滹沱河沖洪積扇地下水硝酸鹽的污染特征及污染源解析

張千千，王慧瑋，翟天倫，花勐健

(1.中國地質科學院水文地質環(huán)境地質研究所，河北 石家莊 050061；2.清華大學附屬中學，北京 100084)

滹沱河沖洪積扇地下水硝酸鹽的污染特征及污染源解析

張千千1，王慧瑋1，翟天倫1，花勐健2

(1.中國地質科學院水文地質環(huán)境地質研究所，河北 石家莊 050061；2.清華大學附屬中學，北京 100084)

地下水；超采；硝酸鹽；影響因素；污染源；滹沱河沖洪積扇

飲用水中硝酸鹽含量過高對人體有極大的危害，硝酸鹽在人體內可被還原為亞硝酸鹽，能夠形成致癌物質亞硝胺，可誘發(fā)高鐵血紅蛋白癥、消化系統癌癥等疾病[3]。此外，地下水中硝酸鹽含量過高還會加劇以地下水為補給來源的地表水體的富營養(yǎng)化、藻華等，引發(fā)生態(tài)環(huán)境問題[4]。因此，世界衛(wèi)生組織(WHO)和許多國家規(guī)定飲水中硝酸鹽濃度不得超過50 mg/L[5]。

滹沱河沖洪積扇地區(qū)由于其富水性好且地下水補給來源充足，是河北省石家莊市居民的重要飲用水水源。近年來，由于地下水開采強烈且補給來源被切斷(沖洪積扇上游修建了黃壁莊水庫和港南水庫2座大型水庫)，已形成區(qū)域的地下水降落漏斗，加之人類活動的強烈干擾，導致地下水水質不斷惡化。已有研究表明該地區(qū)地下水硝酸鹽污染問題較為嚴重[11]，長此以往，必將對該地區(qū)社會經濟發(fā)展和居民的身體健康造成嚴重影響。本研究針對滹沱河沖洪積扇地區(qū)地下水硝酸鹽污染問題開展研究，分析該地區(qū)硝酸鹽的污染程度，評價其健康風險，識別引起該地區(qū)地下水硝酸鹽污染的主要影響因素及污染來源，探討地下水超采地區(qū)硝酸鹽污染的影響機制，為該地區(qū)地下水硝酸鹽污染的控制提供科學依據及數據支持。

1 研究區(qū)概況

1.1基本特征

研究區(qū)位于太行山東麓的山前傾斜平原地帶，滹沱河沖洪積扇石家莊段，西起崗南水庫(滹沱河沖洪積扇上游補給區(qū))，東至藁城，以滹沱河為軸心向南北兩側延伸一定距離，總面積2 442 km2(圖 1)，區(qū)域總人口約為550萬人。研究區(qū)屬于溫帶半濕潤半干旱季風氣候，多年平均溫度和降水量分別為13.3～15.0 ℃和400～750 mm。地勢西高東低，海拔高程為60～90 m，地貌為山前沖洪積扇群，由河、湖相沉積而成的傾斜平原。西部是中低山丘陵區(qū)，東部是平緩遼闊的華北平原。地形坡度西部較陡，為5‰～6‰；其他地區(qū)較為平緩，小于2‰。研究區(qū)的土地使用類型包括農田(40%)、城市 (11.60%)、地表水(2.35%)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)(13.09%)和荒地(主要包括山體和荒地) (34.34%)(圖1)。

圖1 滹沱河沖洪積扇水質監(jiān)測站點和土地利用Fig.1 Water quality monitor site and land use of Hutuo River alluvial-pluvial fan

1.2水文地質條件

研究區(qū)含水層屬于河北平原第四系巨厚含水層系統，地層巖性主要由亞黏土、亞砂土、含砂亞黏土及不同粒徑的卵石、礫石和砂層組成(圖 2)。研究區(qū)含水層富水性較好，地下水流向與滹沱河流向相同，即從西北流向東南。地下水類型主要有基巖裂隙水和松散巖層孔隙水，主要補給來源為降雨垂向入滲補給、地表水側向滲漏補給和雨季洪水側向滲漏補給。研究區(qū)徑流條件良好，其中滹沱河河床及河漫灘上部為粉細砂、局部為中粗砂或中砂，下部為砂卵礫石，徑流能力強。地下水水力坡度的變化規(guī)律與地形的變化規(guī)律基本一致，西部山前地下水的水力坡度為 2.5‰～4.2‰，向東迅速變緩，一般為 1.1‰～1.8‰。地下水位下降使地下水的天然徑流狀態(tài)發(fā)生了改變，東部形成地下水分水嶺，地下水產生反向補給。區(qū)內工農業(yè)及生活用水量較大，2006—2010年地下水平均開采量約為 32.8×104m3/a，人工開采是區(qū)內地下水的主要排泄方式，隨著區(qū)域水位的持續(xù)下降，地下水蒸發(fā)作用已微乎其微。

圖2 研究區(qū)水文地質剖面示意圖Fig.2 Sketch map of hydrogeological profile of study area

研究區(qū)可劃分為3個水文地質亞區(qū)，分別為崗南—黃壁莊水庫之間滹沱河河谷平原裂隙孔隙水單元、滹沱河沖洪積扇頂部孔隙水單元、滹沱河沖洪積扇中部孔隙水單元：

(1)滹沱河河谷平原裂隙孔隙水單元，主要分布于平山背斜變質巖區(qū)，該區(qū)屬于山地丘陵與平原區(qū)的過渡地帶，包括基巖風化裂隙水和滹沱河沖積平原孔隙水，水量小，含水層厚度約10～20 m，水位埋藏較淺，一般2～21 m左右，導水性很好，與外界水力聯系較密切，以大氣降水補給為主。

(2)滹沱河沖洪積扇頂部孔隙水單元，主要包括鹿泉、石家莊市區(qū)、靈壽和正定，含水層巖性主要為砂卵礫石，含水層厚度約20～35 m，導水性、富水性好，上部第一含水層組已基本疏干，目前開采的主要為第二含水組，即上更新統含水層。

(3)滹沱河沖洪積扇中部孔隙水單元，主要包括正定縣和欒城的一部分以及藁城、無極的部分區(qū)域，地下水埋深40～50 m左右，含水層厚度約25～60 m，含水層巖性以含礫粗砂、砂礫石、中砂為主，導水性富水性均較好。

2 樣品采集與分析

2.1樣品采集

2015年10—11月在滹沱河沖洪積扇地區(qū)采集地下水樣品46組和地表水樣品4組(采樣點S1、S3、S9、S12)(圖1)。地下水取自民井和農業(yè)灌溉井，井深約為12.0～300.0 m，水位埋深3.6～50.0 m。所用采樣瓶為聚乙烯塑料瓶(1.5 L和250 mL的各1個)，分別用于陰陽離子分析，用于陽離子分析的水樣加HCl調節(jié)水樣pH小于2。采樣前分別用純凈水和原水樣對采樣瓶進行潤洗，樣品采集后放入冰箱中保存以待測試。

2.2樣品分析

2.3健康風險評價模型

采用美國環(huán)境保護署(EPA)推薦的飲用水評價模型對研究區(qū)地下水硝酸鹽產生的健康風險進行評價[13]。由于硝酸鹽為非致癌物，因此，選用非致癌污染物所致健康危害的風險評價模型。

非致癌污染物所致健康危害的風險模式為：

Dig——非致癌物i經食入途徑的單位質量日均暴露劑量/(mg·(kg·d)-1)；

RfDig——非致癌物經食入途徑的參考劑量/(mg·(kg·d)-1)。

70——人類平均壽命/a。

計算時硝酸鹽的參考劑量采用美國環(huán)保署(US EPA)推薦值1.6 mg/(kg·d)，人類平均壽命按70歲計算。

式中：ci——化學污染物的濃度/(mg·L-1)；

計算時，成人平均每日飲水量按2.2 L，人均體重按70 kg計算。

2.4數據分析

本研究所得數據未滿足正態(tài)分布，所以，運用非參數的Kruskall-Wallis 和 Mann-Whitney U檢驗方法，分析了不同水文地質單元和土地利用類型下地下水硝酸鹽濃度的顯著差異性；應用回歸分析探討了地下水位埋深與硝酸鹽濃度的相關關系；運用主成分分析識別了地下水硝酸鹽的主要污染來源。數據分析使用R語言(3.1.2)和Origin(9.0)。

3 結果與分析

3.2健康風險評價

按照 US EPA 風險評價模型和參數計算得到各區(qū)域通過飲水途徑引起的平均個人年非致癌健康風險。依據不同水文地質單元硝酸鹽平均濃度數據計算，結果表明：滹沱河河谷平原裂隙孔隙水單元、滹沱河沖洪積扇頂部孔隙水單元和中部孔隙水單元地下水硝酸鹽通過飲水途徑所致的平均個人年健康風險分別為4.94×10-8/a、1.99×10-8/a和2.61×10-9/a。這與其他地區(qū)的研究結果相似[13]。研究區(qū)所有監(jiān)測點硝酸鹽所致個人年風險未超過國際輻射防護委員會(ICRP)推薦的最大可接受風險 5×10-5/a。表明研究區(qū)地下水中硝酸鹽不會對人群構成嚴重危害。

造成地下水硝酸鹽污染的因素主要包括人為因素(化肥施用、畜禽養(yǎng)殖糞便、居民生活、工業(yè)污水、土地利用、地下水開采強度等)、自然因素(降雨、地貌、土壤等)、地下水環(huán)境特點(地下水位埋深、地下水資源量、含水層厚度、地下水徑流條件等)、社會經濟發(fā)展因素(城市化率、城市常住人口、綠地面積等)。在本研究中，重點探討了不同水文地質單元、地下水徑流條件、地下水位埋深、土地利用類型對地下水硝酸鹽污染的影響。

3.3.1水文地質單元

本研究區(qū)共分為3個水文地質單元，分別為崗南—黃壁莊水庫之間滹沱河河谷平原裂隙孔隙水單元(取水深度5～15 m)、滹沱河沖洪積扇頂部孔隙水單元(取水深度10～100 m)、滹沱河沖洪積扇中部孔隙水單元(取水深度40～500 m)、為了更具有可比性，將滹沱河沖洪積扇頂部細分為淺層孔隙水單元(取水深度10～60 m)和深層孔隙水單元(取水深度60～100 m)。滹沱河沖洪積扇中部細分為淺層孔隙水單元(取水深度40～100 m)和深層孔隙水單元(取水深度100～500 m)。

圖3 不同水文地質單元地下水硝酸鹽濃度差異性Fig.3 Different of the groundwater nitrate concentration in different hydrogeological subregions注：相同字母表示不存在顯著差異性(Pgt;0.05)

3.3.2地下水埋深

地下水埋深決定著污染物進入含水層的路徑距離。研究發(fā)現：地下水埋深越深，包氣帶越厚，增大了土壤水的下滲路程，延緩了硝態(tài)氮進入地下水的時間，地下水受到外界環(huán)境和人類活動的影響越小，越不易受到硝態(tài)氮污染的威脅[17]。在本研究中，從圖4看出，地下水埋深與硝酸鹽濃度表現出顯著的負相關關系(Plt;0.001)，即硝酸鹽濃度隨著地下水埋深的增加而降低，可見滹沱河沖洪積扇地區(qū)地下水埋深嚴重影響了硝酸鹽的污染情況。

圖4 地下水埋深和硝酸鹽濃度的相關性Fig.4 Relation between groundwater depth and nitrate concentration

3.3.3土地利用類型

圖5 不同土地利用類型地下水硝酸鹽濃度差異性Fig.5 Different of the groundwater nitrate concentration in different land use注：相同字母表示不存在顯著差異性(Pgt;0.05)

3.3.4地下水徑流條件

圖6 研究區(qū)地下水含量分布圖Fig.6 The Ninterpolation map of study area

表1 滹沱河沖洪積扇地下水水質數據主成分分析結果

表2 滹沱河沖洪積扇污水樣品水質分析結果

圖7 硬度和硝酸鹽濃度的相關性Fig.7 Relationship between the otal hardness and nitrate concentration

4 結論

(4)造成研究區(qū)地下水硝酸鹽污染的主要污染源是生活污水和化肥；地下水的強烈開采是硝酸鹽污染的重要誘因。然而，工業(yè)污水不是研究區(qū)地下水硝酸鹽的主要污染源。

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責任編輯

：張若琳

CharacteristicsandsourceapportionmentofgroundwaternitratecontaminationintheHutuoRiveralluvial-pluvialfanregions

ZHANG Qianqian1, WANG Huiwei1, ZHAI Tianlun1, HUA Mengjian2

(1.InstituteofHydrogeologyandEnvironmentalGeology,ChineseAcademyofGeologicalSciences,Shijiazhuang,Hebei050061,China；2.TheHighSchoolAttachedtoTsinghuaUniversity,Beijing100084,China)

groundwater; over-exploited; nitrate; influencing factors; pollution sources

10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.2017.06.17

P641.3；X142

A

1000-3665(2017)06-0110-08

2017-05-16;

2017-06-10

中國地質科學院基本科研業(yè)務費(SK201612，SK201707)；國家自然科學基金資助項目(41401593，41602268)；河北省石家莊市財政撥款項目(B201504)

張千千(1983-)，男，博士,主要從事水環(huán)境污染源解析與控制研究。E-mail: z_qqian@163.com

翟天倫(1992-)，男，助理研究員，主要從事水環(huán)境污染機理研究。E-mail:zhaitianlunok@163.com