廣花盆地地下水三氮時空分布特征及影響因素分析

龐園，李志威，張明珠

廣州市水務科學研究所，廣東 廣州 510220

廣花盆地地下水資源豐富，年均天然地下水資源量為 2.6×108m3，年均地下水允許開采量為1.97×108m3。2011年，廣花盆地被廣東省劃定為廣州市的地下水應急水源區。作為廣州市唯一的地下水應急水源區，廣花盆地的地下水質量直接關系著廣州市的供水安全。據調查，目前廣州市地下水的主要污染類型為氮污染。地下水環境中，氮主要以離子態的硝態氮、亞硝態氮及氨氮等3種形式存在，簡稱三氮（於嘉聞等，2016）。地下水中的氮主要來源于人類活動，包括化學肥料、農家肥、生活污水和生活垃圾以及工業污染等（許可等，2011）。農藥化肥的大量使用、生活污水的隨意排放以及工業污染等，都為氮元素在地下水中的累積提供了條件（於嘉聞等，2016），這也是國內外地下水三氮普遍超標的主要原因。關于地下水三氮的研究較多，主要有地下水硝酸鹽的轉化過程與機理，地下水硝酸鹽污染的來源以及避免污染的方法和措施，地下水硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮的確定方法，如何減少或除去地下水中的硝酸鹽，以及一些地下水硝酸鹽污染與人體健康的研究等（陳建耀等，2006）。近幾年，國外的研究主要集中在三氮的處理技術研究（Glenn et al.，2017；Vance et al.，2015；Huang et al.，2014；Nissim et al.，2014）和三氮的來源及轉化機理研究（Couturier et al.，2017；Nilsson et al.，2017；Ki et al.，2015；Moran et al.，2014）兩個方面。中國馮海波等（2017）、於嘉聞等（2016）、張婷等（2014）、萬長園等（2014）各自對地下水的三氮時空分布特征以及影響因素進行了研究，結果表明地下水中三氮的含量受多種因素影響，包括氣象條件、農業活動、工業污水、氧化還原條件、地表水水源、包氣帶巖性、地下水徑流條件、潛水埋深、土地利用類型和生活污染等。本文在前人研究的基礎上，基于廣花盆地80個地下水監測井2012—2016年雨季和旱季共 10次采樣數據，利用ArcGIS的數據管理、空間分析和制圖工具分雨季和旱季分析了研究區松散巖類孔隙水、基巖裂隙水和巖溶水中含氮污染物的濃度分布和時空分布特征，并探討了降雨、地下水埋藏深度和人類活動與含氮污染物之間的關系，包括利用相關系數定量分析了降雨量與含氮污染物之間的相關性，采用灰色關聯法計算了耕地面積、化肥施用量、降雨量與含氮污染物之間的關聯度，以及從垂向和水平兩個方向探討了含氮污染物含量變化的原因。研究結果可為廣州市制定地下水保護與利用規劃提供理論基礎和科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

廣花盆地位于珠江三角洲東北部邊緣，地理坐標為北緯 23°00′～23°30′，東經 112°57′～113°26′，面積約858 km2（龐園等，2017）。廣花盆地地處南亞熱帶，雨量充沛，多年平均降雨量1818.7 mm，多年平均蒸發量1611.7 mm，大氣降雨是地下水補給的主要來源。區內江、河、湖、庫、渠等地表水體較發達，主要河流有流溪河、巴江河、新街水、天馬河等（龐園等，2017），地表水入滲也是地下水的重要來源。

廣花盆地地勢大致為北部高、南部低，地貌類型有丘陵、臺地和平原等，以平原為主，臺地和丘陵次之（龐園等，2017）。基巖山區及丘陵臺地的地下水主要接受大氣降雨的入滲補給，山塘、水庫及渠道等對其入滲補給的規模較小。平原區地下水的補給來源較為豐富，除主要接受大氣降雨的入滲補給外，還接受地表河流及灌溉的入滲、渠道滲流、基巖山區及丘陵臺地地下水的側向補給等。

廣花盆地地下水主要有松散巖類孔隙水、基巖裂隙水和巖溶水三大類，松散巖類孔隙水廣泛分布于廣花盆地平原、山間谷地及山前地帶；基巖裂隙水廣泛分布于低山、丘陵及臺地；巖溶水呈“北東—南西向”條帶狀展布于廣花盆地中，以覆蓋型巖溶水分布為主（龐園等，2017）。總體上盆地地下水從北向南流。松散巖類孔隙水受到壟狀丘陵的限制，其總體上自北部、東部及西北部匯入廣花盆地后轉向南徑流，流向大致與巖溶水相同；古河道地下水流向受古河道展布制約，徑流以沿古河道滲流為主。外圍丘陵山區一般地勢較高，地形起伏較大，地下水水力坡度大，加上溝谷切割較深和巖石節理裂隙發育，故淺部基巖裂隙水獲得補給后經過短暫的徑流，便以泉或滲流形式排入附近的溪流；深層地下水則通過斷層和裂隙向廣花盆地匯流。覆蓋型巖溶水分布于背、向斜構造軸部，兩側受砂頁巖限制，故其沿灰巖條帶自北東、北北東向運移；東部良田—肖崗一帶山前平原地下水自東向西匯入廣花盆地后轉向南徑流。

廣花盆地地下水水位動態變化主要受大氣降雨影響，地下水水位變化受開發利用的干擾較少，水位變化主要隨降雨量的增減而升降，并具明顯的季節性（龐園等，2017）。

1.2 數據來源與檢測方法

本研究共布設采樣點80個（圖1），其中松散巖類孔隙水采樣點28個，井深范圍0～10 m；基巖裂隙水采樣點20個，井深范圍34～95 m；巖溶水采樣點32個，井深范圍23～100 m。松散巖類孔隙水采樣點均利用居民生活用井，基巖裂隙水采樣點和巖溶水采樣點均利用廣州市水務局建造的地下水監測專用井。所有采樣點的水位均隨降雨增減而升降，具有明顯的季節性特征，均屬淺層地下水。采樣時間為2012—2016年，每年均于雨季（4—9月）和旱季（10月—次年3月）各采樣1次。受不可抗力影響，未能采集全部800組水樣，實際共采集水樣775組，缺失水樣對本文結論影響不大。為使地下水水樣更具代表性，每次采樣前均用潛水泵抽干井內的水并直至水位恢復原狀或對涌水量較大的井進行長時間抽水使井內的地下水得到充分循環更新。所有水樣均委托廣州市二次供水技術咨詢服務中心檢測，檢測方法均根據《地下水質量標準》

圖1 研究區土地利用類型及地下水監測井位置Fig. 1 Location of groundwater monitoring wells and land use condition in Guanghua Basin

（GB/T14848-93）按《生活飲用水標準檢驗法》（GB5750—2006）執行。

1.3 評價方法

以《地下水質量標準》（GB/T14848-93）的地下水質量分類標準作為評價依據，對氨氮、硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮進行分類，以Ⅲ類標準限值（適用于集中式生活飲用水水源及工、農業用水）作為超標標準，氨氮、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮的超標標準分別為0.2、20、0.02 mg·L-1。由于部分指標濃度低于最低檢測限值，在計算時取限值的一半，氨氮、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮的最低檢測限值分別為0.02、0.15、0.001 mg·L-1。

2 結果

2.1 三氮污染水平分析

根據表1中三氮的含量范圍和平均質量濃度可知，近5年氨氮的極大值和平均值分別是Ⅲ類標準限值的329倍和4.7倍，硝酸鹽氮的極大值和平均值分別是Ⅲ類標準限值的5.5倍和0.2倍，亞硝酸鹽氮的極大值和平均值分別是Ⅲ類標準限值的137.5倍和2.9倍，這表明廣花盆地地下水受到了氨氮、硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮不同程度的污染。根據表1中三氮的超標率可以判斷污染的嚴重程度，整體而言，廣花盆地地下水中氨氮污染最嚴重，其次為亞硝酸鹽氮，硝酸鹽氮的污染相對最輕。

表1 廣花盆地地下水三氮質量濃度統計表Table 1 Statistics of Three-Nitrogen mass concentrations in Guanghua basin groundwater

為進一步探清廣花盆地不同地下水中含氮污染物的污染程度，分別統計了松散巖類孔隙水、基巖裂隙水和巖溶水中的氮含量，結果見表 2。根據統計結果，結合Ⅲ類標準限值可知，松散巖類孔隙水、基巖裂隙水和巖溶水均受到了含氮污染物不同程度的污染。由超標率可知，3種地下水中含氮污染物的超標率按由大至小排列依次為氨氮、亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮。由質量濃度的均值可知，3種地下水均以硝酸鹽氮為主，其次為氨氮，亞硝酸鹽氮最小。總體而言，松散巖類孔隙水中的氮含量最高，污染最嚴重，其次為基巖裂隙水，巖溶水相對最輕。

2.2 三氮時間變化特征

根據80個采樣點2012—2016年雨季和旱季共10次采樣數據，分別對氨氮、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮以及總氮的質量濃度和超標率隨時間的變化關系進行分析，結果見圖2和圖3。由圖2可知，當擬合方程的一次項系數為正時，表明質量濃度隨時間呈上升趨勢，反之，則呈下降趨勢。雨季線性擬合方程的一次項系數均為負，表明三氮以及總氮的質量濃度在雨季均隨時間呈下降趨勢。近5年雨季氨氮、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮以及總氮的質量濃度分別下降了 0.82、0.15、0.009 和 0.977 mg·L-1，年均下降幅度分別為0.16、0.03、0.002和0.195 mg·L-1。旱季線性擬合方程的一次項系數既有正也有負，表明各含氮污染物隨時間的變化趨勢有所不同。根據旱季三氮以及總氮與時間的線性擬合方程可知，氨氮、硝酸鹽氮和總氮的質量濃度隨時間呈下降趨勢，亞硝酸鹽氮的質量濃度隨時間呈上升趨勢。近5年旱季氨氮、硝酸鹽氮和總氮的質量濃度分別下降了1.36、0.82和2.163 mg·L-1，年均下降幅度分別為0.27、0.16和0.433 mg·L-1；亞硝酸鹽氮的質量濃度上升了0.012 mg·L-1，年均上升幅度為0.002 mg·L-1。對比三氮以及總氮的質量濃度在雨季和旱季的變化速度可知，氨氮、硝酸鹽氮和總氮的質量濃度在旱季的下降速度分別是雨季的1.7倍、5.3倍和2.2倍，亞硝酸鹽氮的質量濃度在旱季的上升速度和雨季的下降速度相同。同時由圖2可以看出，三氮以及總氮的質量濃度隨雨季和旱季的交替而增減，對比三氮以及總氮在雨季和旱季的質量濃度均值可知，旱季氨氮、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮以及總氮的質量濃度分別是雨季的1.4倍、1.1倍、1.1倍和1.1倍，表明旱季三氮以及總氮的質量濃度高于雨季。

表2 不同種類地下水中三氮質量濃度統計表Table 2 Statistics of Three-Nitrogen mass concentrations in the different type of groundwater

圖2 2012—2016年地下水中三氮和總氮的質量濃度Fig. 2 The mass concentrations of Three-Nitrogen and TN in groundwater from 2012 to 2016

圖3 2012—2016年地下水中三氮的超標率Fig. 3 The over standard rate of Three-Nitrogen in groundwater from 2012 to 2016

同理，由圖3可知，雨季氨氮和亞硝酸鹽氮的超標率隨時間呈下降趨勢，年均下降幅度分別為8%和4%，硝酸鹽氮的超標率隨時間呈上升趨勢，年均上升幅度為0.4%。旱季氨氮和硝酸鹽氮的超標率隨時間呈下降趨勢，年均下降幅度分別為 4%和1%，亞硝酸鹽氮的超標率隨時間呈上升趨勢，年均上升幅度為 1%。同時，三氮的超標率隨雨季和旱季的交替而增減，對比三氮在雨季和旱季的超標率可知，雨季氨氮、亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮的超標率分別是旱季的1.2倍、1.2倍和0.7倍，表明氨氮和亞硝酸鹽氮在雨季的超標率高于旱季，而硝酸鹽氮的超標率則在旱季較高。

2.3 三氮空間變化特征

圖4 氮的質量濃度分布圖Fig. 4 Distribution diagram of mass concentration of nitrogen

為分析廣花盆地地下水中氮含量的空間分布特征，利用 ArcGIS的數據管理、空間分析和制圖功能分別制作了總氮、氨氮、硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮的質量濃度分布圖，結果見圖 4。由于每個采樣點的地下水受污染的原因較多，且不同時間的污染嚴重程度也具有較大的隨機性，為使分析結果更加可靠，均采用質量濃度的多年平均值進行分析。根據統計結果，總氮、氨氮、硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮在城鄉居民區中的質量濃度均值分別為 6.712、1.90、4.74和0.075 mg·L-1，分別是耕地的1.4倍、4.1倍、1.1倍和2.7倍，是林地的1.3倍、3.0倍、1.1倍和1.0倍。結合圖4以及土地利用類型可知，城鄉居民區中三氮和總氮的質量濃度普遍高于其他土地利用類型區，表明城鄉居民區地下水中的氮污染較耕地和林地嚴重。由表2可知，氨氮在松散巖類孔隙水、基巖裂隙水和巖溶水中的質量濃度均值分別為0.729、0.985和1.112 mg·L-1，硝酸鹽氮在松散巖類孔隙水、基巖裂隙水和巖溶水中的質量濃度均值分別為9、2.003和1.824 mg·L-1，亞硝酸鹽氮在松散巖類孔隙水、基巖裂隙水和巖溶水中的質量濃度分別為0.047、0.047和0.05 mg·L-1。對比3種地下水中三氮的質量濃度大小可知，氨氮和亞硝酸鹽氮的質量濃度在3種地下水中按從大至小排列依次是巖溶水、基巖裂隙水和松散巖類孔隙水，硝酸鹽氮的質量濃度在3種地下水中按從大至小排列依次是松散巖類孔隙水、基巖裂隙水和巖溶水。根據廣花盆地地下水的埋藏特點，按由淺至深排列依次是松散巖類孔隙水、基巖裂隙水、巖溶水。這表明氨氮和亞硝酸鹽的含量隨地下水埋藏深度增加而增大，硝酸鹽氮的含量隨地下水埋藏深度增加而減小。

3 討論

3.1 降雨與氮含量的關系

研究表明（韓宇平等，2017；蔣然等，2016；陳建平等，2015；張婷等，2014），地下水中氮的濃度會受到降雨的影響。根據廣州市水資源公報統計了廣州市 2012—2016年雨季和旱季的降雨量，由圖5可知，雨季和旱季的降雨量均隨時間呈增大趨勢。與前文三氮的濃度隨時間的變化特征進行對比可知，雨季總氮以及三氮的濃度均隨降雨量增大而減小；旱季總氮、氨氮和硝酸鹽氮的濃度均隨降雨量增大而減小，亞硝酸鹽氮的濃度則隨降雨量增大而增大。與前文三氮的超標率隨時間的變化特征進行對比可知，雨季氨氮和亞硝酸鹽的超標率都隨降雨量增大而減小，硝酸鹽氮的超標率則隨降雨量增大而增大；旱季氨氮和硝酸鹽氮的超標率隨降雨量增大而減小，亞硝酸鹽氮的超標率則隨降雨量增大而增大。

圖5 2012—2016年廣州市降雨量Fig. 5 Rainfall in Guangzhou from 2012 to 2016

為定量分析研究區降雨量與地下水中氮含量以及污染程度的關系，對降雨量與氮含量以及超標率進行了線性擬合，結果見圖6～圖9。由圖6和圖7可知，雨季氨氮、亞硝酸鹽氮和總氮濃度均與降雨量呈負相關，僅硝酸鹽氮濃度與降雨呈正相關；旱季氨氮和總氮濃度與降雨量呈負相關，硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮濃度與降雨量呈正相關。由圖8和圖9可知，雨季氨氮和亞硝酸鹽氮的超標率與降雨量呈負相關，硝酸鹽氮的超標率與降雨量呈正相關；旱季三氮的超標率均與降雨量呈正相關。總體而言，研究區降雨量的增大會促使地下水中的氮含量減少，氮污染程度降低。

圖6 2012—2016年雨季降雨量與氮質量濃度的線性擬合圖Fig. 6 Linear fitting chart of rainfall and nitrogen mass concentration in the rainy seasons from 2012 to 2016

圖7 2012—2016年旱季降雨量與氮質量濃度的線性擬合圖Fig. 7 Linear fitting chart of rainfall and nitrogen mass concentration in the dry seasons from 2012 to 2016

3.2 地下水的埋藏深度與氮含量的關系

廣花盆地地下水的埋藏深度按由淺至深排列依次是松散巖類孔隙水、基巖裂隙水和巖溶水，前面已分析了3種地下水中三氮的含量和超標率的變化特征，由此可以判斷不同埋藏深度地下水中氮含量的變化特征。總體而言，廣花盆地地下水中的氮含量隨地下水埋藏深度的增加而減少，其中氨氮和亞硝酸鹽的含量隨地下水埋藏深度增加而增大，硝酸鹽氮的含量隨地下水埋藏深度增加而減小。三氮的變化規律表現不一致，主要是由于隨著地下水埋藏深度的增加，三氮之間可通過硝化作用和反硝化作用相互轉化。當地下水環境呈氧化條件時，有利于硝化過程，氨氮在好氧生物的硝化作用下生成硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮。當地下水環境呈還原條件時，有利于反硝化過程，此時硝酸鹽氮被還原，含量減少。而在還原條件下，氨氮和亞硝酸鹽氮的性質比較穩定。隨著地下水埋藏深度的增加，地下水的徑流條件以及巖性結構發生變化，導致地下水的氧化還原環境發生變化，間接引起地下水中氮含量的變化。

3.3 人類活動與氮含量的關系

由圖1可知，研究區土地利用類型主要分為城鄉居民用地、耕地、林地和水域4類，耕地和城鄉居民用地面積較大，林地和水域面積較小。對比圖10可知，研究區的林地主要分布在山丘區，受人類活動影響較小，該區域地下水中的氮含量基本不受人類活動影響。因此，影響研究區地下水中氮含量的人類活動主要有農業污染、生活和工業廢污水等。

3.3.1 農業污染

圖8 2012—2016年雨季降雨量與超標率的線性擬合圖Fig. 8 Linear fitting chart of rainfall and over standard rate in the rainy seasons from 2012 to 2016

農業上長期施用高量氮肥是造成地下水氮污染的重要原因之一（王佳音等，2013）。化學氮肥和有機肥均含有大量的氮化物，進入土壤后最終以氨氮形式存在，其中一部分被農作物吸收；一部分經硝化作用或反硝化作用等轉化為硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮隨入滲水進入含水層；另一部分則吸附在土壤中，在降雨或灌溉條件下又可轉化為硝酸鹽氮或亞硝酸鹽氮而持續進入地下水（劉曉晨等，2008；王佳音等，2013）。研究表明，氮肥的利用率較低，只有 20%～30%被農作物吸收利用，近 40%通過灌溉水及降雨的淋溶作用滲透至含水層中（於嘉聞等，2016）。根據廣州市統計局數據，2012—2016年廣州市花都區和白云區耕地面積逐年減小，與三氮的時間變化特征一致，而化肥施用量卻逐年增大，即單位面積的化肥施用量逐年增大，與三氮的時間變化特征相反（圖 11）。耕地面積減少將會使研究區農業污染的面積減少，單位面積的化肥施用量增大將會使相應區域地下水的氮含量增加。同時，農業污染進入地下水還受降雨影響。為定量分析農業污染和降雨與耕地區域地下水中氮含量的相關性，運用灰色關聯分析法（李雯等，2009）分別計算了研究區降雨、耕地面積以及化肥施用量與耕地區域地下水中氮含量的關聯度，計算得到降雨、耕地面積、化肥施用量的r值分別為0.51、0.84、0.51，表明耕地面積與氮含量之間的關聯度最大。因此，在化肥施用量逐年升高的情況下，受耕地面積的減少以及降雨量的增大，耕地區域地下水中的氮含量仍呈下降趨勢。

圖9 2012—2016年旱季降雨量與超標率的線性擬合圖Fig. 9 Linear fitting chart of rainfall and over standard rate in the dry seasons from 2012 to 2016

3.3.2 廢污水的排放

圖10 研究區地貌圖Fig. 10 Geomorphic map of the study area

圖11 2012—2016年研究區耕地面積及化肥施用量Fig. 11 The area of cultivated land and the amount of fertilizer in the study area from 2012 to 2016

研究區經濟發達，區域內人口密度大，每年產生大量廢污水，且大部分廢污水被排入河道等地表水體中。據廣州市水資源公報，2016年廣州市廢污水排放量為22.89億噸，其中排入河流、湖泊和水庫等地表水體的廢污水量為16.48億噸。大量廢污水的排放導致地表水體的水質極差，廣州市公布的53段重點整治河涌中，僅5段河涌達到或優于Ⅴ類水體，未達Ⅴ類水質河涌的主要污染指標包括氨氮等。由于研究區地表水與地下水聯系緊密，大量含氮污染物很快隨河水通過越流補給地下水，造成地下水的污染。另據廣州市水資源公報，廣州市排污管道的漏損率達到 14%，每年有大量廢污水直接滲漏進入地下水，這也是研究區地下水中含氮污染物的重要來源。研究區的城鄉居民用地是產生和排放廢污水的主要區域，也是研究區地下水氮污染最嚴重的區域。由表 3可知，城鄉居民用地地下水中的氮含量明顯高于其他區域，其質量濃度的多年平均值分別是耕地以及其他區域地下中的1.4倍和1.3倍。這說明廢污水的排放是研究區最主要的污染源。

表3 2012—2016年不同土地利用類型地下水中的氮含量Table 3 The concentration of Nitrogen in groundwater of different land use land use condition from 2012 to 2016

4 結論

（1）近5年廣花盆地0～100 m深度地下水中的氮污染較嚴重，該區域松散巖類孔隙水、基巖裂隙水和巖溶水中主要的含氮污染物均為氨氮。總體而言，松散巖類孔隙水的水質最差，其次為基巖裂隙水，巖溶水相對最好。

（2）研究區地下水中的三氮含量與降雨量大小關系密切，近5年廣花盆地地下水中的氮含量隨降雨量增大而減小。三氮的超標率也隨降雨量變化而增減，總體而言，雨季地下水的水質優于旱季。

（3）研究區耕地區域地下水的水質受耕地面積、化肥施用量和降雨量等因素的影響，其中與耕地面積關系最為密切，受耕地面積減少影響，該區域地下水中的氮含量隨時間呈下降趨勢。

（4）研究區地下水中的含氮污染物主要來源于廢污水的排放和農業污染，其中廢污水的排放引起的氮污染更嚴重，導致研究區城鄉居民區地下水的水質較其他區域差。

（5）受氧化還原環境的影響，氨氮和亞硝酸鹽氮的含量均隨地下水埋藏深度增加而增加，硝酸鹽氮和總氮的含量則隨地下水埋藏深度增加而減少。

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