塔城盆地地下水“三氮”污染特征及成因

塔城盆地地下水“三氮”污染特征及成因

吕晓立;刘景涛;周冰;朱亮

【摘要】地下水氮元素污染是一个全球性的环境问题,其来源和迁移转化特征是国内外研究的热点.文章以新疆塔城盆地80组地下水样品水化学组分测试结果为依据,研究塔城盆地地下水“三氮”污染特征.结果表明:塔城盆地地下水质量总体较好;对比2017年发布的地下水质量标准,深层承压水“三氮”均未超标;浅层地下水“三氮”污染较轻,“三氮”超标点零星分布于地下水的中下游冲洪积平原区,其中,NO3-N超标率最高,超标率为8.8％;NO2-N和NH4-N次之,超标率均为1.3％.沿着地下水流向,从山区到盆地中央的平原区,地下水污染逐渐变重.“三氮”重污染点主要分布在塔城市、额敏县及其周边地区.区内地下水污染点的分布与工矿企业污染源、污水处理厂、垃圾填埋场等大型污染源的分布具有一定的相关性.城市化进程中,生活污水的不合理排放是塔城盆地“三氮”污染的主要来源,而通过排污河流下渗是研究区地下水“三氮”污染的重要途径;氧化还原条件、pH值、包气带岩性结构、补径排条件等是“三氮”迁移转化及其空间分布的主要影响因素.

【期刊名称】《水文地质工程地质》

【年(卷),期】2019(046)002

【总页数】9页(P42-50)

【关键词】塔城盆地;地下水;硝态氮;亚硝态氮;氨氮;氮元素污染

【作者】吕晓立;刘景涛;周冰;朱亮

【作者单位】中国地质科学院水文地质环境地质研究所,河北石家庄 050061;中国地质调查局地下水污染机理与修复重点实验室,河北石家庄 050061;中国地质科学

院水文地质环境地质研究所,河北石家庄 050061;中国地质科学院水文地质环境地

质研究所,河北石家庄 050061;中国地质科学院水文地质环境地质研究所,河北石家庄 050061

【正文语种】中文

【中图分类】X523

随着经济的发展，我国地下水中的氨氮(NH4-N)、亚硝酸盐氮(NO2-N)和硝酸盐

氮(NO3-N)污染问题已经十分严重[1-2]。通常，NO3-N是地下水中的主要氮污

染物，NO2-N和NH4-N是微量污染组分。但NO2-N由于其化学性质及环境毒性大,常被作为重要的氮污染标志。水体中氨氮超标，可以引起胃炎、痢疾和传播

性疾病；硝酸盐和亚硝酸盐能在各种含氮有机化合物作用下，形成稳定的、致癌和致突变性的N-亚硝基胺和亚硝基酰胺的各种N-亚硝基族化合物，可诱发高铁红蛋白症、消化系统等疾病，对人体危害严重。地下水中的“三氮”往往来源于表层污染源的入渗，可分为工业污水入渗、农业灌溉水(又可分为化肥和有机肥)以及生活污水入渗。在城市市区及周边，由于工业、生活和农业污染源同时存在，使得地下水中“三氮”的来源十分复杂[3-4]。地表各种来源的“三氮”在经过包气带入渗

进入饱水带的过程中，经历了复杂的迁移转化过程。地下水中“三氮”污染程度，不仅决定于污染源的强度，而且与包气带的物质组成、厚度、年降水量等因素密切相关。

地下水氮元素污染是一个全球性的环境问题，其来源和迁移转化特征是国内外研究的热点。近年来，研究者针对该问题开展了大量的研究工作。Denk等[5]研究表明地下水氮污染是由农业活动和生活污染所致，城市化进程中，随着人口密度的加大，工业废水、生活污水以及农业氮肥的过量施用，地下水中氮污染问题日益加重。

Lockhart等[6]研究标明不同的土地利用类型是地下水氮污染的重要影响因素。新疆作为生态脆弱区，其地下水“三氮”污染的研究程度还比较低，所以本文以新疆塔城盆地为研究区，在对塔城盆地地下水中“三氮”含量和包气带组成、地下水位埋深、氧化还原条件进行综合分析基础上，提出了塔城盆地地下水中“三氮”的主要来源及污染程度。研究成果可以为塔城盆地地下水氮污染的防控提供依据，也为我国其他城市地下水“三氮”污染的来源分析提供借鉴。

1 材料与研究方法

1.1 研究区水文地质概况

塔城盆地位于新疆西北部，盆地自东北向西南倾斜，盆地边缘的山前地貌由互相毗邻的洪积扇组成(图1～2)。地貌类型以平原为主，中心是库鲁斯台大草原。塔城

盆地属内陆中温带干旱和半干旱气候区，多年平均气温6.5 ℃。多年平均降水量300 mm，集中在7—9月份，多年平均蒸发量为1 600 mm。盆地内有大小河流共58条，水量充沛，汇向盆地中心的额敏河。河流的动态类型为雪水型，春洪径流量约占年总流量的50 %。

图1 研究区地下水采样点位置及“三氮”含量分布图Fig.1 Distribution of nitrogen pollution in groundwater in the study area1—地下水“三氮”未超

标点； 2—地下水硝酸盐氮超标点； 3—地下水氨氮和亚硝酸盐氮同时超标点；4—承压水“三氮”超标点；5—地表水总氮未超标点；6—地表水氨氮未超标点；7—地表水氨氮和亚硝酸盐氮同时超标点；8—污水处理厂；9—垃圾填埋场；10—农业污染源；11—基岩裂隙水；12—第四系孔隙水；13—城市；14—地表

水系；15—地下水流向；16—研究区边界

塔城盆地为新生代断陷盆地，第四纪以来堆积了厚达几十到250 m的卵石、砾石、砂和土层，组成从四周向盆地中部分布的含水层。塔城盆地为水量充沛的地下水闭流盆地，盆地由山区、洪积平原、冲积平原三大水文地质单元组成。山区是盆地地

下水的补给区，洪积平原是盆地地下水的补给—径流区，冲积平原是盆地地下水

的汇聚—排泄区。盆地内地下水从山前洪积平原单一的砂砾石潜水向盆地中心过

渡为多层结构的潜水及承压水；含水层结构由简单到复杂，颗粒由粗到细，埋藏深度由深到浅以至溢出地表。额敏河纵贯盆地中部，对盆地地下水起着总排泄作用。大气降水、山区河床地下潜流的侧向补给、河流及渠道入渗补给是盆地平原区地下水的主要补给来源，人工开采以及额敏河的排泄和蒸发是地下水的主要排泄方式。图2 研究区水文地质剖面示意图Fig.2 Hydrogeological profile of the study area

1.2 样品采集与分析

1.2.1 样品采集

根据研究区水文地质条件、土地利用类型以及污水处理厂、固体废弃物等潜在污染源分布特征，设计取样点布设。在地表水上游地区(出山口附近)以及下游溢出带布设地表水取样点，控制地下水的“进口”和“出口”。针对大型污染源，在其附近加密布设取样点。

2015年7—8月在研究区采集地下水和地表水样品共计90组(图1)。其中，地下水样品80组，地表水样品10组。地下水样品取自民井和农业灌溉井，采样井井

深3～180 m，地下水水位埋深0.5～120 m。采样设备主要有离心泵和潜水泵，

采样前对采样井进行抽水清洗，等到排出水量大于井孔储水量的3倍，并且水温、电导率、pH、氧化还原电位、溶解氧等现场测试指标稳定后再进行采样，确保采

集的样品具有代表性。当测试项目为可挥发性物质时，在潜水泵或离心泵排水管上接中国地质科学院水文地质环境地质研究所自主研发的压力阀取样器[7]进行采样。压力阀取样器的目的是使抽上来的地下水保持足够的压力，使挥发性物质仍溶解在水中，消除排水管路中的气泡，防止通过潜水泵提升至地面的地下水因泄压而使挥发性物质(如有机物、氨氮等)逸出，影响测试结果。取样时，调节出水口阀门，使