呼和浩特市地下水潜水硝酸盐污染特征及成因

2021-07-28于欣鑫邢世禄王奕璇

内蒙古科技与经济 2021年12期

于欣鑫，邢世禄，王奕璇

(内蒙古工业大学，内蒙古呼和浩特 010000)

地下水氮污染是世界上一个重要的环境问题，硝酸盐作为地下水中氮污染的主要方式，其迁移转化是国内外学者研究的热点[1]。随着经济社会的快速发展，硝酸盐污染问题成为我国地下水主要污染问题之一。地下水中的氮元素通常源于农业灌溉用水、工业污水、生活污水等地表污染源的入渗。在城市市区及周边，由于工业、生活和农业污染源同时存在，使得地下水中氮的来源十分复杂[2]。自20世纪70年代开始，农业灌溉引发的地下水污染问题就不断凸显出来，氮元素作为肥料中农作物所需的重要养分，不断引发地下水氮污染问题[3]。化肥超标使用引起硝酸盐淋失而引发的地下水硝酸盐污染程度也日益加重[4]。硝酸盐污染地下水问题直接威胁到人类身体健康，饮用水中硝酸盐浓度过高会造成血液中氧的传输能力下降，引发高铁血红蛋白症[5]。此外，在城镇化进程中，生活污水及垃圾填埋淋滤渗透污染地下水，地下水中的硝酸根离子浓度一直增加，部分城市硝酸型水频繁显现[6，7]。王莉元[8]利用GIS和反距离权重插值法，分析了对临沂经济开发区地下水中硝酸盐等典型污染物的空间分布特征。吕晓立等[9]利用数理统计、离子比等方法，深入分析了秦王川盆地地下水中硝酸盐氮的污染来源、分布特征及控制因素。

笔者以地下水水质动态所监测的硝酸盐浓度数据为基础，基于ArcGIS，运用空间统计学空间数据插值方法，研究呼和浩特市地下水硝酸盐浓度的空间变化和分布特征，分析其主要影响因素。本研究成果旨在为呼和浩特市地下水潜水硝酸盐污染防控提供基础数据，也为我国其余地区地下水硝酸盐污染来源解析提供参考。

1 研究区域概况

呼和浩特市位于呼包盆地东北部，内蒙古自治区中部，辖4区(新城区、赛罕区、玉泉区、回民区)1旗(土默特左旗)、4县(武川县、清水河县、托克托县、和林格尔县)，总面积17 271km2，其中市区面积160km2，城区人口约294万人。呼和浩特市处于内陆高原区，属干旱半干旱大陆性气候，降水量小，蒸发量大，昼夜温差较大。

呼和浩特地区地下水动态监测网点分布的区域主要为呼和浩特市赛罕区、回民区、玉泉区、新城区、金川开发区、金桥开发区、如意开发区和土左旗的台阁牧镇、白庙子镇。本研究区域范围为：北依大青山，东西南方向为人为划定边界，经纬度坐标为：E111°28′～111°48′，N40°40′～40°57′，如图1所示，研究区域面积为612.25km2。

图1 潜水水质监测点分布

2 研究方法及原理

运用ArcGIS，通过空间统计学空间数据插值方法，剖析地下水硝酸盐污染的空间分布规律。空间插值，即运用对收集到的样点、样方数据的规律进行分析，外推或内插到全部研究区域为面数据的方法，即依据已知的空间区域数据估计或预测未知空间区域数据的数学方法[10]。空间数据插值算法都以空间相关性为基础进行[11]，采取不同的插值方法，将对差值的精度产生较大的影响。在插值过程中，根据样本数、研究区域面积、精度等，选择一种或几种方法，从而对样本进行分析研究。常用的空间插值方法有反距离权重法、自然邻域插值法、克里金插值法和局部多项式插值法等。

针对不同方法的对比分析，由于本研究用于空间插值的数据是地下水水质指标监测结果，存在一定的地域流域规律，因而采用反距离权重(Inverse Distance Weighted，简称IDW)插值法对研究区地下水硝酸盐污染的变化趋势进行分析研究。IDW 插值法是以未知插值点和样本点之间的距离作为权重参数，应用加权平均的方法对未知点进行插值[12]。

反距离权重插值法的基本公式为：

(1)

式中：Z为未知插值点的预测值；

n 为预测过程中用到的实测样本总量；

di为未知插值点与第 i 个样本点的间距，i =1，2，…，n；

p为距离的幂；

Zi为第i个样本的实测值。

3 研究区潜水NO3-的空间污染分布特征分析

3.1 潜水水质监测点的选取及分布

首先整理研究区域水文地质资料并加以分析，考虑到样点所在地理位置的周围环境，以及敏感程度的不同，分析不同要素对潜水水质影响。所选取样点基本能够覆盖整个研究区域，而且有足够的数据支持研究。重点分析不同功能区、典型特征、水位水质变化范围大、硝酸盐污染较为典型的样点。

在对潜水水质样点位硝酸盐浓度数据进行初步剖析的基础上，考虑到区域内点位的平均分布，以及周边环境及污染源分布状况，本文共选取潜水水质样点15个，主要分布在市区周边，研究区域内主要城区和近郊基本覆盖。研究区面积为612.25km2。

表1 潜水水质监测点基本情况

3.2 潜水水质NO3-的污染特征分析

参考《地下水质量标准》(GB/T14848—2017)，以硝酸盐为评价指标，分析呼和浩特市地下水潜水中硝酸盐浓度的变化情况。

表2 地下水质量硝酸盐指标及限制

1990年，15个监测点位中NO3-全年最大值为114.68mg/L，为点5#；最小值为0.33 mg/L，为点12#；Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类水质主要位于点1#、2#、4#、9#、10#、12#、14#，面积分别为91.99km2、40.77km2、224.06km2，占比分别为15.03%、6.66%、36.60%；点6#、11#、13#、15#的NO3-浓度为Ⅳ类，面积132.91 km2，占比为21.71%；其中点3#、5#、7#、8#的NO3-浓度为Ⅴ类或超过Ⅴ类，面积为122.52 km2，占比为20.01%，属于严重超标区域。

图2 1990年潜水NO3-浓度分布

1995年，15个监测点位中NO3-全年最大值为140.35 mg/L，为点7#；最小值为6.39mg/L，为点6#；Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类水质主要位于点3#、6#、9#、10#、12#、14#，面积分别为52.73km2、41.41km2、152.81km2，占比分别为8.61%、6.76%、24.96%；点2#、8#、11#、15#的NO3-浓度为Ⅳ类，面积95.10 km2；占比为15.53%；其中点1#、4#、5#、7#、13#的NO3-浓度为Ⅴ类或超过Ⅴ类，面积为270.19km2，占比为44.13%，属于严重超标区域。

图3 1995年潜水NO3-浓度分布

2000年，15个监测点位中NO3-全年最大值为79.61 mg/L，为点7#；最小值为0.75mg/L，为点3#；Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类水质主要位于点3#、9#、10#、12#、14#，面积分别为72.23km2、42.47km2、126.83km2，占比分别为11.80%、6.94%、20.72%；点1#、2#、4# NO3-浓度为Ⅳ类，面积166.78km2，占比为27.24%；其中点5#、6#、7#、8#、11#、13#、15#的NO3-浓度为Ⅴ类或超过Ⅴ类，面积为203.92 km2，占比为33.31%，属于严重超标区域。

图4 2000年潜水NO3-浓度分布

2005年，15个监测点位中NO3-全年最大值为74.68mg/L，为点7#；最小值为1.79mg/L，为点12#；Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类水质主要位于点3#、4#、6#、10#、11#、12#、14#，面积分别为6.39 km2、54.77km2、175.40km2，占比分别为1.04%、8.95%、28.65%；1#的 NO3-浓度为Ⅳ类，面积150.55km2，占比为24.59%；其中点2#、5#、7#、8#、9#、13#、15#的NO3-浓度为Ⅴ类或超过Ⅴ类，面积为225.14km2，占比为36.77%，属于严重超标区域。

图5 2005年潜水NO3-浓度分布

图6 2010年潜水NO3-浓度分布

2010年，15个监测点位中NO3-全年最大值为99.55mg/L，为点15#；最小值为1.18mg/L，为点3#；Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类水质主要位于点3#、4#、5#、6#、8#、9#、10#、12#、14#，面积分别为13.74 km2、35.01km2、356.97km2，占比分别为2.24%、5.72%、58.30%；点2#、11#的 NO3-浓度为Ⅳ类，面积95.83km2，占比为15.65%；其中点1#、7#、13#、15#的NO3-浓度为Ⅴ类或超过Ⅴ类，面积为110.70km2，占比为18.08%，属于严重超标区域。

研究区地下水潜水中NO3-年度浓度最大值从1990年的114.68mg/L增加到1995年的140.35mg/L，呈上升趋势；1995年～2005年有所下降，2005年～2010年逐步增大，最大值达到99.55mg/L。1990年，硝酸盐浓度超标区域主要出现在点3#、5#、7#、8#；1995年硝酸盐浓度超标区域的面积增大，且向北拓宽到点4#；1995年～2005年南北方向面积略有减小，且向西延伸到点9#，1995年硝酸盐浓度超标区域面积最大；2005年～2010年超标区域面积不断减小。研究区域地下水潜水硝酸盐污染面积统计如表3所示。

表3 潜水水质类别面积及占比统计

从以上分析结果得出，研究区域地下水潜水中硝酸盐浓度呈周期性变化，浓度最大值从1990年114.68mg/L增加到1995年的140.35mg/L，之后下降到2010年的99.55mg/L；1990年～2010年Ⅳ类及超过Ⅳ类的测点占比分别为41.72%、59.66%、60.55%、61.36%、33.73%。1990年～2005年，Ⅳ类及超过Ⅳ类的面积不断增大，2005年后开始减小。综上所述，研究区地下水潜水中硝酸盐污染较为严重。

4 硝酸盐污染源及成因分析

4.1 污水排放

含氮的生活污水、工业废水、农业灌溉用水等废水排入地表水体及土壤，与地下水形成补给、渗透，影响地下水中硝酸盐浓度。呼和浩特市以农业、工业发展为主，是导致呼和浩特及其周边乡镇地下水潜水硝酸盐浓度变化的主要因素。

4.2 化肥的过量使用

化肥中含有大量的氮、磷、钾等微量元素，是农作物生长所必需的营养，为农林作物生长提供支持。在农业生产活动过程中，含氮化肥不合理、过量的使用，会对水土造成严重影响。降雨和灌溉水会使地表形成径流，肥料中的氮元素会渗入土壤，会以可溶解的硝酸盐氮、亚硝酸盐氮、氨氮的形式不断随水流渗入到地下水中，使地下水受到不同程度的氮污染。从研究区域硝酸盐污染的评价结果来看，该区域硝酸盐污染严重，施用过量的化肥是导致呼和浩特市地下水潜水硝酸盐污染的重要因素之一。

4.3 地下水开采量

地下水作为呼和浩特市的主要供水水源之一，随着社会经济发展的不断加快，城市用水量不断增大，地下水的开采量也不断增大。多年的过度开采导致地下水位不断下降，出现了大面积的降落漏斗，其主要原因如下：①地下水水位的下降导致地下水补给量减少，排泄量增大，地下水系统因此失去平衡，从而影响地下水水质的变化。 ②地下水的动态条件因地下水水位下降而改变，水力坡度不断增大，污染物在地表水体和土壤中的迁移和渗透速度逐渐加快，间接对地下水水质造成影响。 ③含水层之间的交叉污染。地下水水位的变化使得不同含水层间产生越流补给，若其中一个含水层受到硝酸盐污染，就会影响其他含水层的水质。