南方沿海地區(qū)地下水中氮元素分布特征和成因

岑 雷，李穎博，楊蘇詩，廖柱坤

（1.廣東省地質(zhì)局第六地質(zhì)大隊(duì),廣東 江門 529000；2.廣東省江門地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急搶險(xiǎn)技術(shù)中心,廣東 江門529000）

0 引言

本文利用收集到的2020 年新會區(qū)97 組地下水全分析樣,結(jié)合區(qū)域水文地質(zhì)條件、人類活動、地表覆蓋等影響因素,綜合運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)、surfer空間插值、ArcGIS空間分析等方法［1-3］,探討南方沿海區(qū)域地下水中氮元素分布特征。

1 研究區(qū)概況

新會區(qū)位于廣東省江門市,區(qū)內(nèi)北部、西南、東南為低山丘陵區(qū),多為林地。中部和東北部分別有潭江、西江穿過,河道兩側(cè)分布有大面積的河流洪-沖積平原,多為城區(qū)和耕地。南部崖門鎮(zhèn)緊挨南海,有部分濱海濕地。新會區(qū)地形地貌變化大,含水層結(jié)構(gòu)復(fù)雜,是南方沿海地區(qū)地形地貌、水文地質(zhì)條件的一個縮影。

2 樣品采集與測試

本文利用收集的2020年新會區(qū)97組地下水全分析樣,樣品均在具有國家頒發(fā)的有關(guān)資質(zhì)的廣東省地質(zhì)實(shí)驗(yàn)測試中心進(jìn)行測試,測試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。

3 結(jié)果及討論

本次研究選取TDS、pH、K+、Na+、Ca2+、Mg2+、HCO3-、Cl-、SO24-、CO2（游離）、COD（化學(xué)耗氧量）、NO3-、NO2-、NH4+、總N,共計(jì)15項(xiàng)指標(biāo)［4］。

3.1 主要化學(xué)指標(biāo)與氮元素統(tǒng)計(jì)特征

研究區(qū)地下水主要化學(xué)指標(biāo)與氮元素統(tǒng)計(jì)學(xué)特征見表1。研究區(qū)主要陽離子和陰離子含量平均值排序?yàn)椋篢DS變化范圍為34 mg/L~15936 mg/L,變異系數(shù)1.95,COD變化范圍為0.47 mg/L~32.3 mg/L,變異系數(shù)1.54,NO3-變化范圍為0.42 mg/L~112.19 mg/L,變異系數(shù)1.23,NO2-變化范圍為0.004 mg/L~3.64 mg/L,變異系數(shù)3.34,NH4+變化范圍為0.01 mg/L~98.5 mg/L,變異系數(shù)3.12,總N變化范圍為0.14 mg/L~77.73 mg/L,變異系數(shù)1.35。

表1 新會區(qū)地下水化學(xué)成分統(tǒng)計(jì)學(xué)指標(biāo) 單位：mg/L

研究區(qū)主要指標(biāo)中,pH的變異系數(shù)最小,變異程度低,其他指標(biāo)變異系數(shù)都大于1,變異程度高。反映研究區(qū)水化學(xué)成分空間分布變化幅度大。其中NO2-、NH4+變異系數(shù)最大,超過3。體現(xiàn)了NO2-、NH4+空間分布極其不均勻,變化幅度最大。

3.2 氮元素及COD、TDS空間分布特征

利用克里金空間插值法,生成總氮、硝酸鹽、亞硝酸鹽、銨根、COD和TDS的空間分布等值線。利用現(xiàn)場調(diào)查和收集的資料,繪制新會區(qū)地表覆蓋圖,將新會區(qū)地表覆蓋分為：居民區(qū)、人造地表、地表水體、耕地和天然植被覆蓋（林地、草地、濕地）共5種類型。將生成的等值線與地表覆蓋疊加,綜合分析新會區(qū)地下水氮元素空間分布特征和成因（圖1~圖6）。

圖1 總氮空間分布特征

圖6 TDS空間分布特征

總氮空間分布特征為：在新會區(qū)中西、中部、東部總氮數(shù)值高,北部、西南部、東南部丘陵區(qū)林地范圍內(nèi)總氮較低。從投影點(diǎn)數(shù)值上看,總氮含量在地下水中衰減很快,直線距離相隔1000 m的兩個采樣點(diǎn),總氮含量最高可以相差40 倍?？偟扛叩膮^(qū)域主要位于居民區(qū)、耕地密集處,林地、大型水庫附近總氮含量最低。

硝酸鹽含量最高的區(qū)域位于會城街道,其次主要位于新會區(qū)各鎮(zhèn)中心。沿潭江兩岸和潭江、西江河網(wǎng)密集處呈片狀分布。

圖2 硝酸鹽空間分布特征

圖3 銨根空間分布特征

圖4 亞硝酸鹽空間分布特征

圖5 COD空間分布特征

新會區(qū)NH4+離子高濃度區(qū)域較少,區(qū)域內(nèi)60%以上的面積銨根含量較低,主要位于丘陵區(qū)。主要分布在司前南部耕地區(qū)、雙水-會城街道一帶耕地區(qū)和大鰲鎮(zhèn)耕地區(qū),NH4+濃度在7.15 mg/L~44.5 mg/L之間。其中NH4+最高濃度98.57 mg/L出現(xiàn)在大鰲鎮(zhèn)耕地區(qū)。

新會區(qū)NO2-含量普遍較低,超過90%面積NO2-含量低于0.01 mg/L,會城街道城中心部分區(qū)域NO2-含量高于1 mg/L。

新會區(qū)COD普遍較低,超過60%區(qū)域COD低于1.0 mg/L,主要位于丘陵區(qū)。COD分布較高區(qū)位于司前南部耕地區(qū)、雙水-會城街道一帶耕地區(qū)和大鰲鎮(zhèn)耕地區(qū),COD在2.2 mg/L~16.1 mg/L之間。其中COD最高濃度32.0 mg/L出現(xiàn)在大鰲鎮(zhèn)耕地區(qū)。

新會區(qū)TDS含量差異很大,丘陵區(qū)TSD含量較低。司前南部靠近潭江處、雙水-會城街道的潭江兩岸、三江-大鰲河網(wǎng)密集處,TDS含量超過10000 mg/L。

綜上所述,新會區(qū)總氮含量高的區(qū)域主要位于居民區(qū)、耕地密集處,其中NO3-含量和大的居民區(qū)密切呈正相關(guān),NH4+、COD含量和耕地密集處呈正相關(guān),TDS空間變化特征與銨根空間變化特征大部分區(qū)域分布趨勢相同。

為進(jìn)一步分析各組分之間的聯(lián)系,通過SPSS計(jì)算各組分之間的相關(guān)性（表2）。TDS含量和Cl-、Na+含量密切相關(guān),相關(guān)性近0.99。新會區(qū)中部地下水TDS異常偏高,與地下咸水密切相關(guān),這與支兵發(fā)等在此地區(qū)研究的地下咸水分布情況相證［5-6］；COD相關(guān)性最高的組分是HCO3-、NH4+,相關(guān)性分別為0.68、0.54,呈正相關(guān),相關(guān)性較好。碳酸氫銨是農(nóng)業(yè)上一種常用的氮肥,NH4+中具有還原性,可使COD升高；NO3-與總N呈正相關(guān),相關(guān)性為0.92,與其他組分相關(guān)性弱。NO3-是新會區(qū)地下水中氮元素主要存在形式,NO3-的主要來源與其他組分不同,來源于人類生活污水的排放；NO2-與其他組分的相關(guān)性弱,其中與HCO3-、COD相關(guān)性最高,與其有一定還原性有關(guān)；NH4+與COD相關(guān)性最高,相關(guān)性系數(shù)為0.54,相關(guān)性最好,其次與TDS、HCO3-的相關(guān)性高。原因是新會區(qū)耕地多分布在潭江、西江洪沖積平原,該地區(qū)因古海水入侵,地下水存在分層現(xiàn)象,地表潛水為淡水,深層地下水為咸水。該區(qū)域水樣取自鉆孔,揭穿了咸淡水含水層,造成一定程度上的離子混合。咸淡水離子混合,提高了TDS與NH4+相關(guān)性,降低HCO3-、COD相關(guān)性。

表2 新會區(qū)地下水化學(xué)成分相關(guān)性矩陣

綜上所述,新會區(qū)氮元素空間分布與居民區(qū)、耕地空間位置密切相關(guān),居民區(qū)氮元素存在形式為NO3-,主要來自生活含氮污水的排放；耕地區(qū)氮元素存在形式主要為NH4+,主要因?yàn)檗r(nóng)業(yè)上使用氮肥。耕地覆蓋區(qū)COD數(shù)值較高,NH4+的降解消耗地下水中的氧氣,地下水含氧量相對其他區(qū)域低,推測地下水質(zhì)量較差。

4 結(jié)論

本文綜合運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析、克里金空間插值法、空間疊加分析等方法,研究南方沿海地區(qū)地下水中氮元素特征和成因,得到如下結(jié)論：

（1）南方沿海地區(qū)地下水氮元素的空間分布呈片狀分布在山前洪-沖積平原。主要因這一帶也是居民區(qū)和耕地密集處,氮元素空間分布與居民區(qū)和耕地區(qū)呈正相關(guān)。林地、大型水庫所在的丘陵區(qū),氮元素含量比較低。

（2）南方沿海地區(qū)地下水氮元素的主要存在形式為NO3-、NH4+,居民區(qū)氮元素主要存在形式為NO3-,耕地區(qū)氮元素主要存在形式為NH4+。

（3）NH4+主要分布區(qū)和TDS高異常區(qū)大部重疊,本文研究認(rèn)為兩者成因不同。TDS的異常為古海水入侵,NH4+異常主要為農(nóng)業(yè)使用氮肥,剛好耕地區(qū)大多集中在潭江、西江附近的平原,同古海水入侵區(qū)大部重合造成干擾。