染相对较轻，但是亦有多数测站的污染评级在Ⅳ和Ⅴ，一些水质较好的站点大多埋深较深。可以看出，大多数的测站总硬度，氯离子，硫酸根离子，氨氮和亚硝酸盐超标，说明施肥、农药等农业面源已经污染了地下水。区域内硝态氮大体在较差与较好之间，这是有两种原因:一是硝态氮是地下水中氮的主要形式，一般含量是氨氮的百倍，亚硝酸盐的千倍，氨氮和亚硝酸盐氮极少含量变化即可造成评级的差别。二是该评价标准出台较早对硝酸盐氮对人类危害认识有局限，根据2007年饮用水标准，硝酸盐含量被限定在10 mg/L以内，地下水水质标准则限定在20 mg/L。

2 研究区硝态氮污染调查研究

由于氨氮易被土壤吸附，地下水中氮污染物大多以硝态氮的形式存在，因此本次研究只调查地下水硝态氮污染状况。农业面源的化肥和农药的施放，硝态氮对地下水的污染问题已日益严重。长期饮用受硝态氮污染的地下水，会引发高铁血红蛋白症以及消化系统癌症等。硝态氮对地下水的污染在国内外普遍存在［4］。已有研究表明美国北卡罗来纳州的9 000家庭水井中，硝态氮超标率在3%以上;丹麦1.1万眼水井中硝态氮超标率在8%以上，加拿大50万眼饮用水井中大约有14%的硝态氮超标。在我国，一系列研究表明我国的硝态氮超标水井比率在20%左右［5～6］。尽管硝态氮污染严重，与此相关的研究和控制工作却缺乏重视。由于海河流域平原区地下水资源的重要性和紧缺性，要对海河流域平原区地下水的硝态氮污染进行总体分析。

世界卫生组织确定饮用水硝态氮的含量应少于10 mg/L，饮用含量为20 mg/L以上的饮用水会造成身体不适。本次研究根据《地下水水质标准GBT14848－93》的分级方法将地下水水质量分为5个等级:0～2 mg/L为Ⅰ;2～5 mg/L为Ⅱ;5～20 mg/L为Ⅲ;20～30 mg/L为Ⅳ;＞30 mg/L为Ⅴ。

评价结果如表2所示:可以看出在1996年海河流域平原区内的邯郸、沧州、唐山和秦皇岛地下水污染严重，每个地级市区域内硝态氮最高浓度都在30 mg/L以上。但是这四个地级市的污染程度也有一定差别，其中邯郸与沧州虽然最高浓度达到70 mg/L以上，但是其水质在5 mg/L的站点百分比在80%左右;唐山与秦皇岛的情况与这两个地级市差别比较大，唐山市和秦皇岛市5 mg/L以下的水质站点百分比只有40%左右，30 mg/L以上的百分比在20%左右，并且其境内最高浓度达到了162 mg/L。

廊坊地下水水质最好，1996上下半年只有三个站点超出了2 mg/L，上半年的水质都为Ⅰ类水，由于饮用水硝态氮含量规定在10 mg/L以内，即廊坊的这些水质站点的水都适宜直接饮用。邢台、石家庄、保定和衡水等城市硝态氮污染水平类似，基本上都在20 mg/L以下。

变异系数反映单位均值上的离散程度，从表2中的可以看出，邯郸、沧州和衡水的变异系数较大，数据的离散程度越大，说明这些地区的硝态氮污染分布不规律，有可能受到不同污染源影响。就邯郸而言，除了有一个站点污染严重达到80 mg/L以上之外，其他在20 mg/L以内。

一般来说，硝态氮污染主要来自农业活动中的化肥施用。首先，化肥施放到表层土壤中(0～10 cm)，化肥中的主要氮素被土壤吸附固定;满足土壤吸附以后，一部分氮向下运移并被深层土壤吸附。一部分吸附的氮转为硝态氮，硝态氮不易被土壤或者岩体吸附，会随着地下水补给水流运移到地下水体中，被地下水体稀释，吸附和消去。硝态氮浓度与埋深关系如图3所示，可以看出，埋深与浓度有一定的相关关系，埋深在10 m以上的检测井都没有检测出含量超过30 mg/L的硝态氮。

将这些不同埋深的硝态氮浓度根据空间插值得到硝态氮污染的空间分布。不同年份硝态氮污染分布结果为:硝态氮污染比较严重的地区为唐山、秦皇岛、天津以及太行山山前平原区。海河平原区地下水1995年硝态氮污染相对较轻。区域大部分地区硝态氮浓度都在5 mg/L以下，污染相对较严重的环渤海经济区硝态氮浓度也不超过20 mg/L。海河平原区地下水1999年硝态氮污染较严重，环渤海地区污染扩大，除唐山、秦皇岛和天津外，沧州和保定硝态氮浓度较大，最高浓度超过30 mg/L。此外，邯郸、石家庄和保定的山前地带污染不断加剧。海河平原区地下水2004年硝态氮污染较1999年有加剧的趋势。其中唐山与天津之间的地区污染严重，达到40 mg/L的水平，唐山海滨地区浓度较大，浓度较大区域包括秦皇岛海滨地带。此外太行山山前地带污染加剧，浓度较大地区已经相互连通，其等值线与山前轮廓线基本平行。总的来说，硝态氮污染严重区域为工业、经济较为发达的京津唐环渤海地区;并且太行山前地区污染加剧。

表2 1996年硝态氮以及分级所占百分比

图3 硝态氮浓度与埋深的关系

3 结语

考虑到地下水环境在海河流域平原区的重要性，本文利用中国地质环境检测研究院的实测数据(1995～2000年)，对海河流域平原区共291个检测点的19种污染物进行水质综合评价，评价分析方法采用地下水质标准GBT14848－93所推荐的方法。根据分析，从时间序列上来看，海河流域平原区水质变化不大，污染严重，Ⅴ及以上的站点占总站点的30%，Ⅳ、Ⅴ的站点数基本在70%左右。从空间区域来看，邯郸、廊坊、沧州和衡水水质最差，绝大多数地区为Ⅳ、Ⅴ类水，重金属污染、硝态氮、亚硝态氮和氨氮是主要污染物。在对硝态氮进行研究中发现，邯郸、沧州、唐山和秦皇岛污染严重。并且，由于少数站点检测值异常，可以推断硝态氮污染源不是单一的。从空间分布来看，环渤海地区的硝态氮污染较为严重。从时间来看，污染有加剧的趋势。

［1］张宗祜，施徳鸿，任福弘，等.论华北平原第四系地下水系统之演化［J］.中国科学(D 辑:地球科学).1997，2:168－173.

［2］GBT14848－93.中华人民共和国国家标准地下水质量标准［S］.北京:中华人民共和国地质矿产部.

［3］赵解春，李玉中，Yamashita Ichiji，等.地下水硝酸盐污染来源的推断与溯源方法概述［J］.中国农学通报.2010，26(18):374－378.

［4］杨荣，苏永中.黑河中游绿洲农区地下水硝态氮污染调查研究［J］.冰川冻土.2008，30(6):983 －990.

［5］张思聪，沈子寅.唐山平原区地下水硝酸盐污染变化趋势的研究［J］.水利电力学报.2002，1:68 －75.

［6］金赞芳，王飞儿，陈英旭，等.城市地下水硝酸盐污染及其成因分析［J］.土壤学报.2004，41(2):252－258.