氮在地下水中迁移转化规律

氮在地下水系统中的迁移转化挤数学模型

摘要：近年来，我国部分地区地下水硝酸盐污染态势十分严峻，特别是集约化种植区由于施用大量氮肥导致的硝酸盐污染更为严重。为控制污染，应掌握地下水硝酸盐污染的空间变异规律与分布特征。采用地统计学方法.结果表明，不同区域地下水硝态氮含量存在一定的差异，存在明显的趋势效应以及变异性，且含量随地下水深度增加而减少。通过相关性分析，获得与地下水硝态氮含量相关性最高的两个因子（土壤有机质含量和全氮含量），并作为协克里金（Cokriging）插值方法中的协同因子，地下水硝酸盐污染进行插值。经比较分析，协克里金法比普通克里金法（OrdinaryKriging）的精度高，减少了80％的平均误差。协克里金法空间插值结果表明，空间分布规律表现在从西南到东北逐渐升高的方向性效应，而地下水硝态氮含量较高的区域主要分布在潍坊、青岛、烟台种植区，如青岛的平度、莱西，潍坊的寿光等农业较发达的种植区。

关键词：地下水硝酸盐污染；空间变异；地统计；协克里金法

Abstract：In recent years, groundwater nitrate pollution in some regions of China is very serious. Especially，nitrate pollution in intensive cultivation

areas is more serious for the application of a large number of nitrogen fertilizer. The objective of this preliminary research is to investigate

the potential of application geo statistical method to explore spatial variability of groundwater nitrate pollution in Shandong intensive

farming regions in China. Detailed sample data of groundwater nitrate nitrogen were collected in 175 farming sites representing the typical

cropping systems in the study area. Semi-variole of the geo-statistical method was used to analyze the groundwater nitrate nitrogen spatial

variability based on the 175 sample sites data. The results indicated that there was an obvious variability and trend effect that gradually increasing

from the southwest to the northeast. Furthermore, the concentration decreased with the increase in the depth of groundwater. For obtaining

the spatial variation of groundwater nitrate nitrogen in the whole study area, cokriging method was utilized to interpolate the groundwater

nitrate nitrogen pollution with two synergy factors（e.g. soil organic matter content and total nitrogen content）which were the most obvious

relevant with groundwater nitrate nitrogen concentration. Compared with ordinary cringing method, cokriging method achieved higher precision

with a decrease of 80% of the average error. Cokriging spatial interpolation results showed that areas with higher nitrate nitrogen concentration in groundwater mainly distributed in Weifang, Qingdao, and Yantai intensive farming regions, due to the excessive use of nitrogen

fertilizer in these regions. The result suggested that the cokriging spatial interpolation was an effective approach of obtaining the groundwater nitrate nitrogen spatial variability in intensive farming regions. The possible reasons for the

spatial variation and distribution characteristics of groundwater nitrate nitrogen were discussed.

Keywords：groundwater nitrate pollution; spatial variability; geo statistics; cokriging

世界上可供人们使用的淡水只有4.9%，而其中有68%是地下水。地下水是许多人的重要水源，甚至是惟一的饮用水源。随着地表水污染的加重而不适合作为饮用水源，人们对地下水的依存程度将不断上升。然而，无论是在工业发达国家还是发展中国家，由于农村地区大量氮素化肥的施用，生活污水和含氮工业废水的未达标排放及其渗漏，固体废弃物的淋滤下渗，污水的不合理回灌，以及地下水的超量开采等，导致地下水中硝酸盐氮浓度呈上升趋势，成为一个重要的环境问题。

1 地下水硝酸盐污染的过程及危害

1.1 硝酸盐污染的来源

水污染主要是由于人类的工农业生产和其他社会活动所造成的,地下水中硝酸盐的污染也是如此。农业施肥、生活污水和含氮工业废水的渗漏、固体废弃物的淋滤下渗、污水的回灌、大气沉降等都会引起地下水中硝酸盐浓度的上升[3]。

1.2 农业施肥造成的污染

自20世纪初实现氮素化肥的人工合成以来,全球农作物单位面积产量的大幅度提高在很大程度上依赖于氮素化肥施用量的不断增加。2002年,我国化肥的施用量达433.9亿kg,其中氮肥215.7亿kg,约占50%。已有研究表明,过量施用的氮肥仅有30%~40%被农作物吸收利用,大部分氮肥经各种途径进入环境中,尤其是径流和淋溶损失造成许多地表水和地下水中的硝酸盐含量过高[4]。有研究表明,地下水中的硝酸盐氮引起的污染与氮肥施用量成线性关系[5]。1.3 生活污水和工业废水的污染

任意排放的生活污水及未达标处理的一些工业废水直接排入江、河、湖、海等自然水体,污染地表水,受污染的地表水又经渗透作用进入地下水中污染地下水。由于此类污水中含有大量的氨氮和有机氮化物,在微生物等的作用下,很容易转化成硝酸盐积累在土壤中,进而污染地下水。据统计,1999年我国工业和城市生活污水排放总量为401亿t,其中工业废水排量为197亿t,占总排放量的49.1%。工业废水和生活污水的排放导致全国78%的河湖水体和85%的城市附近水域遭受不同程度的污染,河水的污染进而影响了沿岸地区地下水水质[6]。

1.4 固体废弃物的渗滤下渗污染

我国人口众多,居民的生活垃圾数量也很大。固废和生活垃圾占用大片土地,通过降雨的淋滤渗漏会使污染物随雨水渗入地下含水层,对地下水造成污染。城市生活垃圾含氮量很高,通过对某水源井区垃圾堆放场附近水源井的监测表明,垃圾渗滤液对地下水有明显的污染,井群周围地下水中硝酸盐含量平均每年以2.6mg/L的速度升高[7]。另外,由于畜牧业、养殖业的迅速发展,造成其周围的畜禽粪便大量堆积,引起区域性地下水水质污染越来越严重。如美国农场每年由于畜禽粪便的堆积而进入环境中的氮约有650万t。些粪便垃圾中所含的氮经淋溶下渗作用进入土壤后,再进一步进入地下水中并被转化为硝酸盐。所以农场或养殖场周围的地下水中硝酸盐均明显超标,是潜在危险较大的污染源[8]。

1.5 污水回灌引起污染

为了缓解水资源短缺及缺水地区或干旱缺水季节灌溉水源不足的问题,污水灌溉得到了广泛应用。据统计,我国污水灌溉农田面积从1963年的4.2万hm2发展到1998年的361.8万hm2,