呼和浩特市地下水潛水硝酸鹽污染特征及成因

于欣鑫，邢世祿，王奕璇

(內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010000)

地下水氮污染是世界上一個(gè)重要的環(huán)境問(wèn)題，硝酸鹽作為地下水中氮污染的主要方式，其遷移轉(zhuǎn)化是國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)[1]。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，硝酸鹽污染問(wèn)題成為我國(guó)地下水主要污染問(wèn)題之一。地下水中的氮元素通常源于農(nóng)業(yè)灌溉用水、工業(yè)污水、生活污水等地表污染源的入滲。在城市市區(qū)及周邊，由于工業(yè)、生活和農(nóng)業(yè)污染源同時(shí)存在，使得地下水中氮的來(lái)源十分復(fù)雜[2]。自20世紀(jì)70年代開(kāi)始，農(nóng)業(yè)灌溉引發(fā)的地下水污染問(wèn)題就不斷凸顯出來(lái)，氮元素作為肥料中農(nóng)作物所需的重要養(yǎng)分，不斷引發(fā)地下水氮污染問(wèn)題[3]?；食瑯?biāo)使用引起硝酸鹽淋失而引發(fā)的地下水硝酸鹽污染程度也日益加重[4]。硝酸鹽污染地下水問(wèn)題直接威脅到人類(lèi)身體健康，飲用水中硝酸鹽濃度過(guò)高會(huì)造成血液中氧的傳輸能力下降，引發(fā)高鐵血紅蛋白癥[5]。此外，在城鎮(zhèn)化進(jìn)程中，生活污水及垃圾填埋淋濾滲透污染地下水，地下水中的硝酸根離子濃度一直增加，部分城市硝酸型水頻繁顯現(xiàn)[6，7]。王莉元[8]利用GIS和反距離權(quán)重插值法，分析了對(duì)臨沂經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)地下水中硝酸鹽等典型污染物的空間分布特征。呂曉立等[9]利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)、離子比等方法，深入分析了秦王川盆地地下水中硝酸鹽氮的污染來(lái)源、分布特征及控制因素。

筆者以地下水水質(zhì)動(dòng)態(tài)所監(jiān)測(cè)的硝酸鹽濃度數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，基于A(yíng)rcGIS，運(yùn)用空間統(tǒng)計(jì)學(xué)空間數(shù)據(jù)插值方法，研究呼和浩特市地下水硝酸鹽濃度的空間變化和分布特征，分析其主要影響因素。本研究成果旨在為呼和浩特市地下水潛水硝酸鹽污染防控提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，也為我國(guó)其余地區(qū)地下水硝酸鹽污染來(lái)源解析提供參考。

1 研究區(qū)域概況

呼和浩特市位于呼包盆地東北部，內(nèi)蒙古自治區(qū)中部，轄4區(qū)(新城區(qū)、賽罕區(qū)、玉泉區(qū)、回民區(qū))1旗(土默特左旗)、4縣(武川縣、清水河縣、托克托縣、和林格爾縣)，總面積17 271km2，其中市區(qū)面積160km2，城區(qū)人口約294萬(wàn)人。呼和浩特市處于內(nèi)陸高原區(qū)，屬干旱半干旱大陸性氣候，降水量小，蒸發(fā)量大，晝夜溫差較大。

呼和浩特地區(qū)地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)網(wǎng)點(diǎn)分布的區(qū)域主要為呼和浩特市賽罕區(qū)、回民區(qū)、玉泉區(qū)、新城區(qū)、金川開(kāi)發(fā)區(qū)、金橋開(kāi)發(fā)區(qū)、如意開(kāi)發(fā)區(qū)和土左旗的臺(tái)閣牧鎮(zhèn)、白廟子鎮(zhèn)。本研究區(qū)域范圍為：北依大青山，東西南方向?yàn)槿藶閯澏ㄟ吔?，?jīng)緯度坐標(biāo)為：E111°28′～111°48′，N40°40′～40°57′，如圖1所示，研究區(qū)域面積為612.25km2。

圖1 潛水水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布

2 研究方法及原理

運(yùn)用ArcGIS，通過(guò)空間統(tǒng)計(jì)學(xué)空間數(shù)據(jù)插值方法，剖析地下水硝酸鹽污染的空間分布規(guī)律?？臻g插值，即運(yùn)用對(duì)收集到的樣點(diǎn)、樣方數(shù)據(jù)的規(guī)律進(jìn)行分析，外推或內(nèi)插到全部研究區(qū)域?yàn)槊鏀?shù)據(jù)的方法，即依據(jù)已知的空間區(qū)域數(shù)據(jù)估計(jì)或預(yù)測(cè)未知空間區(qū)域數(shù)據(jù)的數(shù)學(xué)方法[10]?？臻g數(shù)據(jù)插值算法都以空間相關(guān)性為基礎(chǔ)進(jìn)行[11]，采取不同的插值方法，將對(duì)差值的精度產(chǎn)生較大的影響。在插值過(guò)程中，根據(jù)樣本數(shù)、研究區(qū)域面積、精度等，選擇一種或幾種方法，從而對(duì)樣本進(jìn)行分析研究。常用的空間插值方法有反距離權(quán)重法、自然鄰域插值法、克里金插值法和局部多項(xiàng)式插值法等。

針對(duì)不同方法的對(duì)比分析，由于本研究用于空間插值的數(shù)據(jù)是地下水水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測(cè)結(jié)果，存在一定的地域流域規(guī)律，因而采用反距離權(quán)重(Inverse Distance Weighted，簡(jiǎn)稱(chēng)IDW)插值法對(duì)研究區(qū)地下水硝酸鹽污染的變化趨勢(shì)進(jìn)行分析研究。IDW 插值法是以未知插值點(diǎn)和樣本點(diǎn)之間的距離作為權(quán)重參數(shù)，應(yīng)用加權(quán)平均的方法對(duì)未知點(diǎn)進(jìn)行插值[12]。

反距離權(quán)重插值法的基本公式為：

(1)

式中：Z為未知插值點(diǎn)的預(yù)測(cè)值；

n 為預(yù)測(cè)過(guò)程中用到的實(shí)測(cè)樣本總量；

di為未知插值點(diǎn)與第 i 個(gè)樣本點(diǎn)的間距，i =1，2，…，n；

p為距離的冪；

Zi為第i個(gè)樣本的實(shí)測(cè)值。

3 研究區(qū)潛水NO3-的空間污染分布特征分析

3.1 潛水水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的選取及分布

首先整理研究區(qū)域水文地質(zhì)資料并加以分析，考慮到樣點(diǎn)所在地理位置的周?chē)h(huán)境，以及敏感程度的不同，分析不同要素對(duì)潛水水質(zhì)影響。所選取樣點(diǎn)基本能夠覆蓋整個(gè)研究區(qū)域，而且有足夠的數(shù)據(jù)支持研究。重點(diǎn)分析不同功能區(qū)、典型特征、水位水質(zhì)變化范圍大、硝酸鹽污染較為典型的樣點(diǎn)。

在對(duì)潛水水質(zhì)樣點(diǎn)位硝酸鹽濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行初步剖析的基礎(chǔ)上，考慮到區(qū)域內(nèi)點(diǎn)位的平均分布，以及周邊環(huán)境及污染源分布狀況，本文共選取潛水水質(zhì)樣點(diǎn)15個(gè)，主要分布在市區(qū)周邊，研究區(qū)域內(nèi)主要城區(qū)和近郊基本覆蓋。研究區(qū)面積為612.25km2。

表1 潛水水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)基本情況

3.2 潛水水質(zhì)NO3-的污染特征分析

參考《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T14848—2017)，以硝酸鹽為評(píng)價(jià)指標(biāo)，分析呼和浩特市地下水潛水中硝酸鹽濃度的變化情況。

表2 地下水質(zhì)量硝酸鹽指標(biāo)及限制

1990年，15個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位中NO3-全年最大值為114.68mg/L，為點(diǎn)5#；最小值為0.33 mg/L，為點(diǎn)12#；Ⅰ類(lèi)、Ⅱ類(lèi)、Ⅲ類(lèi)水質(zhì)主要位于點(diǎn)1#、2#、4#、9#、10#、12#、14#，面積分別為91.99km2、40.77km2、224.06km2，占比分別為15.03%、6.66%、36.60%；點(diǎn)6#、11#、13#、15#的NO3-濃度為Ⅳ類(lèi)，面積132.91 km2，占比為21.71%；其中點(diǎn)3#、5#、7#、8#的NO3-濃度為Ⅴ類(lèi)或超過(guò)Ⅴ類(lèi)，面積為122.52 km2，占比為20.01%，屬于嚴(yán)重超標(biāo)區(qū)域。

圖2 1990年潛水NO3-濃度分布

1995年，15個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位中NO3-全年最大值為140.35 mg/L，為點(diǎn)7#；最小值為6.39mg/L，為點(diǎn)6#；Ⅰ類(lèi)、Ⅱ類(lèi)、Ⅲ類(lèi)水質(zhì)主要位于點(diǎn)3#、6#、9#、10#、12#、14#，面積分別為52.73km2、41.41km2、152.81km2，占比分別為8.61%、6.76%、24.96%；點(diǎn)2#、8#、11#、15#的NO3-濃度為Ⅳ類(lèi)，面積95.10 km2；占比為15.53%；其中點(diǎn)1#、4#、5#、7#、13#的NO3-濃度為Ⅴ類(lèi)或超過(guò)Ⅴ類(lèi)，面積為270.19km2，占比為44.13%，屬于嚴(yán)重超標(biāo)區(qū)域。

圖3 1995年潛水NO3-濃度分布

2000年，15個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位中NO3-全年最大值為79.61 mg/L，為點(diǎn)7#；最小值為0.75mg/L，為點(diǎn)3#；Ⅰ類(lèi)、Ⅱ類(lèi)、Ⅲ類(lèi)水質(zhì)主要位于點(diǎn)3#、9#、10#、12#、14#，面積分別為72.23km2、42.47km2、126.83km2，占比分別為11.80%、6.94%、20.72%；點(diǎn)1#、2#、4# NO3-濃度為Ⅳ類(lèi)，面積166.78km2，占比為27.24%；其中點(diǎn)5#、6#、7#、8#、11#、13#、15#的NO3-濃度為Ⅴ類(lèi)或超過(guò)Ⅴ類(lèi)，面積為203.92 km2，占比為33.31%，屬于嚴(yán)重超標(biāo)區(qū)域。

圖4 2000年潛水NO3-濃度分布

2005年，15個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位中NO3-全年最大值為74.68mg/L，為點(diǎn)7#；最小值為1.79mg/L，為點(diǎn)12#；Ⅰ類(lèi)、Ⅱ類(lèi)、Ⅲ類(lèi)水質(zhì)主要位于點(diǎn)3#、4#、6#、10#、11#、12#、14#，面積分別為6.39 km2、54.77km2、175.40km2，占比分別為1.04%、8.95%、28.65%；1#的 NO3-濃度為Ⅳ類(lèi)，面積150.55km2，占比為24.59%；其中點(diǎn)2#、5#、7#、8#、9#、13#、15#的NO3-濃度為Ⅴ類(lèi)或超過(guò)Ⅴ類(lèi)，面積為225.14km2，占比為36.77%，屬于嚴(yán)重超標(biāo)區(qū)域。

圖5 2005年潛水NO3-濃度分布

圖6 2010年潛水NO3-濃度分布

2010年，15個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位中NO3-全年最大值為99.55mg/L，為點(diǎn)15#；最小值為1.18mg/L，為點(diǎn)3#；Ⅰ類(lèi)、Ⅱ類(lèi)、Ⅲ類(lèi)水質(zhì)主要位于點(diǎn)3#、4#、5#、6#、8#、9#、10#、12#、14#，面積分別為13.74 km2、35.01km2、356.97km2，占比分別為2.24%、5.72%、58.30%；點(diǎn)2#、11#的 NO3-濃度為Ⅳ類(lèi)，面積95.83km2，占比為15.65%；其中點(diǎn)1#、7#、13#、15#的NO3-濃度為Ⅴ類(lèi)或超過(guò)Ⅴ類(lèi)，面積為110.70km2，占比為18.08%，屬于嚴(yán)重超標(biāo)區(qū)域。

研究區(qū)地下水潛水中NO3-年度濃度最大值從1990年的114.68mg/L增加到1995年的140.35mg/L，呈上升趨勢(shì)；1995年～2005年有所下降，2005年～2010年逐步增大，最大值達(dá)到99.55mg/L。1990年，硝酸鹽濃度超標(biāo)區(qū)域主要出現(xiàn)在點(diǎn)3#、5#、7#、8#；1995年硝酸鹽濃度超標(biāo)區(qū)域的面積增大，且向北拓寬到點(diǎn)4#；1995年～2005年南北方向面積略有減小，且向西延伸到點(diǎn)9#，1995年硝酸鹽濃度超標(biāo)區(qū)域面積最大；2005年～2010年超標(biāo)區(qū)域面積不斷減小。研究區(qū)域地下水潛水硝酸鹽污染面積統(tǒng)計(jì)如表3所示。

表3 潛水水質(zhì)類(lèi)別面積及占比統(tǒng)計(jì)

從以上分析結(jié)果得出，研究區(qū)域地下水潛水中硝酸鹽濃度呈周期性變化，濃度最大值從1990年114.68mg/L增加到1995年的140.35mg/L，之后下降到2010年的99.55mg/L；1990年～2010年Ⅳ類(lèi)及超過(guò)Ⅳ類(lèi)的測(cè)點(diǎn)占比分別為41.72%、59.66%、60.55%、61.36%、33.73%。1990年～2005年，Ⅳ類(lèi)及超過(guò)Ⅳ類(lèi)的面積不斷增大，2005年后開(kāi)始減小。綜上所述，研究區(qū)地下水潛水中硝酸鹽污染較為嚴(yán)重。

4 硝酸鹽污染源及成因分析

4.1 污水排放

含氮的生活污水、工業(yè)廢水、農(nóng)業(yè)灌溉用水等廢水排入地表水體及土壤，與地下水形成補(bǔ)給、滲透，影響地下水中硝酸鹽濃度。呼和浩特市以農(nóng)業(yè)、工業(yè)發(fā)展為主，是導(dǎo)致呼和浩特及其周邊鄉(xiāng)鎮(zhèn)地下水潛水硝酸鹽濃度變化的主要因素。

4.2 化肥的過(guò)量使用

化肥中含有大量的氮、磷、鉀等微量元素，是農(nóng)作物生長(zhǎng)所必需的營(yíng)養(yǎng)，為農(nóng)林作物生長(zhǎng)提供支持。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)過(guò)程中，含氮化肥不合理、過(guò)量的使用，會(huì)對(duì)水土造成嚴(yán)重影響。降雨和灌溉水會(huì)使地表形成徑流，肥料中的氮元素會(huì)滲入土壤，會(huì)以可溶解的硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮、氨氮的形式不斷隨水流滲入到地下水中，使地下水受到不同程度的氮污染。從研究區(qū)域硝酸鹽污染的評(píng)價(jià)結(jié)果來(lái)看，該區(qū)域硝酸鹽污染嚴(yán)重，施用過(guò)量的化肥是導(dǎo)致呼和浩特市地下水潛水硝酸鹽污染的重要因素之一。

4.3 地下水開(kāi)采量

地下水作為呼和浩特市的主要供水水源之一，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的不斷加快，城市用水量不斷增大，地下水的開(kāi)采量也不斷增大。多年的過(guò)度開(kāi)采導(dǎo)致地下水位不斷下降，出現(xiàn)了大面積的降落漏斗，其主要原因如下：①地下水水位的下降導(dǎo)致地下水補(bǔ)給量減少，排泄量增大，地下水系統(tǒng)因此失去平衡，從而影響地下水水質(zhì)的變化。 ②地下水的動(dòng)態(tài)條件因地下水水位下降而改變，水力坡度不斷增大，污染物在地表水體和土壤中的遷移和滲透速度逐漸加快，間接對(duì)地下水水質(zhì)造成影響。 ③含水層之間的交叉污染。地下水水位的變化使得不同含水層間產(chǎn)生越流補(bǔ)給，若其中一個(gè)含水層受到硝酸鹽污染，就會(huì)影響其他含水層的水質(zhì)。

4.4 土地利用變化

城市化的不斷發(fā)展，改變了城市對(duì)土地的利用方式，地下水的補(bǔ)排給方式、水質(zhì)、水位因而受到不同程度的影響；發(fā)展的同時(shí)帶來(lái)人口的增加及工農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，進(jìn)而導(dǎo)致廢水、垃圾的排放量不斷增加，加重了地下水的污染。

城市化對(duì)呼和浩特市地下水硝酸鹽污染的影響如下：①含氮廢水排放量的增大，垃圾填埋滲濾液，以及污水管道的滲漏等直接影響地下水硝酸鹽濃度變化。 ②在城市不斷建設(shè)中，地下基礎(chǔ)設(shè)施對(duì)地下潛水含水層造成不同程度的破壞，使?jié)撍畬咏Y(jié)構(gòu)發(fā)生改變，對(duì)地下水產(chǎn)生污染。