桂林寨底地下河硝酸根含量特征研究

王 松,裴建國(guó)

(1.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院巖溶地質(zhì)研究所,廣西桂林 541004 2.廣東省工程勘察院,廣東廣州 510510)

地下水系統(tǒng)有多種形態(tài)的氮存在,它們?cè)谝欢l件下可以相互轉(zhuǎn)化。由于土壤層吸附以及特殊的生境條件,地下水有機(jī)氮一般含量較少。地下水無(wú)機(jī)氮主要包括NO3-以及NH4+和NO2-,NO2-是硝化和反硝化的中間產(chǎn)物,化學(xué)穩(wěn)定性差致使該形態(tài)離子的含量不高[1]。NH4+由于離子交換和硝化作用等含量也較少。因此,在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)迅速發(fā)展使地下水硝酸鹽污染成為世界性的環(huán)境問(wèn)題[2]的今天,研究地下水中硝酸根的含量特征具有重要意義,在水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)特殊的西南巖溶地區(qū)尤為明顯。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于桂林市區(qū)東面的靈川縣境內(nèi),地處南嶺山地南面的西麓,處于北回歸線附近的低緯度地區(qū),地屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),氣候四季分明,降雨量年內(nèi)分配主要受季風(fēng)活動(dòng)影響,分布不均。夏季濕熱多雨,秋季干旱少雨,且雨熱基本同季。研究區(qū)寨底地下河系統(tǒng)補(bǔ)給面積為 32.69 km2。

2 研究方法

根據(jù)前人資料[3]可知該系統(tǒng)內(nèi)的地下河管道的分布、聯(lián)通狀況以及控制特性,本研究選取地下河系統(tǒng)內(nèi) 6個(gè)控制點(diǎn)定期取樣(見圖 2-1)。1號(hào)點(diǎn)為釣巖地下河出口;2號(hào)點(diǎn)為水牛厄巖溶泉;3號(hào)點(diǎn)東究地下河出口;4號(hào)點(diǎn)東究橋地下河出口;5號(hào)點(diǎn)小浮地下河出口;6號(hào)點(diǎn)為整個(gè)地下河系統(tǒng)總出口,位于桂林市靈川縣海洋鄉(xiāng)寨底村。

圖1 寨底地下河取樣點(diǎn)示意圖

根據(jù)硝酸鹽的特點(diǎn),本研究于 2008年的 7月,9月,11月對(duì) 6個(gè)控制點(diǎn)進(jìn)行硝酸根、亞硝酸根和銨根含量水樣的采集。2008年 2月至 2009年 1月每月一次對(duì)地下河總出口(6號(hào)點(diǎn))進(jìn)行水樣全分析檢測(cè)。

每次取樣均用 600 ml的高密度聚乙烯塑料瓶取水樣 1瓶,密封、冷藏快速運(yùn)至實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行 NO3-、NO2-、NH4+濃度檢測(cè)。檢測(cè)工作中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院巖溶地質(zhì)研究所測(cè)試中心完成。

3 結(jié)果與分析

7月份為桂林地區(qū)的雨季,農(nóng)作物生長(zhǎng)的旺盛,主要農(nóng)作物水稻在此時(shí)為第二季水稻肥田插秧時(shí)節(jié)。9月份應(yīng)為桂林地區(qū)的平水季節(jié),但是在 2008年 9月份前后降雨極少,取樣前半個(gè)月均未下雨,總出口(6號(hào)點(diǎn))處的水位為 3.3 cm,遠(yuǎn)低于 7月份的27.1 cm。11月份為桂林地區(qū)的干旱季節(jié),但是在取樣的前兩天研究地區(qū)有較強(qiáng)的暴雨,取樣當(dāng)天也有中雨。

鑒于三氮的相互轉(zhuǎn)化特征,考慮到銨根與亞硝酸根對(duì)硝酸根的影響,筆者在分析硝酸根濃度特征前也分析了研究區(qū)銨根與亞硝酸根濃度特征。

(1)NH4+含量特征所有水樣的 NH4+濃度均小于檢測(cè)限 0.02mg/L,符合Ⅰ類飲用水的標(biāo)準(zhǔn),屬于低含量,在此就不給予討論。

(2)NO2-含量特征NO2

-在不同時(shí)間及不同樣點(diǎn)均偶爾有檢出,大部分樣點(diǎn)NO2

-含量低于檢測(cè)限 0.002mg/L,見圖 2。

圖2 研究區(qū)內(nèi) 7月、9月和 11月NO2-濃度

NO2-的檢測(cè)結(jié)果顯示,7月份東究 NO2-濃度為0.01mg/L,其余 5個(gè)點(diǎn) NO2-濃度均為低于檢測(cè)限 0.002 mg/L。在 9月份東究橋和寨底均有檢出,濃度分別為 0.01 mg/L和 0.2 mg/L,寨底 NO2-的濃度已屬地下水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)中的Ⅲ類水,濃度較高。NO2-為硝化作用與反硝化作用的中間產(chǎn)物,其高濃度應(yīng)與 NH4+或NO3-低含量對(duì)應(yīng),檢測(cè)結(jié)果也表明,在 9月份研究區(qū)內(nèi)各研究點(diǎn)的 NO3-的濃度較低。但在其他三個(gè)點(diǎn)為何濃度較低或者未有檢出,這一點(diǎn)需要進(jìn)一步研究。11月份檢出點(diǎn)有三個(gè),各點(diǎn) NO2-濃度差別不是很大,11月份有較多的檢出點(diǎn)可能是因?yàn)?11月份取樣前期至取樣時(shí)遇暴雨,地表潛在污染源隨雨水進(jìn)入地下河管道,使得檢出點(diǎn)較多,但濃度都比較低。

(3)NO3-含量特征18個(gè)水樣中有 13個(gè) NO3-濃度值低于天然背景下地下水硝酸根濃度值4.4mg/L,最低值為 0.44mg/L。最高值也遠(yuǎn)低于世界衛(wèi)生組織規(guī)定的飲用水標(biāo)準(zhǔn)(50mg/L)為 23.4mg/L。

圖3 研究區(qū)內(nèi) 7月、9月和 11月NO3-濃度

從圖 3可以看出,研究區(qū)內(nèi) NO3-濃度在不同月份呈現(xiàn)良好的分異性。6個(gè)取樣點(diǎn)的 NO3-濃度均在 11月份為最高值,9月份為最低值,這可能與取樣時(shí)的降雨情況密切相關(guān)。11月份雖已經(jīng)進(jìn)入旱季,但取樣前幾天和取樣的當(dāng)天都是暴雨到中雨,所取的水樣呈現(xiàn)黃色,地表大量泥沙、垃圾等隨落水洞進(jìn)入地下,地表潛在的硝酸根源進(jìn)入地下河,使得 11月份硝酸根濃度在三個(gè)月中居首位。9月份取樣期間以及前十來(lái)天均是晴朗天氣,地下河出口均清澈見底,寨底總出口的流量(約 185 L/s)遠(yuǎn)低于雨季 7月份的流量(4 374 L/s)。此時(shí)地表的垃圾、堆肥以及農(nóng)田土壤里的 NO3-進(jìn)入地下河要比在雨季慢或困難。7月份是研究區(qū)的雨季,其含量總體水平比 11月的暴雨時(shí)要低,比干旱時(shí)的 9月份要高。總體上說(shuō),在時(shí)間上,地下河中硝酸根的含量具有季節(jié)性變化,與大氣降水密切相關(guān)。

在空間上,6個(gè)取樣點(diǎn)每個(gè)月的硝酸根含量都有各自的特征,與各個(gè)點(diǎn)的地貌和土地利用方式有關(guān)。以7月份為例(見圖 4):

圖4 研究區(qū) 7月份 NO3-含量等值線圖

從圖 4可以看出,7月份水牛厄和釣巖的 NO3-濃度都比其它點(diǎn)要高,其主要原因可能是釣巖上游補(bǔ)給區(qū)有四個(gè)較大的洼地和坡立谷,洼地和坡立谷正是農(nóng)作物密集的地方,NO3-含量受農(nóng)業(yè)和人類活動(dòng)的影響很大,水牛厄不僅接受了來(lái)自釣巖的地下水的補(bǔ)給,它也接受其上游洼地地表水的補(bǔ)給。而且,水牛厄出口就在人口密集的村中出露,村中人口眾多,養(yǎng)有牛等牲畜,動(dòng)物糞便、生活污水直接排入地下。釣巖出口到水牛厄補(bǔ)給區(qū)的管道和水牛厄地下河的管道都較短,減少了 NO3-在運(yùn)移的過(guò)程中可能存在的自凈作用,使得水牛厄的 NO3-的有效補(bǔ)給源和補(bǔ)給量都較高。東究和小浮NO3-的含量處于是 6個(gè)點(diǎn)中較低位置,這是因?yàn)闁|究和小浮的補(bǔ)給源區(qū)洼地較少,補(bǔ)給面積小,人類活動(dòng)影響較小。小浮的補(bǔ)給區(qū)雖為一個(gè)大的洼地,但是洼地內(nèi)的居民點(diǎn)較少,受人類生活影響較小。

不僅是 7月份,9月份和 11月份研究區(qū)內(nèi) 6個(gè)點(diǎn)的硝酸根含量的空間分布特征也有著上述規(guī)律(見表 1)。

表1 研究區(qū) 9月、11月份 NO3-濃度

總體來(lái)說(shuō),研究區(qū)的硝酸根含量較低,測(cè)試結(jié)果顯示該地區(qū)地下河水未受到明顯的氮污染。但是部分研究點(diǎn)某些時(shí)段內(nèi) NO3-的含量還是高于天然土壤的背景值。

4 結(jié)論

研究區(qū)內(nèi)水樣硝酸根含量較低,未超過(guò)國(guó)家飲用水的標(biāo)準(zhǔn)。所有樣點(diǎn)NH4+均低于檢測(cè)限,NO2-在部分水點(diǎn)和特殊季節(jié)有檢出,但含量均不高。大部分樣點(diǎn)的 NO3-濃度雖未超過(guò)飲用水標(biāo)準(zhǔn),但是部分水點(diǎn)的濃度還是超過(guò)了土壤天然背景值,并且在時(shí)空分布上與降雨和人類活動(dòng)的影響(土地利用方式、人口密度等)有一定關(guān)系。

雖然研究區(qū)內(nèi)“三氮”含量較低,但部分點(diǎn) NO3-濃度在一定時(shí)期仍然超過(guò)土壤天然背景值,在今后工作中應(yīng)重點(diǎn)研究其硝酸根來(lái)源。

[1]劉叢強(qiáng)等.生物地球化學(xué)過(guò)程與地表物質(zhì)循環(huán)——西南喀斯特流域侵蝕與生源要素循環(huán)[M].北京:科學(xué)出版社,2007.315.

[2]Helmut K.Groundwater Updates Best-set Typesetter L td[M].Hong Kong,2000.3-8.

[3]黃敬熙,嚴(yán)啟坤,王敏夫等.桂林巖溶水資源評(píng)價(jià)及其方法[M].重慶:重慶出版社,1988.