洛陽(yáng)市淺層地下水化學(xué)特征及其氮化物濃度分布特征研究

丁　峰

(1.內(nèi)蒙古自治區(qū)國(guó)土資源廳，內(nèi)蒙古 呼和浩特市 010020；2.內(nèi)蒙古大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特市 010021)

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洛陽(yáng)市淺層地下水化學(xué)特征及其氮化物濃度分布特征研究

丁峰1,2

(1.內(nèi)蒙古自治區(qū)國(guó)土資源廳，內(nèi)蒙古 呼和浩特市 010020；2.內(nèi)蒙古大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特市 010021)

摘要：通過(guò)采集22組地下水樣品，對(duì)洛陽(yáng)市淺層地下水水化學(xué)特征和三氮濃度分布特征進(jìn)行了分析.研究表明：該區(qū)地下水主要以低礦化度的HCO3—Ca和HCO3—Mg 型水為主；“三氮”濃度分布在區(qū)域上存在較大差異性，局部地區(qū)超標(biāo)現(xiàn)象較為嚴(yán)重.其中，硝酸鹽氮濃度最高達(dá)42.45 mg/L，位于洛陽(yáng)市西南的辛店地區(qū)；氨氮和亞硝酸鹽氮濃度分布特征較為相似，最高值均出現(xiàn)在伊河河畔及其以南的丘陵地區(qū)，濃度分別高達(dá)2.80 mg/L和0.52 mg/L.圖5,表1,參11.

關(guān)鍵詞：地下水；水化學(xué)特征；三氮；洛陽(yáng)市

在工農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程快速發(fā)展的狀態(tài)下，人類活動(dòng)對(duì)自然環(huán)境的作用和改變?cè)诓粩嗉訌?qiáng)，已經(jīng)成為影響區(qū)域地下水環(huán)境的主要因素之一[1-4].洛陽(yáng)市地區(qū)作為中西部國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)城市，近年來(lái)城市規(guī)模日益擴(kuò)大，人口持續(xù)增多，工農(nóng)業(yè)污染的現(xiàn)象也愈來(lái)愈嚴(yán)重.洛陽(yáng)市地下水的過(guò)量開(kāi)采以及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)導(dǎo)致的廢水不合理排放不斷加劇，地下水中某些化學(xué)組分的含量持續(xù)升高，對(duì)區(qū)域地下水環(huán)境已經(jīng)產(chǎn)生了明顯的影響[5-8].“三氮”化合物作為衡量地下水環(huán)境污染的重要指標(biāo)，其濃度在洛陽(yáng)市及其周邊地區(qū)不同程度上已經(jīng)呈現(xiàn)出上升的趨勢(shì)[9].因此，對(duì)洛陽(yáng)市地下水化學(xué)組分及“三氮”濃度的分布特征進(jìn)行分析研究，有助于保護(hù)和改善洛陽(yáng)市地下水資源，為實(shí)現(xiàn)水資源可持續(xù)利用提供科學(xué)的依據(jù).

1研究區(qū)自然地理及水文地質(zhì)概況

1.1自然地理概況

洛陽(yáng)盆地位于河南省西部黃河南岸，西起延秋、東至黑石關(guān)，呈北東—北東東向延伸近百公里，南北寬約10余公里，伊、洛河貫流其間.洛陽(yáng)市位于洛陽(yáng)盆地的西部，西起新安—宜陽(yáng)，東至偃師，北起孟津，南接伊川.重點(diǎn)研究區(qū)為伊洛河河谷平原西部區(qū).

該區(qū)屬于暖溫帶季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明，冬季寒冷雨雪少，夏季炎熱雨集中.多年平均氣溫為 14.3 ℃，多年平均降水量545.98 mm，降水時(shí)空變化較大，一般集中在7、8、9三個(gè)月，約占全年降水量的50%，多年平均蒸發(fā)量為1 451.7 mm.

研究區(qū)屬黃河流域的伊洛河水系，主要河流有洛河、伊河及洛河支流澗河等.主要干渠有中州渠、伊東渠等.

1.2區(qū)域地質(zhì)地貌及水文地質(zhì)概況

洛陽(yáng)市北靠邙山，南抵嵩山，西有小秦嶺，中東部為伊洛河沖積平原，構(gòu)成三面環(huán)山，向東敞開(kāi)的箕形地貌.總體地勢(shì)呈西高東低，南北高中間低，由中心至周邊，地形漸次升高，由低到高地貌類型依次為伊洛河河谷平原區(qū)、黃土丘陵(臺(tái)塬)區(qū)、基巖山區(qū)，且整體由西向東傾斜.

研究的主要對(duì)象為淺層地下水含水層組，在河谷平原區(qū)由全新統(tǒng)、上更新統(tǒng)沖洪積形成的一套砂卵石，粗砂礫石、中粗砂為主的粗顆粒地層，含水層厚度30～50 m，在此之間無(wú)穩(wěn)定的隔水層.伊洛河沖積平原區(qū)淺層地下水埋藏淺，水量豐富，亦是區(qū)內(nèi)工農(nóng)業(yè)用水的主要開(kāi)采層；黃土丘陵區(qū)及山前沖洪積平原區(qū)由上更新統(tǒng)和中更新統(tǒng)黃土狀粉土、砂礫石、砂卵石組成，含水類型以孔隙裂隙水和孔隙水為主，由于所處的地貌部位不同和含水層巖性的差異，其透水性變化較大.

2樣品采集與測(cè)定分析

研究在洛陽(yáng)市共布置22個(gè)采樣點(diǎn)，采集地下水樣品22組，基本覆蓋了洛陽(yáng)市及其周邊地區(qū).對(duì)銨根、硝酸根、亞硝酸根等顯著人為污染因子及鉀、鈉、鈣、鎂、氯離子、硫酸根及碳酸根等宏量離子進(jìn)行了采樣分析，采樣點(diǎn)的位置分布如圖1.

圖1　采樣點(diǎn)分布示意圖Fig.1　Distribution of sampling sites

3水化學(xué)類型分析

天然地下水的化學(xué)成分含量是在漫長(zhǎng)的地質(zhì)演化過(guò)程中逐漸累積的，其形成過(guò)程依據(jù)具體水文地質(zhì)條件的不同，主要受所流經(jīng)的巖石土體的種類和性質(zhì)、補(bǔ)給水的特征以及水—巖相互作用等共同影響[10].

研究基于采集到的地下水樣品數(shù)據(jù)，應(yīng)用Piper三線圖法，對(duì)洛陽(yáng)市地下水化學(xué)類型進(jìn)行了分析(圖2).陽(yáng)離子三角形中觀測(cè)點(diǎn)的位置主要分布于左側(cè)，Ca2+離子的含量居多，其次為Mg2+；陰離子三角形中，水樣點(diǎn)幾乎全部位于最左側(cè)，HCO3-含量遠(yuǎn)高于其它陰離子.進(jìn)一步結(jié)合菱形圖中的水樣點(diǎn)分布可得出，研究區(qū)內(nèi)的水化學(xué)類型主要為HCO3—Ca型，其次為HCO3—Mg型；研究區(qū)礦化度在205.64～889.49 mg/L之間，總硬度在172～573 mg/L之間，pH為7.0～7.9，為低礦化度、中性淡水.

4淺層地下水中氮化物的分布特征及原因分析

4.1研究區(qū)“三氮”濃度統(tǒng)計(jì)

洛陽(yáng)市地區(qū)地下水中“三氮”的濃度以NO3-—N為最高，其次為NH4+—N、NO2—N(表1).22個(gè)樣品中NO3-—N全部被檢出，其濃度平均濃度為10.65 mg/L，其中超標(biāo)樣品有3個(gè)，最高質(zhì)量濃度達(dá)42.45 mg/L.NO2-—N的的檢出率為36.36 %，其平均濃度為0.013 mg/L，超標(biāo)樣品共有2個(gè)，最高濃度為0.052 mg/L；地下水中NO2-—N含量雖少，但由于其具有強(qiáng)致癌性，所以危害性較大.NH4+—N濃度的平均值為0.022 mg/L，超標(biāo)點(diǎn)樣品有1個(gè)，最高值達(dá)2.80 mg/L.

圖2　洛陽(yáng)市地下水piper三線圖Fig.2　Piper trilinear nomograph of groundwater in Luoyang City

變異系數(shù)的大小在一定程度上能反映洛陽(yáng)市地區(qū)“三氮”濃度質(zhì)量分布在地域上的不均勻性和差異性.三者中NO3-—N的變異系數(shù)最小，為104.98%，反映出其濃度質(zhì)量分布差異性相對(duì)較??；NO2-—N的變異系數(shù)為231.20 %，其濃度分布的較為離散.NH4+—N的變異系數(shù)最高，達(dá)到342.57%，在三者中屬于強(qiáng)變異，具有明顯的分散性，局部地區(qū)的濃度較高，對(duì)地下水水質(zhì)的影響較大.

表1　洛陽(yáng)市2009年三氮檢出結(jié)果

注：—代表未檢出

4.2地下水“三氮”濃度分布特征

(1)氨氮分析.研究區(qū)大部分地區(qū)氨氮的濃度低于0.2 mg/L，符合地下水Ⅲ類水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 14848一93)；濃度較高地區(qū)主要位于研究區(qū)東南部伊河的以南地帶，其最高濃度達(dá)到 2.80 mg/L，呈現(xiàn)出小區(qū)域的點(diǎn)狀分布，在大范圍上表現(xiàn)出南高北低的趨勢(shì)(圖3).伊河沿岸多為農(nóng)業(yè)種植區(qū)，氮肥的大量使用是導(dǎo)致氨氮含量升高的主要原因之一；此外，伊河南岸有多條引入伊河水的干渠常年對(duì)農(nóng)田進(jìn)行灌溉，目前干渠水(如伊東渠)亦遭到水質(zhì)的污染.

從區(qū)域地下水流動(dòng)特征來(lái)看，伊河南岸主要為黃土丘陵地帶，處于地下水的徑流區(qū).在連續(xù)入滲條件下，水土系統(tǒng)中始終保持著一定的厭氧環(huán)境，進(jìn)入地下水中氮化物多以氨氮形式存在和遷移，因而會(huì)表現(xiàn)出氨氮污染的特征.

(2)硝酸鹽氮分析.硝酸鹽氮濃度高的地區(qū)主要分布在研究區(qū)西南部的洛河沿岸地帶，最高值出現(xiàn)在辛店，達(dá)到40 mg/L以上；此外，研究區(qū)中部洛河沿岸的部分區(qū)域以及研究區(qū)的東南部地區(qū)硝酸鹽氮濃度也較高，均達(dá)到了20 mg/L以上，地下水中的硝酸鹽氮濃度已超出地下水Ⅲ類水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(圖4).

硝酸鹽氮是淺層地下水的主要污染指標(biāo)之一，整個(gè)研究區(qū)硝酸鹽氮有多處地方超標(biāo)，超標(biāo)地區(qū)已占到整個(gè)區(qū)域的30%左右，整個(gè)高值區(qū)主要分布在洛河沿岸以及伊河南部的工農(nóng)業(yè)較為發(fā)達(dá)的地區(qū)，其余地區(qū)大部分硝酸鹽氮的濃度也已接近閥值，具有超標(biāo)的危險(xiǎn).出現(xiàn)最高值的辛店地區(qū)主要為農(nóng)業(yè)種植區(qū)以及養(yǎng)殖區(qū)，受農(nóng)業(yè)氮肥以及牲畜糞便污染的影響，導(dǎo)致地下水中硝酸鹽氮的含量較高.此外，受到淺層土壤氧化還原條件的影響，在有氧環(huán)境中，地下水中的硝化細(xì)菌能夠進(jìn)一步氧化氨氮，也會(huì)導(dǎo)致地下水中硝酸鹽氮的增多[11].

圖3　地下水中氨氮濃度分布等值線圖(mg/L)Fig.3　Distributing chart of ammonia nitrogen(mg/L)

圖4　地下水中硝酸鹽氮濃度分布等值線圖(mg/L)Fig.4　Distributing chart of nitrate nitrogen(mg/L)

(3)亞硝酸鹽氮分析.亞硝酸鹽氮濃度較高的地區(qū)主要集中分布在伊河南岸以及本區(qū)伊河入口處的龍門鄉(xiāng)以南，最高濃度位于康莊的東南邊，濃度達(dá)到0.05 mg/L以上(圖5).研究區(qū)亞硝酸鹽氮的濃度分布與氨氮較為相似，均表現(xiàn)出南高北低的趨勢(shì)；南部丘陵地帶亞硝態(tài)氮濃度總體高于北部黃土丘陵及中部平原區(qū).

與硝酸鹽氮相比，地下水中亞硝酸鹽氮很不穩(wěn)定，其濃度范圍在時(shí)間和空間分布上變化較大.總體上看，受地下水流動(dòng)系統(tǒng)影響，平原區(qū)亞硝態(tài)氮濃度相對(duì)丘陵山區(qū)低，亞硝態(tài)氮較高濃度區(qū)呈現(xiàn)點(diǎn)狀分布.

圖5　地下水中亞硝酸鹽氮濃度分布等值線圖(mg/L)Fig.5　Distributing chart of nitrate nitrogen(mg/L)

5結(jié)論

洛陽(yáng)市地下水水化學(xué)類型主要為低礦化度的HCO3—Ca和HCO3—Mg 型；在局部地區(qū)“三氮”濃度有所超標(biāo)現(xiàn)象.其中，硝酸鹽氮超標(biāo)濃度和范圍最為嚴(yán)重，最高濃度達(dá)到42.45 mg/L，辛店地區(qū)農(nóng)業(yè)及畜牧業(yè)污染是導(dǎo)致該地區(qū)硝酸鹽氮超標(biāo)的主要原因.氨氮和亞硝酸鹽氮濃度最高值出現(xiàn)在伊河河畔及其以南地區(qū)，濃度分別高達(dá)2.80 mg/L和0.052 mg/L.地下水氨氮、亞硝酸鹽氮同時(shí)超標(biāo)主要是受工農(nóng)業(yè)含氮廢水污染的影響.此外，長(zhǎng)期的地質(zhì)作用使得本區(qū)土壤巖層中積存有豐富的有機(jī)質(zhì)，地下含水層通氣性較差而呈現(xiàn)出一種還原條件，加之受農(nóng)業(yè)和生活污染，導(dǎo)致局部地下水中氨氮、亞硝酸鹽氮污染突出.

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Research on Chemical Characteristics and Nitride Distribution of Shallow Groundwater in Luoyang City

DING Feng1,2

(1.Land and Resources Department of Inner Mongolia,Huhhot 010020,China；2.College of Environment and Resources,Inner Mongolia University,Hohhot 010021,China)

Abstract：Through 22 groups of groundwater samples,hydrochemical and 3-nitrogen concentration distribution characteristics of shallow groundwater in Luoyang City were analyzed.Studies showed that groundwater in this area were mainly the HCO3—Ca water and HCO3—Mg water with low salinity; there is a big difference on 3-nitrogen concentration distribution in this area and its contents was out of limits in some regions; nitrate nitrogen concentration located in Xindian,southwest of Luoyang City was up to 42.45 mg/L; ammonia nitrogen were up to 2.80 mg/L and 0.52 mg/L respectively in the hilly banks of the Yihe River and south of the region,which were the peak values.5figs.,1tabs.,11refs.

Keywords：groundwater; hydrochemical characteristics; 3-nitrogen; Luoyang City

中圖分類號(hào)：P641

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-7300(2016)01-024-06

作者簡(jiǎn)介：丁峰(1975-)，男，內(nèi)蒙古呼和浩特人，碩士研究生，研究方向：水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì).

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(編號(hào)：41002129)

收稿日期：2015-02-18

Biography：DING Feng,male,born in 1975,Inner Mongolia,postgraduate,research field in hydrogeology and environmental geology