流溪河流域地下水三氮分布特征及影響因素分析

龐 園，曾 慧，張明珠，卓泉龍，郭政國

(廣州市水務科學研究所，廣東 廣州 510220)

地下水中的氮主要來源于人類活動，包括農業施肥、生活污水和工業廢水等。農藥化肥的大量施用、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計提供了條件。研究表明[1-13]，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、工業污染、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。作為三氮主要來源的工業廢水和生活污水主要通過地表水補給地下水和管網滲漏污染地下水，雨季和旱季變化不明顯，主要表現為隨排放量的變化而變化，在空間上呈點源和線型污染。三氮的另一重要來源是農藥化肥，它在降雨和灌溉條件下進入地下水中。其污染嚴重程度隨著化肥施用量的增加而不斷增加，受降雨量影響在時間上呈季節性變化，空間上分布較為均勻[7]。

流溪河流域位于廣州市境內，是廣州市從化區、花都區和白云區的重要供水水源。流域內水資源開發利用程度較高，開發利用率接近40%，開發利用量接近流域水資源的可利用總量。由于流域內供水水源較為單一，一旦發生突發性水污染事件將對區域供水安全造成重大威脅。沿流溪河兩側階地是廣州市的重要地下水資源分布區，可作為廣州市的應急供水水源。由于地下水流動性小，且在不斷遷移和循環，一旦受到污染就難以恢復。因此，有必要對流域內的地下水污染物開展調查研究。氮污染是廣州市地下水的主要污染物，且分布范圍廣[14]。針對流域內三氮的時空分布特征及影響因素進行分析，揭示研究區地下水氮污染的關鍵因素，可為政府保護和合理利用地下水提供依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

流溪河流域位于廣州市的北部，地理位置坐標為東經 113°10′12″～11°42′00″，北緯23°12′30″～23°57′36″。流域形狀呈東北至西南的狹長形，南北長約116 km，東西寬約20 km。流域集雨面積2 300 km2，占廣州市總土地面積約31%，是目前廣州市唯一的一條全流域都在行政區域的飲用水源。流域上游位于從化區境內，約占流域總面積的64%，多為山區和高丘區；中、下游主要位于花都區和白云區，約占流域總面積的36%，多為低丘和平原地區[15]。流域瀕臨南海，屬南亞熱帶季風氣候區，具有溫暖多雨、光熱充足、溫差較小、夏季長、霜期短等氣候特征。流域內多年平均氣溫在21.4 ℃～21.8 ℃，年平均日照時數約1 900 h，多年平均年蒸發量1 100 mm。每年4—9月為雨季，降雨強度自南向北呈遞增趨勢。

流溪河流域屬粵北山區與珠江三角洲平原的過渡地帶，地勢為東北高、西南低，上游為山區，間有小平原，良口以下逐漸進入丘陵平原區。流域地層發育不全，地表深層多為堅硬的花崗巖、頁巖、灰巖、石英砂巖和三疊系礫巖、侏羅系角礫巖等。地下水類型主要為基巖裂隙水、碳酸鹽巖類溶洞水和松散巖層孔隙水，地下水流向基本與河流流向一致[16]。

1.2 數據來源與檢測方法

本次研究共布設采樣點28個，采樣點分布及研究區見圖1。其中松散巖類孔隙水采樣點9個，井深范圍0～10 m；基巖裂隙水采樣點19個，井深范圍50～97 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—2018年，每年均分雨季(4—9月)和旱季(10月至次年3月)各采樣1次，共采樣14次。為使采集的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長時間抽水使井內的地下水得到充分循環更新。檢測方法均根據GB/T 14848—2017《地下水質量標準》按GB 5750—2006《生活飲用水標準檢驗法》執行。檢測指標包括：氨氮、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮、pH、耗氧量和鐵。

圖1 研究區及采樣點分布

1.3 評價方法

采用GB/T14848—2017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。由于部分指標質量濃度低于檢測限值，在計算時取限值的一半，氨氮、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮的檢測限值分別為0.02、0.15、0.001 mg/L。

2 結果與分析

2.1 三氮污染總體狀況

統計三氮的檢測結果，結果見表1。2012—2018年研究區地下水中氨氮質量濃度的最大值和平均值分別是Ⅲ類標準限值的12.6倍和1.0倍，硝酸鹽氮質量濃度的最大值和平均值分別是Ⅲ類標準限值的1.6倍和0.2倍，亞硝酸鹽氮質量濃度的最大值和平均值分別是Ⅲ類標準限值的0.8倍和0倍。結合三氮的超標率可知，研究區地下水受到氨氮和硝酸鹽氮的污染，未受到亞硝酸鹽氮的污染。其中氨氮污染較嚴重，硝酸鹽氮污染較輕。

表1 三氮檢測結果統計

2.2 三氮時間分布特征

根據28個采樣點2012—2018年雨季和旱季共14次采樣數據，制作氨氮、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮的質量濃度隨時間變化圖，結果見圖2。2012—2018年研究區地下水中氨氮、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮的質量濃度均隨時間呈下降趨勢，年下降幅度分別為0.220、0.120、0.001 mg/L。從雨季來看，氨氮、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮的質量濃度也均隨時間呈下降趨勢，年下降幅度分別達為0.100、0.150、0.001 mg/L。從旱季來看，僅氨氮的質量濃度隨時間呈下降趨勢，硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮的質量濃度均隨時間呈上升趨勢，氨氮的年下降幅度為0.11 mg/L，硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮的年上升幅度分別為0.030、0.001 mg/L。經統計，2012—2018年氨氮、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮在雨季的質量濃度均值分別為0.490、3.210、0.032 mg/L，在旱季的質量濃度均值分別為0.490、3.140、0.023 mg/L。對比可知，氨氮的質量濃度隨雨季和旱季的交替總體上沒有變化，硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮的質量濃度總體上在雨季更高。綜合可知，研究區地下水的水質總體上呈變好的趨勢，旱季的水質總體上優于雨季。

a)氨氮

b)硝酸鹽氮

c)亞硝酸鹽氮

2.3 三氮空間分布特征

2.3.1三氮平面分布特征

由表1可知，中游地下水中氨氮質量濃度的最大值和平均值分別是Ⅲ類標準限值的11.9倍和1.1倍，硝酸鹽氮質量濃度的最大值和平均值分別是Ⅲ類標準限值的1.0倍和0.2倍，亞硝酸鹽氮質量濃度的最大值和平均值分別是Ⅲ類標準限值的0.8倍和0.0倍。下游地下水中氨氮質量濃度的最大值和平均值分別是Ⅲ類標準限值的12.5倍和1.0倍，硝酸鹽氮質量濃度的最大值和平均值分別是Ⅲ類標準限值的1.6倍和0.1倍，亞硝酸鹽氮質量濃度的最大值和平均值分別是Ⅲ類標準限值的0.4倍和0.0倍。對比可知，中游地下水中氨氮的質量濃度均值是下游的1.1倍，硝酸鹽氮的質量濃度均值是下游的1.6倍，亞硝酸鹽氮的質量濃度均值與下游相同。這表明中游地下水中氨氮和硝酸鹽氮的質量濃度總體上較下游高，亞硝酸鹽氮則基本無變化。

2.3.2三氮垂向分布特征

由表1可知，基巖裂隙水中氨氮、硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮的質量濃度均值分別是松散巖類孔隙水的3.2倍、0.1倍和0.7倍。這表明隨著地下水埋藏深度的增加，氨氮的質量濃度變大，硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮的質量濃度均變小。對比不同深度地下水中的三氮質量濃度可知，松散巖類孔隙水和基巖裂隙水中均為硝酸鹽氮的質量濃度最大，其次為氨氮，亞硝酸鹽氮的質量濃度最小。松散巖類孔隙水和基巖裂隙水均主要受到了氨氮的污染，硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮污染較輕?？傮w而言，松散巖類孔隙水中的氮含量較基巖裂隙水中的氮含量高，主要是因為其硝酸鹽氮的質量濃度較基巖裂隙水高。但其受污染程度較基巖裂隙水輕，主要是因為其氨氮的超標率較基巖裂隙水小。

3 討論

3.1 三氮的來源

圖3所示，根據廣州市水資源公報，2012—2018年廣州市廢污水排放量隨時間呈下降趨勢，年下降率為0.12億m3/a。根據廣州統計年鑒，2012—2018年廣州市農藥化肥施用量隨時間呈下降趨勢，年下降率為11 107 m3/a。結合前文三氮的質量濃度隨時間的分布特征可知，受廢污水排放量和農藥化肥施用量減少影響，研究區地下水中三氮的質量濃度均隨時間呈下降趨勢。為定量分析廢污水排放量和農藥化肥施用量與三氮質量濃度的相關性，運用灰色關聯度法[8]分別計算兩者與氨氮、硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮質量濃度的關聯度，結果見表2。結果表明，氨氮與農藥化肥施用量的關聯度更大，即受農藥化肥施用量的影響更大，硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮與廢污水排放量的關聯度更大，即受廢污水排放量的影響更大。

圖3 廢污水排放量和農藥化肥施用量年際變化曲線

表2 廢污水排放量和農藥化肥施用量與三氮的灰關聯度

3.2 三氮的主要影響因素

3.2.1降雨

珠江三角洲地區降雨量與淺層地下水中氮的質量濃度關系密切[1]。如圖4，根據廣州市水資源公報，2012—2018年廣州市的年降雨量隨時間呈增大趨勢。其中，雨季降雨量隨時間呈增大趨勢，旱季降雨量隨時間呈減小趨勢。對年降雨量與三氮的質量濃度進行線性擬合，由圖5可知，2012—2018年氨氮和亞硝酸鹽氮的質量濃度與降雨呈負相關，硝酸鹽氮的質量濃度與降雨呈正相關。這表明研究區降雨量的增大會促使氨氮和亞硝酸鹽氮的質量濃度均值減小、硝酸鹽氮的質量濃度均值增大?？傮w而言，研究區三氮的質量濃度均值和超標率一定程度上受降雨的影響，但相關性較差。其原因可能是，降雨本身不屬于三氮的來源，其主要通過影響其他三氮來源進入地下水的進程，從而間接影響地下水中三氮的質量濃度，其作用受三氮來源以及其他因素影響較大。

圖4 2012—2018年廣州市降雨量

a)氨氮

b)硝酸鹽氮

c)亞硝酸鹽氮

3.2.2氧化還原條件

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[1]。為了探究研究區氧化還原環境對地下水中三氮的影響，使用SPSS軟件分別計算三氮與pH、耗氧量、鐵和氯化物的相關系數。其中，耗氧量反映的是水中還原性物質，Fe2+具有較強的還原性，耗氧量和Fe2+的含量可表征地下水的氧化還原條件。此外，硝化反應最佳的pH范圍為6.4～7.9，pH降低和升高都會對硝化細菌的活性造成不同程度的影響，進而破壞硝化反應的平衡性[9]。由表3可知，氨氮與耗氧量和鐵顯著正相關，硝酸鹽氮與pH和耗氧量顯著負相關。這表明氨氮和硝酸鹽氮的質量濃度與地下水的氧化還原條件關系密切，當地下水處于還原性環境時，氨氮的質量濃度會顯著升高，硝酸鹽氮的質量濃度顯著降低，pH升高也會促使硝酸鹽氮的質量濃度顯著降低。

表3 地下水各指標間相關性分析

3.2.3地下水徑流條件

氮在土壤和地下水中的遷移能力和遷移途徑及其富集與地下水徑流條件關系密切。在地勢比較低洼的地區，地下水水力梯度較小，加之含水層滲透性一般較差，地下水徑流比較滯緩，地下水與空氣接觸機會少，常處于還原環境，不利于硝化作用的發生，氨氮直接滲入地下水，因此是氨氮的主要富集區域。而在地勢高、地下水徑流條件較好的地區，上覆介質巖性滲透性好，與空氣接觸時間長，溶解氧含量高，處于氧化環境，有利于硝化作用的進行，因此是硝酸鹽氮的主要富集區域[10-13]。此外隨著埋藏深度的增加，地下水與地表水聯系變弱，地下水的徑流條件變得更加滯緩，水中氧氣含量逐漸減少，因此地下水埋藏深度越深，越不利于硝化作用的發生[7]。

分別統計流溪河中游和下游區域地下水中氨氮和硝酸鹽氮的年均質量濃度，中游和下游地區地下水中氨氮的年均質量濃度分別為0.53、0.48 mg/L，硝酸鹽氮的年均質量濃度分別為4.54、2.80 mg/L。對比可知，中游地區地下水中氨氮的年均質量濃度是下游地區的1.1倍，硝酸鹽氮的年均質量濃度是下游地區的1.62倍。研究區地勢東北高、西南低，中游區域地下水徑流條件總體上較下游區域快，有利于硝化反應，這是中游地區地下水中硝酸鹽氮的年均質量濃度高于下游地區的重要原因。但由于中下游地區均屬于丘陵平原地區，水力梯度變化不明顯，因此硝酸鹽氮在中游和下游地區的質量濃度變化不顯著。根據地下水徑流條件的變化特征，中游區域地下水中氨氮的質量濃度應低于下游區域，但實際上并非如此，其原因可能是下游區域氨氮的來源以及其他影響因素超過了徑流條件對氨氮的影響。進一步分析可以發現，14次采樣檢測結果中有9次采樣檢測結果顯示中游區域地下水中氨氮的質量濃度低于下游區域，這一定程度上反映了地下水徑流條件對氨氮質量濃度的影響。

分別統計松散巖類孔隙水和基巖裂隙水中氨氮和硝酸鹽氮的年均質量濃度，松散巖類孔隙水和基巖裂隙水中氨氮的年均質量濃度分別為0.26、0.60 mg/L，硝酸鹽氮的年均質量濃度分別為5.17、0.67 mg/L。對比可知，松散巖類孔隙水中氨氮的年均質量濃度是基巖裂隙水的0.43倍，硝酸鹽氮的年均質量濃度是基巖裂隙水的7.72倍。這表明隨地下水埋藏深度的增加，氨氮的質量濃度下降，硝酸鹽氮的質量濃度上升。

4 結論

a)研究區淺層地下水主要受到氨氮的污染，且隨時間呈顯著下降趨勢，受污染程度隨雨季和旱季的交替變化不大。

b)從時間變化特征來看，研究區淺層地下水的水質總體上呈變好的趨勢，旱季的水質總體上優于雨季。

c)從空間分布特征來看，研究區下游區域地下水受三氮污染較中游區域嚴重，基巖裂隙水受三氮污染較松散巖類孔隙水嚴重。

d)研究區淺層地下水中的氨氮主要來源于農藥化肥施用，硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮主要來源于廢污水排放。

e)研究區淺層地下水中的三氮的質量濃度受降雨影響不大，受氧化還原條件和地下水徑流條件影響較明顯。