晉江市淺層地下水硝酸鹽含量時空分異研究

黃耀裔，邱偉鵬，許妙瓊

(泉州師范學院資源與環(huán)境科學學院，福建 泉州 362000)

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晉江市淺層地下水硝酸鹽含量時空分異研究

黃耀裔，邱偉鵬，許妙瓊

(泉州師范學院資源與環(huán)境科學學院，福建 泉州 362000)

地下水中的NO3--N污染已是目前面臨的一個環(huán)境問題，為了解晉江市淺層地下水中NO3--N污染的時空變化，分別采集測試2004年和2014年淺層地下水中NO3--N含量，結(jié)果表明NO3--N污染有加劇的趨勢。利用地統(tǒng)計與GIS技術(shù)結(jié)合構(gòu)建NO3--N的空間分布，從空間視角分析境內(nèi)NO3--N污染的具體位置。結(jié)果可為有關(guān)部門在今后的環(huán)境評價和污染防治等方面提供參考依據(jù)。

硝酸鹽；淺層地下水；地統(tǒng)計；晉江市

地球上可供使用的淡水資源中68%左右自于地下水[1]，由于地表水污染越來越嚴重，使得對地下水的需求增加。由于硝酸鹽(NO3--N)是進入地下水中最頻繁的污染物質(zhì)之一[2]，因此地下水中NO3--N污染逐漸受到人們的重視，美國、加拿大、歐洲、俄羅斯、荷蘭等國家對地下水中NO3--N含量的調(diào)查結(jié)果顯示其含量正逐漸上升，部分地區(qū)甚至超過世界衛(wèi)生組織推薦的限值數(shù)倍[3]。NO3--N地下水污染同樣在我國也較為突出，在安徽省淮北平原大部分地區(qū)地下水三氮檢出率近100%，而河南省的安陽等食管癌高發(fā)區(qū)地區(qū)調(diào)查結(jié)果發(fā)現(xiàn)飲用水中的“三氮”及亞硝胺含量存在密切關(guān)系[4]等。NO3--N污染與人類健康關(guān)系成為目前國內(nèi)外的研究重點，醫(yī)學研究表明過度攝取NO3--N可會人體造成危害，當飲用含高濃度NO3--N的水后在體內(nèi)能經(jīng)硝酸鹽還原菌作用轉(zhuǎn)化為NO2--N，可導致高鐵血紅蛋白癥、消化系統(tǒng)癌癥等疾病[5]；瑞典曾對多位癌癥患者致病因進行分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)其中因飲用高NO3--N含量的地下水誘發(fā)病因[6]；嬰幼兒食用了含NO3--N的食品或水后可導致“藍嬰癥”[7]等，表明防治NO3--N污染已經(jīng)是當務之急。

晉江市是福建省的水資源貧乏區(qū)，人均水資源量不到福建省人均1/10。據(jù)《福建省晉江市地下水資源調(diào)查評價報告》，平水年地下水天然補給量7 461萬 m3，允許開采量6 087萬 m3，現(xiàn)狀開采量為5 500萬 m3，全市地下水采補總體平衡。其中2010年主要用水位人均綜合用水量為343 m3，萬元GDP用水量75 m3工業(yè)萬元總產(chǎn)值用水量22 m3，工業(yè)萬元增加值用水量82 m3，農(nóng)田實灌畝均用水量654 m3，農(nóng)田有效灌溉畝均用水量456 m3，城鎮(zhèn)人均生活用水量282 L/p·d，農(nóng)村人均生活用水量107 L/p·d。經(jīng)對研究區(qū)實地調(diào)查，淺層地下水仍是晉江市居民的主要生活飲用水水源之一。通過2004年與2014年對晉江市淺層地下水NO3--N含量情況進行現(xiàn)狀調(diào)查，調(diào)查分析NO3--N是否有加劇污染趨勢，可為今后對其環(huán)境評價和污染防治等提供決策參考。

1 自然經(jīng)濟概況

晉江市主要位于我國東南沿海的福建省泉州市境內(nèi)，晉江流域的下游南岸，倚山臨海，地理位置優(yōu)越。地質(zhì)條件屬閩東濱海加里東隆起帶。地勢由西北向東南傾斜。地貌以臺地平原為主，丘陵多為低丘，呈條帶狀或弧丘狀分布。西北部的紫帽山海拔517.8 m，為境內(nèi)最高峰。海拔100～300 m的羅裳—靈源和靈秀山脈分別縱貫境內(nèi)中部東西。根據(jù)氣象局資料，氣候?qū)倌蟻啛釒駶檯^(qū)，年均氣溫20℃～21℃，年均日照2 130 h，年均降雨量911～1 231 mm。其中晉江流域流經(jīng)東北部，與橫貫市境的支流九十九溪于泉州灣匯合入海。流域一帶的晉東平原是泉州市最大的沖積平原，土地肥沃，河網(wǎng)密布，為水稻主要種植區(qū)。中部及南部廣大地區(qū)丘陵起伏，多屬侵蝕剝蝕臺地，農(nóng)作物為甘薯、花生、大豆主產(chǎn)區(qū)[8]。

圖1 2004年采樣點分布圖

晉江市同時是海峽西岸經(jīng)濟區(qū)重要的制造業(yè)基地之一，具有中國“品牌之都”稱號，其中“國字號”品牌達117個之多，如洵興、勁霸、七匹狼、安踏、利郎等?？h域經(jīng)濟基本競爭力居于全國第7位。據(jù)《2014年晉江年鑒》，2013年晉江市全年工業(yè)總產(chǎn)值按價格指數(shù)縮減法計算比上年增長13.1%。規(guī)模以上工業(yè)企業(yè)產(chǎn)值同比增長13.0%。隨著經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，水資源需求量不斷增加，使得水污染已成為晉江市經(jīng)濟社會建設和環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的重要制約因素。

圖2 2014年采樣點分布圖

2 淺層地下水樣采集

以涵蓋晉江市所有鄉(xiāng)鎮(zhèn)(街道)，隨時間含量變化狀況等為原則，分別采集2004年和2014年兩個年份的晉江市淺層地下水水樣，涵蓋內(nèi)坑鎮(zhèn)、梅嶺街道、青陽街道、深滬鎮(zhèn)、紫帽鎮(zhèn)、陳埭鎮(zhèn)、池店鎮(zhèn)、磁灶鎮(zhèn)、安海鎮(zhèn)、新塘街道、靈源街道、羅山街道、英林鎮(zhèn)、永和鎮(zhèn)、金井鎮(zhèn)、東石鎮(zhèn)與西園街道共計19個鎮(zhèn)(街道)，2004年采集水樣本60個，2014年采集水樣本117個，2004年和2014年的采樣點分布圖分別見圖1和圖2所示。NO3--N測試方法采用《生活飲用水標準檢驗方法》(GB 5750—2006)的酚二磺酸分光光度法。

3 淺層地下水時空分布規(guī)律

3.1 NO3--N含量時間變化

根據(jù)表1的描述性統(tǒng)計結(jié)果，在2004年晉江市淺層地下水NO3--N含量值介于0.23～45.18 mg/L，平均值為6.85 mg/L，而在2014年NO3--N含量值介于0.20～57.80 mg/L，平均值為7.95 mg/L，10 a期間含量平均值上升了1.10 mg/L，年均值增加0.1 mg/L左右，這與美國的調(diào)查研究較一致[9]。進一步從變異系數(shù)來看，變異系數(shù)從87.16%增加到101.28%，說明NO3--N在淺層地下水中分布不均勻，開始向不穩(wěn)定狀態(tài)發(fā)展，在局部地段仍會形成高含量區(qū)，影響淺層地下水的質(zhì)量。表明該區(qū)受NO3--N污染程度有加深加深趨勢。

圖3 晉江市鎮(zhèn)區(qū)NO3--N含量

項目2004年2014年Max(mg/L)45.1857.80Min(mg/L)0.230.20Avg(mg/L)6.857.95Std(mg/L)5.978.05CV%87.16%101.28%

表2 《地下水質(zhì)量標準》下硝酸鹽含量范圍統(tǒng)計

根據(jù)《地下水質(zhì)量標準》(GB/T14848-93)，NO3--N的三類水質(zhì)標準為20 mg/L；以此為基準研究區(qū)2004年NO3--N的超標率為10%，2014年的超標率則為7.7%。

表3 WHO標準下硝酸鹽含量范圍統(tǒng)計

根據(jù)世界衛(wèi)生組織(WHO)制定的飲用水標準，NO3--N的含量不得超過10 mg/L[10]。據(jù)表2，研究區(qū)2004年水中NO3--N含量在0～10 mg/L的范圍之內(nèi)的總?cè)狱c數(shù)占總體的81.7%，超標率為18.3%。而到了2014年，水中NO3--N含量在0～10 mg/L的范圍之內(nèi)的總?cè)狱c數(shù)占總體的76.1%，超標率增加為23.9%，較2004年增加了5.6%，從2004年至2014年，隨著晉江市工農(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展，以及工業(yè)生產(chǎn)廢水的排放量增加、生活污水排放以及農(nóng)業(yè)化肥過度使用導致其晉江市淺層地下水NO3--N含量整體呈現(xiàn)上升，說明NO3--N污染有加劇的趨勢。

進一步按鎮(zhèn)(街道)尺度統(tǒng)計NO3--N含量狀況，2004年NO3--N的平均含量以龍湖鎮(zhèn)最高，安海鎮(zhèn)最低，而在2014年NO3--N的平均含量則以東石鎮(zhèn)最高，安海鎮(zhèn)最低，2014年較2004年有15個鎮(zhèn)(街道)含量增加，整體的變化趨勢見圖3所示，說明隨時間變化污染有加劇。

3.2 NO3--N含量空間分布

利用統(tǒng)計手段雖具有挖掘數(shù)據(jù)的特征并利用圖表可視化，但是對于具有空間位置特征的數(shù)據(jù)則難以空間可視化表達，而空間統(tǒng)計學則可以很好的加以表達。

地理學中的地統(tǒng)計學(Geostatistics)以空間分布特點的區(qū)域化變量理論為基礎(chǔ)，研究自然現(xiàn)象的空間變異與空間結(jié)構(gòu)的一種技術(shù)方法，可在有限的離散數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上無偏最優(yōu)預測(或模擬)連續(xù)的空間分布，得到預測的不確定性估計[11，12]。數(shù)據(jù)網(wǎng)格化(Data gridding)是地統(tǒng)計的具體實現(xiàn)手段之一，將空間上不均勻分布的數(shù)據(jù)，按一定的方法歸算成規(guī)則網(wǎng)格中的代表值(或趨勢值)的過程。

距離冪函數(shù)反比加權(quán)法主要是通過設定空間待插點為P(xp，yp，zp)，P點鄰域內(nèi)有已知散亂點Qi(xi，yi，zi；i=1，2，…，n)。具體插值計算公式表達為[13]：

(1)

依據(jù)地統(tǒng)計理論和差值計算方法，通過GIS技術(shù)實現(xiàn)2004年與2014年的NO3--N含量空間分布圖。借助MapGIS k9地理信息系統(tǒng)軟件加以實現(xiàn)。具體的實現(xiàn)步驟：在MapGIS k9的數(shù)字地形分析模塊中加載含有NO3--N含量屬性字段的點數(shù)據(jù)(.Wp)，在數(shù)據(jù)分析面板中通過離散數(shù)據(jù)網(wǎng)格化，分別以兩個年份的NO3--N含量值屬性字段作為Z值(網(wǎng)格化方法采用距離冪函數(shù)反比加權(quán)法)生成Grid網(wǎng)格化得到NO3--N含量柵格文件(.msi)，并疊加行政區(qū)劃數(shù)據(jù)(.wl)等其它要素可顯示其空間分布規(guī)律[14]，從2004年NO3--N空間分布圖(圖4所示)，NO3--N含量較高主要分布于晉江市安海鎮(zhèn)與東石鎮(zhèn)交接地區(qū)，池店鎮(zhèn)靠近鯉城區(qū)，羅山街道與新塘街道交界處；而到了2014年(圖5所示)，NO3--N含量較高則主要則不要與龍湖鎮(zhèn)、羅山街道與新塘街道交界處，東石鎮(zhèn)，金井鎮(zhèn)。在10年的時間跨度，研究區(qū)淺層地下水硝酸鹽含量整體呈上升趨勢，空間含量由研究區(qū)的西部往南部遷移，受地表的土地利用類型的變更、企業(yè)遷移、人口遷移等因素影響的地表水下滲造成空間分布發(fā)生改變。

圖4 2004年NO3--N空間分布圖

圖5 2014年NO3--N空間分布圖

4 結(jié)語

地下水硝酸鹽污染已經(jīng)是全球普遍存在的問題，日漸受到重視。通過對晉江市淺層地下水2004年與2014年的NO3--N含量的動態(tài)調(diào)查與監(jiān)測，結(jié)果表明晉江市淺層地下水的NO3--N污染有加劇的趨勢，空間含量由研究區(qū)的西部往南部遷移。今后將進一步研究地表水中NO3--N的淋濾與氮肥施用量、大氣降雨以及農(nóng)用灌溉水等的關(guān)系，分析NO3--N的來源，為有效防治NO3--N污染提供參考，實現(xiàn)地下水資源環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。

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Study on Jinjiang Shallow Groundwater Nitrate Content Spatio-temporal Variation

HUANG Yao-yi，QIU Wei-peng，Xu Miao-qiong

(School of Resources and Environmental Science, Quanzhou Normal University, Quanzhou 362000, Fujian)

Nowadays the NO3--N pollution of shallow groundwater is facing an environment problem to humanity, in order to knows spatial and temporal variations of NO3--N pollution in shallow groundwater in jinjiang city,It’s sampling and test NO3--N content about shallow groundwater in 2004 year and 2014 year, the test results showed that the trend of NO3--N pollution has intensified.Using statistical and GIS technology combined with the spatial distribution of NO3--N, from the perspective of space within the territory of the specific location of NO3--N pollution.The results to relevant departments in the environmental evaluation and provide reference for pollution prevention.

Nitrate；shallow groundwater and geostatistics

2016-05-18

福建省創(chuàng)新實驗項目(201610399051)；泉州市科技局項目(2015Z139)

黃耀裔(1983-)，男，福建晉江人，實驗師，主要從事環(huán)境信息系統(tǒng)應用與環(huán)境污染防治，環(huán)境教學與管理研究。

P641.12

A

1004-1184(2016)06-0004-03