（环境工程专业论文）莱西地区地下水系统硝酸盐污染过程的研究.pdf

莱西地区地下水系统硝酸盐污染过程的研究 摘要 地下水中的n o ；一n 含量过高可使人致癌，作物从灌水中吸收过量的 n o ；一后，会引起各种病虫害，并严重影响作物质量。同时，n o ；一n 的含量 直接影响地下水的环境质量。 莱西地区地下水中n o ；一n 普遍超标，污染面积已超过1 5 0 平方公里，并有 逐渐扩大的趋势。根据近年来的地下水水质监测资料、水质补充监测和现场调查， 考虑到氮在包气带中的富积和迁移，选取垂直于大沽河方向的三个典型剖面，通 过的室内外模拟试验，测定了土一水系统污染物的反应动力学参数和包气带的水文 地质参数，建立研究区典型剖面上的水量一水质耦合模型，并对土一水系统中氮污 染物的迁移和转化规律进行初步研究。土一水系统中硝酸盐污染是一个非常复杂的 物理一化学一生物过程，本文尝试采用数值方法模拟氮在土壤中的反应动力学过程， 定量研究不同条件下水分和污染物的动态变化规律，从而提出切实可行的地下水 污染调控方案，为莱西地区地下水中硝酸盐污染控制与恢复提供科学的依据。 虽然土壤对h ：有很强的吸附作用，但n - ：经过强烈的硝化作用转化为不易 被土壤吸附的n o ；，在降雨或灌溉条件下进入地下水。另外，地下水受污染的程 度主要取决于土壤中硝态氮的含量和灌水量，根据当地的灌溉条件、施肥条件和 土壤性质，本文提出三种调控方案，其中在喷灌条件下施用铵态氮肥，可以在很 大程度上降低进入地下水的硝酸盐含量，使地下水的污染得到缓解。研究结果表 明，地下水中硝酸盐含量的严重超标主要是由于含氮化肥淋滤作用引起的。 关键词：莱西地区；地下水：硝酸盐污染 t h es t u d i e so fn i t r a t ec o n t a m i n a t i o n p r o c e s s e s t o g r o u n d w a t e rs y s t e m i nt h el a i x ia r e a i ft h e r ei se x c e s s i v e n o ；一c o n t e n ti ng r o u n d w a t e r , i t c a l lm a k ep e o p l ea r e c a n c e rd i s e a s e s ，a n di ft h ec r o p sa b s o r be x c e s s i v en o ；一nf r o mt h ei r r i g a t i o nw a t e r , i tc a ni n d u c em a n yk i n d so f d i s e n s e sa n di n f l u e n c et h eq u a l i t yo f t h ec r o p s a tt h es a l n e t i m e ，t h ec o n t e n to fn o i nc a nd i r e c t l yi n f l u e n c e t h e q u a l i t yo f g r o u n d w a t e r t h ec o n t e n to ft h en o ；一i ng r o u n d w a t e ri nl a i x ii sm a i n l yo v e rt h en a t i o n a l s t a n d a r d s n l ec o n t a m i n a t e da r e ai so v e r15 0k m 2a n dt h er e g i o nh a st h ei n c r e a s i n g t r e n d a c c o r d i n gt o r e c e n tm o n i t o r i n gd a t aa n dt h ef i e l ds u r v e y , c o n s i d e r i n go ft h e a c c u m u l a t i o na n dt r a n s p o r to ft h en i t r o g e ni nt h ev a d o s cz o n e ，t h i n et y p i c a lp r o f i l e sa r e s e l e c t e dw h i c hv e r t i c a lt ot h ed a g ur i v e r w i t han u m b e ro fo u t d o o ra n di n d o o r e x p e r i m e n t s ，t h ep a r a m e t e r s o ft h ed y n a m i cr e a c t i o no ft h ec o n t a m i n a n t s i nt h e w a t e r s o i ls y s t e ma n dt h eh y d r o g e o l o g i c a lp a r a m e t e r si nt h ev a d o s ez o n ea r er e c e i v e d a tt h es a m et i m e ，t h em a s s - f l o wc o u p l i n gm o d e lo f t h et y p i c a lp r o f i l e si se s t a b l i s h e d f i n a l l yi t s t u d i e st h er e g u l a t i o no ft h em i g r a t i o na n dt r a n s f o r mo ft h en i t r o g e ni nt h e s o i l w a t e rs y s t e m i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t l en u m e r i c a ls i m u l a t i o ni sa t t e m p t e d t os i m u l a t e t h e s ep r o c e s s e so nd i f i e r e n ti n i t i a la n db o u n d a r yc o n d i t i o n s ，t h e ns o m ep r a c t i c a lp l a n s a r ep r o v i d e dt oc o n t r 0 1t h eg r o u n d w a t e rc o n t a m i n a t i o n b e c a u s eo ft h ei n t e n s i v ea d s o r p t i o n o ft h e n h ；一b yt h es o i la n dt h e n i t r i f i c a t i o np r o c e s s al o to fn h ；一ni st r a i l s f o r m e di n t o n o ；一n w h e nr a i n i n g o ri r r i g a t i n gt h e n o r n c a l lg e ti n t og r o u n d w a t e r b a s e do nt h es i m u l a t i o nr e s u l t s ， t h ec o n t a m i n a t i o nd e g r e eo ft h eg r o u n d w a t e ri sm a i n l ya t t r i b u t e db yt h en o j n c o n t e n ti nt h es o i la n dt h e q u a n t i t y o ft h e i r r i g a t i o n c o n s i d e r i n g t h e i r r i g a t i o n ， f e r t i l i z a t i o nc o n d i t i o n sa n dd i f i e r e n tc r o p s ，t h r e es c h e m e sa l ep r e s e n t e d t h a tu s i n gt h e n h ；一nf e r t i l i z e r so n t h es p r a y i n gc o n d i t i o n sc a nl a r g e l yd e c r e a s et h eq u a n t i t yo ft h e n i t r a t ei nt h eg r o u n d w a t e ra n df i n a l l yr e l i e v et h ec o n t a m i n a t i o no ft h eg r o u n d w a t e r a c c o r d i n g t ot h er e s e a r c hr e s u i t s ，t h er e a s o nw h yt h ec o n t e n to ft h e n i t r a t ei n g r o u n d w a t e r e x c e e d s e r i o u s l y t h en a t i o n a ls t a n d a r d si st h ei n f i l t r a t i o n o ft h e n f e r t i l i z e r sf r o mt h ev a d o s ez o n e k e y w o r d ：l a i x ir e g i o n ；g r o u n d w a t e r , n i t r a t ec o n t a m i n a t i o n 2 荣两地区地下水系统稍艘献污染过程的研究 o 前言 氮是自然界广泛存在的基本元素之一人类以及动植物的生长、生存都离不 丌它。但是，氮在水环境中超标会造成对人类以及动、植物造成危害。施入农阳 中的化肥，农作物对其利用率只有3 0 4 0 ，其余则通过挥发、渗流和地面径流 等多种途径损失。因此，农业生产中过量施用化肥造成的地表水和地下水环境污 染问题，已引起国内外的广泛关注。 地下水是莱西市的主要供水水源，同时还担负着向青岛市供水的主要任务。 由于我国北方干旱少雨，水资源量呈现严重不足，不仅农嗣灌溉缺水严重，城市 供水也频频告急。根据近年来的地下水水质监测资料，莱西市地下水中n o ；一n 普 遍超标，污染面积已超过1 5 0 平方公里，并有逐渐扩大的趋势。本文通过室内外 试验和数值模拟，研究污染物在土壤和地下水中的迁移和转化规律，提出污染地 下水的调控方案，为水资源的管理和决策提供科学的依据，以保证生态环境的可 持续发展。 本文在研究过程中得到了青岛市水利局和莱西市水利局、水资源办公室等有 关部门的大力支持，在此表示感谢。同时，由于作者水平有限，文中难免有缺点 与错误，恳请提出宝贵意见。 藁两地区地下水系统硝酸赫污染过程的耐 究 1 研究意义、内容与方法 1 1 研究目的和意义 随着社会经济发展、人口增加和人民生活水平的提高，用水量迅速增加，加 之水污染的加剧，使得淡水资源日益枯渴。目前占世界人口总数4 0 的8 0 多个 国家都严重缺水，淡水资源匮乏制约着许多国家和地区社会经济的可持续发展。 我国年平均水资源总量为2 8 力亿立方米，占世界水资源总量的7 ，但人 均水资源占有量却只有2 3 0 0 2 8 0 0 m 3 ，是世界平均水平的1 4 ，居世界第1 1 0 位。 除了人均占有量较少以外，受地理环境的影响，我国水资源的时空分布很不平衡。 近年来，随着农村经济的发展，大量的化肥、农药使用和乡镇企业的排污， 使得地下水污染日趋严重，人们的生存质量已大受影响。以莱西地区为例，由于 境内水源地属于傍河开采的潜水型地下水水源地，地下水水位浅含水层渗透性 强，地下水的自净能力又相对较弱，地下水中含氮化合物的含量不断增加，造成 部分地下水水质严重恶化，其中硝酸根是地下水中最主要的污染物。 高浓度硝酸盐地下水被人饮用后，可在胃肠道及唾液罩被微生物转化还原为 亚硝酸盐，亚硝酸盐使血液中的二价铁氧化为三价铁，造成人体因缺氧而患高铁 血红蛋白症，导致智力低下，严重的可致死亡。另外，硝酸盐在人的胃中( p h 值 为l 5 之自j ) 更容易被还原为亚硝酸盐，亚硝酸赫再与胺、酰胺或类似氮氧化合 物发生反应，形成直接致癌的亚磷基化合物。 土一水系统中硝酸盐污染是一个非常复杂的物理化学。生物过程。因此，在现 场调查的基础上，通过大量的室内外试验确定土一水系统污染物的动力学参数，建 立研究区典型剖面上的水量一水质耦合模型，定量研究不同条件下水分和污染物的 动态变化规律，从而提出切实可行的地下水污染调控方案，为莱西地区地下水中 硝酸鼎污染控制与恢复提供科学的依据。 1 ，2 国内外研究现状 1 2 1 土壤非饱和带“三氮”的转化过程 莱晖地区地下水系统时限熊污染过程的研究 “三氮”转化过程包括铵化作用、硝化作用、反硝化作用，其中主要是硝化 作用过程，包括n h ：一n 转化为n o , 一n 、转化为n o ；一n ，在“三氮”转化过 程中，细菌起着重要的作用。土壤中的氮素除了发生上述转化作用之外，还会产 生化学脱氮作用、铵态氮的矿化固定作用、有机质对亚硝态氮的化学固定作用和 铵的同化作用等。 袁锋明等( 1 9 9 5 ) 应用”标记试验结果表明，早地土壤中氮素向n o ；一n 的转 化处于平衡状态，一旦施氮肥转化将会加强。n o ；一n 在表土中的转化积累随尿 素旌用量的增加而增加，在氮素向n o ；一n 转化积累的过程中同时发生了肥料氮 的固持和损失并且土壤本身氮素的转化在起初很可能占优势，后期肥料氮的转 化则逐渐居于优势。而且，夏玉米期间n o ；一n 的转化积累作用( 即硝化作用) 要 比春小麦期间强烈。 冯绍元等( 1 9 9 6 ) 认为，在农田氮素各种形态之间，氮素与周围介质之问，始 终伴随和发生着一系列的物理、化学和生物化学转化作用。吸附作用 一方面， 由于土壤对铵离子的吸附，使得大部分的可交换性铵得以保存在土壤中，另方 面，由于土壤对铵离子具有吸持作用，阻滞了铵离子向深层土壤的淋失，减轻了 氮素对地下水的污染。但是，当土壤对铵离子的吸附量达到最大值时，办即土壤 对铵离子的吸附达到饱和时，在入渗水流的作用下铵离子还是可能进入地下水中， 加重地下水氮污染。同时，土壤对铵离子的吸附在较短的时间内即可达到相对平 衡状态。硝化作用当n h ；一n 浓度较低时，硝化作用满足一级化学动力学方 程，当m 一n 浓度较高时，硝化作用过程满足零级化学动力学方程。反硝化 作用对于土壤反硝化作用的化学动力学模式，认为当土壤中n o ；一n 的浓度大 于1 0 0 m g l 或更大时，土壤反硝化作用过程满足零级动力学反应方程，其反硝化 作用的速率常数与n o ；一n 的浓度无关，而当n o ；一n 浓度小于4 0 m g l 时，土 壤中反硝化作用的动力学方程更趋向于一级反应。 姜翠玲等( 1 9 9 7 ) 对污水灌溉土壤中“三氮”的变化动态分析后表明，污灌后 土壤中“三氮”的转化受到土壤的p h 值、含水量、氧化还原电位等因素影响， 开始时n h ；离子大部分被土壤吸附，少量可通过大孔隙向下渗漏。当土壤重力水 下渗以后，土壤中硝化作用强烈进行，n h ：一n 转化为n o ；一n 。随着时间的延 长，当土壤含水量降低时，硝化作用减慢。另外，土壤水中可溶性有机质含量促 3 莱两地区地下水系统硝艘赫污染过程的研究 进了铵化作用的进行。当硝化作用减慢时，反硝化作用成为氮素转化的主要机制。 在硝化作用强烈的土壤中因n o $ 一n o ；的速度大于n h ；一n o ；的速度，般不 会造成土壤中n o t 的大量积累。 李建和等( 1 9 9 7 ) 通过对不同土壤硝化能力的试验研究表明，土壤硝化能力主 要受土壤p h 值制约。其中红壤 冲积土 滨海盐土，土壤对n h 4 和k + 的固定， 主要决定于土壤粘粒矿物的类型和含量，其中红壤吸附量小，保肥稳肥能力弱， n 素损失量高：冲积土和滨海盐土吸附量大，保肥稳肥能力强，n 素损失少。提 高供k 水平，将会促进土壤n 素释放，抑制铵的固定。 董悦安等( 1 9 9 9 ) 根据氮的转化过程，将其在土柱内的物理、化学及生物化学 作用的过程分为三个阶段，吸附作用阶段，即旌肥进入土壤中n h ；一n 的首先 被土体吸附：硝化作用增强阶段，因第一阶段对硝化细菌的培养，进入本阶段 后，硝化细菌的数量已大大增加，所以硝化作用增强，将土壤中吸附的n h ：一v 大量转化为n o ；一n ；硝化作用减弱阶段，进入本阶段，硝化能力很强，硝化 细菌将土壤吸附的n h ；一n 很快转化n o ；一n ，使土壤对n h ；一n 的吸附一直处 于不饱和状态，土壤对n h ；一n 的吸附能力很强，所以很难随水流出土柱，即很 难进入地下水。 黄绍敏等( 2 0 0 1 ) 采用田间试验及人工渗滤池试验方法，研究了土壤中 n o ；一n 含量的影响因素。土壤类型决定n o ；一的基础含量，是影响n o ；一n 含量的内因：影响n o ；一n 含量的外界因素，如施氮量、氮肥品种、土壤湿度和 温度中，施肥是最直接最明显的因素，其中氮肥最显著，施氮量越高，n o ；一n 含 量也越高。在保证作物吸收氮素的前提下，降低氮肥用量，增施有机肥及秸秆还 开 ，既能提高产量又能减少n o ；一n 在土壤中的积累和向下淋失。而土壤温度是 通过影响硝化作用而影响n o ；一n 含量，当土壤含水量低或n o ；一n 含量高时， 土壤温度对n o ；一的影响不明显。 邹国元等( 2 0 0 2 ) 对北京褐土夏玉米生长期间氮素硝化一反硝化作用进行了研 究。其结果表明，氮肥施用后硝化作用在一周内完成。玉米三叶期施肥后，由于 土壤干旱，反硝化损失氮量相对较低，随后当土壤水分台量较高时，反硝化作用 增强。在玉米十叶期追肥后半个月内土壤反硝化作用最强，是反硝化损失关键阶 段，并随着施氮量的增加土壤反硝化作用表现出增强趋势。在玉米生育期反硝化 4 莱西地区地下水系统峭艘哉污染过程的研究 作用主要是受到水分供应状况的制约，到后期温度下降可能会限制反硝化作用的 进行。 由于莱西地区为北方干旱地区，地下水水位浅，包气带透气性好有利于硝 化作用的进行而反硝化作用比较微弱所以在过量施肥的情况下容易造成土 壤中的硝酸盐积累，在灌溉或降雨条件下，通过包气带进入地下水。 1 2 2 土壤非饱和带“三氮”的运移 土壤圈是地圈一生物圈系统的一个重要组成部分，土壤溶质运移直接影响到 这一系统的物质循环。近年来，随着人们对其赖以生存环境的同益重视，对土壤 圈的物质循环进行了大量的研究，从而为控制地下水污染提供科学的依掘。 张福珠等( 1 9 8 4 ) 研究表明，施用不同形态的氮肥都能随土壤水分通过土壤一植 物系统而部分流淋失，其中以n o ；一n 为主，n o ；一v 次之，n h ；一只占很小 的比例。而且，氮肥的淋失量的大小和氮肥品种以及施氮量的不同而有明显的差 异，与氮肥的施肥时期有着密切的关系，特别在植物生长前期，植物根系尚未完 全发育，施用大量氮肥，会加剧氮污染地下水的危险。 刘翔等( 1 9 9 1 ) 、阮小红等( 1 9 9 6 ) 研究表明，影响n o ；一n 浓度最主要的因子是 n o ；一n 的迁移和弥散。随着土壤中粘粒含量的增高，土壤对n h ；一n 和有机氮 的吸附性增加，减少了氮的淋溶、迁移损失，有利于氮肥的有效使用；随着土壤 中粘粒含量的增高，水一土系统的厌氧程度提高，有利于反硝化作用的进行。因此， 防止地下水n o ；一n 污染的有效方法是保持一定厚度的厌氧层，增加反硝化作用 过程，去除n o ；一n 对地下水的污染。 根据吴敦敖等( 1 9 9 2 ) 研究认为，松散沉积物对n h ：一n 和有机氮有很强的吸 附作用，进入土壤后，在包气带土层的浅表层被迅速吸附而减少。同时由于表土 层还有微生物进行强烈的铵化和硝化作用，在不同土壤剖面上n h ；一n 的起始浓 度随土壤剖面深度的增加而下降n h ；一n 和有机氮很难通过非饱和土层而污染 地下水，而n o ；一n 则几乎不被土层吸附，在松散沉积物中有很强的迁移能力t 随着n o ；一n 向下淋渗，伴有一定量的h a ；一n 向地下水迁移。因此，n o ；一n 在地下水中含量迅速增加，形成浅层地下水的n o ；一n 污染，其次是n o ；一n 。 莱两地l 曼地下水系统峭瞍虢污染过程的研究 冯绍元等( 1 9 9 6 ) 不论是实测资料还是模型拟结果都表明，非饱和土壤溶液中 n h ；一n 浓度锋面的运移大大滞后于其水分湿润锋面的移动，说明n h ；的吸 附对其在非饱和土壤中的运移有较大的阻滞作用。同时，土壤溶液中s n ；一n 浓 度的过程线存在明显的过渡带，表明水动力弥散作用对n h ：一n 在非饱和土壤中 的运移转化过程亦有一定的影响。 吕殿青等( 1 9 9 6 ) 利用不同深度的渗漏池研究了土壤中n o r n 运移特点及影 响因素。结果表明，n o ；一n 淋失量与土壤深度呈指数曲线关系，与施氮量线性 相关，n o ；一n 淋移深度随地面接水量( 降水量加灌水量) 的增加而增大，在土壤 剖面中的分布大部分都集中在0 6 0 c m ，含量高峰一般出现在2 0 4 0 c m ；不同施 n 方法对n o ；一n 的淋失和在土壤中的积累都有明显的影响。 于淑芳等( 1 9 9 8 ) 为了研究不同土壤对n i l ；一n 的吸持能力，分别采用褐土潮 土、棕壤进行吸附实验。结果表明，其吸附能力是：褐土 棕壤 潮土。即使是质 地较轻的潮土对n h ；一n 的吸持能力也足以使施入的铵备氮肥保持在土壤中，不 会因降雨或灌溉而淋失。在供试土壤不同及质地差异较大的条件下，对n o ；一n 几 乎都没有吸附作用。 武继承等( 2 0 0 1 ) 研究了不同种植方式、不同施肥结构下土壤氮素的循环，并 对土壤n o ；一n 累积特征试验分析表明，氮磷配合或有机无机相结合均有利于土 壤氮素的积累，但采用有机无机相结合更有利于土壤氮磷钾的养分平衡。有机肥 施用对土壤中氮磷钾养分平衡具有积极作用，同时可以有效地控制土壤n o ；一n 的淋洗深度，减少地下水污染。 罗阳等( 2 0 0 0 ) 对唐山农业地区在不同的降雨灌溉及不同的化肥、农家肥施用 量等条件下的氮素迁移转化进行了模拟计算，在其它条件不变的情况下，土壤根 区底部的氮素淋溶损失量与接水量呈明显的f 比关系，并随施用的化肥、农家肥 量的增加而增加。 根据氮素在非饱和土壤中的运移与转化的研究结果，结合当地农田的土壤特 性、地下水位埋深及所种植的作物品种等情况，作者认为在莱西平原地区田间水 肥旌加过程中，可以从以下几个方面来减少氮肥的入渗量： n 1 施肥条件控制氮肥用量，实行平衡施肥，选择合理的施肥时间： ( 2 ) 灌溉条件选择合理灌概时间，控制灌溉量，改进灌溉方法； 6 荣西地区地下水系统自肖腋盐污染过程的研究 ( 3 ) 作物条件实行轮作制度，种植深根系作物或喜氮作物； 通过实施科学的田间管理方法，使地下水尽量少受氮素的污染，达到保护地 下水资源的目的。 1 3 研究内容与方法 根据近年来的地下水水质监测资料，地下水中n o ；一n 含量普遍超标，污染 面积已超过1 5 0 平方公里，并有逐渐扩大的趋势。本区地下水中n o ；一n 的严重 超标，可能来自于境内大沽河及其支流污染后的侧向补给，也可能是由于含氮化 肥淋滤作用，或者是这两种原因的叠加，所以首先研究污染的原因和污染机理。 因为莱西地处大沽河水源地，水质、水位观测资料较多，经过充分搜集整理， 了解了地表水与地下水的补排关系，含水层和包气带的空间变化规律及地下水的 水化学特征与形成规律。从目前的研究情况看，莱西地区主要问题是施肥引起的 地下水环境中硝酸盐含量的升高。地下水中硝酸盐含量取决于包气带的岩性( 土 壤性质) 和厚度( 地下水位) 以及氮在其中的存在形式和不同的灌溉条件( 灌溉 方式、灌溉量、灌溉时间、灌溉水源水质) 、施肥条件( 施肥量、施肥方式、施 肥种类、施肥时间) 、气象条件( 降雨、蒸发) 和作物条件( 作物种类、作物轮 作方式) 等，为提出技术上可行、经济上合理的地下水污染的调控方案，决定从 以下几个方面进行研究： 1 在了解莱西地区地质条件和水文地质条件的基础上，根据前人的研究资料 收集、水质补充监测和现场调查，考虑到研究区的包气带结构及大沽河与地下水 的补排关系，沿与大沽河垂直方向选取3 个典型剖面，对土壤剖面进行分层取样， 每个土壤剖面分为上下两层( 分别记为k l ，k 一2 ；l l ，l - 2 ：n - 1 ，n 一2 ) 。 2 莱西地区是农业区，其氮污染来源主要为常年过量的施加氮肥。考虑到氮 素在包气带中的富积和迁移，因此通过室内模拟试验( 吸附动力学、吸附等温线 和硝化试验) 测定反应动力学参数( 吸附系数、硝化系数) 和渗透试验、水分特 征曲线、弥散试验、颗粒分析等试验测定土壤的( 容重、饱和渗透系数、非饱和 渗透系数、孔隙度、有效孔隙度、弥散系数、弥散度、饱和含水量和残余含水量) 等重要的水文地质参数，以研究包气带的岩性，确定土壤的物理和化学性质。 藁两地区地下水系统硝随盐污染过程的研究 3 根据对水文地质条件的分析结合试验参数，对其水文地质条件进行概化， 确定合理的边界条件和初始条件：利用地下水运动的动力学理论，建立研究区的 地下水水流一水质耦合模型；用有限差分方程对数学方程和定解条件( 初始条件和 边界条件) 进行离散化对氮的污染过程进行数值模拟，研究包气带中氮的迁移一 转化规律。 4 根据当地的气象、气候资料和水文地质条件，定量模拟分析不同状态条件 下土壤剖面中n o ；一n 和n h ；一n 的迁移转化规律和地下水中污染物的变化规 律，结合当地的农业结构和经济条件，提出具有可行性的地下水污染的调控方案。 2 研究区的自然地理与水文地质概况 2 1 自然地理 莱西地区位于山东半岛中部，其分布范围东经1 2 0 。1 2 至1 2 0 。4 0 ，北纬 3 6 。2 4 至3 7 。0 97 东临莱阳市，西以小沽河为界与平度市相望，北靠招远市， 西北与莱州市接壤，南以五沽河为界与即墨市相邻( 见图2 1 ) ，全市总面积1 5 5 2 平方公里，东西最大长度3 6 公里，南北最大长度6 3 公里。 i ! l2 - 1 莱柏地区地理位置图 藁两地区地下水系统硝陵袖污染过程的研究 2 1 1 地形与地貌 莱西地区位于胶东丘陵山系的南麓，地势呈南北走向，北高南低，并逐渐变 缓，北部为低山丘陵，中部为缓岗平原，南部为平泊洼地。最大高程为西北大泽 山周家大山峰，海拔高度为4 2 7 8 m ，最低高程为店埠镇韩家汇，海拔高度为2 6 m 。 区域地貌按成因类型分为侵蚀剥蚀丘陵、侵蚀剥蚀堆积平原和河谷冲积平原。 侵蚀剥蚀丘陵分布在北部，经长期缓慢上升和风化侵蚀，形成连绵起伏的破 碎低矮山，以砾石和砂质粘土、粘质砂土为主。 侵蚀剥蚀堆积平原为山地和平原的过渡类型，基底岩石为白垩系王氏组砂页 岩( 局部为青山组中基性火山岩) ，上覆较薄的残坡积层，有的基岩直接出露地表。 广泛分布于侵蚀剥蚀丘陵与冲积、洪积等构成的平原之间，地貌特征为波状起伏、 低矮平缓的残丘垄岗，第四纪残积层较为发育。 河谷冲积平原从地表看，地势平坦，主要分布于一些河流谷地，现代河床两 侧，堆积物具有双层或多层结构。 2 1 2 气象 莱西市属北温带半湿润东亚季风气候，冬暖夏凉，四季分明，年平均气温1 1 5 ，冬季平均气温- 2 2 c 。夏季平均气温2 3 7 ，最高气温3 7 5 c ，最低气温- 2 l ，年温差平均一般在4 0 5 0 c ，平均日照时数2 8 1 8 小时，平均无霜期1 8 6 天， 冰冻期1 2 0 天。多年平均干旱指数1 7 4 ，多年平均径流深1 9 1 m m 。 根据莱西降雨观测资料，1 9 5 2 1 9 8 9 年多年平均降水量6 8 7 7 m m ( 图2 2 ) a 其 降水特征为：降水量年际变化大，全市最大年降水量1 4 5 8 1 r n m ，最小年降水量 3 6 5 5 m m ，两者相差1 0 9 2 6 m m ，最大年为最小年的3 9 9 倍。由于降水量还具有 连丰连枯的特点，制约了水资源的正常调度，加剧了供需之间的矛盾，影响了工 农业生产的发展和正常的人畜生活用水。降水年内分配不均，冬春少，夏秋多， 汛期雨量集中，全市多年平均汛期降水量为5 1 1 2 m m ，占多年平均降水量的 7 4 3 ，非汛期的降水量仅占多年平均降水量的2 5 7 ，年内分配不均，造成夏季 洪涝灾害，冬春、夏初和晚秋干旱。降水地区分布不均，降水分布状况与地形 基本一致，大致是西高东低，北高南低，北部山区多年平均值为6 9 9 o m m ，中部 9 菜两地区地下水系统硝睦雒污染过程的研究 平原多年平均值为6 8 8 3 m m ，南部洼地多年平均值为6 6 9 5 m m 。 据1 9 6 0 1 9 8 9 年观测资料，多年平均蒸发量为1 0 8 6 7 m m ( 图2 3 ) ，最大年蒸 发量为1 5 1 5 5 m m ，为多年平均蒸发量的1 4 0 倍；最小年蒸发量为8 6 1 9 m m ，为 多年平均蒸发量的7 9 3 ，最大年蒸发量是最小年蒸发量的1 7 6 倍。五、六月份 蒸发量最大，十二月至翌年一月份最小。 多年最大积雪深度1 9 c m ，最大冻土深度4 4 c m 。 2 0 0 一l j o * 惜 面l o o 翟 耋5 0 o * 瑚 v 删 裂 蜓 。广1广1nrr门 12345678 91 01 11 2 时间( 月) 图2 - 2 莱两地区多年平均降雨量柱状图 _ 一 抓门m 1234 5678gl o1 1 1 2 时闻( 月) 幽2 - 3 曲地区多年平均蒸发量柱状图 2 1 3 水文 莱西市境内有大小河流6 1 条，属于大沽河系。大沽河是胶东半岛主要河流之 1 0 的 柚 暑： 如 0 莱两地区地下水系统硝陵盐污染过程的研究 一，发源于烟台招远市阜山，流经招远、莱州、莱西、平度、即墨和胶州等市， 于胶州市河西屯以南码头村入胶州湾，全长1 7 9 k m 其主要支流有小沽河、洙河、 血沽河、猪洞河、落药河和流浩河等，流域面积4 1 6 1 9 k m 2 ( 南胶莱河于李哥庄以 南入大沽河，面积未计在内) 。1 9 8 1 年以前，基本常年有水断流时间很短，最 大断面年径流量2 8 3 1 亿立方米( 1 9 6 4 年) ，最小断面年径流量0 _ 3 l 亿立方米( 1 9 6 8 年) 。1 9 8 1 1 9 8 9 年，除1 9 8 5 年外，大部分时间断流，其中1 9 8 l 、1 9 8 3 、1 9 8 4 和1 9 8 9 四年全年断流。 在河流的中上游建有大型水库2 座，中型水库6 座，拦蓄能力3 7 亿立方米。 水库建成后，对大沽河地表径流状态产生了比较明显的影响。建库后，平均年断 面径流量比平均年径流量小2 3 3 8 亿立方米，减少3 4 1 。 莱西境内有小沽河等1 6 条支流直接汇入大沽河道，河系分布( 见图2 4 ，其中 小沽河、洙河、五沽河三条支流较大。在大沽河中上游有产芝水库，控制流域面 积8 7 9 平方公里，总库容4 0 2 亿方。 小沽河发源于莱州市的马鞍山，总流域面积1 0 0 2 平方公里，莱西市境内长度 6 3 5 公罩，入境后于院上镇大里村前汇入大沽河。在小沽河中上游有北墅水库， 控制流域面积3 0 1 平方公里，总库容0 5 0 1 亿方。 涞河发源于莱阳市西北部天山东麓，总流域面积4 2 0 5 平方公罩，莱西市境 内长31 5 公里，入境后呈东北西南流向，于水集镇张家庄村西南汇入大沽河。 在洙河上游有高格庄水库，控制流域面积1 2 5 平方公里，总库容o 1 3 7 亿方。 五沽河发源于即墨市五道泊，总流域面积6 4 8 平方公里，莱西市境内面积3 3 2 平方公罩，境内长度1 8 公里，在五沽河支流上有堤湾水库，控制流域面积7 3 5 平方公里，总库容o 2 8 亿方。 2 2 水文地质 2 2 1 地下水的埋藏条件 地下水主要赋存于基岩的风化裂隙、构造裂隙及砂层孔隙中，埋藏深度不一 水量也不等，水质一般良好。第四纪河流冲积平原及山前洪积坡积层发育不均， 水量较为丰富，主要岩性为中细和中粗砂兴砾石。变质岩、火山喷出岩和沉积岩 莱两地区地下术系统峭瞍靠污染过程的研究 幽2 _ 4 莱柏地区水系分布幽 类中少数地段条带状，脉状大理岩含水量较为丰富。白垩纪的红砂岩等含水性差 且水质较差。区内大气降水一部分沿裂隙下渗，赋存于含水层中，大部分转化为 地表径流。地下水埋深一般为2 l o m ，随地形起伏呈断续不一致的自由水面，地 下水呈散流状态随地形倾向及裂隙伸延情况向低沣、河谷处运动形成基流，在受 莱两地匹地下水系境硝瞍雒污染过程的研究 切割的地段，形成裂隙下降泉，排泄于河道。另一部分以补给第四纪方式排泄， 第四纪地下水除接受大气降水外，中上游区平时也向河道补给排泄于下游区。全 区地下水总的运动规律与地形相一致。地下水的埋臧形式大致可分为包气带水、 潜水，区内主要以潜水出现。潜水一般埋藏于松散沉积物的孔隙及出露地层基岩 的裂隙中，潜水分布区是它的补给区、排泄区，而且与降水量、土壤持水量、蒸 发量等有密切关系，且相互转化。 第四系冲积一冲洪积层下部的砂和砂砾石层中。含水砂砾石层的分布严格受大 沽河古河谷形态的控制。河谷底部及边缘大部分均为白垩系王氏组粘土岩和粉砂 岩结构，成良好的隔水底板和边界。 该区水力性质基本上属于潜水，但砂层之上多被弱透水性的土层覆盖，在丰 水期高水位时( 水位超出砂层顶板) 具有弱承压性。只有在“天窗”部位地下水 才呈现典型潜水性质。 2 2 2 含水层的透水性和富水性 含水层的透水性和富水性取决于砂层或砂砾石层的厚度、颗粒级配、分选性 和补给条件。在北部低山丘陵区，地面坡度大，岩性多为片麻岩和大理岩，其风 化裂隙和构造裂隙均不甚发育，降水入渗能力差，属于弱含水区。中部缓岗平原 区，区内河道冲积平原区含水层上部为松散砂层，地势平坦，降水入渗能力强： 下部基岩为沉积岩和变质岩类，隔水性能好，加上河道侧向补给，形成区内地下 水源相对丰沛，为莱西地区主要的地下水赋存区。南部洼地属于易涝易旱区，其 出露岩性以安山岩和红色砂岩为主，央有泥灰岩和重晶石脉，区内以挖塘蓄水为 主，局部适于深井开采，属于贫水区。在横向上，在含水层厚度大，砂砾石颗粒 较粗，分选性较好，上覆土层较薄，有“天窗”的地层，补给条件好，故透水性 和富水性皆强；在砂层厚度变薄乃至尖灭的地层，颗粒较细，土央层增多，补给 条件差，因而透水性和富水性变弱。在纵向上，在含水层透水陛较强，补给快的 地方，地下水交替强烈，但厚度较薄的含水层的透水性稍弱，补给条件稍差于前 者，但因其砂层厚度较大，因此，含水层的富水性在纵向上变化不大。 根据区域内地下水特征及富贫程度，可大致划分为五个含水层分布区( 见图 茎堕些坚丝! 查墨竺堂竺苤翌墨塾堡竺竺塑 2 5 。 幽2 - 5莱硝地区地卜i 水含水类腿分区幽 2 2 3 地下水的补给、径流、排泄 4 莱西地区地下水系统硝酸盐污染过程的研究 莱西市的地下水不论是基岩裂隙水或是第四系孔隙水，都属于浅埋藏的潜水 类型，均以大气降水为其主要补给来源。地下径流方向与地形坡降相一致，由山 区流向平原。由于受地形地貌、地层岩性等因素的影响，不同地区不同含水层的 地下水补给、径流、排泄条件有很大差异。 在丘陵山区，即基岩裂隙水主要分布区，大气降水几乎是地下水的唯一补给 来源。但因山高坡陡和裂隙不甚发育，降水的大部分变为地表径流，少量入渗到 地下的降水，沿构造和风化裂隙以下降泉或地下径流的方式很快向附近沟谷排泄， 山区河流沟溪成为汇集和捧泄基岩地下水的通道。由于地下水在浅部裂隙中交替 循环强烈，水质良好。 在河谷平原，除接受大气降水补给外，还广泛接受来自丘陵山区基岩裂隙水 的侧向补给。由于地形平坦，植被好，含水层厚度较大，表层渗透性能较强，补 给条件十分有利，因而成为地下水最富集的地区。地下水的排泄方式多样，通常 以潜流形式排出，但因水力坡度甚小，径流速度缓慢，排泄量有限。地下水与河 水之阃具有相互补排关系。当河水位高于两岸地下水位时，河水补给地下水，反 之，则排泄地下水。近年来随着地下水开采量的增大，人工开采成为河谷平原地 区地下水新的、主要的排泄方式。由于大量开采地下水，水位埋深加大，蒸发消 耗减少，只有在河口及低洼地带，因水质差、不开采、水位浅，蒸发消耗才居于 主导地位。平原地区地下水的补给、径流、排泄特点，决定了该地区地下水化学 成分的复杂性。 2 2 4 地下水化学特征 本区地下水绝大部分属陆相溶滤潜水，在未遭人为污染的条件下，地下水化 学类型依主要是：碳酸盐一钙型、碳酸盐一镁型。p h 值在6 4 7 8 2 之间。阳离子一 般为c a 、c a n a 、n a c a 、n a ，局部m g 离子含量较高，总硬度小于4 4 5 m g l ， 局部地区属于硫酸盐类和氯化物水质。随着人类活动的增加，受纳污河道污染的 影响，部分地下水产生不同程度的污染。 2 2 5 地下水的动态 莱两地选地下水系统艄瞍虢污染过程的研究 大气降水直接渗透是地下水的主要补给来源人工开采和蒸发( 包括蒸腾) 则是地下水的主要排泄方式。因此，包气带垂直方向的运动成为莱西市地下水的 重要运动形式。地下水的动态变化也充分表现了这一运动特点：每年春季到夏初， 由于降水稀少和春季灌溉大量用水，地下水位大幅度下降，到六月底或七月初降 到低，七月进入雨季，大量降雨的入渗使地下水位迅速回升，九月水位达到最高 点；十二月至来年二月，由于停止开采地下水和少量雨雪的补给，地下水位处于 相对稳定的状态。地下水位年平均变幅一般2 3 米。从多年动态变化来看，在丰 水年雨量充沛，入渗量大而开采量少，地下水位升高；而枯水年降水量少，开采 和蒸发量反而增大，故地下水位下降。 大沽河贯穿整个莱西市，因此河水和地下水之间的关系紧密，尤其在天窗位 置，上、下砂层沟通，地表水和地下水连成一体，两者之间具有相互补排关系。 当河水位高于地下水位时，河水补给地下水，反之则排泄地下水，但通常以补给 为主。 在天然情况下地下水形态与地形基本致自北向南缓缓倾斜，水力坡度约 为1 2 0 0 0 。由于水力坡度甚小，地下水的运动速度缓慢。另外，尽管渗透系数较 大，地下水的渗透速度和实际流速均很小，所以地下水的天然径流补给量和排泄 量都十分有限。 3 莱西地区硝酸盐污染现状与评价 随着工业的发展及人口的增加，水环境的污染r 益加剧，淡水资源缺乏的城 镇越来越多，水资源供需矛盾日益突出，缺水已经严重影响到国民经济的发展。 同时由于环境的污染对人体健康的影响也越来越重，世界上1 0 多亿人没有基本的 清洁饮用水。1 9 9 8 年世界水只主题为“地下水，看不见的资源”。+ 联合国将目光 投向地下水，反映了对地下水的关注，污染使地下水系统恶化加剧，人们对于地 下水资源的可持续利用及其在经济上的重要性缺乏认识。因此，保护地下水不受 污染是我们面临的严峻问题。为合理开发利用和保护地下水资源保护人体健康 和促进经济的发展，同时也为有关部门科学她管理地下水资源提供依据，对莱西 地区地下水质现状进行了调查和评价并提出地下水污染防治对策和建议。 6 莱两地选地下水系统峭陵盐污染过程的研究 3 1 污染物的来源 莱西地区水体和土壤中氮的污染来源，主要为农业污染源、工业污染源和生 活污染源。 3 1 1 农业污染 农业污染是指由农业生产所旌用的化肥，通过大气降水、农用灌溉，经挥发 和淋滤等作用对自然环境的改变。农业污染是地下水的一种极为缓慢的污染形式， 污染物暂存于土壤中，逐渐进入地下水，因此，具有较强的隐蔽性同时，农业 污染为非点源污染，可以引起大面积的浅层地下水污染。 莱西地区从7 0 年代以来开始大量施用氮肥，作物产量不断增加，但近几年来， 作物产量并未随着施氮量的增加而增加，而是保持在稳定的水平，氮肥利用率只 有3 0 - 4 0 ，大部分氮素从不同途径损失掉了。 莱西地区总面积1 5 5 2 平方公里，耕地面积7 2 6 6 3 公顷，大部分地区是农业区， 尤其担负着青岛市的供菜工程，是蔬菜生产基地。以1 9 8 5 年为例，全市化肥施用 量8 4 0 6 1 吨，其中氮肥4 8 2 7 4 吨，主要为n h 4 h c 0 3 、( n h 4 ) 2 s 0 4 、n h 4 c l 、 n h 4 n qc 。( q ) 2 ，复合肥3 3 6 6 吨，主要含( n h 4 ) s 2 s 0 4 、n h 4 h 2 p 0 4 、 ( n h 。) ：h p 0 4 、k ：s 0 4 ，其一只d 5 一k 2 0 比例约为1 ：l ：l 。近年来，菜农为了 获得蔬菜高产，盲目地超量或偏施氮肥，致使地下水中硝酸盐含量升高，同时蔬 菜硝酸赫的含量剧增，品质恶化。在莱西地区，菜地平均施肥强度l o o k g a a ( 以 氮计) ，最高达1 8 0 k g h a 。氮肥施入土壤后，绝大部分以无机氮的形式存在，包括 n h ；一n 和n o ；一n 两部分，而n o ；一又是土壤无机氮的主要组成部分， n h ；一n 因土壤颗粒带负电而被强烈吸附于土壤胶体上，在一定的条件下，经过 硝化作用转化成不易被胶体吸附的n o ；一n ，在降雨或灌溉条件下，极易进入 地下水，因此土壤残留n o ；一n 是地下水的潜在污染源。 3 1 2 工业污染 莱西工业污染源主要集中在莱西城区，自七十年代丌始，现代工业丌始发展， 特别