黑河流域地下水“三氮”污染現(xiàn)狀研究

，，， ，

(甘肅省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院/甘肅省地下水工程及地?zé)豳Y源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730050)

自從20世紀(jì)60年代末70年代初開始較大規(guī)模開采黑河流域地下水，目前區(qū)內(nèi)90%以上的城鎮(zhèn)以地下水為主要供水水源，農(nóng)村80%左右的人畜飲用水源依賴于地下水[1]。 對(duì)于以地下水作為主要飲用水源的國家和地區(qū)來說，氮污染地下水對(duì)人體的潛在危害十分嚴(yán)重?！叭笔侵溉茉谒谐孰x子態(tài)的氨氮(NH4+-N)、亞硝酸鹽氮(NO2--N)和硝酸鹽氮(NO3--N)的總稱，不僅是衡量水體毒理性和富營養(yǎng)化程度的很重要指標(biāo)，而且能威脅到區(qū)域生態(tài)環(huán)境與人體健康[2-3]。水中的氨氮超標(biāo)，會(huì)引起胃炎、傳染性肝炎等疾?。凰械膩喯跛猁}會(huì)和蛋白質(zhì)形成亞硝胺，而亞硝胺是一種強(qiáng)致癌的物質(zhì)，如果長(zhǎng)期飲用亞硝酸鹽含量高的水，則會(huì)對(duì)人體健康極為不利；長(zhǎng)期飲用硝酸鹽含量高的飲用水，可以導(dǎo)致嬰兒的血紅蛋白增高[4]，因此，對(duì)地下水氮污染的研究越來越受到人們的重視[5]。本次將黑河流域地下水作為研究對(duì)象，分析地下水中“三氮”的分布特征，為控制該區(qū)地下水氮污染提供一定的依據(jù)。并依據(jù)飲用水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)黑河流域地下水進(jìn)行質(zhì)量區(qū)劃，進(jìn)而為開發(fā)利用當(dāng)?shù)氐叵滤?，提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

黑河流域是我國西北地區(qū)第二大內(nèi)陸河，發(fā)源自青海祁連冰川，流域東與石羊河流域相鄰，西與疏勒河流域相接，地處青藏高原向蒙古高原的過渡帶上，水資源十分缺乏。流域大部分屬干旱氣候區(qū)，僅南部祁連山地較為濕潤(rùn)，形成沿青藏高原北緣分布的祁連山-黑河流域綠洲帶。在干旱的氣候大背景下，由于黑河內(nèi)陸河流域四周為高山高原的地理環(huán)境所圍繞，山地和盆地相間，形成了我國西北干旱區(qū)地形地貌獨(dú)特的內(nèi)陸河流域和獨(dú)具特色的水循環(huán)系統(tǒng)[6]。本研究所包含的流域范圍介于東經(jīng)96°56′40″-102°09′52″，北緯38°05′55″-40°33′55″之間，流域面積共3.7萬 km2，流域行政區(qū)劃共涉及3市5縣，分別為張掖市山丹縣、民樂縣、臨澤縣、高臺(tái)縣，酒泉市金塔縣，嘉峪關(guān)市(圖1)。

黑河流域河流出山后，流經(jīng)中游張掖、酒泉和下游金塔-鼎新，最后注入尾閭湖居延海，通過滲漏和蒸發(fā)消失在荒漠[7]。隨著區(qū)內(nèi)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的不斷發(fā)展和城市人口的急劇增加，經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活對(duì)地下水的依賴程度愈來愈高。部分缺水的黑河流域經(jīng)常出現(xiàn)季節(jié)性水資源危機(jī)，上下游、工農(nóng)業(yè)之間的爭(zhēng)水矛盾越來越突出。由于缺水而嚴(yán)重超采地下水，引起了部分地區(qū)地下水水位持續(xù)下降，泉水資源不斷削減，出現(xiàn)了不同程度的植被退化死亡、土壤鹽漬化、土地沙化等問題，區(qū)域生態(tài)環(huán)境趨于惡化。尤其是工農(nóng)業(yè)集中的張掖、酒泉、嘉峪關(guān)、玉門等城市，地下水污染現(xiàn)象十分嚴(yán)重。

圖1 黑河流域行政區(qū)劃圖

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究的數(shù)據(jù)符合《地質(zhì)礦產(chǎn)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試質(zhì)量管理規(guī)范(DZ0130-2006)和《地下水污染調(diào)查評(píng)價(jià)規(guī)范》(DD2008-01)的要求，分析精度、精密度以及重復(fù)樣和空白樣的監(jiān)控都有保障，保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的科學(xué)性和有效性。

1.3 研究方法

根據(jù)《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T14848-93)，其中I類和II類地下水離子含量較低，這兩類水能適用于各種用途，III類依據(jù)生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，主要適用于集中式生活飲用水水源以及工農(nóng)業(yè)用水，I類-III類水均可直接飲用，為適宜類；IV類以農(nóng)業(yè)和工業(yè)用水質(zhì)量要求以及一定水平的人體健康分險(xiǎn)為依據(jù)，適用于農(nóng)業(yè)和部分工業(yè)用水，適當(dāng)處理后可作為生活飲用水，為較適宜類；V類水質(zhì)指標(biāo)超標(biāo)，不宜作生活飲用水，為不適宜類。繪制各組分含量分布圖，反映黑河流域地下水中天然的或已受到污染的各組分空間的分布情況。分布圖按照表1將各組分含量劃分為三個(gè)區(qū)間(I類-III類、IV類和V類)。

表1 地下水適宜性劃分表 mg/L

依據(jù)地下水供水適宜性劃分表，通過疊加計(jì)算，對(duì)黑河流域地下水“三氮”進(jìn)行質(zhì)量區(qū)劃。

2 研究結(jié)果

2.1 “三氮”含量分布特征

依據(jù)國家飲用水分類標(biāo)準(zhǔn)，黑河流域地下水中硝酸鹽、亞硝酸鹽、氨氮等的百分位數(shù)、均值、極大值、極小值和質(zhì)量分類(%)分別見表2，各組分超標(biāo)樣品個(gè)數(shù)和超標(biāo)率(%)見表3。

表2 黑河流域地下水水化學(xué)特征表

表3 黑河流域地下水各組分測(cè)試數(shù)據(jù)超標(biāo)率統(tǒng)計(jì)表

表2、表3、圖1、圖2、圖3和圖4所示，本研究在黑河流域地下水中的硝酸鹽、亞硝酸鹽、氨氮的取樣點(diǎn)主要位于花海盆地、金塔盆地、酒泉東盆地、張掖盆地，在赤金盆地、酒泉西盆地、大馬營盆地、山丹豐城堡盆地、大青陽等盆地中幾乎沒有取樣。

黑河流域地下水硝酸鹽均值為8.581 mg/L，極大值為50.161 mg/L，極小值為0.04 mg/L，共計(jì)85個(gè)取樣點(diǎn)中只有4個(gè)點(diǎn)硝酸鹽含量超標(biāo)，主要位于張掖市、高臺(tái)縣和臨澤縣附近；有16個(gè)取樣點(diǎn)硝酸鹽在較適宜區(qū)范圍，位于超標(biāo)樣點(diǎn)的外圍，其余樣品點(diǎn)都在III類水的范圍內(nèi)，適宜區(qū)、較適宜區(qū)和適宜區(qū)呈環(huán)狀分布。地下水中亞硝酸鹽共計(jì)70個(gè)取樣點(diǎn)中無一個(gè)超標(biāo)，亞硝酸氮均值為0.282 mg/L，極大值為4.138 mg/L，極小值為0.001 mg/L，適宜區(qū)占整個(gè)取樣面積的97.6%、較適宜區(qū)占整個(gè)取樣面積的2.4%。地下水中氨氮共計(jì)62個(gè)取樣點(diǎn)只有一個(gè)點(diǎn)超標(biāo)，氨氮均值為0.173 mg/L，極大值為6.712 mg/L，極小值為0.008 mg/L，適宜區(qū)占整個(gè)取樣面積的98.25%、較適宜區(qū)占整個(gè)取樣面積的1.2%，不適宜區(qū)占整個(gè)取樣面積的0.54%。“三氮”含量分布圖表明：黑河流域地下水硝酸鹽氮Ⅲ類水、適宜區(qū)和不適宜區(qū)呈線狀和面狀存在，硝酸鹽污染呈現(xiàn)出線狀和面狀污染的趨勢(shì)，亞硝酸鹽氮和氨氮呈點(diǎn)污染特性，有分散性的特點(diǎn)，污染不具有區(qū)域性和連續(xù)性。

2.2 質(zhì)量劃分

黑河流域地下水適宜區(qū)面積約為16 625.21 km2，占取樣點(diǎn)總面積的91.1%；較適宜區(qū)面積約為1 311.8 km2，占取樣點(diǎn)總面積的7.19%；不適宜區(qū)面積約為312.45 km2,僅占取樣點(diǎn)總面積的1.71%(圖5)。

2.3 原因分析

地質(zhì)成因是地下水中氮的天然污染源[7]，在天然的狀態(tài)下，地下水中所含的NO3-一般較少。但是在人類活動(dòng)的影響下，NH4+-N及NO3--N可以由于很多原因不斷增高，最終造成地下水“三氮”污染。另外農(nóng)民為了追求產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益，農(nóng)耕中大量使用化肥農(nóng)藥，肥料主要包括化肥和動(dòng)物排泄物。農(nóng)業(yè)施肥過程中，這些會(huì)隨著灌溉而入滲，劉英華[8]等研究表明，氮肥的損失比例為55%，動(dòng)物排泄物的利用率也是比較低的，利用率在15%～35%。故農(nóng)業(yè)生產(chǎn)較易造成氮污染。生活垃圾及污水中也含有一些氮污染源，比如平時(shí)的糞便及一些有機(jī)物，同時(shí)生活污染和區(qū)域城鎮(zhèn)人口相關(guān)。生活生成的垃圾及污水隨著大氣降水、河流等入滲到含水層中，污染地下水?？傊?，淺層地下水中氮元素的來源很多，最主要的是人為因素(化學(xué)肥料、農(nóng)家肥、生活污水及生活垃圾)以及大氣降水和土壤淋濾水[9]，鑒于張掖市高臺(tái)縣、臨澤縣為本區(qū)最重要的糧、油、種基地和工業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展地區(qū)，這與本研究中這三個(gè)地方硝酸鹽污染嚴(yán)重相吻合。因此推測(cè)農(nóng)業(yè)活動(dòng)、工業(yè)活動(dòng)和生活污水等是導(dǎo)致黑河流域地下水“三氮”污染的主要原因。

圖2 黑河流域地下水硝酸鹽氮含量分布圖

圖3 黑河流域地下水亞硝酸鹽氮含量分布圖

圖4 黑河流域地下水氨氮氮含量分布圖

黑河流域地下水硝酸鹽污染呈現(xiàn)出線狀和面狀污染的趨勢(shì)；亞硝酸鹽氮和氨氮呈點(diǎn)污染特性，污染不具有區(qū)域性和連續(xù)性，且“三氮”污染的區(qū)域也有一定的差異,即本區(qū)域地下水三氮組分主要以硝酸鹽形式存在于地下水中，氨氮其次，亞硝酸鹽氮含量占三氮含量比例最低。地下水“三氮”轉(zhuǎn)化機(jī)理是一個(gè)比較復(fù)雜的系統(tǒng)，不僅跟水文地質(zhì)條件、埋藏深度、土壤類型、含氧量、地下水中菌群、水化學(xué)成分等諸多因素有關(guān)，且在轉(zhuǎn)化過程與細(xì)菌的活性也密切相關(guān) ，從而導(dǎo)致地下水“三氮”含量得差異。

圖5 黑河流域地下水質(zhì)量區(qū)劃圖

3 結(jié)語

為了弄清楚黑河流域“三氮”污染的區(qū)域差異，不但還需要專門針對(duì)“三氮”污染物在地下水中的遷移規(guī)律進(jìn)行研究，還需要對(duì)黑河流域整個(gè)地下水系統(tǒng)進(jìn)行從上到下的全面分析包氣帶和含水層的研究、污染治理方法進(jìn)行研究，最終從根源上解決“三氮”污染的問題。

黑河流域地下水不適宜區(qū)面積僅占調(diào)查區(qū)總面積的1.71%，但是硝酸鹽污染呈現(xiàn)出線狀和面狀污染的趨勢(shì)應(yīng)該引起我們的重視，根據(jù)地下水“三氮”污染的現(xiàn)狀，目前我們可以從兩個(gè)方面入手，來緩解當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境問題，徹底解決“三氮”的來源，嚴(yán)格控制工業(yè)、生活污水進(jìn)行脫氮處理后再排放。對(duì)于農(nóng)業(yè)上所使用的化肥，可以用綠色有機(jī)含氮肥料來代替，從而達(dá)到提供氮元素的目的。

[1]甘肅省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院.河西走廊地下水動(dòng)態(tài)調(diào)查評(píng)價(jià)報(bào)告[R].2014.

[2]羅澤嬌，靳孟貴.地下水”三氮”污染的研究進(jìn)展[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì).2002(4):65-69.

[3]許可.地下水中三氮污染物研究綜述與展望.工程勘察.2012.8:32-35.

[4]羅澤嬌，靳孟貴.地下水”三氮”污染的研究進(jìn)展[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì).2002(4):65-69.

[5]姬亞東，錢會(huì).銀川地區(qū)地下水氮污染原因及防治[J].地球科學(xué)與環(huán)境學(xué)報(bào).2005.27(3):100-103.

[6]張應(yīng)華，仵彥卿.黑河流域中游盆地地下水補(bǔ)給機(jī)理分析[J].中國沙漠.2009.29(2)：370-375.

[7]趙建忠，丁宏偉，等.黑河流域地下水與地表水轉(zhuǎn)化研究進(jìn)展[J].西北地質(zhì).2010.43(3)：120-126.

[8]劉英華，張世熔，等.成都平原地下水硝酸鹽含量空間變異研究[J].長(zhǎng)江流域資源與環(huán)境.2005.14(1)：114-118.

[9]張青松，劉飛，輝建春，等.農(nóng)業(yè)化肥面源污染現(xiàn)狀及對(duì)策[J].亞熱帶水土保持.2010.22(2)：44-52.