黃耀裔，邱偉鵬，許妙瓊

(泉州師范學(xué)院資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，福建 泉州 362000)

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晉江市淺層地下水硝酸鹽含量時(shí)空分異研究

黃耀裔，邱偉鵬，許妙瓊

(泉州師范學(xué)院資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，福建 泉州 362000)

地下水中的NO3--N污染已是目前面臨的一個(gè)環(huán)境問(wèn)題，為了解晉江市淺層地下水中NO3--N污染的時(shí)空變化，分別采集測(cè)試2004年和2014年淺層地下水中NO3--N含量，結(jié)果表明NO3--N污染有加劇的趨勢(shì)。利用地統(tǒng)計(jì)與GIS技術(shù)結(jié)合構(gòu)建NO3--N的空間分布，從空間視角分析境內(nèi)NO3--N污染的具體位置。結(jié)果可為有關(guān)部門(mén)在今后的環(huán)境評(píng)價(jià)和污染防治等方面提供參考依據(jù)。

硝酸鹽；淺層地下水；地統(tǒng)計(jì)；晉江市

地球上可供使用的淡水資源中68%左右自于地下水[1]，由于地表水污染越來(lái)越嚴(yán)重，使得對(duì)地下水的需求增加。由于硝酸鹽(NO3--N)是進(jìn)入地下水中最頻繁的污染物質(zhì)之一[2]，因此地下水中NO3--N污染逐漸受到人們的重視，美國(guó)、加拿大、歐洲、俄羅斯、荷蘭等國(guó)家對(duì)地下水中NO3--N含量的調(diào)查結(jié)果顯示其含量正逐漸上升，部分地區(qū)甚至超過(guò)世界衛(wèi)生組織推薦的限值數(shù)倍[3]。NO3--N地下水污染同樣在我國(guó)也較為突出，在安徽省淮北平原大部分地區(qū)地下水三氮檢出率近100%，而河南省的安陽(yáng)等食管癌高發(fā)區(qū)地區(qū)調(diào)查結(jié)果發(fā)現(xiàn)飲用水中的“三氮”及亞硝胺含量存在密切關(guān)系[4]等。NO3--N污染與人類(lèi)健康關(guān)系成為目前國(guó)內(nèi)外的研究重點(diǎn)，醫(yī)學(xué)研究表明過(guò)度攝取NO3--N可會(huì)人體造成危害，當(dāng)飲用含高濃度NO3--N的水后在體內(nèi)能經(jīng)硝酸鹽還原菌作用轉(zhuǎn)化為NO2--N，可導(dǎo)致高鐵血紅蛋白癥、消化系統(tǒng)癌癥等疾病[5]；瑞典曾對(duì)多位癌癥患者致病因進(jìn)行分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)其中因飲用高NO3--N含量的地下水誘發(fā)病因[6]；嬰幼兒食用了含NO3--N的食品或水后可導(dǎo)致“藍(lán)嬰癥”[7]等，表明防治NO3--N污染已經(jīng)是當(dāng)務(wù)之急。

晉江市是福建省的水資源貧乏區(qū)，人均水資源量不到福建省人均1/10。據(jù)《福建省晉江市地下水資源調(diào)查評(píng)價(jià)報(bào)告》，平水年地下水天然補(bǔ)給量7 461萬(wàn) m3，允許開(kāi)采量6 087萬(wàn) m3，現(xiàn)狀開(kāi)采量為5 500萬(wàn) m3，全市地下水采補(bǔ)總體平衡。其中2010年主要用水位人均綜合用水量為343 m3，萬(wàn)元GDP用水量75 m3工業(yè)萬(wàn)元總產(chǎn)值用水量22 m3，工業(yè)萬(wàn)元增加值用水量82 m3，農(nóng)田實(shí)灌畝均用水量654 m3，農(nóng)田有效灌溉畝均用水量456 m3，城鎮(zhèn)人均生活用水量282 L/p·d，農(nóng)村人均生活用水量107 L/p·d。經(jīng)對(duì)研究區(qū)實(shí)地調(diào)查，淺層地下水仍是晉江市居民的主要生活飲用水水源之一。通過(guò)2004年與2014年對(duì)晉江市淺層地下水NO3--N含量情況進(jìn)行現(xiàn)狀調(diào)查，調(diào)查分析NO3--N是否有加劇污染趨勢(shì)，可為今后對(duì)其環(huán)境評(píng)價(jià)和污染防治等提供決策參考。

1 自然經(jīng)濟(jì)概況

晉江市主要位于我國(guó)東南沿海的福建省泉州市境內(nèi)，晉江流域的下游南岸，倚山臨海，地理位置優(yōu)越。地質(zhì)條件屬閩東濱海加里東隆起帶。地勢(shì)由西北向東南傾斜。地貌以臺(tái)地平原為主，丘陵多為低丘，呈條帶狀或弧丘狀分布。西北部的紫帽山海拔517.8 m，為境內(nèi)最高峰。海拔100～300 m的羅裳—靈源和靈秀山脈分別縱貫境內(nèi)中部東西。根據(jù)氣象局資料，氣候?qū)倌蟻啛釒駶?rùn)區(qū)，年均氣溫20℃～21℃，年均日照2 130 h，年均降雨量911～1 231 mm。其中晉江流域流經(jīng)東北部，與橫貫市境的支流九十九溪于泉州灣匯合入海。流域一帶的晉東平原是泉州市最大的沖積平原，土地肥沃，河網(wǎng)密布，為水稻主要種植區(qū)。中部及南部廣大地區(qū)丘陵起伏，多屬侵蝕剝蝕臺(tái)地，農(nóng)作物為甘薯、花生、大豆主產(chǎn)區(qū)[8]。

圖1 2004年采樣點(diǎn)分布圖

晉江市同時(shí)是海峽西岸經(jīng)濟(jì)區(qū)重要的制造業(yè)基地之一，具有中國(guó)“品牌之都”稱(chēng)號(hào)，其中“國(guó)字號(hào)”品牌達(dá)117個(gè)之多，如洵興、勁霸、七匹狼、安踏、利郎等?？h域經(jīng)濟(jì)基本競(jìng)爭(zhēng)力居于全國(guó)第7位。據(jù)《2014年晉江年鑒》，2013年晉江市全年工業(yè)總產(chǎn)值按價(jià)格指數(shù)縮減法計(jì)算比上年增長(zhǎng)13.1%。規(guī)模以上工業(yè)企業(yè)產(chǎn)值同比增長(zhǎng)13.0%。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，水資源需求量不斷增加，使得水污染已成為晉江市經(jīng)濟(jì)社會(huì)建設(shè)和環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的重要制約因素。

圖2 2014年采樣點(diǎn)分布圖

2 淺層地下水樣采集

以涵蓋晉江市所有鄉(xiāng)鎮(zhèn)(街道)，隨時(shí)間含量變化狀況等為原則，分別采集2004年和2014年兩個(gè)年份的晉江市淺層地下水水樣，涵蓋內(nèi)坑鎮(zhèn)、梅嶺街道、青陽(yáng)街道、深滬鎮(zhèn)、紫帽鎮(zhèn)、陳埭鎮(zhèn)、池店鎮(zhèn)、磁灶鎮(zhèn)、安海鎮(zhèn)、新塘街道、靈源街道、羅山街道、英林鎮(zhèn)、永和鎮(zhèn)、金井鎮(zhèn)、東石鎮(zhèn)與西園街道共計(jì)19個(gè)鎮(zhèn)(街道)，2004年采集水樣本60個(gè)，2014年采集水樣本117個(gè)，2004年和2014年的采樣點(diǎn)分布圖分別見(jiàn)圖1和圖2所示。NO3--N測(cè)試方法采用《生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)方法》(GB 5750—2006)的酚二磺酸分光光度法。

3 淺層地下水時(shí)空分布規(guī)律

3.1 NO3--N含量時(shí)間變化

根據(jù)表1的描述性統(tǒng)計(jì)結(jié)果，在2004年晉江市淺層地下水NO3--N含量值介于0.23～45.18 mg/L，平均值為6.85 mg/L，而在2014年NO3--N含量值介于0.20～57.80 mg/L，平均值為7.95 mg/L，10 a期間含量平均值上升了1.10 mg/L，年均值增加0.1 mg/L左右，這與美國(guó)的調(diào)查研究較一致[9]。進(jìn)一步從變異系數(shù)來(lái)看，變異系數(shù)從87.16%增加到101.28%，說(shuō)明NO3--N在淺層地下水中分布不均勻，開(kāi)始向不穩(wěn)定狀態(tài)發(fā)展，在局部地段仍會(huì)形成高含量區(qū)，影響淺層地下水的質(zhì)量。表明該區(qū)受NO3--N污染程度有加深加深趨勢(shì)。

圖3 晉江市鎮(zhèn)區(qū)NO3--N含量

項(xiàng)目2004年2014年Max(mg/L)45.1857.80Min(mg/L)0.230.20Avg(mg/L)6.857.95Std(mg/L)5.978.05CV%87.16%101.28%

表2 《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》下硝酸鹽含量范圍統(tǒng)計(jì)

根據(jù)《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T14848-93)，NO3--N的三類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)為20 mg/L；以此為基準(zhǔn)研究區(qū)2004年NO3--N的超標(biāo)率為10%，2014年的超標(biāo)率則為7.7%。

表3 WHO標(biāo)準(zhǔn)下硝酸鹽含量范圍統(tǒng)計(jì)

根據(jù)世界衛(wèi)生組織(WHO)制定的飲用水標(biāo)準(zhǔn)，NO3--N的含量不得超過(guò)10 mg/L[10]。據(jù)表2，研究區(qū)2004年水中NO3--N含量在0～10 mg/L的范圍之內(nèi)的總?cè)狱c(diǎn)數(shù)占總體的81.7%，超標(biāo)率為18.3%。而到了2014年，水中NO3--N含量在0～10 mg/L的范圍之內(nèi)的總?cè)狱c(diǎn)數(shù)占總體的76.1%，超標(biāo)率增加為23.9%，較2004年增加了5.6%，從2004年至2014年，隨著晉江市工農(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展，以及工業(yè)生產(chǎn)廢水的排放量增加、生活污水排放以及農(nóng)業(yè)化肥過(guò)度使用導(dǎo)致其晉江市淺層地下水NO3--N含量整體呈現(xiàn)上升，說(shuō)明NO3--N污染有加劇的趨勢(shì)。

進(jìn)一步按鎮(zhèn)(街道)尺度統(tǒng)計(jì)NO3--N含量狀況，2004年NO3--N的平均含量以龍湖鎮(zhèn)最高，安海鎮(zhèn)最低，而在2014年NO3--N的平均含量則以東石鎮(zhèn)最高，安海鎮(zhèn)最低，2014年較2004年有15個(gè)鎮(zhèn)(街道)含量增加，整體的變化趨勢(shì)見(jiàn)圖3所示，說(shuō)明隨時(shí)間變化污染有加劇。

3.2 NO3--N含量空間分布

利用統(tǒng)計(jì)手段雖具有挖掘數(shù)據(jù)的特征并利用圖表可視化，但是對(duì)于具有空間位置特征的數(shù)據(jù)則難以空間可視化表達(dá)，而空間統(tǒng)計(jì)學(xué)則可以很好的加以表達(dá)。

地理學(xué)中的地統(tǒng)計(jì)學(xué)(Geostatistics)以空間分布特點(diǎn)的區(qū)域化變量理論為基礎(chǔ)，研究自然現(xiàn)象的空間變異與空間結(jié)構(gòu)的一種技術(shù)方法，可在有限的離散數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上無(wú)偏最優(yōu)預(yù)測(cè)(或模擬)連續(xù)的空間分布，得到預(yù)測(cè)的不確定性估計(jì)[11，12]。數(shù)據(jù)網(wǎng)格化(Data gridding)是地統(tǒng)計(jì)的具體實(shí)現(xiàn)手段之一，將空間上不均勻分布的數(shù)據(jù)，按一定的方法歸算成規(guī)則網(wǎng)格中的代表值(或趨勢(shì)值)的過(guò)程。

距離冪函數(shù)反比加權(quán)法主要是通過(guò)設(shè)定空間待插點(diǎn)為P(xp，yp，zp)，P點(diǎn)鄰域內(nèi)有已知散亂點(diǎn)Qi(xi，yi，zi；i=1，2，…，n)。具體插值計(jì)算公式表達(dá)為[13]：

(1)

依據(jù)地統(tǒng)計(jì)理論和差值計(jì)算方法，通過(guò)GIS技術(shù)實(shí)現(xiàn)2004年與2014年的NO3--N含量空間分布圖。借助MapGIS k9地理信息系統(tǒng)軟件加以實(shí)現(xiàn)。具體的實(shí)現(xiàn)步驟：在MapGIS k9的數(shù)字地形分析模塊中加載含有NO3--N含量屬性字段的點(diǎn)數(shù)據(jù)(.Wp)，在數(shù)據(jù)分析面板中通過(guò)離散數(shù)據(jù)網(wǎng)格化，分別以?xún)蓚€(gè)年份的NO3--N含量值屬性字段作為Z值(網(wǎng)格化方法采用距離冪函數(shù)反比加權(quán)法)生成Grid網(wǎng)格化得到NO3--N含量柵格文件(.msi)，并疊加行政區(qū)劃數(shù)據(jù)(.wl)等其它要素可顯示其空間分布規(guī)律[14]，從2004年NO3--N空間分布圖(圖4所示)，NO3--N含量較高主要分布于晉江市安海鎮(zhèn)與東石鎮(zhèn)交接地區(qū)，池店鎮(zhèn)靠近鯉城區(qū)，羅山街道與新塘街道交界處；而到了2014年(圖5所示)，NO3--N含量較高則主要?jiǎng)t不要與龍湖鎮(zhèn)、羅山街道與新塘街道交界處，東石鎮(zhèn)，金井鎮(zhèn)。在10年的時(shí)間跨度，研究區(qū)淺層地下水硝酸鹽含量整體呈上升趨勢(shì)，空間含量由研究區(qū)的西部往南部遷移，受地表的土地利用類(lèi)型的變更、企業(yè)遷移、人口遷移等因素影響的地表水下滲造成空間分布發(fā)生改變。

圖4 2004年NO3--N空間分布圖

圖5 2014年NO3--N空間分布圖

4 結(jié)語(yǔ)

地下水硝酸鹽污染已經(jīng)是全球普遍存在的問(wèn)題，日漸受到重視。通過(guò)對(duì)晉江市淺層地下水2004年與2014年的NO3--N含量的動(dòng)態(tài)調(diào)查與監(jiān)測(cè)，結(jié)果表明晉江市淺層地下水的NO3--N污染有加劇的趨勢(shì)，空間含量由研究區(qū)的西部往南部遷移。今后將進(jìn)一步研究地表水中NO3--N的淋濾與氮肥施用量、大氣降雨以及農(nóng)用灌溉水等的關(guān)系，分析NO3--N的來(lái)源，為有效防治NO3--N污染提供參考，實(shí)現(xiàn)地下水資源環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。

[1]張洪，王五一，李海蓉，等．地下水硝酸鹽污染的研究進(jìn)展[J]．水資源保護(hù).2008，24(6)：7-11,67．

[2]Michael O Rivett，Stephen R, Buss，et a．Nitrate attenuation in groundwater：A review of biogeochemical controlling processes[J]．Water Research，2008，42(16)：4215-4232．

[3]Bouchard D C，Willams M K，Suranpalli R Y．Nitrate contamination of groundwater：sources and potential health effects[J]．American Water Assoc.，1992，84(9)：85-90．

[4]楊琰，蔡鶴生，劉存富，等．NO3-中15N和18O同位素新技術(shù)在巖溶地區(qū)地下水氮污染研究中的應(yīng)用—以河南 林州食管癌高發(fā)區(qū)研究為例[J]．中國(guó)巖溶.2004，23( 3)： 206- 212．

[5]RidleyA M，Mele P M，Beverly C R.Legume-based farming in southern Australia：developing sustainable systems to meet environmental challenges[J]．Soil Biology & Biochemistry，2004，36(8)：1213-1221．

[6]Bouchard D C，Willams M K，Suranpalli R Y．Nitrate contamination of groundwater：sources and potential health effects[J]．American Water Assoc，1992，84(9)：85-90．

[7]畢晶晶，彭昌盛，胥慧真．地下水硝酸鹽污染與治理研究進(jìn)展綜述[J]．地下水.2010，32(1)：97-102．

[8]黃耀裔，蘇建云．利用GIS與數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析晉江市淺層地下水化學(xué)特征及成因[J]．吉林師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版).2014，35(2)：145-152．

[9]Follett R F．Ground water quality concerns about nitrogen In:Nitrogen management and ground water protection[M]．Elsevier ，1989，1-34．

[10]陳建耀，王亞，張洪波，等．地下水硝酸鹽污染研究綜述[J]．地理科學(xué)進(jìn)展．2006，25 ( 1) ：25．

[11]黃耀裔．基于普通Kriging的地下水空間插值研究—福建晉江市為例[J]．廊坊師范學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版). 2013，13(6)：12-17.

[12]Goovaert s P．Geostatistical approaches for incorporating elevation into the spatial interpolation of rainfall.Journal of Hydrology，2000，228(1-2)：113 -129．

[13]劉蕾．MapGIS軟件網(wǎng)格化效果比較[J]．地質(zhì)找礦論.2014，29(3)：454-457．

[14]李斌，黃耀裔，駱小風(fēng)．基于數(shù)理統(tǒng)計(jì)與GIS 的淺層地下水“三氮”分布特征研究[J]．商丘師范學(xué)院學(xué)報(bào).2015，31(2)：62-67．

Study on Jinjiang Shallow Groundwater Nitrate Content Spatio-temporal Variation

HUANG Yao-yi，QIU Wei-peng，Xu Miao-qiong

(School of Resources and Environmental Science, Quanzhou Normal University, Quanzhou 362000, Fujian)

Nowadays the NO3--N pollution of shallow groundwater is facing an environment problem to humanity, in order to knows spatial and temporal variations of NO3--N pollution in shallow groundwater in jinjiang city,It’s sampling and test NO3--N content about shallow groundwater in 2004 year and 2014 year, the test results showed that the trend of NO3--N pollution has intensified.Using statistical and GIS technology combined with the spatial distribution of NO3--N, from the perspective of space within the territory of the specific location of NO3--N pollution.The results to relevant departments in the environmental evaluation and provide reference for pollution prevention.

Nitrate；shallow groundwater and geostatistics

2016-05-18

福建省創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目(201610399051)；泉州市科技局項(xiàng)目(2015Z139)

黃耀裔(1983-)，男，福建晉江人，實(shí)驗(yàn)師，主要從事環(huán)境信息系統(tǒng)應(yīng)用與環(huán)境污染防治，環(huán)境教學(xué)與管理研究。

P641.12

A

1004-1184(2016)06-0004-03