保定府河下游兩岸淺層地下水水質時間變異特征分析

韓亞坤，楊路華，柴春嶺，馬文超(.河北農業大學城鄉建設學院，河北 保定 07000；.天津農學院水利工程學院，天津 0084；.河北水利電力學院，河北 滄州 0600)

地下水是水資源的重要組成部分，華北平原地區接近70%的飲用水來自地下水[1]。據統計2000年華北平原淺層地下水開采量為178.40億m3/a，占地下水總開采量的84.2%[2]。因此對地下水水質的分析是確保農業生產和人類健康的保障。很多學者對淺層地下水質進行評價分析，例如張敏[1]運用內羅指數法、模糊數學、主成分分析的方法對德陽市平原區淺層地下水環境質量進行評價，為研究德陽市淺層地下水污染機制提供依據；張曉琳等[3]對大興區淺層地下水的主要污染物進行時空動態及原因分析，得出近十幾年來地下水水質有惡化的趨勢，農業面源污染的加劇成為水質惡化的主要影響因素之一；Samuel Y.[4]等人對加納東部巖石區進行了地下水水質評價，認為大部分硝酸鹽嚴重超標區域且PH值偏酸性；范廷玉[5]用多種評價方法對采煤沉陷區地表水和地下水評價得出水質變化特征；王李云[6]揭示了重慶市涪陵區叢林鄉淺層巖溶地下水質的時空變化規律及其與自然因素和土地利用結構的內在關系。本文對府河下游兩岸農田的淺層地下水進行時間變異性分析，力在討論府河和農田土地的利用對兩岸淺層地下水質的影響，為府河下游農業灌溉可持續發展提供幫助。

1 材料與方法

1.1 研究區范圍與樣點布設

(1)研究區范圍及概況。府河全長35 km水質保護目標為4級，研究區范圍是府河下游安新縣白莊村至安新縣大橋長度共9 km的河道兩岸的農田。研究區屬于淀西沖洪積平原區，通過圖1 研究區數字高程圖可以看出西北高東南低，高程范圍在6～9 m之間；并且屬于暖溫帶季風型大陸性半干旱氣候，多年平均降水量560.7 mm；土地利用類型主要包括林地、耕地、城鎮及居民點、裸地、水域5類，其中耕地占很大比重；種植結構以小麥、玉米為主，屬于保定東部糧食主產地之一。

(2)樣點布設。試參照《水環境監測規范》(SL 219-2013)以及前期調查資料分析，使用ArcGIS從河北DEM圖中提取出研究區的DEM圖，如圖1。研究區地勢總體比較均勻，中部土地利用類型主要以耕地為主，所以樣點淺水觀測井選取在研究區的中部農田中，觀測井共8眼，井深均在50 m以上，府河南北岸各4眼井，均按菱形布置且縱向垂直河道，橫向布置的平行河道，相鄰的觀測井的間距是100 m。通過GPS定位得到觀測井位置大致在東經115°50′0″、北緯38°80′0″。

圖1 研究區高程圖

根據試驗目的需要每次取樣間隔是一星期每個月采樣4次，采樣持續時間是在2015年5月-2016年4月共一周年，在每次采樣同時監測井的水位。

1.2 樣品測定與分析方法

檢測和采樣過程嚴格按行業規范進行質量控制，尤其地下水樣品采集過程嚴格參照國際規范和做法，同時按照地表水采樣規范采集淺層水觀測井對應府河段的河水，樣品在低溫保存下，取回的淺水樣品在實驗室進行檢測，檢測水質參數指標包含4項：氨氮(NH+4-N)、磷酸鹽、硝酸鹽氮(NO-3-N)、亞硝酸鹽氮(NO-2-N)，檢測儀器選用XZ-0142型多參數水質分析儀。

對8個淺層地下水觀測井和府河觀測點每月的4次監測的4項指標參數值分別作算數平均，然后再按季作算數平均，最后用SPSS19.0軟件對整理的指標數據描述性統計分析，得出按月和季節分類后的4項指標的均值、標準差，得出變異系數；然后對應《地下水環境質量分類標準》(GB/14848-93)[7]采用單因子評價指數法對4項指標在不同的月份進行水環境質量評價，但是評價時需要確定評價對象水體的水域環境功能，以確定計算時運用的數據屬于幾級標準，項目評價區域主要為農業區，地下水擬執行地下水環境質量標準中Ⅳ類標準。

2 分析與結果

2.1 水質參數的描述性統計分析

對研究區淺水觀測井水質指標參數，進行描述性統計分析，結果見表1。從平均值看，根據《地下水環境質量分類標準》(GB/14848-93)[7]，氨氮為2.306 mg/L超過Ⅴ類標準4.6倍、硝酸鹽氮為10.869 mg/L屬于Ⅲ類水質、亞硝酸鹽氮為0.111 mg/L屬于Ⅴ類水質。除了硝酸鹽外另外兩個水質指標參數均為重度污染。

表1 地下水質量分類指標 mg/L

表2 水質參數月描述性統計

表3 水質參數季節描述性統計

從極值看，4項地下水水質參數質量濃度值檢測中，氨氮、硝酸鹽、磷酸鹽月平均濃度值在1月份最小，硝酸鹽月平均濃度在11月份相對最小；從季節平均濃度值看在冬季時氨氮、硝酸鹽、磷酸鹽相對最小，硝酸鹽在秋季相對較小，與月份統計相對應。氨氮月平均濃度在11月份時相對最大，季節平均濃度最大值在秋季；硝酸鹽月平均濃度在7月份時相對最大，季節平均濃度相對最大值在夏季；亞硝酸鹽和磷酸鹽月平均濃度都是在4月份時相對最大，季節平均濃度相對最大值都是在夏季。

根據變異性分級標準：變異系數小于10%為弱變異，變異系數為10%～30%為中等變異，變異系數大于30%為強變異[8]。在水質參數的月與季節的平均濃度值中，只有硝酸鹽氮含量變異性相對較小屬于中變異性(Cv月硝酸鹽氮=16.57%、Cv季硝酸鹽氮=12.65%)，這是因為硝酸鹽相對穩定的原因；氨氮含量、亞硝酸鹽、磷酸鹽含量為變異性很大屬于強變異性(Cv月氨氮=81.37%、Cv季氨氮=45.67%、Cv月亞硝酸鹽=57.06%、Cv季亞硝酸鹽=52.18%、Cv月磷酸鹽=101.14%、Cv季磷酸鹽=92.73%)，尤其是磷酸鹽變異性尤為突出。這些水質指標含量的時間強變異性，正是由于淺層地下水補給和排出的多重變化和不同時期不同因素權重影響變化導致了受污染情況的差異，同時每項指標自身的化學性質也決定了其濃度隨外界因素的變化。

從月描述性分析的偏度看，除硝酸鹽(α氨氮=0.193)項小于零外，其他3項均為正值，即硝酸鹽屬負偏斜，其他3項屬正偏斜；硝酸鹽項月平均濃度值相對較小的占大比重，而其他3項月平均濃度值相對較大的占大比重，以氨氮最為突出；從峰值看，表2中β月亞硝酸鹽<β月磷酸鹽<0<β月硝酸鹽<β月氨氮，各項指標對應的正態曲線均比較分散，亞硝酸鹽和磷酸鹽屬低峰態，硝酸鹽和氨氮屬于高峰態；氨氮項分散程度最強，其他3項峰態相對明顯。

從季節描述性分析的偏度看氨氮和磷酸鹽項為正值，硝酸鹽和亞硝酸鹽為負值，就是說氨氮和磷酸鹽在夏季末和秋季出現極端濃度值的概率較大，硝酸鹽和亞硝酸鹽在夏季初出現極端濃度值的概率較大。從峰值看亞硝酸鹽為正值外其他都為負值，并且<β季節磷酸鹽<β季節硝酸<β季節氨氮，磷酸鹽峰值絕對值最大分散程度也就最強。

2.2 府河與觀測井水質參數的關系分析

淺層地下水直接接受大氣降水、河流地表水、灌溉回滲等入滲補給輸入，通過蒸發、人工開采、側向徑流等排泄輸出。研究區域是府河下游兩岸農田，所以研究區的淺層地下水水質很容易受到府河的影響。將府河與淺層水觀測井的4項指標濃度值按月取平均后做成各項指標與月份的關系曲線(如圖2-5)。

圖2 氨氮月平均濃度值變化圖

圖3 硝酸鹽月平均濃度值變化圖

圖4 亞硝酸鹽平均濃度值變化圖

圖5 磷酸鹽月平均濃度值變化圖

從4項指標參數曲線圖中通過淺層地下水水質與府河水質的對比，可以發現府河水質參數指標變化趨勢與潛層水觀測井水的水質變化趨勢大體一致，但在個別時期還是存在著差異，如氨氮在2015年的5、6、7月份府河水質是逐漸上升的而井水水質卻緩慢降低，這是因為這三個月份隨著溫度的上升作物生長加快吸收無機鹽較多，同時土壤的硝化反應加快，使土壤中的氨氮轉化成亞硝酸鹽，亞硝酸鹽再轉化成硝酸鹽這也是圖2中硝酸鹽在5、6、7月份上升的原因；在2016年11和3月份的前后濃度值突然增大是因為11月份和3月份均對農田施肥加氮肥并且灌溉作物，灌溉水攜帶地表殘留化肥和農藥回滲到淺層地下水中，也是后期硝酸鹽濃度相對增長的原因；圖4的亞硝酸鹽曲線也有著與氨氮相同的變化規律，這也跟人類農業生產活動影響有著很大關系，并且亞硝酸鹽的變化曲線相對于氨氮有一定的滯后性且亞硝酸鹽曲線的瞬時變化幅度大于氨氮曲線，是因為亞硝酸鹽轉化為硝酸鹽的速率大于氨氮轉化為亞硝酸鹽的速率；圖3中井水硝酸鹽濃度曲線在府河硝酸鹽濃度曲線上方，是因為土壤中有硝化細菌可以將亞硝酸鹽和岸類轉化為穩定的硝酸鹽；井水磷酸鹽主要是因為府河的影響。

從圖中還可以看出井水水質變化趨勢對于府河水質變化存在著明顯的滯后性，尤其是在枯水期，農業生產活動、和大氣降雨較少的情況下府河是影響兩岸淺層水水質的主要因素。

2.3 淺層地下水質評價

根據《地下水環境質量分類標準》(GB/14848-93)[7]采用單因子評價指數法對氨氮、硝酸鹽、亞硝酸鹽3項指標作為評價因子按月份進行水環境質量評價，評價結果見表4。

表4 地下水水質單因子評價結果Tab.4 Results of The single factor evaluation method in shallow underground water

在評價中冬季水質相對較好，夏季較差，在1、2月份水質類別可達到Ⅳ級，夏季的6、7、8月份水質都遠超過Ⅴ類水質指標。從而可見府河兩岸淺層地下水水質污染比較嚴重，受府河影響較大。

3 結 語

通過單因子評價法對監測指標參數進行水質評價，得出除了1、2月份為Ⅳ級外其他月份均屬于Ⅴ類水質，可見府河兩岸農田淺層地下水受到嚴重污染，不宜引用，但他用水可根據使用目的選用；并且在一年內4項指標參數，除了硝酸鹽濃度屬于中等變異性外，氨氮、亞硝酸鹽、磷酸鹽變異性巨大，主要是受府河水質、季節變化、農業生產活動影響。為此對府河水質治理合理使用化肥、農藥是保證下游農業生可持續發展的前提，通過分析為府河下游兩岸農田地下水治理提供依據。

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[1] 張 敏. 德陽市平原區淺層地下水環境質量研究[D]. 成都：成都理工大學,2014.

[2] 周曉妮. 華北平原東部典型區淺層地下水化學特征及可利用性研究[D]. 北京：中國地質科學院,2008.

[3] 張曉琳,蒙格平,孫 美,等. 北京市大興區淺層地下水水質時空變化分析[J]. 中國農村水利水電,2011,(12):22-25.

[4] Samuel Y Ganyaglo, Bruce Banoeng, Yakubo, et al. Water quality assessment of groundwater in some rock types in parts of the eastern region of Chana [J]. Environ Earth Sci., 2011，62:1 055-1 069.

[5] 范廷玉. 潘謝采煤沉陷區地表水與淺層地下水轉化及水質特征研究[D]. 安徽淮南：安徽理工大學,2013.

[6] 王李云. 農業土地利用對巖溶地下水質的影響研究[D]. 重慶：西南大學,2008.

[7] GB/14848-93，地下水環境質量分類標準[S].

[8] 張 征,趙俊琳,陳家軍. 地下水環境模擬中空間分布參數的結構分析[J].勘察科學技術,1999,(1):30-36.