南方沿海地区地下水中氮元素分布特征和成因

2022-04-11李颖博杨苏诗廖柱坤

陕西水利 2022年3期

关键词：居民区耕地特征

岑雷，李颖博，杨苏诗，廖柱坤

（1.广东省地质局第六地质大队,广东江门 529000；2.广东省江门地质灾害应急抢险技术中心,广东江门529000）

0 引言

本文利用收集到的2020 年新会区97 组地下水全分析样,结合区域水文地质条件、人类活动、地表覆盖等影响因素,综合运用数理统计、surfer空间插值、ArcGIS空间分析等方法［1-3］,探讨南方沿海区域地下水中氮元素分布特征。

1 研究区概况

新会区位于广东省江门市,区内北部、西南、东南为低山丘陵区,多为林地。中部和东北部分别有潭江、西江穿过,河道两侧分布有大面积的河流洪-冲积平原,多为城区和耕地。南部崖门镇紧挨南海,有部分滨海湿地。新会区地形地貌变化大,含水层结构复杂,是南方沿海地区地形地貌、水文地质条件的一个缩影。

2 样品采集与测试

本文利用收集的2020年新会区97组地下水全分析样,样品均在具有国家颁发的有关资质的广东省地质实验测试中心进行测试,测试数据准确可靠。

3 结果及讨论

本次研究选取TDS、pH、K+、Na+、Ca2+、Mg2+、HCO3-、Cl-、SO24-、CO2（游离）、COD（化学耗氧量）、NO3-、NO2-、NH4+、总N,共计15项指标［4］。

3.1 主要化学指标与氮元素统计特征

研究区地下水主要化学指标与氮元素统计学特征见表1。研究区主要阳离子和阴离子含量平均值排序为：TDS变化范围为34 mg/L~15936 mg/L,变异系数1.95,COD变化范围为0.47 mg/L~32.3 mg/L,变异系数1.54,NO3-变化范围为0.42 mg/L~112.19 mg/L,变异系数1.23,NO2-变化范围为0.004 mg/L~3.64 mg/L,变异系数3.34,NH4+变化范围为0.01 mg/L~98.5 mg/L,变异系数3.12,总N变化范围为0.14 mg/L~77.73 mg/L,变异系数1.35。

表1 新会区地下水化学成分统计学指标单位：mg/L

研究区主要指标中,pH的变异系数最小,变异程度低,其他指标变异系数都大于1,变异程度高。反映研究区水化学成分空间分布变化幅度大。其中NO2-、NH4+变异系数最大,超过3。体现了NO2-、NH4+空间分布极其不均匀,变化幅度最大。

3.2 氮元素及COD、TDS空间分布特征

利用克里金空间插值法,生成总氮、硝酸盐、亚硝酸盐、铵根、COD和TDS的空间分布等值线。利用现场调查和收集的资料,绘制新会区地表覆盖图,将新会区地表覆盖分为：居民区、人造地表、地表水体、耕地和天然植被覆盖（林地、草地、湿地）共5种类型。将生成的等值线与地表覆盖叠加,综合分析新会区地下水氮元素空间分布特征和成因（图1~图6）。

图1 总氮空间分布特征

图6 TDS空间分布特征

总氮空间分布特征为：在新会区中西、中部、东部总氮数值高,北部、西南部、东南部丘陵区林地范围内总氮较低。从投影点数值上看,总氮含量在地下水中衰减很快,直线距离相隔1000 m的两个采样点,总氮含量最高可以相差40 倍。总氮含量高的区域主要位于居民区、耕地密集处,林地、大型水库附近总氮含量最低。

硝酸盐含量最高的区域位于会城街道,其次主要位于新会区各镇中心。沿潭江两岸和潭江、西江河网密集处呈片状分布。

图2 硝酸盐空间分布特征

图3 铵根空间分布特征

图4 亚硝酸盐空间分布特征

图5 COD空间分布特征

新会区NH4+离子高浓度区域较少,区域内60%以上的面积铵根含量较低,主要位于丘陵区。主要分布在司前南部耕地区、双水-会城街道一带耕地区和大鳌镇耕地区,NH4+浓度在7.15 mg/L~44.5 mg/L之间。其中NH4+最高浓度98.57 mg/L出现在大鳌镇耕地区。

新会区NO2-含量普遍较低,超过90%面积NO2-含量低于0.01 mg/L,会城街道城中心部分区域NO2-含量高于1 mg/L。

新会区COD普遍较低,超过60%区域COD低于1.0 mg/L,主要位于丘陵区。COD分布较高区位于司前南部耕地区、双水-会城街道一带耕地区和大鳌镇耕地区,COD在2.2 mg/L~16.1 mg/L之间。其中COD最高浓度32.0 mg/L出现在大鳌镇耕地区。

新会区TDS含量差异很大,丘陵区TSD含量较低。司前南部靠近潭江处、双水-会城街道的潭江两岸、三江-大鳌河网密集处,TDS含量超过10000 mg/L。

综上所述,新会区总氮含量高的区域主要位于居民区、耕地密集处,其中NO3-含量和大的居民区密切呈正相关,NH4+、COD含量和耕地密集处呈正相关,TDS空间变化特征与铵根空间变化特征大部分区域分布趋势相同。

为进一步分析各组分之间的联系,通过SPSS计算各组分之间的相关性（表2）。TDS含量和Cl-、Na+含量密切相关,相关性近0.99。新会区中部地下水TDS异常偏高,与地下咸水密切相关,这与支兵发等在此地区研究的地下咸水分布情况相证［5-6］；COD相关性最高的组分是HCO3-、NH4+,相关性分别为0.68、0.54,呈正相关,相关性较好。碳酸氢铵是农业上一种常用的氮肥,NH4+中具有还原性,可使COD升高；NO3-与总N呈正相关,相关性为0.92,与其他组分相关性弱。NO3-是新会区地下水中氮元素主要存在形式,NO3-的主要来源与其他组分不同,来源于人类生活污水的排放；NO2-与其他组分的相关性弱,其中与HCO3-、COD相关性最高,与其有一定还原性有关；NH4+与COD相关性最高,相关性系数为0.54,相关性最好,其次与TDS、HCO3-的相关性高。原因是新会区耕地多分布在潭江、西江洪冲积平原,该地区因古海水入侵,地下水存在分层现象,地表潜水为淡水,深层地下水为咸水。该区域水样取自钻孔,揭穿了咸淡水含水层,造成一定程度上的离子混合。咸淡水离子混合,提高了TDS与NH4+相关性,降低HCO3-、COD相关性。