滹沱河沖洪積扇地下水硝酸鹽含量的空間分布特征及影響因素

劉　琰，喬肖翠，江秋楓，昌　盛，朱媛媛，2，王山軍，鄭丙輝*（.中國環(huán)境科學(xué)研究院環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險評估國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，國家環(huán)境保護(hù)飲用水水源地保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京0002；2.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院環(huán)境工程系，北京00083）

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滹沱河沖洪積扇地下水硝酸鹽含量的空間分布特征及影響因素

劉琰1，喬肖翠1，江秋楓1，昌盛1，朱媛媛1，2，王山軍1，鄭丙輝1*
（1.中國環(huán)境科學(xué)研究院環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險評估國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，國家環(huán)境保護(hù)飲用水水源地保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100012；2.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院環(huán)境工程系，北京100083）

摘要：為了解華北平原地下水中硝酸鹽的分布狀況及影響因素，對石家莊市滹沱河沖洪積扇四個地下水單元的地下水樣品進(jìn)行采集與分析。結(jié)果表明：在115個樣品中，64.35%的樣品水質(zhì)符合《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 14848—1993）Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)，地下水質(zhì)量總體較差，主要的污染指標(biāo)為硝酸鹽和總硬度，超標(biāo)點(diǎn)位主要分布在西北部兩個地下水單元。硝酸鹽的濃度范圍為0.24～440 mg·L-1，其平均濃度與最高濃度分別為GB/T 14848—1993中硝酸鹽Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)值的3倍與22倍，屬于嚴(yán)重污染；不同地下水單元中硝酸鹽濃度差異較大，在研究區(qū)內(nèi)基本呈現(xiàn)從西北到東南、從淺層到深層逐漸降低趨勢。除水文地質(zhì)條件對地下水中硝酸鹽含量有重要影響外，污染源類型及其分布也起到了重要作用。通過相關(guān)性分析，初步認(rèn)為研究區(qū)西北部兩個地下水單元中硝酸鹽污染主要來源于點(diǎn)源類型的生活污水及畜禽養(yǎng)殖廢水，東南部的兩個地下水單元的硝酸鹽污染主要來源于面源類型的農(nóng)業(yè)施肥。

關(guān)鍵詞：硝酸鹽；地下水；污染特征；空間分布；滹沱河沖洪積扇

劉琰，喬肖翠，江秋楓，等.滹沱河沖洪積扇地下水硝酸鹽含量的空間分布特征及影響因素［J］.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2016, 35（5）：947-954.

LIU Yan, QIAO Xiao-cui, JIANG Qiu-feng, et al. Spatial distribution and influencing factors of nitrate content in groundwater of alluvial-pluvial fan of Hutuo River［J］. Journal of Agro-Environment Science, 2016, 35（5）:947-954.

華北平原是我國重要的經(jīng)濟(jì)區(qū)，人口近1.3億，地下水是其最主要供水水源，占總供水量的69.5%［1-2］。滹沱河沖洪積扇地處華北平原西部，處于山前補(bǔ)給區(qū)的第一個過流區(qū)［3-4］，也是南水北調(diào)中線工程地下水調(diào)蓄、地下水回灌的重點(diǎn)區(qū)域［5-6］，其地下水質(zhì)量狀況對于整個華北平原中部地區(qū)有著至關(guān)重要的意義。早在20世紀(jì)地下水硝態(tài)氮污染已經(jīng)成為國際上普遍關(guān)注的問題［7］，特別是對于以地下水作為主要飲用水源的國家和地區(qū)來說，硝態(tài)氮污染地下水對人體健康的潛在威脅更為嚴(yán)峻。由于近些年來受人類活動的影響，滹沱河沖洪積扇平原區(qū)地下水硝酸鹽含量日益增加：1959年其平均含量為2.35 mg·L-1，1978—1985年期間大部分區(qū)域成為上升區(qū)，到1992年，該區(qū)NO-3含量為40～50 mg·L-1的水點(diǎn)已占31.2%，超標(biāo)率為35.5%，其中淺層地下水中氮濃度1986—1991年的平均增長速率為1.85 mg·L-1·a-1［8］。針對該地區(qū)開展地下水硝酸鹽污染特征研究，對于區(qū)域地下水資源評價、地下水污染評價等工作都具有十分重要的參考價值。

目前關(guān)于滹沱河平原地區(qū)地下水的研究較為廣泛。王翠華等［9］開展了滹沱河平原地下水礦化度和硬度變化分析，結(jié)果表明礦化度和總硬度與地下水位埋深密切相關(guān)；葉浩等［10］對滹沱河石家莊段地下水進(jìn)行了污染評價，結(jié)果表明該區(qū)域地下水已經(jīng)受到污染，主要的污染成分為硫酸根、硝酸根、亞硝酸根、化學(xué)需氧量（COD）；李亞松等［3］研究了滹沱河沖積平原淺層地下水的有機(jī)污染狀況，結(jié)果表明區(qū)域內(nèi)淺層地下水已經(jīng)受到有機(jī)污染威脅，主要檢出組分為鹵代烴類和氯代苯類；王金哲等［11］對滹沱河流域平原區(qū)人類活動對淺層地下水干擾程度進(jìn)行了量化研究，結(jié)果表明干擾程度在不同時代都表現(xiàn)出從西部向東部逐漸減小的趨勢。以硝酸鹽形式存在的溶解態(tài)氮是地下水中最常見的污染物，許多研究表明硝酸鹽氮含量不斷增加是地下水水質(zhì)惡化的主要表現(xiàn)之一，因此國內(nèi)外都把硝酸鹽氮作為評價地下水水質(zhì)的主要指標(biāo)［12-13］。從目前滹沱河沖洪積平原已開展的研究看，雖然針對該地區(qū)地下水污染特征的相關(guān)研究較多，但是通過在研究區(qū)內(nèi)劃分不同地下水單元而系統(tǒng)研究硝酸鹽分區(qū)污染特征及影響因素的研究還相對較少。

因此，基于滹沱河沖洪積扇在華北平原所處的重要位置，以及其地下水質(zhì)量狀況對華北平原地下水的重要影響，并結(jié)合該區(qū)域地下水的研究現(xiàn)狀，本研究選取滹沱河沖洪積扇作為研究區(qū)，系統(tǒng)分析了地下水中硝酸鹽的分區(qū)污染特征，并對影響硝酸鹽分布的因素及污染來源進(jìn)行了探討，以期為華北平原地下水污染防治工作提供依據(jù)。

1　材料與方法

1.1研究區(qū)概況

研究區(qū)位于太行山前崗南水庫和黃壁莊水庫之間的河谷平原和滹沱河沖洪積扇的頂部及中部地帶，是典型的山前沖洪積平原，為明顯分帶性、邊界條件清楚的典型扇型蓄水構(gòu)造。該區(qū)地勢西高東低，向東傾斜，屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，根據(jù)石家莊1955—2001年共47年的年降水與平均氣溫?cái)?shù)據(jù)，該區(qū)多年平均氣溫13.3℃，年平均降水量534 mm。該區(qū)地下水系統(tǒng)為滹沱河沖洪積扇孔隙淡水系統(tǒng)，包氣帶巖性以砂性土為主，降水入滲系數(shù)0.2～0.3。含水層為第四系松散沉積物，巖性以砂石、卵石、粗砂、中細(xì)砂為主，含水層垂向連續(xù)性好，從山前向東部，含水層介質(zhì)顆粒由粗變細(xì)，總厚度10～40 m。地下水總體流向是西北向東南，地下水主要補(bǔ)給方式為大氣降水、河渠水入滲和灌溉回歸等，主要排泄方式為人工開采。自20世紀(jì)80年代以來，石家莊地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展、人口的增長以及工礦企業(yè)不斷增多，對水資源的需求量越來越大，導(dǎo)致該地區(qū)地下水水位埋深逐年降低，且在局部地區(qū)形成了水位降落漏斗［5］。滹沱河貫穿整個研究區(qū)域，滹沱河河床及河漫灘地帶是較為理想的地下調(diào)蓄滲漏補(bǔ)給源區(qū)［14］。石家莊滹沱河沖洪積扇區(qū)域地下水資源豐富，是華北平原地區(qū)主要的飲用水水源和農(nóng)業(yè)灌溉水源。由于研究區(qū)內(nèi)不同區(qū)域地質(zhì)條件、地下水埋深及含水層介質(zhì)巖性存在較大差異，本研究將該區(qū)域劃分為四個地下水單元，分別為崗黃水庫之間河谷裂隙孔隙水單元（G1）、滹沱河沖洪積扇扇頂部孔隙水單元（G2）、滹沱河沖洪積扇扇中部淺層孔隙水單元（G3）和滹沱河沖洪積扇扇中部深層孔隙水單元（G4）。

1.2樣品采集

根據(jù)研究區(qū)內(nèi)地下水單元的劃分，在各單元內(nèi)使用網(wǎng)格法并遵循代表性和均勻性的原則布設(shè)了115個地下水采樣點(diǎn)。采樣點(diǎn)分布示意圖和各單元采樣點(diǎn)數(shù)量分別見圖1和表1。G3和G4所涵蓋的水平區(qū)域完全相同，只是垂向深度不同。

于2014年10月對研究區(qū)內(nèi)115個點(diǎn)位進(jìn)行水質(zhì)樣品采集。對于地下水樣品，在采集前先清洗井孔，排除井內(nèi)滯水，當(dāng)水質(zhì)分析儀參數(shù)達(dá)到穩(wěn)定后開始采樣，并利用便攜式水質(zhì)分析儀對水體pH、溫度、溶解氧（DO）、電導(dǎo)率（EC）、氧化還原電位（Eh）進(jìn)行現(xiàn)場參數(shù)測定。樣品采集后放置于恒溫4℃的冷藏箱中低溫保存，并于2日內(nèi)送至位于石家莊的中國地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所進(jìn)行測試。

圖1　滹沱河沖洪積扇地下水采樣點(diǎn)分布圖Figure 1 Location map for groundwater sampling sites in alluvial-pluvial fan of Hutuo River

G1為崗黃水庫之間河谷裂隙孔隙水單元；G2為滹沱河沖洪積扇扇頂部孔隙水單元；G3為滹沱河沖洪積扇扇中部淺層孔隙水單元；G4為滹沱河沖洪積扇扇中部深層孔隙水單元。下同

G1-Fissure and pore water unit in the valley between Gangnan Reservoir and Huangbizhuang Reservoir; G2-Pore water unit in the top alluvial-pluvial fan of Hutuo River; G3-Shallow pore water unit in the middle alluvial-pluvial fan of Hutuo River; G4-Deep pore water unit in the middle alluvial-pluvial fan of Hutuo River. The same below

表1　不同地下水單元采樣點(diǎn)數(shù)量的分布情況Table 1 Distribution of sampling sites in different groundwater units

1.3測試方法

采用YSI6600（YSI公司，美國）對pH、溫度、DO、EC、Eh等指標(biāo)進(jìn)行現(xiàn)場測定?？傆捕龋ㄒ訡aCO3計(jì)）采用地下水質(zhì)檢驗(yàn)方法（DZ/T 0064—1993）中EDTA滴定法測試，HCO-3、CO2-3采用滴定法測定，硫酸鹽、氯離子采用離子色譜法檢測，硝酸鹽（以N計(jì)）和亞硝酸鹽（以N計(jì)）采用分光光度法檢測，氨氮（以N計(jì)）采用納氏試劑比色法測定。

1.4評價標(biāo)準(zhǔn)

采用《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 14848—1993）對地下水樣品進(jìn)行水質(zhì)評價；采用《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB 5749—2006）對硝酸鹽、亞硝酸鹽和總硬度的達(dá)標(biāo)情況進(jìn)行評價。

GB 14848—1993和GB 5749—2006中關(guān)于硝酸鹽、亞硝酸鹽和總硬度的標(biāo)準(zhǔn)值見表2。

1.5數(shù)據(jù)處理

將各點(diǎn)位的坐標(biāo)信息導(dǎo)入MAPGIS軟件，繪制采樣點(diǎn)分布圖為后期數(shù)據(jù)分析提供依據(jù)，并將硝酸根濃度數(shù)據(jù)導(dǎo)入ARCGIS軟件進(jìn)行分析，繪制研究區(qū)內(nèi)硝酸鹽空間分布圖。在進(jìn)行硝酸鹽污染分析過程中使用Origin軟件繪制箱型圖，進(jìn)一步對硝酸鹽污染特征進(jìn)行分析。此外，通過IBM SPSS Statistics軟件對各指標(biāo)與硝酸根的相關(guān)性進(jìn)行分析。

表2　硝酸鹽、亞硝酸鹽和總硬度在地下水和飲用水標(biāo)準(zhǔn)中的標(biāo)準(zhǔn)值（mg·L-1）Table 2 Values of nitrogen and total hardness in groundwater and drinking water standards（mg·L-1）

2　結(jié)果與討論

2.1水質(zhì)基本狀況

根據(jù)pH值、總硬度、硫酸鹽、氯離子、硝酸鹽、亞硝酸鹽和氨氮7項(xiàng)指標(biāo)的測定結(jié)果，采用GB/T 14848—1993中單項(xiàng)組分評價方法對研究區(qū)的地下水質(zhì)量進(jìn)行評價。結(jié)果表明，115個地下水樣品中，水質(zhì)為Ⅱ和Ⅲ類的點(diǎn)位個數(shù)分別為9個和22個，共占全部點(diǎn)位的26.96%；74個點(diǎn)位的水質(zhì)為Ⅴ類，占全部點(diǎn)位的64.35%。由此可見，研究區(qū)地下水質(zhì)量總體較差，主要的污染指標(biāo)為硝酸鹽和總硬度。研究區(qū)四個地下水單元的水質(zhì)評價結(jié)果見表3。G1和G2的水質(zhì)較差，均以Ⅴ類水為主，兩個地下水單元Ⅴ類水點(diǎn)位數(shù)量分別占該地下水單元總點(diǎn)位數(shù)的90.9%與93.48%；沖洪積扇扇中部孔隙水單元的水質(zhì)相對較好，其中G3點(diǎn)位中Ⅲ類水居多，占該地下水單元淺層孔隙水總點(diǎn)位的44.44%，Ⅴ類水?dāng)?shù)量占該地下水單元淺層孔隙水總點(diǎn)位的30.56%；G4的水質(zhì)最好，多為Ⅱ類和Ⅲ類水，分別占該地下水單元總點(diǎn)位數(shù)的63.64%和36.36%。這表明地下水水位越深，受污染程度相對越小。

表3　不同單元地下水水質(zhì)評價結(jié)果Table 3 Classification of water quality in different groundwater units

此外，對所采地下水進(jìn)行的基本化學(xué)指標(biāo)測試（表4）結(jié)果表明：研究區(qū)淺層地下水的水溫為13.1～ 18.2℃，平均值為15.4℃；DO范圍0.03～13.76 mg·L-1，平均值為7.42 mg·L-1。研究區(qū)深層地下水水溫為12.7～17.7℃，平均值為15.17℃；DO范圍1.38～8.03 mg·L-1，平均值為3.99 mg·L-1。一般來說，在沒有受海水入侵的含水層，EC值可作為地下水污染程度的指標(biāo)，未受污染的地下水EC值一般小于3×10-2S·m-1［15］。研究區(qū)淺層地下水EC范圍為（3.67～31）×10-2S·m-1，平均值為9.55×10-2S·m-1，而深層地下水EC范圍是（3.08～10.20）×10-2S·m-1，平均值為6.30×10-2S·m-1。由此可見，研究區(qū)內(nèi)不論深層地下水還是淺層地下水均受到了嚴(yán)重的污染，而相對于淺層地下水來說，由于深層地下水采樣井深度較大，受污染程度相對較輕。淺層地下水Eh的范圍為-87.0～253 mV，平均值為138.8 mV，深層地下水Eh范圍是-36.4～241.0 mV，平均值為154.3 mV，整個研究區(qū)的地下水都處于弱還原性環(huán)境。

表4　研究區(qū)內(nèi)地下水基本化學(xué)參數(shù)測試值Table 4 Basic chemical properties of groundwater in researched area

2.2研究區(qū)硝酸鹽的總體含量特征

由測試結(jié)果可知采樣點(diǎn)地下水硝酸鹽的濃度范圍為0.24～440 mg·L-1，平均濃度為63.09 mg·L-1，是GB/T 14848—1993中硝酸鹽Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)值的3倍以上，也遠(yuǎn)高于GB 5749—2006中硝酸鹽的標(biāo)準(zhǔn)限值要求。115個點(diǎn)位中，硝酸鹽濃度超過GB/T 14848—1993中Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)值要求的有82個，占全部點(diǎn)位的71.30%。由此可見，研究區(qū)地下水硝酸鹽污染非常嚴(yán)重。在所有點(diǎn)位中，有5個點(diǎn)位氨氮有檢出（檢出限為0.04 mg·L-1），其中位于G2的A29和A58氨氮濃度分別為3.00 mg·L-1和2.65 mg·L-1，按照GB/T 14848—1993判定為Ⅴ類水，其他點(diǎn)位能夠滿足Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)。有42個點(diǎn)位亞硝酸鹽有檢出（檢出限為0.002 mg·L-1），檢出濃度范圍為0.002～33.20 mg·L-1，其中16個點(diǎn)位的亞硝酸鹽濃度不能滿足Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)值要求，亞硝酸鹽檢出率高且濃度較高的點(diǎn)位多位于G1。依據(jù)各點(diǎn)位的硝酸鹽含量，通過插值法得到硝酸鹽在整個研究區(qū)的濃度分布情況（圖2），顯示G1和G2的南部區(qū)域硝酸鹽濃度整體較高?？傮w而言，硝酸鹽為研究區(qū)地下水中主要的氮存在形式，是主要的污染指標(biāo)。

圖2　研究區(qū)內(nèi)硝酸鹽空間分布特征Figure 2 Spatial distribution characteristics of nitrate in researched area

2.3不同地下水單元硝酸鹽含量水平及影響因素

各地下水單元硝酸鹽濃度的箱型圖見圖3。四個地下水單元中硝酸鹽的總體濃度水平由高到低依次為G1、G2、G3和G4。其中，G1硝酸鹽的濃度范圍為21.68～440 mg·L-1，平均濃度為128.17 mg·L-1，標(biāo)準(zhǔn)差為119.94 mg·L-1；G2硝酸鹽的濃度范圍為8.56～161.8 mg·L-1，平均濃度為73.01 mg·L-1，標(biāo)準(zhǔn)差為34.33 mg·L-1；G3硝酸鹽的濃度范圍為2.04～119 mg· L-1，平均濃度為28.62 mg·L-1，標(biāo)準(zhǔn)差為26.3 mg·L-1；G4硝酸鹽的濃度范圍為0.24～10.6 mg·L-1，平均濃度為4.2 mg·L-1，標(biāo)準(zhǔn)差為2.72 mg·L-1。研究區(qū)硝酸鹽濃度整體上呈現(xiàn)由西北到東南逐漸降低的趨勢。此外，G3、G4同處滹沱河沖洪積扇扇中部孔隙水單元，而G3淺層孔隙水中硝酸鹽濃度與G4深層孔隙水相比較高，此現(xiàn)象表明，地下水埋深越淺，硝態(tài)氮含量越高，超標(biāo)率和嚴(yán)重超標(biāo)率越高。Lotse等［16］的研究也得到了類似結(jié)果，這也意味著，地下水硝態(tài)氮很可能來源于上部土層的淋溶作用，淺層地下水最先受到污染，然后逐漸向深層滲漏。

圖3　研究區(qū)內(nèi)不同地下水單元硝酸鹽含量水平Figure 3 Concentrations of nitrate in different groundwater units

為識別影響硝酸鹽在不同地下水單元中分布的因素，對地下水單元含水層介質(zhì)的巖性及地下水埋深進(jìn)行了分析。G1含水層以各種片麻巖及大理巖裂隙、溶蝕裂隙和第四系松散沖積物為主，含水層厚度為10～20 m，水位埋藏較淺。G2含水層巖性為礫卵石和砂礫卵石，導(dǎo)水性和富水性好，滲透系數(shù)一般為300～400 m·d-1，防污性能較差，含水層厚度為20～35 m。G3 和G4含水層巖性顆粒變細(xì)，粘土夾層增多，滲透系數(shù)為100～200 m·d-1，與G1和G2相比，滲透性降低，對垂向水流向下遷移的水中硝酸根離子起到了阻滯作用，同時這樣的環(huán)境（含水量高、氧化還原電勢低、高氮量）十分有利于反硝化作用的進(jìn)行而使氮元素?fù)p失。G3和G4的地下水巖性相同，但淺層孔隙水的含水層厚度為25～60 m，深層孔隙水的含水層厚度則為100～200 m，這使得深層孔隙水更不易被污染［17］。由此可見，含水層巖性及地下水埋深對硝酸鹽在不同地下水單元中的分布均具有重要影響。

根據(jù)現(xiàn)場污染源調(diào)查情況看，在研究區(qū)西北部兩個地下水單元區(qū)域內(nèi)污水處理廠數(shù)量較少，而東南地區(qū)地下水單元區(qū)域內(nèi)污水處理廠數(shù)量相對較多。此外，畜禽養(yǎng)殖場在西北的兩個地下水單元中分布較多，而在東南地下水單元區(qū)域內(nèi)分布較少，基本符合研究區(qū)西北部污水處理廠較少且畜禽養(yǎng)殖場較多，而東南部污水處理廠相對較多而畜禽養(yǎng)殖場較少的趨勢。這一現(xiàn)象與硝酸鹽濃度在研究區(qū)內(nèi)的變化趨勢呈一定相關(guān)性，初步認(rèn)為除水文地質(zhì)條件的差異外，污水處理廠分布的情況及畜禽養(yǎng)殖場的數(shù)量是引起硝酸鹽濃度分布差異性的重要原因［18］。

2.4地下水中硝酸鹽的來源分析

流域氮素流失量與降雨徑流過程、土壤性質(zhì)、植被、管理措施、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式（如化肥類型、施肥方式）等因素密切相關(guān)［17］，硝酸鹽污染主要是由于氮的天然化合物溶解度較大，同時，人類的活動也起主要影響作用。人類活動會改變地下水的地球化學(xué)環(huán)境并相應(yīng)地改變其中化學(xué)元素的特性，如大量抽取地下水不但使得包氣帶加厚，而且改變了地下水的天然循環(huán)方式，不同程度地影響地下水的再循環(huán)，而且人類活動排放的各種廢棄物也在一定程度上改變了地下水原來的氧化還原環(huán)境。這兩者都不同程度地改變了地下水的水文地球化學(xué)環(huán)境［19］。

硝酸鹽是自然存在的離子，是氮循環(huán)的一部分，自然界存在的硝酸鹽在地下水中通常很少，一般來自人類活動，如污水灌溉、氮肥過度施用、人畜糞便及垃圾堆放等。在氧化性很強(qiáng)的地下水中，硝酸鹽會呈穩(wěn)定的溶解態(tài)氮形式，且會隨著地下水運(yùn)動遷移［13］。Rahmati等［20］對伊朗西部庫爾德斯坦的地下水水源地硝酸鹽污染程度進(jìn)行的研究表明，所有被污染的井水都位于農(nóng)業(yè)灌溉區(qū)，且向灌溉區(qū)施加氮肥的量與當(dāng)?shù)氐叵滤邢跛猁}濃度密切相關(guān)。Ka?arogˇlu等［21］研究發(fā)現(xiàn)，土耳其埃斯基謝希爾地區(qū)將城市污水處理廠出水以井灌形式進(jìn)行地下水回灌，從而導(dǎo)致回灌區(qū)地下水產(chǎn)生硝酸鹽污染問題。除了人類活動所帶來的氮污染外，硝酸鹽在地下水中的遷移與水文地質(zhì)條件也有很大的關(guān)系。Arauzo等［22］通過主成分分析表明，地下水硝酸鹽污染的主要原因是地下水的固有脆弱性（由水文地質(zhì)條件與土壤介質(zhì)共同決定），土地利用方式以及地下水流向都會對硝酸鹽的遷移產(chǎn)生影響。Chen等［23］通過對黃河三角洲地下水硝酸鹽的濃度進(jìn)行檢測分析得出，該研究區(qū)硝酸鹽污染主要發(fā)生在淺層地下水且濃度與該地區(qū)的地貌及土地利用方式呈空間相關(guān)性。

一般來說，由城市污水和垃圾滲漏造成的污染，其硝酸根和鹽污染有較好的一致性。鹽污染包括溶解性總固體、硬度、硫酸鹽、氯化物等。而農(nóng)業(yè)施肥（不包括農(nóng)家肥）所帶來的硝酸鹽污染，水中硝酸根與鹽濃度則不一定呈較好的相關(guān)性。在環(huán)境學(xué)研究中，氯離子和硝酸根離子是兩種十分重要的離子。硝酸根離子由于其本身在環(huán)境中的行為而受到環(huán)境化學(xué)家的重視，而氯離子除了污染環(huán)境、導(dǎo)致土壤鹽漬化之外，由于其在地下水運(yùn)動過程中不受物理、化學(xué)、微生物的影響，還經(jīng)常作為指示地表水和地下水混合和反硝化作用的指示劑［24］。此外，總硬度也是生活飲用水水質(zhì)的一個重要指標(biāo)，是由各種可溶性多價金屬離子形成的，主要是指Ca2+和Mg2+。地下水的總硬度主要來自地層，工業(yè)廢水和污染物的滲入也可導(dǎo)致總硬度升高。分析研究區(qū)內(nèi)硝酸根離子和氯離子及總硬度濃度的相互關(guān)系可以在一定程度上判斷出硝酸根離子的來源，本研究分析了不同地下水單元與硝酸鹽顯著相關(guān)的指標(biāo)及相關(guān)系數(shù)，分析結(jié)果如表5所示。G1中，EC、Ca2+、Cl-、總硬度和溶解性總固體量值與硝酸鹽氮的濃度的相關(guān)系數(shù)分別為0.938、0.910、0.905、0.906、0.903，表明相關(guān)性較好，與G3和G4相比，G2各指標(biāo)與硝酸根相關(guān)系數(shù)較高，而G4鹽離子與硝酸根濃度的相關(guān)性并不顯著。這一現(xiàn)象也表明研究區(qū)內(nèi)G1的硝酸鹽污染可能來源于城市污水與垃圾滲濾液，而G3和G4的硝酸鹽則可能存在不同的來源。

針對氯離子進(jìn)行分析可知，與G3和G4相比，在G1和G2中，硝酸鹽和氯離子相關(guān)性較好；G3中硝酸鹽氮與氯離子相關(guān)系數(shù)較低，相關(guān)性較差；而G4中雖然硝酸鹽氮與氯離子相關(guān)系數(shù)相對較高，但此結(jié)果是由于點(diǎn)數(shù)較少導(dǎo)致的，總的來說此單元中這兩個指標(biāo)相關(guān)性也較差。針對總硬度指標(biāo)進(jìn)行分析可知，硝酸鹽氮與總硬度相關(guān)性較好，但在G3和G4中相關(guān)系數(shù)則較低。一般認(rèn)為城市地下水硬度升高主要是由于污水滲漏造成的，其形成的化學(xué)機(jī)理是在污水入滲過程中鈣鎂易溶鹽和難溶鹽的溶解以及陽離子的交換作用，污水中有機(jī)物的分解是導(dǎo)致難溶鹽巖溶解的動力［25］。通過相關(guān)性分析可知，氯離子及總硬度和硝酸鹽氮相關(guān)性的好壞基本保持一致，都是西北兩個地下水單元的相關(guān)性較高，而東南地下水單元的相關(guān)性較差。由此可以初步推測，西北部兩個地下水單元的硝酸鹽污染主要來源于生活污水及畜禽養(yǎng)殖廢水，屬于點(diǎn)源污染；而東南滹沱河沖洪積扇地下水單元中硝酸鹽濃度較低且與氯離子及總硬度相關(guān)性較低，初步判斷該區(qū)硝酸鹽污染主要來源于農(nóng)業(yè)施肥，為面源污染。

表5　不同地下水單元中各地下水化學(xué)參數(shù)與硝酸鹽的相關(guān)性分析Table 5 Correlation coefficients between nitrate and chemical properties in different groundwater units

3　結(jié)論

（1）研究區(qū)內(nèi)水質(zhì)為Ⅱ和Ⅲ類的點(diǎn)位占全部點(diǎn)位的26.96%；水質(zhì)為Ⅴ類的點(diǎn)位占全部點(diǎn)位的64.35%，地下水質(zhì)量總體較差，主要的污染指標(biāo)為硝酸鹽和總硬度。其中硝酸鹽的平均濃度與最高濃度分別為GB/T 14848—1993中硝酸鹽Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)值的3倍與22倍，屬于嚴(yán)重污染。

（2）四個地下水單元中硝酸鹽濃度差異較大，硝酸鹽的平均濃度基本符合從西北到東南、從淺層到深層逐漸降低的趨勢。除當(dāng)?shù)氐乃牡刭|(zhì)條件外，污水處理廠及畜禽養(yǎng)殖場的分布也是影響硝酸鹽濃度的主要因素之一。

（3）研究區(qū)西北部兩個地下水單元中硝酸鹽主要來源于點(diǎn)源類型的生活污水及畜禽養(yǎng)殖廢水，東南部兩個地下水單元的硝酸鹽主要來源于面源類型的農(nóng)業(yè)施肥。

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中圖分類號：X522

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1672-2043（2016）05-0947-08

doi:10.11654/jaes.2016.05.019

收稿日期：2015-11-05

基金項(xiàng)目：環(huán)保公益性行業(yè)科研專項(xiàng)（201409029）

作者簡介：劉琰（1978—），博士，研究員，主要從事流域水環(huán)境質(zhì)量評價及標(biāo)準(zhǔn)研究。E-mail：liuyan@craes.org.cn

*通信作者：鄭丙輝E-mail：zhengbh@craes.org.cn

Spatial distribution and influencing factors of nitrate content in groundwater of alluvial-pluvial fan of Hutuo River

LIU Yan1, QIAO Xiao-cui1, JIANG Qiu-feng1, CHANG Sheng1, ZHU Yuan-yuan1,2, WANG Shan-jun1, ZHENG Bing-hui1*
（1.State Key Laboratory of Environmental Criteria and Risk Assessment, State Environmental Protection Key Laboratory of Drinking Water Source Protection, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China; 2.Department of Environmental Engineering, School of Civil and Environmen tal Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China）

Abstract：In order to identify the contamination profiles and spatial distribution of nitrate in the North China Plain, 115 groundwater samples,collected from Hutuo River pluvial fan in Shijiazhuang City, Hebei Province, were analyzed according to the parameters listed in the Quality Standard for Ground Water（GB 14848—1993）. Results indicated that the water quality was generally poor. The 64.35%of total samples only met the Class V standards. Nitrate and hardness were the main failed indicators. The sampling sites with poor water quality were mainly located in the two groundwater units in the northwest area. The nitrate concentrations ranged from 0.24 to 440 mg·L-1, with the maximum and the average concentrations being 22 and 3 times higher than the ClassⅢstandard value, respectively. The nitrate concentrations spatially decreased from the north-west to the south-east and from shallow to deep stratum of the research area. Hydrogeological conditions had an important effect on the distribution of nitrate in groundwater. In addition, the type and distribution of pollution sources also had great contributions. Correlation analysis between chloridion and nitrate, and between total hardness and nitrate indicated that nitrate in the two units of the north-west area came from the discharges of domestic wastewater and livestock and poultry breeding wastewater from the point sources, while nitrate in the other two units located in the south-east area was mainly resulted from the agricultural non-point sources.

Keywords：nitrate; groundwater; pollution profile; spatial distribution; alluvial-pluvial fan of Hutuo River