黑河流域地下水“三氮”污染现状研究

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(甘肃省地质环境监测院/甘肃省地下水工程及地热资源重点实验室，甘肃 兰州 730050)

自从20世纪60年代末70年代初开始较大规模开采黑河流域地下水，目前区内90%以上的城镇以地下水为主要供水水源，农村80%左右的人畜饮用水源依赖于地下水[1]。 对于以地下水作为主要饮用水源的国家和地区来说，氮污染地下水对人体的潜在危害十分严重。“三氮”是指溶在水中呈离子态的氨氮(NH4+-N)、亚硝酸盐氮(NO2--N)和硝酸盐氮(NO3--N)的总称，不仅是衡量水体毒理性和富营养化程度的很重要指标，而且能威胁到区域生态环境与人体健康[2-3]。水中的氨氮超标，会引起胃炎、传染性肝炎等疾病；水中的亚硝酸盐会和蛋白质形成亚硝胺，而亚硝胺是一种强致癌的物质，如果长期饮用亚硝酸盐含量高的水，则会对人体健康极为不利；长期饮用硝酸盐含量高的饮用水，可以导致婴儿的血红蛋白增高[4]，因此，对地下水氮污染的研究越来越受到人们的重视[5]。本次将黑河流域地下水作为研究对象，分析地下水中“三氮”的分布特征，为控制该区地下水氮污染提供一定的依据。并依据饮用水质量标准，对黑河流域地下水进行质量区划，进而为开发利用当地地下水，提供科学依据。

1 材料与研究方法

1.1 研究区域概况

黑河流域是我国西北地区第二大内陆河，发源自青海祁连冰川，流域东与石羊河流域相邻，西与疏勒河流域相接，地处青藏高原向蒙古高原的过渡带上，水资源十分缺乏。流域大部分属干旱气候区，仅南部祁连山地较为湿润，形成沿青藏高原北缘分布的祁连山-黑河流域绿洲带。在干旱的气候大背景下，由于黑河内陆河流域四周为高山高原的地理环境所围绕，山地和盆地相间，形成了我国西北干旱区地形地貌独特的内陆河流域和独具特色的水循环系统[6]。本研究所包含的流域范围介于东经96°56′40″-102°09′52″，北纬38°05′55″-40°33′55″之间，流域面积共3.7万 km2，流域行政区划共涉及3市5县，分别为张掖市山丹县、民乐县、临泽县、高台县，酒泉市金塔县，嘉峪关市(图1)。

黑河流域河流出山后，流经中游张掖、酒泉和下游金塔-鼎新，最后注入尾闾湖居延海，通过渗漏和蒸发消失在荒漠[7]。随着区内工农业生产的不断发展和城市人口的急剧增加，经济发展和人民生活对地下水的依赖程度愈来愈高。部分缺水的黑河流域经常出现季节性水资源危机，上下游、工农业之间的争水矛盾越来越突出。由于缺水而严重超采地下水，引起了部分地区地下水水位持续下降，泉水资源不断削减，出现了不同程度的植被退化死亡、土壤盐渍化、土地沙化等问题，区域生态环境趋于恶化。尤其是工农业集中的张掖、酒泉、嘉峪关、玉门等城市，地下水污染现象十分严重。

图1 黑河流域行政区划图

1.2 数据来源

本研究的数据符合《地质矿产实验室测试质量管理规范(DZ0130-2006)和《地下水污染调查评价规范》(DD2008-01)的要求，分析精度、精密度以及重复样和空白样的监控都有保障，保证试验数据的科学性和有效性。

1.3 研究方法

根据《地下水质量标准》(GB/T14848-93)，其中I类和II类地下水离子含量较低，这两类水能适用于各种用途，III类依据生活饮用水卫生标准，主要适用于集中式生活饮用水水源以及工农业用水，I类-III类水均可直接饮用，为适宜类；IV类以农业和工业用水质量要求以及一定水平的人体健康分险为依据，适用于农业和部分工业用水，适当处理后可作为生活饮用水，为较适宜类；V类水质指标超标，不宜作生活饮用水，为不适宜类。绘制各组分含量分布图，反映黑河流域地下水中天然的或已受到污染的各组分空间的分布情况。分布图按照表1将各组分含量划分为三个区间(I类-III类、IV类和V类)。

表1 地下水适宜性划分表 mg/L

依据地下水供水适宜性划分表，通过叠加计算，对黑河流域地下水“三氮”进行质量区划。

2 研究结果

2.1 “三氮”含量分布特征

依据国家饮用水分类标准，黑河流域地下水中硝酸盐、亚硝酸盐、氨氮等的百分位数、均值、极大值、极小值和质量分类(%)分别见表2，各组分超标样品个数和超标率(%)见表3。

表2 黑河流域地下水水化学特征表

表3 黑河流域地下水各组分测试数据超标率统计表

表2、表3、图1、图2、图3和图4所示，本研究在黑河流域地下水中的硝酸盐、亚硝酸盐、氨氮的取样点主要位于花海盆地、金塔盆地、酒泉东盆地、张掖盆地，在赤金盆地、酒泉西盆地、大马营盆地、山丹丰城堡盆地、大青阳等盆地中几乎没有取样。

黑河流域地下水硝酸盐均值为8.581 mg/L，极大值为50.161 mg/L，极小值为0.04 mg/L，共计85个取样点中只有4个点硝酸盐含量超标，主要位于张掖市、高台县和临泽县附近；有16个取样点硝酸盐在较适宜区范围，位于超标样点的外围，其余样品点都在III类水的范围内，适宜区、较适宜区和适宜区呈环状分布。地下水中亚硝酸盐共计70个取样点中无一个超标，亚硝酸氮均值为0.282 mg/L，极大值为4.138 mg/L，极小值为0.001 mg/L，适宜区占整个取样面积的97.6%、较适宜区占整个取样面积的2.4%。地下水中氨氮共计62个取样点只有一个点超标，氨氮均值为0.173 mg/L，极大值为6.712 mg/L，极小值为0.008 mg/L，适宜区占整个取样面积的98.25%、较适宜区占整个取样面积的1.2%，不适宜区占整个取样面积的0.54%。“三氮”含量分布图表明：黑河流域地下水硝酸盐氮Ⅲ类水、适宜区和不适宜区呈线状和面状存在，硝酸盐污染呈现出线状和面状污染的趋势，亚硝酸盐氮和氨氮呈点污染特性，有分散性的特点，污染不具有区域性和连续性。

2.2 质量划分

黑河流域地下水适宜区面积约为16 625.21 km2，占取样点总面积的91.1%；较适宜区面积约为1 311.8 km2，占取样点总面积的7.19%；不适宜区面积约为312.45 km2,仅占取样点总面积的1.71%(图5)。

2.3 原因分析

地质成因是地下水中氮的天然污染源[7]，在天然的状态下，地下水中所含的NO3-一般较少。但是在人类活动的影响下，NH4+-N及NO3--N可以由于很多原因不断增高，最终造成地下水“三氮”污染。另外农民为了追求产量和经济效益，农耕中大量使用化肥农药，肥料主要包括化肥和动物排泄物。农业施肥过程中，这些会随着灌溉而入渗，刘英华[8]等研究表明，氮肥的损失比例为55%，动物排泄物的利用率也是比较低的，利用率在15%～35%。故农业生产较易造成氮污染。生活垃圾及污水中也含有一些氮污染源，比如平时的粪便及一些有机物，同时生活污染和区域城镇人口相关。生活生成的垃圾及污水随着大气降水、河流等入渗到含水层中，污染地下水。总之，浅层地下水中氮元素的来源很多，最主要的是人为因素(化学肥料、农家肥、生活污水及生活垃圾)以及大气降水和土壤淋滤水[9]，鉴于张掖市高台县、临泽县为本区最重要的粮、油、种基地和工业经济发展地区，这与本研究中这三个地方硝酸盐污染严重相吻合。因此推测农业活动、工业活动和生活污水等是导致黑河流域地下水“三氮”污染的主要原因。

图2 黑河流域地下水硝酸盐氮含量分布图

图3 黑河流域地下水亚硝酸盐氮含量分布图

图4 黑河流域地下水氨氮氮含量分布图

黑河流域地下水硝酸盐污染呈现出线状和面状污染的趋势；亚硝酸盐氮和氨氮呈点污染特性，污染不具有区域性和连续性，且“三氮”污染的区域也有一定的差异,即本区域地下水三氮组分主要以硝酸盐形式存在于地下水中，氨氮其次，亚硝酸盐氮含量占三氮含量比例最低。地下水“三氮”转化机理是一个比较复杂的系统，不仅跟水文地质条件、埋藏深度、土壤类型、含氧量、地下水中菌群、水化学成分等诸多因素有关，且在转化过程与细菌的活性也密切相关 ，从而导致地下水“三氮”含量得差异。

图5 黑河流域地下水质量区划图

3 结语

为了弄清楚黑河流域“三氮”污染的区域差异，不但还需要专门针对“三氮”污染物在地下水中的迁移规律进行研究，还需要对黑河流域整个地下水系统进行从上到下的全面分析包气带和含水层的研究、污染治理方法进行研究，最终从根源上解决“三氮”污染的问题。

黑河流域地下水不适宜区面积仅占调查区总面积的1.71%，但是硝酸盐污染呈现出线状和面状污染的趋势应该引起我们的重视，根据地下水“三氮”污染的现状，目前我们可以从两个方面入手，来缓解当地的生态环境问题，彻底解决“三氮”的来源，严格控制工业、生活污水进行脱氮处理后再排放。对于农业上所使用的化肥，可以用绿色有机含氮肥料来代替，从而达到提供氮元素的目的。

[1]甘肃省地质环境监测院.河西走廊地下水动态调查评价报告[R].2014.

[2]罗泽娇，靳孟贵.地下水”三氮”污染的研究进展[J].水文地质工程地质.2002(4):65-69.

[3]许可.地下水中三氮污染物研究综述与展望.工程勘察.2012.8:32-35.

[4]罗泽娇，靳孟贵.地下水”三氮”污染的研究进展[J].水文地质工程地质.2002(4):65-69.

[5]姬亚东，钱会.银川地区地下水氮污染原因及防治[J].地球科学与环境学报.2005.27(3):100-103.

[6]张应华，仵彦卿.黑河流域中游盆地地下水补给机理分析[J].中国沙漠.2009.29(2)：370-375.

[7]赵建忠，丁宏伟，等.黑河流域地下水与地表水转化研究进展[J].西北地质.2010.43(3)：120-126.

[8]刘英华，张世熔，等.成都平原地下水硝酸盐含量空间变异研究[J].长江流域资源与环境.2005.14(1)：114-118.

[9]张青松，刘飞，辉建春，等.农业化肥面源污染现状及对策[J].亚热带水土保持.2010.22(2)：44-52.