（环境科学专业论文）南淝河流域地下水水化学特征及硝酸盐污染源解析.pdf

地五种土地利用类型中，耕地的硝酸盐污染最为严重；其次是居民用地和混合 类型土地，主要体现出点污染特性；林地和基水地污染程度最小。在硝酸盐浓 度与取样深度的相关性研究中，发现随着埋深的增加，硝酸盐氮浓度整体呈现 明显的下降趋势。以上均反映了人类活动对地下水系统中硝酸盐氮分布的影响。 关键词：地下水，水化学特征，硝酸盐，因子分析，g i s ，土地利用类型 h y d r o c h e m i s t r ya n dn i t r a t ep o l l u t i o ns o u r c er e s e a c ho f n a n f e i h er i v e rc a t c h m e n t a b s t r a c t g r o u n d w a t e ri st h em o s ta b u n d a n ta n dm o s tw i d e l yd i s t r i b u t e df r e s h w a t e rs o u r c e w h i c hi sv e r yi m p o r t a n tf o rh u m a n sp r o d u c t i o na n dd a i l yl i f e h o w e v e r a st h e d e v e l o p m e n to fs o c i e t ya n de c o n o m y , a n t h r o p o g e n i ca c t i v i t i e sh a v eb e c o m em o r e a n dm o r ei n f l u e n t i a lo nt h e g r o u n d w a t e re n v i r o n m e n t ，t h e r e f o r eg r o u n d w a t e r c o n t a m i n a t i o nr e c e i v e sm u c hc o n c e r n n i t r o g e np o l l u t i o n ，a sac o m m o np o l l u t i o n ， i sr e g a r d e da st h ef o c u so ft h eg r o u n d w a t e rc o n t a m i n a t i o ns t u d y n a n f e i h er i v e r c a t c h m e n tc o v e r s s o u t h e a s to fh e f e ic i t y , a n dt h e e m b e d d i n gd e p t ho ft h e g r o u n d w a t e ri nt h i sa r e ai ss h a l l o w t h i sm a k e si te a s yt ob ep o l l u t e d t h et o p o g r a p h ya n dg e o m o r p h o l o g y , h y d r o g e o l o g yc o n d i t i o n sa n dg r o u n d w a t e r r e c h a r g es t a t u so ft h em i d d l ea n dd o w n s t r e a mr e a c h e so ft h en a n f e i h er i v e ra r e i n v e s t i g a t e d s y s t e m a t i c a l l y i n t h i s s t u d y ；t h ei n t r a r e g i o n a l g r o u n d w a t e r h y d r o c h e m i s t r y a n dd i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f t r i p l e n i t r o g e na n do t h e r e l e m e n t ss u c ha sh e a v ym e t a l sa r er e v e a l e d ，u s i n gt h ea n a l y s i sm e t h o d ss u c ha s h y d r o c h e m i s t r ya n dh e a v ym e t a l s ；s t a t i s t i c a lm e t h o d sa n dg i sw e r ec o m b i n e dt o a n a y l s et h ep o l l u t i o ns o u r c e so ft h en i t r a t en i t r o g e ni ne m p h a s i s r e s u l t sa r ed r a w n a sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ew a t e rt y p e so fs t u d ya r e aa r ec l a s s i f i e di n t o2t y p e sa sn a h c 0 1a n d c a 。h c 0 3 c a z 十a n dn a + a r et h em a i nc a t i o n sw h i l eh c 0 3 。i st h em a i na n i o n a n d t h ec o n c e n t r a t i o no fc 1 。a n ds 0 4 小a r ea l s ov e r yh i g h b e s i d e st h ec o n d i t i o n so f f o r m a t i o na n dg r o u n d w a t e rh y d r o d y n a m i c ，a n t h r o p o g e n i ca c t i v i t i e s i sa l s oa n i m p o r t a n tf a c t o ro ft h ei n t r a r e g i o n a lh y d r o c h e m i s t r yc h a r a c t e r i s t i c s ( 2 ) t h ec o n c e n t r a t i o n so fh e a v ym e t a l sa r el o wa tu n i t a r yl e v e l ，e x c e p tf o rt h e c o n c e n t r a t i o no ff ea n dm ni ns o m es a m p l e se x c e e dt h el e v e li i i o ft h eq u a l i t y s t a n d a r df o rg r o u n d w a t e ri no u rc o u n t r y c o n t e n t so ft h eo t h e ri o n sa r ea l lb e l o w t h ew a t e rq u a l i t ys t a n d a r dl i m i t s ，t h e r e f o r et h ec o n t a m i n a t i o no ft h eh e a v ym e t a l si s n o to b v i o u s ( 3 ) t h ec o n c e n t r a t i o n so ft r i p l e n i t r o g e ns h o wt h ec h a r a c t e r i s t i co fl o wn h 4 + a n d n 0 2 。，a n dh i g hn 0 3 i ns p e c i a ld i s t r i b u t i o n ，t h ec o n c e n t r a t i o no fn 0 3 - ni n w e s t e r ng u a n z h e na n dq i a n y a n gv i l l a g ei st h eh i g h e s t t h ea r e ac o n t a m i n a t e db y n h 4 十a n dn 0 2 i sr e l a t i v e l ys m a l l e r ，s ow ec a nc o n c l u d et h a tn o s - ni st h em a i n p o l l u t a n ta m o n gt h et r i p l e n i t r o g e n ( 4 ) r m o d ef a c t o ra n a l y s i sm e t h o di su s e dt oa n a l y s et h ei n d e x e so fg r o u n d w a t e r q u a l i t ys u c ha sp h ，f e ，m n ，k + ，n a + ，c a 2 + ，m 9 2 + ，c l ，s 0 4 2 - , h c 0 3 , p 0 4 3 a n dn 0 3 。， a n d4f a c t o r sa r ee x t r a c t e dt oe x p l a i nd i s t r i b u t i o nt og r o u n d w a t e rq u a l i t y t h e f a c t o rl ( i n c l u d e dk + ，c l - , p 0 4 弘，n 0 3 。) a n df a c t o r3 ( n a + ，s 0 4 厶) w e r ea s s u m e dt ob e i n d i c a t i v eo fi n f l u n c e sf r o ma n t h r o p o g e n i ca c t i v i t i e st og r o u n d w a t e r t h ef a c t o r2 ( c a 2 + , m 9 2 + , h c 0 3 ) a n d f o c t o r3 ( f e ，m n ) w e r e l a r g e l y i n f l u n c e db yn a t u r a l p r o c e s s e s i tw a sf o u n dt h a tk + ，c 1 ，p 0 4 j 。a n dn 0 3 。h a dg o o dp o s i t i v ec o r r e l a t i o n ， w h i l en e g a t i v ec o r r e l a t i v ew a sf o u n db e t w e e nf e ，m n ，p ha n dn 0 3 a m o n gt h e m ， k + a n dn 0 3 ，p 0 4 3 a n dn 0 3 。，k 十a n dp 0 4 3 。，a n dc 1 。a n dn 0 3 。a l lh a v eb e t t e r p o s i t i v ec o r r e l a t i v e ，t h i sm e a n ss e v e r a li o n sm a yb ed e r i v e d f r o ma n t h r o p o g e n i c a c t i v i t i e s ( 5 ) g i sw a su s e dt od r a wt h ei s o l i n eo fn 0 3 。i ng r o u n d w a t e ri ns u t d yr e g i o n ，a n d i ti sc o m p a r e dw i t ht y p e so fl a n du s e r e s u l t ss h o wt h a ta m o n gt h e5l a n d - u s et y p e s ， s u c ha sf a r m l a n d ，f o r e s t l a n d ，u r b a n ，p o n dl a n d ，a n dm i x e du s el a n d ，f a r m l a n dh a s t h em o s ts e r i o u sn i t r a t ep o l l u t i o n ，t h en e x ta r er e s i d e n t i a l l a n da n dm i x e du s el a n d ， t h ep o l l u t i o nt y p ei sm a i n l yp o i n tp o l l u t i o n ；f o r e s t l a n da n dp o n dl a n dh a v es m a l l e s t p o l l u t i o n i nt h er e s e a r c ho ft h ec o r r e l a t i o nb e t w e e nn i t r a t ec o n t e n t sa n ds a m p l i n g d e p t h ，w ef o u n dt h a ta st h ei n c r e a s i n go ft h es a m p l i n gd e p t ht h er a n g eo f t h en i t r a t e n i t r o g e n c o n t e n th a dr e d u c e d ，a n dt h e c o n c e n t r a t i o no ft h en i t r a t en i t r o g e n d e c r e a s e do b v i o u s l yo nt h ew h o l e a i lt h e s ea b o v er e f l e c tt h ei n f l u e n c eo f a n t h r o p o g e n i ca c t i v i t i e so nt h ed i s t r i b u t i o no fn i t r a t ei ng r o u n d w a t e rs y s t e m k e y w o r d ：g r o u n d w a t e r ；h y d r o c h e m i s t r y c h a r a c t e r i s t i c s ；n i t r a t e ； f a c t o r a n a l y s i s ；g i s ；t y p e so fl a n du s e 插图清单 1 1 地下水系统氮素转化过程图3 1 2 论文技术路线图7 2 1 研究区地理位置图8 3 1 采样点分布图1 3 4 1 水样点p h 值比照图1 5 4 2 地下水常规离子p i p e r 三线图1 7 4 3 地下水常规离子浓度箱式图l8 4 4 地下水铁锰离子浓度范围图2 0 4 5 地下水硝酸盐污染分布图2 3 4 6 地下水亚硝酸盐污染分布2 4 4 7 地下水氨氮污染分布2 4 5 1 地下水n a c 1 和c a s 0 4 关系图3 6 5 2 地下水c l 。一n 0 3 - - n 关系图3 8 5 3 硝酸盐浓度分布与土地利用类型对比图4 2 5 4 取样深度与n 0 3 - n 散点图4 3 图图图图图图图图图图图图图图图 表格清单 表3 1 样品分析方式一览表1 4 表4 1 水样水质类型分类详表1 6 表4 2 重金属离子浓度检测表1 9 表4 3 研究区氮素含量表2 1 表4 4 地下水质量标准( g b t 1 4 8 4 8 19 9 3 ) 2 2 表4 5 各样点地下水三氮浓度分级表2 2 表5 1 相关系数矩阵3 4 表5 2 因子分析方差贡献率和累计方差3 4 表5 3 因子分析方差极大正交旋转矩阵3 5 表5 4 土地利用类型及相应n 0 3 - n 浓度分布表4 1 表5 5 取样井深与n 0 3 - n 浓度关系表4 4 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得 金目巴王些厶堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名僻，干签字日期沙口7 年午月z 2 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金月曼兰些厶堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权盒8 里王些厶堂可 以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 。，t 奇一j 心，r 签字日期：2 即7 年中月z z 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 舷孝 替醐干中胁日 邮编：1 弓口卵7 电话：侈寥彭多廖心 致谢 本论文自选题到定稿都是在导师钱家忠教授悉心指导下完成的。导师广博的知 识、严谨的科学态度、孜孜不倦的敬业精神、勇于开拓的创新精神以及为人师表的工 作风范都将使我终身受益，并将激励我在今后的人生中努力奋进。三年的硕士求学过 程中，钱老师不仅给予了学习工作上的大力支持，更是在生活上给予我无微不至的关 怀。在论文完成之际，谨向导师表示我最衷心的感谢和最诚挚的敬意! 衷心感谢硕士研究生期间传道、授业、解惑的汪家权老师、孙世群老师、陈天虎 老师、彭书传老师、周元祥老师、崔康平老师、赵卫东老师等，老师们在百忙之中给 予了无私的指导和帮助，并提出了许多宝贵的意见，在此表示诚挚的感谢! 感谢陈舟博士在实验和论文写作过程中给予的大力帮助；感谢关秋红、王璐璐、 马雷同学在实验和论文写作过程中给予的大力帮助；感谢罗继虹、吕纯、吕靓、王玲 玲等2 1 4 室全体同学的大力支持与帮助，向他们表示衷心的感谢，我们一起度过的美 好时光令我难以忘怀! 感谢安徽省地调院陈秀其工程师在毕业论文过程中给予的帮助。 最后，我要感谢我的父母，我的家人，感谢他们始终对我默默的关怀和支持，这 是我无法用语言表达出来的，我会在今后的岁月里通过努力报答他们。还要感谢硕士 研究生期间携手共进的同学和朋友们! 感谢论文评审委员和答辩委员对论文的批评与指正! 第一章前言 当今人类面临着着严重的水资源问题。地下水作为一种重要的水资源，在 世界上许多国家已经成为了人民生产生活用水的主要来源，世界范围内约有1 3 的人口使用地下水作为饮用水【l 】。但人们在开发利用地下水资源的同时也在改 变着地下环境，并因此产生诸多问题，其中，水质污染是一个比较严重的问题。 地下水一旦由于开发和保护不当而受污染，不但其自净能力极弱，而且会对生 态环境造成严重影响，直接对人类造成危害。近年来尽管地下水污染问题受到 了较大关注，但针对合肥地区地下水污染的专门研究很少，因此本文重点针对 合肥市南淝河流域下游地区的地下水污染进行了调查研究。 1 1 选题依据及研究意义 地下水是一种重要的资源，地下水一旦受污染，由于其自净能力较弱，将 难以更新和恢复。近年来，地下水污染的问题在世界范围内日益严重，已经成 为一个相当普遍的环境问题。 南淝河自西北向东南流经合肥市区，为合肥市母亲河，其流域为合肥市重 要的工业及农业生产基地。流域内地下水埋深较浅，地表水资源丰富，大小河 流纵横交错，地下水与地表水之间补给关系较为复杂。一旦地表水或土壤受到 污染，污染物极易透过含水层而污染地下水资源。合肥地区近年来经济快速发 展，城市化进程加快，农业集约化程度变高，在各方面高速发展的同时，地下 水水质的变化却没有引起足够的重视。自2 0 0 6 年以来，在针对南淝河流域地下 水和地表水的调查研究时发现，该地区存在着氮污染问题。 本文得到国家自然科学基金“滨湖湿地地下水循环及硝酸盐迁移转化机理 与模拟一一以巢湖南淝河流域为例( 40 6 7 215 4 ) ”以及新世纪优秀人才计划项目： “人类活动胁迫下流域地下水污染及自然净化机理研究一一以巢湖南淝河流域 为例( n c e t - 0 6 - 0 5 41 ) ”支持，对区域内地下水水质进行调查分析，对硝酸盐污 染及其成因进行了重点研究，以期为流域地下水污染防治工作提供参考依据。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 地下水水化学及重金属研究概况 水化学是在水文地质学、化学热力学和地球化学基础上发展起来的一门学 科，它是研究地下水化学组分形成原因，化学元素迁移、转化、富集与分散规 律的一门学科。自2 0 世纪6 0 年代以来，地下水化学研究已向更深更广的领域延 伸。 国外对地下水水化学的研究已经较为成熟。日本、瑞典、美国、芬兰和加 拿大等国相继对地下水的水化学特征进行了研究。h e l g e s o n 等【2 】建立了水溶液 中不可逆反的地球化学模型，这些模型是现代水文地球化学模拟的基础： o s m o n d 等【3 j 在美国加利福尼亚和佛罗里达碳酸岩盐分布区，开辟了应用铀同位 素对地下水进行研究的先例；s t u m m 等【4 】出版了水化学天然水化学平衡理 论，较系统地提供了定量处理天然水环境中各种化学过程的方法；f r e n g s t a d 等1 5 j 对挪威地下水的水化学进行了研究，揭示了地下水中各元素浓度随p h 值升 高的原因；e d m u n d s 等【6 j 通过主量元素方法对墨西哥市地下水沿水流路径的地 球化学演化、氧化还原过程等进行了研究。 近年来我国对地下水水化学也进行了长期研究。宋长春等【7 】分析了吉林西 部不同地貌区地下水元素地球化学分异性，元素迁移地球化学过程的转化；郭 占荣博j 对三屯河流域平原区地下水系统中的主要离子、t d s 和水化学类型的特 征及其变化进行了全面的分析；钱家忠等【9 】分析了徐州张集水源地裂隙岩溶水 水化学特征，提出了相应的环境保护措施；李向全等【l o 】运用构造控水分析、水 化学同位素等方法，对宁夏南部“南北古脊梁”岩溶裂隙水流系统进行了深入 的分析和讨论；丁宏伟等【l l 】系统研究了河西走廊地区的水文地球化学特征，揭 示了走廊平原地下水水化学组分在水平和垂直方向的演化规律，提出了颇具意 义的水文地球化学分带模式；辛宝东【1 2 】对北京房山地区岩溶地下水中的c a 2 + 、 m 9 2 + 、8 0 4 2 、f 、s r 2 等化学成分与其所在的含水层的地层岩性进行了相关分 析，结果表明了岩溶地下水的化学特征主要取决于含水层岩石的化学成分。 地下水中的重金属污染也是近年来地下水研究中的热点问题。在俄国莫斯 科地区，专家们对工业、日常生活污染物进行了全面研究，结果表明p b 、z n 、 c u 、m n 等重金属已严重超标；在印度由于农药、化肥的大量施用和城市工业、 生活垃圾的肆意排放，有些地区重金属含量已超过饮用水标准。在我国，9 0 年 代陈静生等【”】就对几种生物毒性显著的重金属元素h g 、c d 、p b 、c r 以及类金 属等在环境中的迁移转化作用和影响进行了研究。梁涛等【1 4 】初步探讨了官厅水 库和永定河水体中重金属含量的分布规律及污染特征；王卫中等【1 5 】对济宁市深 层地下水中微量元素进行了研究，结果表明多数元素含量枯水期高于丰水期， 含量受水文地质构造影响，并随水期变化而波动。张国平等【l6 】对贵州几个典型 金属矿区周围河水的重金属分布特征进行了研究，结果显示溶解态重金属含量 主要受到悬浮颗粒物释放的影响。 1 2 2 氮素污染研究现状 近年来，地下水氮污染问题正越来越受到国内外研究者的关注。关于这方 面的研究主要在以下方面：地下水氮的转化过程与机理；地下水氮污染的来源以 及避免污染的方法措施；地下水硝酸盐、亚硝酸盐的确定方法；如何减少或者 除去地下水中的硝酸盐：另外还有一些地下水氮污染与人体健康的研究等。 ( 1 ) 地下水中氮的转化过程与机理 氮的转化过程是指系统中的各种形式的氮在一定条件下进行相互转化。在 2 地下水系统中，氮素将会经历以下的转化：矿化一吸附过程，土壤有机氮 向n h 4 + 转化并为植物吸收；固化过程，化合的和非化合的n 2 被植物所固化； 硝化过程，微生物将氨盐基氧化成n 0 2 一，进而氧化成n 0 3 - ；反硝化过程，化 合的氮以气态的氮( n 2 、n 2 0 、n o 、n 0 2 ) 返回大气层中【17 1 ，具体过程见图1 1 ： 有机0 骘1 r 亚硝化菌硝化菌丫 jl _ 1 4 + _ n o 产n i) 3 。耕作层 1 广可一 吸附 植物吸收 。犁底尾 上包气带 删一l+ 必i 。墨十7辛勺气带 气带 、! + 垩硝化菌硝化殴、二旦堂垡。土一 隔水层 图1 1 地下水系统氮素转化过程图( 据陈建耀等，2 0 0 6 改编【”1 ) 氮在饱和土壤层中迁移转化特征的研究表明，氮主要以硝酸根的形式污染 地下水，其循环迁移与地下水运动密不可分。对氮迁移转化最有影响的就是硝 化作用和反硝化作用。硝化和反硝化作用主要是一个微生物学过程，凡是对生 物活动有影响的因素对硝化和反硝化作用均有影响，如土壤温度、透气性、土 壤水分、土壤p h 值等通过影响土壤中的微生物而影响氮的迁移转化。 m a h e n d r a p p a 等【1 9 】发现，美国北部的土壤硝化作用的最适温度为2 0 和2 5 ， 而南部的土壤则为3 5 。m a l h i 和m c g i l l 报道对加拿大a l b e r t a 的3 种土壤来 说，硝化作用的最适温度为2 0 ，在3 0 时硝化作用完全停止。这表明不同 温度带土壤中的硝化菌对温度的要求不同。l i n 和d o r a n 2 0 1 发现当土壤水饱和 率为6 0 时，好氧微生物过程最活跃；超过8 0 时，厌氧过程变得更为显著， 如反硝化作用。i n g w e r s e n 等【2 1 】报道，在1 5 时土壤无机层在体积水分含量达 到5 2 时，硝化速率最大；在土壤的有机层中，体积水分含量在4 2 4 3 5 之 间时达到最大。w e i e r 等【2 2 】研究了土壤含水孔隙率对反硝化的影响，结果表明： 随w f p s 数值增高土壤的反硝化速率显著增大，当w f p s 从6 0 增加到9 0 时， 砂土和壤土的对照处理的反硝化速率分别增加了6 倍和1 4 倍。长期以来硝化作 用都被认为是仅由自养细菌参与的在中性和弱碱性条件下才发生的一个过程， 因为酸性环境会限制氨的氧化【2 3 1 。目前有研究显示硝化作用可以在酸性条件下 进行，酸性条件下硝化作用发生的原因可能是由于异养硝化菌的作用或者是由 3 于自养硝化细菌对酸性环境的适应【2 4 1 。土壤中反硝化作用的最适p h 范围是在 6 8 之间的中性条件下1 2 ”，在酸性条件下土壤中的反硝化作用受到抑制，这可 能是由于耐酸的反硝化细菌的数量少或适合于中性条件的反硝化细菌的数量减 少造成的【26 1 。 地下水氮污染的模拟与变化趋势的研究也是转化机理研究的一项重要内 容。如硝酸盐在含水层中的迁移规律模拟、在区域水文地质系统中的迁移转化 模型的研究，以及解析方法的应用，或尝试将包气带与饱水带联系起来，建立 非饱和土层一潜水含水层水动力弥散联合数学模型等等。例如张思聪等【2 7 】运用 l e a c h m 数学模型在描述土壤水非饱和运动方面，应用了r i c h a r d 方程，在研 究土壤中的氮素运移转化方面运用了对流扩散方程。 ( 2 ) 地下水氮污染的来源研究 地下水氮污染主要来源于各种人类活动。城市化建设、工农业生产及生活 中产生的污染物渗入地下水，都会引起地下水氮污染。氮素污染根据其污染源 形式的不同，分为点污染源和面污染源。点源主要包括管道渗漏、污水的定点 排放等，点源污染方式单一，较易控制，由点源排放的污染物己呈现骤减的趋 势，因此现在对氮素污染源的研究大多为面污染源研究【2 引。面源包括的范围很 广，农业化肥的施用、大气降水、分散的人类聚集地的生活废弃物等，都属于 面源污染。其中农业氮肥的施用是地下水中氮素污染最广泛的来源。w h o 调查 研究表明世界范围内农业用地中的过量化肥使用是导致地下水硝酸盐污染的主 要原因【2 9 】：i n s a f 等【3 0 】在对日本的k a k a m i g a h a r a 地区研究时发现施用农肥较多 的菜地地下水中的硝酸盐氮要远高于其他土地利用类型。国内高旺盛等【3 l j 对黄 淮海平原典型集约农业区氮肥污染的初步调查表明该地区地下水氮污染严重， 且高产区和高产田块污染程度明显高于中低产区和中低产田块，菜地污染程度 较粮田严重。刘宏斌等1 3 2 j 对北京市平原区深层地下水的研究也表明，其地下水 硝态氮污染主要集中在蔬菜种植区，由于蔬菜过量施肥普遍，土壤硝态氮残留 严重，造成灌溉用水极易淋洗下渗污染地下水。 污染源的解析方法，一种是建立溶质运移模型，g a l l b a l l y 等【3 3 j 提出一种模 式测定、计算土壤植物界面氮迁移转化。张春辉等在大厚度包气带土层中氮的 迁移转化采用了一维不饱和水质模型进行水质模拟，对包气带水流的模拟采用 了二维模型，获得n h 4 + - n 在包气带土层中的迁移规律和污染预测数据。不过 m c l a y 3 4 l 认为这种方法难以校准并且模型的边界难以满足复杂的地形条件。另 一种方法主要是利用统计学方法结合多项影响因素进行污染源解析，这种方法 目前应用较广。s r i n i v a s a 等【35 】采用因子分析法对印度的a n d h r ap r a d e s h 地区地下 水水质变化影响因素进行了分析，对研究区内地下水常规离子的来源进行了解 释，并发现水质变化与季节更替之间的关联；a l f o n s o 等【36 j 运用a n h i 法结合g i s 对意大利坎帕尼亚地区的地下水氮污染进行分析，揭示了硝酸盐浓度与土地利 4 用类型之间存在着较大的联系；e u n i c e 等【”】利用聚类分析对地区水样各离子进 行分类，并利用因子分析对各分类进行解释，结果表明上游污染物的分布主要 是由于农业及居民的生活影响，而地下水水化学作用则是影响地下水水质的最 主要因素；s h r e s t h a 等t 3 8 j 禾u 用多元统计方法分析了日本富士河流域的地下水水 样的1 2 类污染指标，从而对区域污染等级进行划分，并且揭示各区域污染来源 随空间和时间变化规律。国内张伟等【”】以天津地区为例，对浅层地下水中的p b 及其他化学组成进行了相关分析和聚类分析；金菊良等【4 0 】采用投影寻踪对应分 析法研究了巢湖流域的非点源污染，发现巢湖各主要入湖河流河水中n 和p 营 养盐分输入特征可以分为差异明显的3 类，改进土地利用方式，有效控制巢湖 水体外源性营养盐分的输入，是减少和控制流域非点源污染物输入的重要途径 和措施。 越来越多的科学手段应用于污染源解析的工作当中，如利用地理信息系统 ( g i s ) 技术和地下水氮污染的同位素技术对氮污染源进行识别。l a s s e r r e 等【4 l 】 在i d r i s ig i s 环境下开发了g i s 市h 关方法对地下水硝酸盐的迁移转化进行了研 究；h u d a k 4 2 利用g i s 技术描述了5 3 个水样井所在区域内硝酸盐和氯离子的分 布趋势，发现井深与硝酸盐浓度之间存在着较强的相关性( o 6 3 7 ) ；b i l g e h a n 等【4 副运用g i s 技术对土耳其k o n y a 地区的硝酸盐污染状况进行了分析，评价了区 内的硝酸盐空间分布状况，发现地下水硝酸盐浓度增大是多种因素的综合作用； 国内宫辉力等1 4 4 j 运用g i s 技术与数值模拟技术相结合，揭示地下水硝酸盐氮浓 度场的时空变化特征，结果表明研究区的地下水水质系统比较稳定，硝酸盐浓 度场的时空变异性较小；刘英华等【4 5 】利用g i s 的地统计学方法，对成都平原地 下水硝酸盐含量空间变异进行分析，并比较了普通克里格和概率克里格两种方 法，结果发现前者表征了区域硝酸盐含量的空间变异及其分布规律，后者能较好 地反映区域硝酸盐污染的风险性程度。同位素方面，1 9 7 1 年k o h l 等【4 6 】首次利用 6 ”n 对地下水中氮污染研究以来，这方面的研究进展较大。w a s s e n a a r 4 7 】对英国 c o l u m b i a 的a b b o t s f o r d 含水层进行研究，认为地下水中硝酸盐浓度较高的原因 是动物粪便和少量的氨肥发生了硝化作用。国内杨瑛等【4 8 】在岩溶地区利用”n 和埔o 同位素技术证实，饮用水中的硝酸盐主要来自农家肥和化肥，该地区没有 发生有意义的反硝化作用，而以硝化作用为主。 1 3 研究目标、内容及技术路线 1 3 1 研究目标 在合肥市南淝河中下游流域地区水文地质、地形地貌的基础上，以研究地 下水硝酸盐分布特征及污染来源为主，综合研究地下水水化学及重金属特征， 为南淝河中下游流域地下水的开发、利用、保护与污染治理提供理论依据。 5 1 3 2 研究内容 论文主要根据南淝河流域中下游地区的水质资料和实验数据，进行以下研 究： ( 1 ) 分析研究区水文地质、地貌、地层等自然特征，为进一步研究地下水 化学构成和元素分布提供依据； ( 2 ) 根据所测的常量元素、重金属元素及三氮综合研究地下水水化学特征； ( 3 ) 根据所测的常规元素、部分重金属元素及氮元素，运用统计学分析方 法对硝酸盐污染成因进行分析； ( 4 ) 利用g i s 方法将硝酸盐浓度的空间分布与土地利用类型相结合，对研究 区硝酸盐污染进行污染源分析。 1 3 3 技术路线 本论文所采取的技术路线见图1 2 。 1 4 论文完成的工作量 本篇论文主要完成了以下工作： ( 1 ) 收集资料：2 0 0 6 年9 月至11 月，收集与课题相关的资料。 ( 2 ) 野外采样：2 0 0 6 年1 2 月至2 0 0 7 年1 月期间对研究区具有代表性的农家水 井进行了采样。采样点共4 5 个，涵盖了南淝河中下游流域大部分区域。 ( 3 ) 测样工作：2 0 0 7 年1 月至2 月期间进行实验室的测样工作。运用原子荧 光分光光度计、石墨炉原子吸收光谱仪、离子色谱等对4 5 个水样2 0 多种指标进 行测样。 ( 4 ) 结合研究区水文地质、地形地貌、土地利用状况等对数据进行分析， 整理、撰写论文。 6 立题 1r i 收集国内外相关研究资料并进行分析，准备实验工作 撰写开题报告 1r 上、， 上 收集研究区的水文地 根据采样相关规定布点，样品的采集与分析 质、地形地貌相关资料收集样品点信息 1 r1r1 r 1r 数据处理与综合分析 r 上上 地下水水化学特征及重金属氮素分布特征研究 离子特征研究 上0 上 硝酸盐污染源解析 上 上 上 利用因子分析统计方法进行利用g i s 技术结合研究区土地利 硝酸盐氮污染源解析用类型进行硝酸盐氮污染源解析 上上 上 总结、整理和撰写论文 图i 2 论文技术路线图 7 第二章研究区概况 2 1 自然地理概况 2 1 1 地理位置 合肥是安徽省省会，位于我国中部，长江淮河之间，江淮分水岭南侧，巢 湖北岸，地理坐标为东经1 16 。4 07 1 1 7 。5 2 ，北纬31 。3 07 3 2 。3 77 ，具 有承东启西、连接中原、贯通南北的重要地理作用。全市总面积7 2 6 6 k m 2 ，其 中市辖总面积6 3 9 7 k m 2 ，全市总人口4 4 8 万，其中市区人口1 4 6 5 万。合 肥市辖瑶海、庐阳、蜀山、包河四区和肥东、肥西、长丰三县。合肥市加工工 业发达，农副特产丰富，环境优美，享有“全国园林城市的美誉，是全国铁 路、公路、航空兼备的综合性交通枢纽。 南淝河源于江淮分水岭大潜山余脉长岗南麓，东南向流，被董铺水库截流，后 经合肥市区，于施口注入巢湖，全长7 0 公里，流域面积1 4 4 6 平方公里。本文 研究区位于合肥市东南，南淝河流域下游地区，具体范围为南依巢湖，北靠肥 东县郊，东邻龙泉山，西接南淝河与十五里河分水岭。 图2 1 研究区地理位置图 2 1 2 自然地理条件 ( 1 ) 地形地貌 研究区地处江淮丘陵地带，位于合肥盆地东部，区内地貌主要是波状残丘 平原和河湖低洼平原。 波状残丘平原分布于研究区北部及东部地区。波状平原海拔多在1 5 2 8 m ， 8 相对高差多在3 - 8 m ，地形波状起伏，岗地和坳谷相间，为间歇性流水长期切割 形成的。岗地宽阔，顶面平缓舒坦，脊线平滑，致岗顶不明显；坡度大部分在 3 0 一5 0 ，呈垄状延伸。坳谷较为宽缓，宽一般为1 0 0 2 0 0m ，谷坡坡角多在3 0 8 0 。 河湖低洼平原主要分布于研究区南部巢湖沿岸及南淝河干流两侧。其主要 是由于南淝河干流支流及巢湖的冲积作用形成。海拔在6 5 9 5 m 。此块区域地 势平坦，土地肥沃，圩堋相连，物产丰饶，农副业发达。 ( 2 ) 水文气象 研究区内水系发达，除南淝河干流外，还有店埠河、二十埠河、板桥河等 南淝河支流，此外研究区东南部的圩区存在大量沟渠。各水系无论规模，径流 量均有差异，纵横交错，形成了一个多功能的输水体系。水系的径流主要由降 雨形成，其变化规律受降雨支配。 合肥市位于江淮之间，全年气温变化的特点是冬寒夏热，春秋温和。属于 暖温带向亚热带的过渡带气候型，为亚热带湿润季风气候，季风明显、四季分 明、气候温和、雨量适中、春温多变、秋高气爽、梅雨显著、夏雨集中。多年 平均气温为1 5 ，多年平均日照数为2 1 0 0 小时，平均无霜期为2 2 4 天，年平 均降雨量9 5 0 毫米左右，年平均年蒸发量为8 0 0 9 8 0 毫米。 2 2 区域地质背景特征 2 2 1 地层岩性 区内第四纪地层广泛发育，第四纪地层覆盖全区，区域内基底为晚太古代一 早元古代地层。区内地层岩性特征如下： ( 1 ) 太古代一元古代地层 区内晚太古代一元古代地层分属华北地层区和扬子地层区。华北地层区仅有 晚太古代为霍邱岩群，扬子地层区的晚太古代一元古代地层自下而上分为浮槎山 岩组、大横山岩组、双山岩组和桥头集岩组，其岩性多以斜长片麻岩为主。 ( 2 ) 白垩纪地层 白垩纪地层分布广泛，但地表仅见零星露头。本区属华北地层区的白垩纪 地层自下而上出露为张桥组( 赤山组) ，该组为砖红色砂砾岩夹含砾砂岩、砂 岩，局部互层。 ( 3 ) 第三纪地层 早第三纪地层多被第四纪地层覆盖，地表未见出露，根据钻孔及相邻区的 区域地质调查资料划为定远组，为砖红色细砂岩、含砾砂岩夹泥岩。 ( 4 ) 第四纪地层 区内第四纪地层广泛分布，成因类型以冲积为主，次为残坡积，在巢湖滨 岸地带有少量湖积一冲积物。受新构造运动和古地形条件的控制，第四系厚度变 化较大。 9 1 ) 滚子河组 为第四纪更新世所覆盖，厚o 一2 1 2 m 。分布于区内冲积平原大部分地区。 上覆地层为晚更新世下蜀组，为假整合接触，与下伏古近系定远组呈不整合接 触。根据岩性、颜色等，将滚子河组分为上、下两段： 下段：层位欠稳定，厚0 1 4 4 m 。下部为灰黄色、浅黄色、灰白色粉砂一细 砂土、中粗砂土等，各土层物质成分较单一，粒度均匀。底为含砾中粗砂，砾 石成分主要为石英，多呈次棱角状，分选性较差。上部为灰白一灰色亚砂土、亚 粘土、浅黄色粉砂一细砂土等，常含f e m n 胶膜、钙质结核或钙质风化物。 上段：分布于区内大部分地区，下部为棕黄色亚粘土、亚砂土及少量粉砂 等，夹浅灰色粘土，上部以棕红色粘土为主，夹有1 3 层浅灰色粘土及棕红色、 浅灰色亚粘土、亚砂土等，含灰白色钙质结核，结核呈姜状、团块状、粒状或 不规则状等，大者径大于8 9 m m ，小的仅l m m 。 2 ) 下蜀组 在区内分布广泛，组成二级阶地。岩性下部为灰、黄、杂色粉土质亚粘土， 致密，粘塑性大，含铁锰质结核；上部为灰黄、黄褐色粉土质亚粘土，结构较 松散，具柱状节理，自然断面常见铁锰浸染，普遍含铁锰质结核。个别地区该 组底部为砾卵石层。该组厚度自北向南东递增，北西部厚度多在1o m 以内。另 外，在巢湖沉降区发育同期异相沉积物。 3 ) 芜湖组 该组是南淝河的现代河流的近期松散堆积物。按岩