農(nóng)村飲用水水源地硝酸鹽污染特性研究

(1.臨沂君和環(huán)保科技有限公司，山東 臨沂 276000；2.山東君成環(huán)境檢測(cè)有限公司，山東 臨沂 276000)

在我國(guó)廣大農(nóng)村地區(qū)，飲水安全是農(nóng)村居民正常生活的基本保障，關(guān)系著農(nóng)村居民的身體健康和社會(huì)穩(wěn)定。農(nóng)村地區(qū)飲用水源地類型復(fù)雜且規(guī)模較小，按照供水規(guī)模，主要為日供水量小于1000t、服務(wù)人口小于1萬人(“千噸萬人”以下)的小型水源地，且大部分水源地分布在農(nóng)村承包地或宅基地周圍。隨著化肥、農(nóng)藥等大量使用，農(nóng)業(yè)面源污染問題日益突出，嚴(yán)重影響著農(nóng)民群眾的飲水安全[1]。農(nóng)業(yè)面源污染形式以硝酸鹽污染最為突出。自20世紀(jì)初實(shí)現(xiàn)氮素化肥的人工合成以來，農(nóng)田化肥施用量大幅增加。由于農(nóng)作物種類和施肥技術(shù)不同，大部分氮肥經(jīng)各種途徑進(jìn)入水環(huán)境中，尤其是農(nóng)田氮肥的徑流損失和淋溶損失，使得地下水中硝酸鹽含量過高[2-4]。目前對(duì)農(nóng)村飲用水源地的保護(hù)工作較為薄弱，對(duì)硝酸鹽污染特性及影響方式的研究較少。開展農(nóng)村飲用水水源地硝酸鹽污染特性研究，能夠針對(duì)水源地污染現(xiàn)狀采取科學(xué)有效的預(yù)防和保護(hù)措施，而且可以為新建水源地的選址提供技術(shù)指導(dǎo)，具有非常重要的意義。

根據(jù)《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006)，地下水源硝酸鹽濃度限值為20mg/L。本文以山東省臨沂市沂水縣作為研究區(qū)，對(duì)研究區(qū)內(nèi)279個(gè)“千噸萬人”以下地下水型飲用水源地的硝酸鹽污染狀況進(jìn)行了系統(tǒng)調(diào)查。調(diào)查結(jié)果顯示，有80個(gè)水源地硝酸鹽濃度超標(biāo)，超標(biāo)率為28.7%。為研究水源地硝酸鹽污染特性，本文從水源地取水深度、海拔高程、地形坡度等方面開展了系統(tǒng)研究。

1 硝酸鹽污染與取水深度關(guān)系

基于農(nóng)業(yè)面源污染對(duì)地下水的影響方式，通常情況下認(rèn)為農(nóng)業(yè)面源污染對(duì)淺層地下水的影響大于深層地下水。根據(jù)研究區(qū)水文地質(zhì)狀況，淺層地下水主要為風(fēng)化裂隙水和松散層孔隙水。沂水縣大部分區(qū)域?yàn)榈蜕角鹆陞^(qū)，風(fēng)化層厚度一般在10～25m之間，賦存淺層風(fēng)化裂隙水；沂河、沭河兩側(cè)為沖洪積平原區(qū)，第四系含水層厚度一般在5～10m，賦存第四系孔隙水。深層地下水主要為碳酸鹽巖溶裂隙水，水位埋深較大，分布不均勻[5]。研究區(qū)大部分農(nóng)村飲用水水源地取水井深度小于300m，其中20m以下取水井?dāng)?shù)量較多，取水類型主要為沖洪積平原區(qū)第四系孔隙潛水和部分山地丘陵區(qū)出露的山澗泉水。

為探討研究區(qū)水源地取水深度與硝酸鹽濃度超標(biāo)之間的關(guān)系，根據(jù)各水源地取水井深度分布狀況，對(duì)硝酸鹽超標(biāo)水源地?cái)?shù)量進(jìn)行了分類統(tǒng)計(jì)，見表1。根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，硝酸鹽超標(biāo)率隨著水源地取水井深度的增加而逐漸減小。

表1 水源地取水深度與硝酸鹽超標(biāo)情況統(tǒng)計(jì)

為進(jìn)一步研究超標(biāo)水源地取水深度與硝酸鹽濃度之間的關(guān)系，對(duì)二者之間的相關(guān)性進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，分析結(jié)果見圖1。

圖1 水源地取水深度與硝酸鹽濃度相關(guān)性分析

根據(jù)相關(guān)性分析，研究區(qū)水源地硝酸鹽超標(biāo)率和超標(biāo)程度均隨著井深的增加呈現(xiàn)出明顯減小趨勢(shì)，說明硝酸鹽污染對(duì)淺層地下水和深層地下水均產(chǎn)生了較大影響，且呈現(xiàn)出污染現(xiàn)象逐漸由淺層地下水向深層地下水?dāng)U散的趨勢(shì)。

2 硝酸鹽污染與海拔高程關(guān)系

為了研究農(nóng)村飲用水源地硝酸鹽污染與海拔高程之間的關(guān)系，本文獲取了研究區(qū)地形DEM數(shù)據(jù)，并將各水源地地理位置定位于沂水縣地形圖上。研究區(qū)東南部沂河、沭河沖洪積平原區(qū)域海拔較低，縣域西部和北部為山地丘陵區(qū)，海拔較高。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，硝酸鹽濃度超標(biāo)的水源地主要集中于海拔高程相對(duì)較低、地勢(shì)平坦的河道兩側(cè)沖洪積平原區(qū)域。

通過地理信息系統(tǒng)軟件，從研究區(qū)地形圖上對(duì)各水源地的海拔高程值進(jìn)行了提取，根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，研究區(qū)各水源地海拔高程主要位于114～459m之間。為研究水源地海拔高程與硝酸鹽超標(biāo)現(xiàn)象之間的聯(lián)系，本文根據(jù)水源地海拔高程分布情況，對(duì)水源地硝酸鹽污染狀況進(jìn)行了分類統(tǒng)計(jì)和相關(guān)性分析，結(jié)果見表2和圖2。

表2 水源地海拔高程與硝酸鹽超標(biāo)情況統(tǒng)計(jì)

圖2 水源地海拔高程與硝酸鹽濃度相關(guān)性分析

由表2可知，硝酸鹽超標(biāo)率隨著海拔高程的增加呈現(xiàn)出明顯的減小趨勢(shì)，即海拔高程越高，水源地硝酸鹽超標(biāo)概率越低。同樣，硝酸鹽濃度超標(biāo)程度隨著海拔高程的增加也呈現(xiàn)出逐漸降低趨勢(shì)，即海拔高程越高的區(qū)域，硝酸鹽超標(biāo)程度相對(duì)越輕。水源地硝酸鹽超標(biāo)現(xiàn)象與海拔高程之間存在明顯的相關(guān)性。

3 硝酸鹽污染與地形坡度關(guān)系

為研究水源地硝酸鹽污染問題與地形因素之間的關(guān)系，本文利用研究區(qū)地形DEM數(shù)據(jù)，通過地理信息系統(tǒng)軟件進(jìn)行坡度分析，并將水源地地理位置與地形坡度圖進(jìn)行了疊加，從地形坡度圖中可以看出大多數(shù)超標(biāo)水源地位于坡度較小、地勢(shì)相對(duì)平坦的區(qū)域；而硝酸鹽濃度達(dá)標(biāo)的水源地主要位于坡度較高的區(qū)域。

利用地理信息系統(tǒng)軟件，從地形坡度圖上對(duì)各水源地的坡度值進(jìn)行了數(shù)據(jù)提取。結(jié)果顯示，279個(gè)水源地中，地形坡度最大值為13.32°，最小值為0.05°。為研究水源地地形坡度與硝酸鹽濃度超標(biāo)之間的聯(lián)系，根據(jù)水源地地形坡度分布情況，對(duì)硝酸鹽污染狀況進(jìn)行了分類統(tǒng)計(jì)和相關(guān)性分析，結(jié)果見表3和圖3。

表3 水源地地形坡度與硝酸鹽超標(biāo)情況統(tǒng)計(jì)

圖3 水源地地形坡度與硝酸鹽濃度相關(guān)性分析

根據(jù)上述統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，研究區(qū)279個(gè)地下水水源地中，硝酸鹽超標(biāo)率隨著地形坡度的增加呈逐漸降低趨勢(shì)，即地形坡度越大的區(qū)域，硝酸鹽超標(biāo)率越低。同樣，水源地硝酸鹽濃度超標(biāo)程度隨著地形坡度的增加也呈現(xiàn)出明顯的減小趨勢(shì)，即地形坡度越大的區(qū)域，水源地硝酸鹽超標(biāo)程度相對(duì)越輕。水源地硝酸鹽超標(biāo)現(xiàn)象與地形坡度之間表現(xiàn)出明顯的相關(guān)性。

4 污染形成原因分析

研究表明，農(nóng)業(yè)面源污染主要是由于過量施用化肥，化肥殘留在土壤或經(jīng)雨水淋濾后通過包氣帶進(jìn)入地下水環(huán)境而引起的[6-7]。根據(jù)分析結(jié)果，從統(tǒng)計(jì)學(xué)角度，海拔高程越低、地形坡度越小的區(qū)域，水源地硝酸鹽濃度超標(biāo)的概率越大，超標(biāo)程度越重；海拔高程越高、地形坡度越大的區(qū)域，水源地硝酸鹽濃度超標(biāo)的概率越小，超標(biāo)程度越輕。這是由于在海拔較高、地形坡度較大的山地丘陵區(qū)，土壤相對(duì)貧瘠，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)相對(duì)落后，化肥等施用量相對(duì)較少，農(nóng)田灌溉體系相對(duì)較落后，降雨是地下水的主要補(bǔ)給來源。而降雨后由于地形限制，雨水容易形成地表徑流，直接補(bǔ)給地下水的量較少，包氣帶及地下水中污染物的入滲速度、入滲量較小，因此，地下水受污染程度相對(duì)較低。

海拔較低、地形坡度較小的沖洪積平原區(qū)域，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)比較發(fā)達(dá)，農(nóng)田化肥等施用量較大，且農(nóng)田水利工程相對(duì)發(fā)達(dá)。平原地區(qū)農(nóng)田灌溉和降雨是地下水的主要補(bǔ)給來源，在農(nóng)田灌溉或降雨后，水分除部分蒸發(fā)和被植物吸收外，大部分滲入包氣帶或地下水中，化肥中所含的氮素組分會(huì)隨著地下水的入滲逐漸進(jìn)入地下水環(huán)境，從而導(dǎo)致地下水中硝酸鹽污染狀況發(fā)生。因此，與海拔較高、地形坡度較大的山區(qū)相比，海拔較低、地形坡度較小的沖洪積平原區(qū)域地下水更易受到農(nóng)業(yè)面源污染的影響。

另外，農(nóng)業(yè)面源污染是由于長(zhǎng)時(shí)間的積累形成的，地下水污染造成的水質(zhì)型缺水，會(huì)進(jìn)一步加劇人們對(duì)地下水的超采，使地下水漏斗面積不斷擴(kuò)大，地下水水位大幅度下降；地下水位的下降又改變了原有的地下水動(dòng)力條件，引起地面污水向地下水的倒灌，淺層污水不斷向深層流動(dòng)，地下水污染向更深層發(fā)展，使得地下水污染程度不斷加重。研究表明，長(zhǎng)期以來，農(nóng)業(yè)面源污染對(duì)淺層地下水和深層地下水均產(chǎn)生了較大影響，且硝酸鹽污染逐漸由淺層地下水向深層地下水?dāng)U散。

5 結(jié) 語

加強(qiáng)對(duì)農(nóng)村飲用水安全的保護(hù)已刻不容緩。在農(nóng)村飲用水水源地污染防治方面，單純對(duì)取水口采取隔離措施已不能滿足環(huán)境保護(hù)需求。主管部門應(yīng)加大對(duì)農(nóng)業(yè)面源污染的防治力度，在區(qū)域范圍內(nèi)，廣泛推廣使用測(cè)土配方施肥、施用緩釋肥等方法，優(yōu)化施肥方案，確定化肥合理用量，鼓勵(lì)施用有機(jī)肥，發(fā)展有機(jī)農(nóng)業(yè)。在農(nóng)田和水源之間建立生態(tài)緩沖帶或保護(hù)帶攔截農(nóng)田流出的養(yǎng)分，防止養(yǎng)分直接流入水源[8]。

農(nóng)村飲用水源地建設(shè)選址時(shí)，建議優(yōu)先選擇開發(fā)利用程度低、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)相對(duì)薄弱的山地丘陵區(qū)域，地下水開采類型應(yīng)以深層水為主。并在取水井末端采取有效的水質(zhì)凈化措施，保證居民用水安全。