（环境工程专业论文）合肥滨湖新区地下水环境特征及硝酸盐去除实验研究.pdf

摘要 地下水既是一种宝贵的自然资源，又是环境的基本要素。当今世界所 面临的“人口，资源，环境 三大问题，都直接或间接地与地下水资源有 关。随着人口的增长、城市规模的不断扩大及工农业的迅速发展，人类对 地下水的污染越来越严重。其中硝酸盐是世界上许多地区地下水污染最普遍 的环境因子，并且污染程度不断增加。硝酸盐污染在我国的情形也相当严重，并 且呈恶化趋势。 巢湖是被国家列为重点治理的“三河三湖”其中之一。近年来，湖泊富营养 化日趋严重，一个重要原因即是非点源的氮磷污染。合肥滨湖新区位于巢湖和合 肥老城区之间，其地下水受人类活动影响较大，具有典型性，而且该区还是流域 地下水系统与滨湖地表水系统发生相互作用的一个重要场所。因此，论文结合 国家自然科学基金( 4 0 6 7 2 15 4 ) 和教育部新世纪优秀人才计划项目 ( n c e t - 0 6 0 5 4 1 ) ，开展“合肥滨湖新区地下水环境特征及硝酸盐去除实验 研究”具有理论和实际意义。 本文在收集了国内外相关研究成果和合肥滨湖新区地貌、地质、水文 地质条件以及地下水水化学监测数据等资料的基础上，采用了因子分析和 模糊综合评价的方法，对其水环境质量进行分析。根据污染状况，以滨湖 地带重点污染带为靶区，进行了硝酸盐去除实验研究，得出主要结论如下： ( 1 ) 研究区地下水的水化学类型主要为h c 0 。一n a 和h c 0 。一c a 型，其中 c a n a - m g - h c 0 。一c l 类型水较多和c a n a m g h c 0 。类型所占比例偏大； ( 2 ) 滨湖地区硝酸盐严重超标，污染范围较大，污染程度达到4 7 3 。氨 氮和亚硝酸盐局部超标，污染范围小； ( 3 ) 使用因子分析法，在对污染分区的基础上，得出相关系数矩阵。根 据因子分析碎石图和旋转后的因子荷载散点图，选择各个分区的主因 子，得到地下水各种化学成分对硝酸盐空间差异性的影响类型。结果 表明：n h 4 + ，n 0 ：一，c a p ，m 9 2 + 对n o 。一一n 的污染起正向作用，而s o 。2 ，h c 0 。一， p h 对n o 。一n 的污染起负向作用； ( 4 ) 模糊综合评价法得出研究区的水质总体为类水，总体水质良好； ( 5 ) 尝试使用现场取样，培养反硝化菌群进行修复实验，结果表明：随 着时间的增加，硝酸盐含量逐渐降低，最大降解效率达到5 7 6 7 ： 氨氮含量呈现先减少后增加的趋势；亚硝酸盐含量呈现先增加后减少 的趋势，主要由于中间过程中亚硝酸盐含量的累计。硝酸盐含量与p h 值成负相关，与d o 值成正相关。为了加强反硝化的效率，可适当调 节其p h 值接近7 ，d o 含量在0 3 r a g l 之间。在浅层土壤中，反硝化 作用随着深度的增加，效果增强。 关键词：水环境特征模糊综合评价法因子分析硝酸盐反硝化 h y d r o c h e m i c a lc h a r a c t e r i s t i c sa n de x p e r i m e n t a l s t u d yo fn i t r a t er e m o v a l i nn e wl a k e s h o r ed i s t r i c t o fh e f e ic i t y a b s t r a c t t h eg r o u n d w a t e ri sn o to n l yap r e c i o u sn a t u r a lr e s o u r c e s ，b u ta l s oab a s i c e l e m e n to fe n v i r o n m e n t i ti sr e l a t i v et ot h et h r e ep r o b l e m sa b o u t “p o p u l a t i o n ， r e s o u r c ea n de n r i v o n m e n t d i r e c t l yo ri n d i r e c t l y t h ep o l l u t i o no fg r o u n d w a t e r i sm o r e s e r i o u s l y a st h e i n c r e a s i n gp o p u l a t i o n ，e x p a n d i n gc i t y s i z ea n d d e v e l o p i n gi n d u s t r ya n da g r i c u l t u r e t h en i t r a t ei sau n i v e r s a le n v i r o n m e n t a l f a c t o ri nm o s ta r e a so ft h ew o r l da n dc o n t a m i n a t i o nd e g r e ei si n c r e a s i n g c o n t i n u o u s l y i no u rc o u n t r y , t h es t a t u si ss e r i o u sa n dp r e s e n tad e t e r i o r a t i v e t e n d e n c y c h a o h ui so n eo ft h e “t h r e er i v e r sa n dt h r e el a k e s ”，w h i c ho u rc o u n t r yd o k e yh a r m a s s m e n to ni t i nr e c e n ty e a r s ，t h es t u a t i o no fl a k ee u t r o p h i c a t i o ni s m o r es e r i o u s l y , o n eo ft h ei m p o r t a n tr e a s o ni sn o n p o i n ts o u r c en i t r o g e na n d p h o s p h o r u s n e wl a k e s h o r ed i s t r i c tl o c a t e sb e t w e e nc h a o h ua n do l dt o w no f h e f e i ，i ti sat y p i c a ld i s t r i c tt h a ti t sg r o u n d w a t e ri si m p a c t e dg r e a t l yb yh u m a n a c t i v i t i e s t h ed i s t r i c ti sa ni m p o r t a n ts i t ew h i c hi n t e r a c tg r o u n d w a t e rs y s t e m o fb a s i nw i t hs u r f a c ew a t e ro fl a k e s h o r e s o ，c o m b i n e dt i l en a t i o n a ln a t u r a l s c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a ( n o 4 0 6 7 215 4 ) a n dt h ep r o g r a mf o rn e wc e n t u r y e x c e l l e n tt a l e n t si nu n i v e r s i t y ( n o n c e t - 0 6 - 0 5 4 1 ) ，t h et i t l eo f “h y d r o c h e m i c a l c h a r a c t e r i s t i c sa n de x p e r i m e n t a ls t u d yo fn i t r a t er e m o v a li nn e wl a k e s h o r e d i s t r i c to fh e f e ic i t y ”i sd e t e r m i n e d i ti so ft h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a l s i g n i f i c a n c e t h i sp a p e ra n a l y z e st h ew a t e re n v i r o n m e n tq u a l i t yb yt h em e a s u r e so f f a c t o ra n a l y s i sa n df u z z yc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o nm e t h o do nt h eb a s i so ft h e r e s u l t so fi n t e r n a t i o n a la n dn a t i o n a lr e s e a r c ha n dd a t ag a t h e r i n g ，w h i c hi s a b o u tt h eg e o m o r p h y , g e o l o g y , h y d r o g e o l o g i cc o n d i t i o na n dt h ec h e m i c a ld a t a o fg r o u n d w a t e ri nt h en e wl a k e s h o r ed i s t r i c t ，h e f e i n i t r a t ee x p e r i m e n t a l r e s e a r c ht ot h en e wl a k e s h o r ed i s t r i c th a v eb e e nd o n ea c c o r d i n gt ot h e p o l l u t i o ns t a t u s c o n c l u s i o n sa r ed r a w na sf o l l o w s ： ( 1 ) t h eh y d r o c h e m i s t r yt y p eo ft h eg r o u n d w a t e ri nt h et a r g e ta r e ai s h c 0 3 - n aa n dh c 0 3 - c a ，w h i c ht h e c a n a - m g h c 0 3h a v el a r g ep r o p o r t i o n t y p e o fc a - n a - m g h c 0 3 - c l a n d ( 2 ) t h en i t r a t ep o l l u t i o ni nt h em o s tp a r to fn e wl a k e s h o r ed i s t r i c ti so u to f e x t e n ta n dt h er a n g ei sl a r g ew h i c hi su pt o4 7 3 a m m o n i aa n dn i t r o g e n i so u to fe x t e n ti ns o m ea r e a sa n dt h er a n g ei ss m a l l ( 3 ) t h ec o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n tm a t r i c e s & r eo b t a i n e db a s e do np o l l u t i o nz o n i n gb y f a c t o ra n a l y s i sm e t h o d t h ei m p a c tt y p e sw h i c hc h e m i c a lc o n t e n t si nt h e g r o u n d w a t e rr e l a t i v et on i t r a t es p a t i a ld i f f e r e n c ea r eo b t a i n e db yc h o o s i n g m a j o rf a c t o r s o fd i f f e r e n tz o n e sa c c o r d i n gt of a c t o ra n a l y s i sg r a v e l d i a g r a m sa n df a c t o rl o a ds c a t t e rd i a g r a m sa f t e rr o t a t i o n t h er e s u l t ss h o w s t h a t ：n h 4 + ，n 0 2 一，c a 2 + ，m 9 2 + a r ep o s i t i v e c o r r e l a t i o nt ot h en 0 3 。一n p o l l u t i o n ，w h i l es 0 4 2 。，h c 0 3 ，p ha r en e g a t i v ec o r r e l a t i o nt ot h en 0 3 n p o l l u t i o n ( 4 ) f u z z yc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o ns h o w st h a t ：t h el e v e lo fw a t e rq u a l i t yi s t h r e eg r a d ei nt h et a r g e ta r e aa n dt h ew a t e rq u a l i t yi sg o o d ( 5 ) t r yt o u s ef i e l ds a m p l i n ga n dc a r r yo u tt h er e c o v e r ye x p e r i m e n tb y c u l t u r i n gd e n i t r i f i c a t i o nm i c r o f l o r a t h er e s u l ts h o w st h a t ：n i t r a t ec o n t e n t i s g r a d u a l l yd e c r e a s e d w i t ht h e p r o l o n g i n g o ft i m e ，t h em a x i m u m d e g r a d a t i o ne f f i c i e n c y i s u pt o5 7 6 7 ；a m m o n i a c o n t e n tp r e s e n ta t e n d e n c yo fd e c r e a s i n ga tf i r s ta n dt h e ni n c r e a s i n g ；n i t r i t ec o n t e n tp r e s e n t at e n d e n c yo fi n c r e a s i n ga tf i r s ta n dt h e nd e c r e a s i n g ，i t sd o m i n a t i n g c a u s e st ot h ea c c u m u l a t i o no fn i t r i t e n i t r a t ec o n t e n ti sn e g a t i v e c o r r e l a t i o nt ot h ep h ，a n di sp o s i t i v ec o r r e l a t i o nt ot h ed o i no r d e rt o s t r e n g t h e nt h ee f f i c i e n c yo fd e n i t r i f i c a t i o n ，p hv a l u ec a nb ea d j u s t e dt o 7 a n dd oc o n t e n tm a yb eb e t w e e n0a n d3m g 1 i ns h a l l o ws o i l ，t h e e f f i c i e n c yo fd e n i t r i f i c a t i o ni si n c r e a s i n ga st h ei n c r e a s e dd e p t h k e y w o r d s ：w a t e r e n v i r o n m e n t a l c h a r a c t e r i s t i c s ；f u z z yc o m p r e h e n s i v e e v a l u a t i o n ；f a c t o ra n a l y s i s ；n i t r a t e ；d e n i t r i f i c a t i o n ； 插图清单 图1 1 技术路线图6 图3 1 滨湖新区地下水采样点分布图1 5 图3 2 滨湖新区地下水p h 空间分布状况平面图1 6 图3 3 滨湖新区地下水p h 空间分布状况线框图：1 6 图3 4 滨湖新区地下水c l 离子空间分布状况平面图1 7 图3 5 滨湖新区地下水c 1 离子空间分布状况线框图1 7 图3 - 6 滨湖新区地下水s 0 4 2 。离子空间分布状况平面图1 8 图3 7 滨湖新区地下水s 0 4 2 离子空间分布状况线框图1 8 图3 8 滨湖新区地下水c a 离子空间分布状况平面图1 9 图3 - 9 滨湖新区地下水c a 离子空间分布状况线框图1 1 9 图3 1 0 滨湖新区地下水m g 离子空间分布状况平面图2 0 图3 1 1 滨湖新区地下水m g 离子空间分布状况线框图2 0 图3 1 2 滨湖新区地下水n a 离子空间分布状况平面图2 l 图3 1 3 滨湖新区地下水n a 离子空间分布状况线框图2 1 图3 1 4 滨湖新区地下水h c 0 3 - 离子空间分布状况平面图2 2 图3 1 5 滨湖新区地下水h c 0 3 离子空间分布状况线框图2 2 图3 1 6 滨湖新区地下水水类型p i p e r 三线图2 3 图3 1 7 滨湖新区地下水硝酸盐氮空间分布状况平面图2 5 图3 1 8 滨湖新区地下水硝酸盐氮空间分布状况线框图2 5 图3 1 9 滨湖新区地下水亚硝酸盐氮空间分布状况平面图2 6 图3 2 0 滨湖新区地下水亚硝酸盐氮空间分布状况线框图2 6 图3 2 1 滨湖新区地下水氨氮空间分布状况平面图2 7 图3 2 2 滨湖新区地下水氨氮空间分布状况线框图2 7 图3 2 3 氮形态及转化途径示意图2 8 图3 2 4 滨湖新区地下水n 0 3 - n 含量分区图3 1 图3 2 5 滨湖新区地下水n h 4 。n 含量分区图3 1 图3 2 6 滨湖新区地下水n 0 2 - n 含量分区图3 2 图3 2 7a 区因子分析碎石图4 l 图3 2 8b 区因子分析碎石图4 2 图3 2 9c 区因子分析碎石图4 2 图3 3 0a 区旋转后因子荷载散点图4 4 图3 3 1b 区旋转后因子荷载散点图4 5 图3 3 2c 区旋转后因子荷载散点图4 5 图4 1 滨湖新区地下水等水位线图5 6 图4 2 滨湖剖面硝酸盐含量柱状图5 7 图4 3 沿湖水流方向硝酸盐含量图5 7 图4 4 硝酸盐去除实验场地位置图5 7 图4 5 湿地钻孔布置示意图5 8 图4 63 # c 孔硝酸盐氮变化曲线6 0 图4 74 # c 孔硝酸盐氮变化曲线6 0 图4 83 # b 孔硝酸盐氮变化曲线6 0 图4 - 94 # b 孔硝酸盐氮变化蓝线6 0 图4 1 03 # c 孔硝酸盐氮变化曲线6 l 图4 1 14 # c 孔氨氮变化曲线6 1 图4 1 23 # b 孔氨氮变化曲线6 1 图4 1 34 # b 孔氨氮变化曲线6 1 图4 1 43 # c 孔亚硝酸盐氮变化曲线6 2 图4 1 54 # c 孔亚硝酸盐氮变化曲线6 2 图4 1 63 # b 孔亚硝酸盐氮变化曲线6 2 图4 1 74 # b 孔亚硝酸盐氮变化曲线6 2 图4 1 83 托孔硝酸盐氮与p h 关系6 3 图4 1 94 # c 孔硝酸盐氮与p h 关系6 3 图4 - 2 03 # 1 3 孔硝酸盐氮与p h 关系6 3 图4 2 14 # b 孔硝酸盐氮与p h 关系6 3 图4 2 23 # c 孔硝酸盐氮与d o 关系6 4 图4 2 34 # c 孔硝酸盐氮与d o 关系6 4 图4 2 43 # 1 3 孔硝酸盐氮与d o 关系6 4 图4 2 54 # b 孔硝酸盐氮与d o 关系6 4 表格清单 表2 差滨潮新区基岩地层表8 表2 - 2 滨湖新区第四纪地层划分表9 表2 3 滨湖新区含水岩组划分表1 1 表2 4 滨潮薪区富水性分区等级表。重l 表3 1 滨湖新区水化学类型表2 4 表3 2 各样点地下水“三氮 浓度的统计分析3 0 表3 3 地下永质量标准( g b t 1 4 8 4 8 1 9 9 3 ) 3 0 表3 - 4 各样点地下水“三氮”浓度分级表3 0 表3 5 样本分布3 9 表3 - 6a 区交量的槽关系数矩阵 表3 7b 区变量的相关系数矩阵4 0 表3 ，8c 区变量的相关系数矩阵4 0 表3 - 9 特征值和方差贡献4 董 表3 1 0 初始因子荷载矩阵4 3 表3 1 1 旋转后的因子荷载矩阵4 4 表3 董2 影响n 0 3 - n 空闻分布的化学组分4 7 表3 1 3 水质分级标准5 l 表3 1 4 取水点备因子对水质级别隶属度及评价结果5 1 表4 1 各个孔地表水背景值5 8 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 金壁王些太堂 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：霾镌 签字日期：瑚销月；口日 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王些太堂有关保留、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j 垒坦 王些盔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：复稻， 签字日期：p 8 年三月弘日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 钗雅 签字日期：冲s 月岁6 日 电话： 邮编： 致谢 在攻读硕士研究生三年期间，尊敬的导师钱家忠教授在思想、学习、 科研、生活等诸多方面都给予我莫大的关心与帮助。思想上激励我百折不 挠；学习上谆谆教导、耐心解惑；科研中不辞劳苦地实施启发式教诲，充 分调动了我的积极性，培养了我从事独立科学研究的能力；生活上百般照 顾。在论文构思、撰写、审阅以及修改过程中，导师投入了大量的时间和 精力，给予了中肯的意见与建议。导师生活上的简朴、工作上的兢兢业业、 科研道路上的求真务实与开拓创新精神使我受益非浅，在此，谨向导师钱 家忠教授表示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、葛晓光老师等。 感谢覃华、陈舟同学在实验和论文写作过程中给予的帮助；感谢张瑞 刚、杨梅同学在实验和论文写作过程中给予的帮助；感谢管后春马雷、陈 干、吕靓、罗继红等同学的大力支持与帮助，向他们表示衷心的感谢! 我要把最诚挚的谢意献给我的父母亲。他们在不辞劳苦的辛勤劳作之 余仍不时地关心我的生活、鼓励和支持我的学业；他们的谆谆教诲将使我 受益终生。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会委员对论文的批评与指正l 作者：夏琼 2 0 0 8 年5 月 1 1 选题依据及意义 王董。1 论文的选题依据 第一章绪论 地下水是一种重要的资源。人们在开发利用地下水资源的同时也在改 交着地下环境，其中，水质污染是一个比较严重的阚题。地下水旦由于 开发和保护不当而受污染，不但其自净熊力极弱，而且会对生态环境造成 严重影响，直接对人类造成危害。因此，对地下水质量作出准确的评价， 是地下水资源开发利用的前提，也是地下水环境保护的一项重要任务。 地下承中氮索是重要的生命元素之一，是农业生产不可缺少的营养物 质，同时又是圈益增长的污染因子。近年来，地下水氮污染问题在全国范 围内日益严重。自2 0 0 6 年以来，对滨湖新区进行了有关地下水水质方面的 研究，在针对地下水和地表水的调查研究时发现，该地区存在着氮污染闯 题。滨湖新区作为合肥未来通过巢湖、走入长江，融入长江三焦溯地区懿 水上门户，这里将是合肥未来新形象的集中展示区。保护滨湖新区的地下 水资源，恢复滨湖生态湿地是滨湖新区建设的重要内容和前提。本论文对 其地下水环境特征进行分析，找出污染严重的地区，开展了硝酸盐去除实 验研究，对滨潮新区地下水的污染和防治有着及其重要的意义和价值。 1 1 2 论文的研究意义 水是人类和各种生命赖以生存的重要物质资源，但随着工农业经济的 发展，地球上的水资源已十分紧张，地下水资源尤其如此。地下承被广泛 应用于各种用途，是全球许多地区的唯一供水水源，也是许多国家和地区 的主要饮用水源【2 1 。地下水质量评价，实际就是依据地下水中污染物( 有害 物) 浓度的分级标准，判断某个地区或某1 2 1 水井的水综合质量与哪级标准最 接近，则它就被视为符合该级地下水质量。对地下水的水质进行评价，早 己成为城市或区域环境质量评价的一个重要组成部分水质评价是水资源 开发利用的一项重要工作，水质评价方法是现代环境科学基础理论研究的 重要课题。近几十年以来，国内外专家、学者进行了大量研究，提出了多 种水质评价的方法，如综合指数法、灰色聚类法、灰色模式识别法、模糊 综合评价法、模糊模式识别法等【3 4 j 。 刚刚完结的全藿地下水污染调查评价结果表明全国多数城市地下水 都受到一定程度的点状或面状污染。安徽地区的主要污染指标有皿硝酸盐 氮、氨氮、铁、锰、挥发性酚等，污染组分呈点状分布于城镇、乡村居民 点，污染程度较大，范围较广。滨湖薪区主要监测点的地下水水质较差， 其中硝酸盐含量是增加的主要指标，溶解性固体、硫酸盐等指标含量在个 别地区有所增加。氮污染已经成为了滨湖新区地下水污染中的突出成分p j 。 地下水中的氮污染主要是硝酸盐污染。硝酸盐对人体健康的危害程度 位予第二位，仅次子农药的危害】。含水层对氮的自净能力有限，且氮污 染地下水具有后遗效应【j 7 1 ，使得氮污染地下水的环境危害重大。首先，硝 酸盐不仅容易诱发糖尿病，对肾脏造成的损害也十分严重。如果人们摄取 了高浓度的硝酸盐，肾脏的负担加重，容易引起溶血性贫血。其次，进入 人体的硝酸盐在细菌和酶的作用下，可以转化为亚磷酸盐。亚磷酸盐的毒 性是硝酸盐的1 1 倍。它能迅速进入血液，将血红蛋白中的低铁氧化成高铁， 形成无法转运氧气的高铁红蛋白，同时皿硝酸盐还可以与血红蛋白产生不 可逆反应，形成磷基盎红蛋自，这种物质网样不具备携氧的能力，使人体 出现窒息现象。结果造成人体缺氧而患高铁血红蛋白症。此外，亚硝酸盐 还可与仲胺等形成亚硝胺，后者是一种强致癌物质。它们会诱导产生肠道、 胃、脑、神经系统、骨骼、皮肤、甲状腺等肿瘤疾病。日本、英圜、智剩、 哥伦魄亚，均报道过亚硝酸盐、硝酸盐与篱癌发病率的相关性大狰；英格 兰沃尔克索谱城的自来水中硝酸盐为9 0 m g l ，该城市的胃癌发病率比对照 城市要高2 5 【9 】。美国发现饮水中高含量的硝酸盐与高血压的发病率之间 有关系【1 0 】。我蓬的出西省阳城、河南省林县等地区的食道癌高发率与当地 永源中高硝酸盐含量密切相关。 日常生活中人们接触到硝酸盐的机会非常大。人体摄入的硝酸盐中， 蔬菜占8 1 2 ，作为饮用水源的地下水也是重要的来源途径之一l l 。研究 表明，硝酸盐是进入地下水中最频繁的污染物质【l 列。农墨施用的氮肥是蔬 菜和地下水受到污染的重要原因，氮肥中的硝酸盐除了被蔬菜吸收之外， 过量施用的氮肥童接进入土壤，进一步经淋洗等过程进入地下水。据统计， 由于农作物和施肥技术的不同，氮肥利用率只有2 5 8 5 ，其余的均流失到 水、土壤、大气等环境中。除此之多 ，居民生活污水与垃圾粪便的下渗污 染；工业生产中排出的大量有机物含量高的废水和部分以硝酸盐为原材料 的工厂生产过程中流失所造成的污染；大气氮氧化合物干湿沉降污染；污 水灌溉等等，都是造成地下水氮污染的原因。从氮污染不容乐观的现状、 巨大盼危害和多种多样的来源来看，开展对地下水氮污染的研究具有很大 的实际意义。本次论文就结合滨湖新区的自然地理条件和地质背景特征， 对氮的来源、含量变化规律、迁移转化情况以及影响因素进行系统分析， 为城市功能分区和工农韭生产提供依据。 2 1 2 国内外研究现状 1 2 1 地下水环境特征及水环境质量评价 水环境特征主要包括水化学分布特征、水化学类型、水环境质量评价 等几个方面的研究。其中，水环境质量评价是水环境特征分析的主要内容。 近年来，对水环境质量盼评价匿益受到人们的关注。1 9 6 5 年，r ，k 。h o r t o n 提出了水质评价的质量指数法( w q i ) ，标恣着水质现状评价工作的开始【l 引。 自从二十世纪六十年代以来，国内外就不断有文献讨论水质评价方法，但 至今仍无一种统一的、确定的评价模式。就现有研究成果看，水质评价方 法大致可以归纳为以下两大类：单因子评价和综合评价雒引，综合评价则要 考虑水体中所有污染物的综合作用，确定水质的综合级别国内外用于水质 综合评价的方法很多，如污染指数法1 7 1 、模糊评判法【1 8 郴1 灰色评价法等 2 0 - 2 4 、神经网络评价法【2 5 2 朝、物元分析法f 2 8 - 2 9 1 等等。 由水质评价可以看出，地下水中的氮污染日益严重。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；另外还有些地下水氮污染与人体健康的研究等。结合 本次论文的研究重点，将从以下几个方面探讨国内外现状： 王。2 。2 地下水中氮的转化过纛与概理 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。其转化过程主要包括：有机氮的矿化过程、硝化过程、反硝化过程、同 化作用和铁吸附作用。在地下水系统中，氮转化过程主要是前三个。一直 以来，地下水硝酸盐的转化过程与机理的研究一直是氮污染研究的热点问 题。国内外各学者都在其各方面进行了研究。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。对氮迂移转化最有影响的就是硝化作用和反硝化作焉。 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。即土壤温度、透气性、土壤水分、土壤 p h 值等通过影响土壤中的微生物丽影响氮的迁移转化。m a h e n d r a p p a 等发 现，美雷北部的土壤硝化作沼的最适温度为2 0 c 和2 5 ，丽南部的壤则 为3 5 3 0 】。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酶要求不同。但温度过高或过低都是不利的，在较低 温度下反硝化速率较低。k e e n e y 报道反硝化作用在6 0 7 0 以上时即 3 受到抑制【3 1 1 l i n n 和d o r m 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，如反磷化作用1 3 2 。i n g w e r s e n 等报道，在1 5 1 2 时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【，引。b r e u e r 等却发现，随着水分含量的增加总硝化速率明显的降低【34 1 。说明总硝化速 率显著的受水分含量的影响。土壤水分对反硝化昀影响是水分含量遥过对 土壤的通气状况和土壤中的氧分压的影响而影响到反硝化作用。w e i e r 等 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 处理的反磷化速率分别增加了6 倍和1 4 倍强弱。r y d e n 研究了降雨蜃匪闻土 壤含水量的变化及其对反硝化的影响，结果显示含水量大时反硝化速率值 也大【3 6 】。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【3 列。疆前有研 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于自养硝化细菌对酸性环境的适 应【3 8 】。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【3 引，在 酸性条件下土壤中的反礴化作用受到抑制，这可能是出于耐酸的反硝纯细 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1 4 引。当p h 值增大时，上壤有机体主要吸附n h 4 + - n ；而当p h 值降低时，它主要吸附硝 酸盐。这与普通高等植物不同【4 。另外，污水或土壤中的碳源越丰富，硝 化及反硝化越强燕。其反应很大程度上决定于水中的碳氮比( c n ) 。另外， 在迁移转化环境条件相同的情况下，随着土壤颗粒中粘粒含量的增加，土 层净化容量也得到增强。其中土壤反硝化速率增加是硝酸根去除的决定性 因素【4 期。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鲍一项 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，建立鼍鼻饱和土层，潜水含水层水动力弥散联合数学模型等等。以 壤承及物质迁移为基础。g a l l b a l l y 4 3 】等提出一种模式测定、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 | 暴了n h 4 + n 在包气带层中的迁移规律和污染预测数据。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，在研究上壤 中的氮素运移转化方面运用了对流扩散方程【4 4 1 。g e n g 等人分别模拟硝酸盐 迁移过程中的各个环节，即土壤中氮循环和硝酸盐渗出模型，硝酸盐从土 壤到含水层的迁移量模型，以及两者的藕合模型，并得到了满意的结果。 4 1 2 3 地下水氮污染的来源研究 同其它的污染样，地下水中的氮污染也是由予人类的工农业生产和 其他社会活动所造成的。无论是在工业发达国家还是发展中国家，由于农 村地区大量氮素化肥的施用，生活污水和含氮工业废水的未达标排放及其 渗漏，固体废弃物的淋滤下渗，污水的不合理回灌，以及地下水的超量开 采等，都导致地下水中硝酸盐浓度呈上升趋势。过去l o 年，全世界性酶研 究表明，地表与地下水中硝酸盐的广泛来源就是农业生产中农用氮肥的施 用。高旺盛等”5 j 对黄淮海平原典型集约农区氮肥污染的初步调查表明该地 区地下水氮污染严重，且高产区和高产困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。毕二平等群6 j 通过对石家庭市地下 水中三氮污染状况的分析，发现在人类活动影响强度小的地区，地下水中 的氮污染强度大大低于市区。金赞芳等【4 7 】对杭州市城区2 11 3 井取样分析确 定了其地下本氮浮染严重，主要是受到了生活污水的污染。并且在居住区 还存在如化粪池之类的点源污染。姜翠玲等【4 8 】对取徐州奎河生活污水进行 了饱和灌溉试验，结果表明，污灌过程中氨化作用、硝化作用和反硝化作 用依次成为氨素转化的主要机制，污灌1 0 天之内硝酸盐和亚硝酸盐会造成 浅屡地下水的严重污染。 2 0 世纪7 0 年代起美国、日本、加拿大、埃及、比利时及南非等国就开 始使用地下水氮污染的同位索研究进行氮污染源识别，国内2 0 世纪9 0 年代 以来也开展了这方霹的研究并取得了显著成果。理论上，不同n 源产生的 硝酸盐具有不同的n ，o 同位素组成，化学肥料中的氮主要来自大气，所以 61 5 n 的值大致为0 ；人类粪便中6 ”n 的含量范围为1 0 2 0 ；家禽和牲 畜养殖场之下的地下水中61 5 n 的含量非常高，高达2 7 o 和3 2 5 。因此 利用硝酸盐中n 。o 同位素区分磷酸盐的不同来源并示踪氮的循环过程，为 确定污染源提供了一个直接有效的方法。自从1 9 7 1 年k o h l 等首次利用6 ”n 对地下水中氮污染研究以来【4 9 1 ，这方面的研究进展较大。w a s s e n a a r s o 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亿作用。杨瑛等瑟韬在岩溶地区 利用1 5 n 和1 8 0 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。吴登定【5 2 j 等应 用氮、氧犀位素技术对常州地区逮下水氮的污染来源进行了研究，表明： 多数潜水和微承压水受到了厩肥和污水的污染，中深层承压水未受到氮污 染，主要来源于早期形成时的大气降水。 5 1 3 论文的主要内容及技术路线 1 3 1 论文的主要内容 论文主要根据滨湖新区的水质资料和滨湖湿地的实验数据，分析解决 了以下几方面的阏题： 1 滨湖新区地下永嚣境特征及水化学类型 2 对滨湖新区地下水进行水质评价 3 滨湖新区“三氮”分布规律和氮素污染的影响因素分析 4 。滨潮湿地在注入反硝化菌条件下对氮的降解作用及加强反硝化作用的 途径 1 3 2 论文的技术路线 根据研究内容和方法，现提出以下技术路线 图卜1 技术路线图 6 2 1 区域概述 第二章滨湖新区区域水文地质条件 合肥是安徽省省会，地处长江、淮河之间的华东丘陵地区中部，江淮 分水岭南侧，巢湖北岸，淝河之水穿城而过。全市总面积7 4 9 8 k m 2 ，其中市 辖区面积5 9 6 k m 2 ，市区建成区面积近1 5 0 k m 2 。2 0 0 3 年末，全市总人口 4 5 6 6 万，其中市区人口15 5 8 7 万。合肥市辖瑶海、庐阳、蜀山、包河四 区和肥东、肥西、长丰三县。合肥是全国园林城市和卫生城市，有“绿城”