韓亞坤，楊路華，柴春嶺，馬文超(.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)城鄉(xiāng)建設(shè)學(xué)院，河北 保定 07000；.天津農(nóng)學(xué)院水利工程學(xué)院，天津 0084；.河北水利電力學(xué)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(qū)接近70%的飲用水來(lái)自地下水[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)2000年華北平原淺層地下水開(kāi)采量為178.40億m3/a，占地下水總開(kāi)采量的84.2%[2]。因此對(duì)地下水水質(zhì)的分析是確保農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人類健康的保障。很多學(xué)者對(duì)淺層地下水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)分析，例如張敏[1]運(yùn)用內(nèi)羅指數(shù)法、模糊數(shù)學(xué)、主成分分析的方法對(duì)德陽(yáng)市平原區(qū)淺層地下水環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，為研究德陽(yáng)市淺層地下水污染機(jī)制提供依據(jù)；張曉琳等[3]對(duì)大興區(qū)淺層地下水的主要污染物進(jìn)行時(shí)空動(dòng)態(tài)及原因分析，得出近十幾年來(lái)地下水水質(zhì)有惡化的趨勢(shì)，農(nóng)業(yè)面源污染的加劇成為水質(zhì)惡化的主要影響因素之一；Samuel Y.[4]等人對(duì)加納東部巖石區(qū)進(jìn)行了地下水水質(zhì)評(píng)價(jià)，認(rèn)為大部分硝酸鹽嚴(yán)重超標(biāo)區(qū)域且PH值偏酸性；范廷玉[5]用多種評(píng)價(jià)方法對(duì)采煤沉陷區(qū)地表水和地下水評(píng)價(jià)得出水質(zhì)變化特征；王李云[6]揭示了重慶市涪陵區(qū)叢林鄉(xiāng)淺層巖溶地下水質(zhì)的時(shí)空變化規(guī)律及其與自然因素和土地利用結(jié)構(gòu)的內(nèi)在關(guān)系。本文對(duì)府河下游兩岸農(nóng)田的淺層地下水進(jìn)行時(shí)間變異性分析，力在討論府河和農(nóng)田土地的利用對(duì)兩岸淺層地下水質(zhì)的影響，為府河下游農(nóng)業(yè)灌溉可持續(xù)發(fā)展提供幫助。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)范圍與樣點(diǎn)布設(shè)

(1)研究區(qū)范圍及概況。府河全長(zhǎng)35 km水質(zhì)保護(hù)目標(biāo)為4級(jí)，研究區(qū)范圍是府河下游安新縣白莊村至安新縣大橋長(zhǎng)度共9 km的河道兩岸的農(nóng)田。研究區(qū)屬于淀西沖洪積平原區(qū)，通過(guò)圖1 研究區(qū)數(shù)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(fēng)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(zhèn)及居民點(diǎn)、裸地、水域5類，其中耕地占很大比重；種植結(jié)構(gòu)以小麥、玉米為主，屬于保定東部糧食主產(chǎn)地之一。

(2)樣點(diǎn)布設(shè)。試參照《水環(huán)境監(jiān)測(cè)規(guī)范》(SL 219-2013)以及前期調(diào)查資料分析，使用ArcGIS從河北DEM圖中提取出研究區(qū)的DEM圖，如圖1。研究區(qū)地勢(shì)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(diǎn)淺水觀測(cè)井選取在研究區(qū)的中部農(nóng)田中，觀測(cè)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(cè)井的間距是100 m。通過(guò)GPS定位得到觀測(cè)井位置大致在東經(jīng)115°50′0″、北緯38°80′0″。

圖1 研究區(qū)高程圖

根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康男枰看稳娱g隔是一星期每個(gè)月采樣4次，采樣持續(xù)時(shí)間是在2015年5月-2016年4月共一周年，在每次采樣同時(shí)監(jiān)測(cè)井的水位。

1.2 樣品測(cè)定與分析方法

檢測(cè)和采樣過(guò)程嚴(yán)格按行業(yè)規(guī)范進(jìn)行質(zhì)量控制，尤其地下水樣品采集過(guò)程嚴(yán)格參照國(guó)際規(guī)范和做法，同時(shí)按照地表水采樣規(guī)范采集淺層水觀測(cè)井對(duì)應(yīng)府河段的河水，樣品在低溫保存下，取回的淺水樣品在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)水質(zhì)參數(shù)指標(biāo)包含4項(xiàng)：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(cè)儀器選用XZ-0142型多參數(shù)水質(zhì)分析儀。

對(duì)8個(gè)淺層地下水觀測(cè)井和府河觀測(cè)點(diǎn)每月的4次監(jiān)測(cè)的4項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)值分別作算數(shù)平均，然后再按季作算數(shù)平均，最后用SPSS19.0軟件對(duì)整理的指標(biāo)數(shù)據(jù)描述性統(tǒng)計(jì)分析，得出按月和季節(jié)分類后的4項(xiàng)指標(biāo)的均值、標(biāo)準(zhǔn)差，得出變異系數(shù)；然后對(duì)應(yīng)《地下水環(huán)境質(zhì)量分類標(biāo)準(zhǔn)》(GB/14848-93)[7]采用單因子評(píng)價(jià)指數(shù)法對(duì)4項(xiàng)指標(biāo)在不同的月份進(jìn)行水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)，但是評(píng)價(jià)時(shí)需要確定評(píng)價(jià)對(duì)象水體的水域環(huán)境功能，以確定計(jì)算時(shí)運(yùn)用的數(shù)據(jù)屬于幾級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，項(xiàng)目評(píng)價(jià)區(qū)域主要為農(nóng)業(yè)區(qū)，地下水?dāng)M執(zhí)行地下水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)。

2 分析與結(jié)果

2.1 水質(zhì)參數(shù)的描述性統(tǒng)計(jì)分析

對(duì)研究區(qū)淺水觀測(cè)井水質(zhì)指標(biāo)參數(shù)，進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果見(jiàn)表1。從平均值看，根據(jù)《地下水環(huán)境質(zhì)量分類標(biāo)準(zhǔn)》(GB/14848-93)[7]，氨氮為2.306 mg/L超過(guò)Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)4.6倍、硝酸鹽氮為10.869 mg/L屬于Ⅲ類水質(zhì)、亞硝酸鹽氮為0.111 mg/L屬于Ⅴ類水質(zhì)。除了硝酸鹽外另外兩個(gè)水質(zhì)指標(biāo)參數(shù)均為重度污染。

表1 地下水質(zhì)量分類指標(biāo) mg/L

表2 水質(zhì)參數(shù)月描述性統(tǒng)計(jì)

表3 水質(zhì)參數(shù)季節(jié)描述性統(tǒng)計(jì)

從極值看，4項(xiàng)地下水水質(zhì)參數(shù)質(zhì)量濃度值檢測(cè)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(duì)最??；從季節(jié)平均濃度值看在冬季時(shí)氨氮、硝酸鹽、磷酸鹽相對(duì)最小，硝酸鹽在秋季相對(duì)較小，與月份統(tǒng)計(jì)相對(duì)應(yīng)。氨氮月平均濃度在11月份時(shí)相對(duì)最大，季節(jié)平均濃度最大值在秋季；硝酸鹽月平均濃度在7月份時(shí)相對(duì)最大，季節(jié)平均濃度相對(duì)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(shí)相對(duì)最大，季節(jié)平均濃度相對(duì)最大值都是在夏季。

根據(jù)變異性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)：變異系數(shù)小于10%為弱變異，變異系數(shù)為10%～30%為中等變異，變異系數(shù)大于30%為強(qiáng)變異[8]。在水質(zhì)參數(shù)的月與季節(jié)的平均濃度值中，只有硝酸鹽氮含量變異性相對(duì)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?yàn)橄跛猁}相對(duì)穩(wěn)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(qiáng)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(zhì)指標(biāo)含量的時(shí)間強(qiáng)變異性，正是由于淺層地下水補(bǔ)給和排出的多重變化和不同時(shí)期不同因素權(quán)重影響變化導(dǎo)致了受污染情況的差異，同時(shí)每項(xiàng)指標(biāo)自身的化學(xué)性質(zhì)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(xiàng)小于零外，其他3項(xiàng)均為正值，即硝酸鹽屬負(fù)偏斜，其他3項(xiàng)屬正偏斜；硝酸鹽項(xiàng)月平均濃度值相對(duì)較小的占大比重，而其他3項(xiàng)月平均濃度值相對(duì)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(xiàng)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的正態(tài)曲線均比較分散，亞硝酸鹽和磷酸鹽屬低峰態(tài)，硝酸鹽和氨氮屬于高峰態(tài)；氨氮項(xiàng)分散程度最強(qiáng)，其他3項(xiàng)峰態(tài)相對(duì)明顯。

從季節(jié)描述性分析的偏度看氨氮和磷酸鹽項(xiàng)為正值，硝酸鹽和亞硝酸鹽為負(fù)值，就是說(shuō)氨氮和磷酸鹽在夏季末和秋季出現(xiàn)極端濃度值的概率較大，硝酸鹽和亞硝酸鹽在夏季初出現(xiàn)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(fù)值，并且<β季節(jié)磷酸鹽<β季節(jié)硝酸<β季節(jié)氨氮，磷酸鹽峰值絕對(duì)值最大分散程度也就最強(qiáng)。

2.2 府河與觀測(cè)井水質(zhì)參數(shù)的關(guān)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(bǔ)給輸入，通過(guò)蒸發(fā)、人工開(kāi)采、側(cè)向徑流等排泄輸出。研究區(qū)域是府河下游兩岸農(nóng)田，所以研究區(qū)的淺層地下水水質(zhì)很容易受到府河的影響。將府河與淺層水觀測(cè)井的4項(xiàng)指標(biāo)濃度值按月取平均后做成各項(xiàng)指標(biāo)與月份的關(guān)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(xiàng)指標(biāo)參數(shù)曲線圖中通過(guò)淺層地下水水質(zhì)與府河水質(zhì)的對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)府河水質(zhì)參數(shù)指標(biāo)變化趨勢(shì)與潛層水觀測(cè)井水的水質(zhì)變化趨勢(shì)大體一致，但在個(gè)別時(shí)期還是存在著差異，如氨氮在2015年的5、6、7月份府河水質(zhì)是逐漸上升的而井水水質(zhì)卻緩慢降低，這是因?yàn)檫@三個(gè)月份隨著溫度的上升作物生長(zhǎng)加快吸收無(wú)機(jī)鹽較多，同時(shí)土壤的硝化反應(yīng)加快，使土壤中的氨氮轉(zhuǎn)化成亞硝酸鹽，亞硝酸鹽再轉(zhuǎn)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?yàn)?1月份和3月份均對(duì)農(nóng)田施肥加氮肥并且灌溉作物，灌溉水?dāng)y帶地表殘留化肥和農(nóng)藥回滲到淺層地下水中，也是后期硝酸鹽濃度相對(duì)增長(zhǎng)的原因；圖4的亞硝酸鹽曲線也有著與氨氮相同的變化規(guī)律，這也跟人類農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)影響有著很大關(guān)系，并且亞硝酸鹽的變化曲線相對(duì)于氨氮有一定的滯后性且亞硝酸鹽曲線的瞬時(shí)變化幅度大于氨氮曲線，是因?yàn)閬喯跛猁}轉(zhuǎn)化為硝酸鹽的速率大于氨氮轉(zhuǎn)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?yàn)橥寥乐杏邢趸?xì)菌可以將亞硝酸鹽和岸類轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的硝酸鹽；井水磷酸鹽主要是因?yàn)楦拥挠绊憽?/p>

從圖中還可以看出井水水質(zhì)變化趨勢(shì)對(duì)于府河水質(zhì)變化存在著明顯的滯后性，尤其是在枯水期，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)、和大氣降雨較少的情況下府河是影響兩岸淺層水水質(zhì)的主要因素。

2.3 淺層地下水質(zhì)評(píng)價(jià)

根據(jù)《地下水環(huán)境質(zhì)量分類標(biāo)準(zhǔn)》(GB/14848-93)[7]采用單因子評(píng)價(jià)指數(shù)法對(duì)氨氮、硝酸鹽、亞硝酸鹽3項(xiàng)指標(biāo)作為評(píng)價(jià)因子按月份進(jìn)行水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 地下水水質(zhì)單因子評(píng)價(jià)結(jié)果Tab.4 Results of The single factor evaluation method in shallow underground water

在評(píng)價(jià)中冬季水質(zhì)相對(duì)較好，夏季較差，在1、2月份水質(zhì)類別可達(dá)到Ⅳ級(jí)，夏季的6、7、8月份水質(zhì)都遠(yuǎn)超過(guò)Ⅴ類水質(zhì)指標(biāo)。從而可見(jiàn)府河兩岸淺層地下水水質(zhì)污染比較嚴(yán)重，受府河影響較大。

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)單因子評(píng)價(jià)法對(duì)監(jiān)測(cè)指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià)，得出除了1、2月份為Ⅳ級(jí)外其他月份均屬于Ⅴ類水質(zhì)，可見(jiàn)府河兩岸農(nóng)田淺層地下水受到嚴(yán)重污染，不宜引用，但他用水可根據(jù)使用目的選用；并且在一年內(nèi)4項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)，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(zhì)、季節(jié)變化、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)影響。為此對(duì)府河水質(zhì)治理合理使用化肥、農(nóng)藥是保證下游農(nóng)業(yè)生可持續(xù)發(fā)展的前提，通過(guò)分析為府河下游兩岸農(nóng)田地下水治理提供依據(jù)。

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[1] 張 敏. 德陽(yáng)市平原區(qū)淺層地下水環(huán)境質(zhì)量研究[D]. 成都：成都理工大學(xué),2014.

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