（环境工程专业论文）泾惠渠灌区地下水中三氮分布特征及其影响因素的研究.pdf

t h ed i s l n ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e df o r t h ed e g r e eo fm a s t e r c a n d i d a t e ：h a nc a i b o s u p e r v i s o r ：p r o f l ip e i c h e n g c h a n g a nu n i v e r s i t y , x i a n ，c h i n a 本论文由长安大学水与发展研究院承担的教育部、国家外专局“1 1 1 创 新引智计划”项目“干旱半干旱地区水文生态及水安全学科创新引智基地” 及陕西省水利厅项目“提高大型灌区水资源利用效益，促进社会主义新农 村建设的试验与示范”资助。 本人声明：本人所呈 作所取得的成果。除论文 要贡献的个人和集体，均 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：毕黟了f 受矽口年岁月多日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：转移可殳 砂口年歹月加日 导师签名： 畜、崛西 加，年，月刃日 中，地下水中氮污染会严重危害饮用者的身体健康。近年来，尽管氮污染问题受到了较 大的关注，但还未对泾惠渠灌区地下水中氮污染进行过专门研究。因此，对泾惠渠灌区 地下水中氮污染的分析、研究是必要的。 根据泾惠渠灌区地下水中三氮( 硝酸盐氮、亚硝酸盐氮、铵氮) 污染的实际情况， 结合灌区的水文地质条件，通过对近年来地下水水质资料及灌区土壤剖面的分析，研究 了泾惠渠灌区地下水中氮的分布、影响因素及其来源。三氮含量的空间分布具有强异向 性的特征，污染程度有所降低。硝酸盐浓度高的地区主要集中在三原东北阎良西北部， 泾阳西河滩附近，高陵的北田周围；亚硝酸盐浓度高的地区主要集中在以泾阳县的建立 村一泾阳与三原交界的街子村为中心线，呈对称分布，另一个是在三原县的杜家村附近 为中；铵氮含量浓度高值地区主要集中在临潼县的田严村附近。在对三氮的含量与地下 水化学特征的研究中发现，三氮迁移转化受到了含水层岩性、地下水埋深、和地下水化 学特征的共同影响。其中锰、镁离子对三氮的转化有显著相关性。泾惠渠灌区是主要的 粮食产区，该地区地下水中氮污染的来源有相当一部分来自农业的污染。土壤剖面中硝 酸盐随深度的增加而减少，铵根离子基本没有什么变化，说明硝酸盐比铵氮更容易淋溶 进入地下水，施肥也会加速硝酸盐的淋溶，从而加剧地下水氮的污染。近两年土壤剖面 的数据显示，土壤中硝酸盐的污染有所增加。 泾惠渠灌区地下水中三氮污染严重程度以硝酸盐氮污染最为严重，以亚硝酸盐氮污 染面积最大，铵氮污染程度及污染面积最小。近年来泾惠渠灌区地下水中三氮含量呈下 降趋势，对地下水造成的污染正逐步减轻。 关键词：泾惠渠灌区，地下水，三氮污染，土壤剖面，污染评价 n o r t h e a s to fs a n y u a n ，n o r t h w e s to fy a n l i a n g ，n e a rw e s tr i v e ro fj i n g y a n ga n da r o u n do f n o r t hg a o l i n g i nt h en e wv i l l a g ei nj i n g y a n gw h e r ej i e z iv i l l a g eb e t w e e nj i n g y a n ga n d s a n y u a ni sa tt h ej u n c t i o na n dn e a r b yd uv i l l a g ei ns a n y u a nc o u n t y ，t h e r ea r em u c ho f n i t r i t e i na d d i t i o n ，n e a rt h ev i l l a g eo ft i a n y a n ，t h e r ea r el o t so fa m m o n i a n i t r o g e n b a s e do n t h es t u d yo ft h r e en i t r o g e nc o n t e n ta n dc h e m i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fg r o u n d w a t e r ，t h ea u t h o r f o u n dt h a tt h et r a n s f e ra n dt r a n s f o r m a t i o no ft h r e en i t r o g e nw e r ei n f l u e n c eb ya q u i f e r l i t h o l o g y ，g r o u n d w a t e rd e p t ha n dc h e m i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fg r o u n d w a t e r m a n g a n e s ea n d m a g n e s i u mi o n so nt h ec o n v e r s i o no ft h r e en i t r o g e nw a ss i g n i f i c a n t l yc o r r e l a t e d j i n g h u i i r r i g a t i o nd i s t r i c ti st h em a i ng r a i np r o d u c i n ga r e a ，w h e r eac o n s i d e r a b l ep o r t i o no fn i t r o g e n p o l l u t i o ni ng r o u n d w a t e ra r ef r o ma g r i c u l t u r ep o l l u t i o n n i t r a t ei n s o i lp r o f i l ei n c r e a s e dw i t h d e p t hr e d u c t i o na n da m m o n i u mi o nr e m a i n e d ，w h i c hi n d i c a t e dt h a tn i t r a t ei se a s i e rd i s s o l v e d i nw a t e rt h a na m m o n i an i t r o g e na n df e r t i l i z a t i o nw i l l s p e e du pt h el e a c h i n go fn i t r a t e ， t h e r e f o r ep o l l u t i o no fg r o u n d w a t e rn i t r o g e nw i l lb ei n t e n s i f i e d t h ed a t ao fs o i lp r o f i l eo fp a s t t w oy e a r ss h o wt h a ts o i ln i t r a t ep o l l u t i o nh a si n c r e a s e d t h em o s ts e r i o u sn i t r o g e np o l l u t i o ni sn i t r a t ep o l l u t i o ni nj i n g h u ii r r i g a t i o nd i s t r i c t t h e l a r g e s ta r e ao fp o l l u t i o ni s f r o mn i t r i t e p o l l u t i o na n dt h ea m m o n i ap o l l u t i o nc a u s e dt h e s m a l l e s ta r e a i nr e c e n ty e a r s ，t h ec o n t e n to ft h r e en i t r o g e ni nj i n g h u i q ui sr e d u c i n ga n dt h e i i i l i 目录 1 ：! ：! 3 4 ! ； 7 7 8 8 8 排泄条件1 l 1l 1 ：! 1 ：1 2 4 社会经济概况l3 2 4 1 农业概况13 2 4 2 工业概况1 4 第三章泾惠渠灌区地下水中氮的存在形式及特征1 5 3 1 灌区地下水中氮的存在形式及特征1 5 3 2 灌区地下水中三氮的空间分布特征1 6 3 2 1 灌区地下水中三氮的统计特征1 6 3 2 2 灌区地下水中三氮的空间分布特征1 8 3 3 近年来地下水中氮变化的动态特征2 2 3 3 1 近年来灌区地下水中硝酸盐氮的变化情况2 2 3 3 2 近两年来灌区地下水中铵氮的变化情况2 5 i v 4 1 3 工业污染3 0 4 1 4 大气氮氧化合物干湿沉降污染3 0 4 2 三氮转化规律研究3 0 4 2 1 有机氮的矿化过程3l 4 2 2 硝化作用3 2 4 2 3 反硝化过程3 3 4 2 4 铵的吸附作用3 3 4 3 泾惠渠灌区影响三氮转化的水文地球化学因素3 4 4 3 1 三氮分布与含水层岩性分布的特征关系3 4 4 3 2 三氮分布与地下水埋深关系分析3 6 4 3 3 三氮转化与灌区地下水水化学特性关系研究3 9 4 4 土壤剖面氮的分布对地下水的影响4 l 4 4 1 土壤剖面基本特征4 l 4 4 2 土壤剖面中铵氮的分布特征4 3 4 4 3 土壤剖面中硝酸盐氮的分布特征4 4 4 4 4 施肥对土壤剖面硝酸盐氮含量的影响4 5 4 4 5 土壤剖面硝酸盐氮含量时间上对比分析4 6 第五章灌区地下水中“三氮”污染评价与防治对策4 8 5 1 地下水中“三氮”污染评价4 8 5 1 1 硝酸盐污染评价4 8 5 1 2 亚硝酸盐污染评价4 9 5 1 3 铵氮污染评价5 0 5 2 控制泾惠渠灌区地下水中三氮含量的措施建议5 2 v 5 2 1 预防措施5 2 5 2 2 治理措施5 3 结论与建议5 5 参考文献5 8 致 射6 3 长安人学硕上学位论文 1 1 论文研究背景及意义 第一章绪论 水是生命的源泉、农业的命脉、工业的原料和血液，是人类生存环境的主要组成部 分【1 1 。随着人类社会生产与生活需水量的迅速增长，已使世界各国，尤其是地处干旱半 干旱地带的国家以及如中国这种分布着较大面积干旱半干旱地区的国家，遭受缺水的痛 苦和威胁u , 2 j 。 中国是世界上水资源严重短缺的国家之一，被联合国划定为世界上1 3 个贫水国之 一，人均占有水资源量为2 2 5 0 m 3 ，约为世界人均占有量的1 4 ，每公顷耕地平均占有水 资源量2 1 6 0 0 m 3 ，仅为世界平均值的2 3 ，预计至f j 2 1 世纪3 0 年代，在降水总量不减少的情 况下，人均水资源量将下降到1 7 6 0 m 3 ，逼近国际公认的严重缺水警戒线1 7 0 0 m 3 【3 1 。中国 的用水大户主要是农业，用水总量约4 0 0 0 亿m 3 ，占全国总用水量的7 0 ，而农田灌溉用 水量就已达至u 3 6 0 0 3 8 0 0 亿m 3 ，占农业用水量的9 0 9 5 ，根据有关专家的预测结果， 如果在农f f l 灌溉用水量不增加的情况下，至u 2 0 3 0 年全国缺水将会高到1 3 0 0 2 6 0 0 亿m 3 ， 其中农业缺水达n 5 0 0 7 0 0 亿m 3 1 4 , 5 , 6 1 。 地下水是中国北方地区重要的供水水源，同时，也是维系区域生态环境的重要因素， 但是近年来，由于人为因素的影响，地下水污染进一步加剧，污染程度和污染范围同趋 扩大，一些地区群众因饮用污染了的地下水，出现了“癌症村”，给人民群众身体健康 造成了严重危害。其中三氮的污染是重要原因之一。因此，开展三氮的调查研究及其污 染评价，想方设法涵养地下水、保护地下水水质，成为当务之急【7 , 8 , 9 , 1 0 】。 氮是生命的重要元素，是作物生长所必需的大量营养元素之一【l ，也是旱地土壤最 为缺乏的营养元素【1 2 】，土壤中氮素的丰缺及供给状况直接影h 向着农作物的生长水平【1 3 1 ， 是农业生产中不可或缺的营养物质。因此，对氮的研究尤其是对三氮的研究已经成为一 个热点。本文主要研究泾惠渠灌区地下水环境及其土壤中三氮的分布、迁移、及其受地 球化学条件的影响。地下水中的氮主要是氮通过包气带迁移进入含水层的。从氮在包气 带中的迁移转化过程可知，氮肥是主要的氮污染源，同时，氮肥又是植物生长所需要的。 氮肥进入包气带上层耕作层，一部分被植物吸收，一部分通过微生物的硝化作用和反硝 化作用转化成硝态氮、亚硝态氮和气态氮。大部分氮通过降水和灌溉淋洗进入潜水层， 对地下水造成污染。土壤中氮素损失的一个重要途径就是硝酸盐氮的土壤渗漏损失 、结 此将 成无 硝基 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 1 2 0 】；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【2 i 】。我国的山西 省阳城、河南省林县等地区的食道癌高发率高与当地水源中高硝酸盐含量密切相关。 泾惠渠灌区位于陕西省关中平原中部，是我国历史悠久的大型灌区，现在也经受着 地下水污染的危险，本文对泾惠渠灌区地下水中三氮的分布状况进行分析及研究。为灌 区地下水资源的合理开发利用、污染防治，确保灌区工农业的可持续发展，提供了重要 的科学依据。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 氮污染现状研究 我国近几年来，在地下水污染的调查研究方面获得较大进展。在地下水硝酸盐污染 的调查研究方面开展较好的是吉林市及郊区地下水氮污染机理研究与北京市城近郊区 地下水硝酸盐污染调查研究两项成果。前者为了查明各种含氮化合物在垂向溶滤过程中 的迁移能力，采用生活污水、粪土浸泡液及氮化肥水溶液分别对粉砂，亚砂土及亚粘土 2 长安人学硕上学位论文 土柱进行溶滤，并进行了生物化学反硝化作用与纯化学反硝化作用试验，取得了一系列 资料作为论证氮污染机理的依据。后者则在大量调查与长期监测的基础上，通过溶滤试 验与翁栽试验基本上查明了地下水中硝酸盐污染的原因，初步探讨了污染机理，对今后 的污染发展趋势做了定量估算。在这些研究成果中也都针对各自的污染特点提出了一些 防治措施。此外，西安市也通过渗水试验提出了该市潜水硝酸盐含量升高的主要原因【2 2 1 。 地下水中三氮污染较为突出，上世纪七十年代以来，氮的污染问题受到重视，各国 通过国际学术会议讨论氮的污染问题【2 引，例如1 9 7 5 年在丹麦哥本哈根召开的氮素水污染 会议，1 9 8 4 年在意大利威尼斯举行的农业非点源污染预测专题讨论会，1 9 8 7 年在澳大利 亚布里斯本召开的农业生态系统中氮素循环研究进展的国际研讨会。随着农业生产中氮 肥用量增加，地下水硝酸盐的浓度正在逐年增加，在欧洲，已发现2 2 的耕作区地下水 硝酸盐浓度超过w h o 饮用水硝酸盐含量5 0 m g l 标斛2 4 1 。在英国1 9 7 0 年超过1 1 3 0 m g l ，1 9 8 0 年约为9 0 m g l ，虱j 1 9 8 7 年达1 4 2 m g l 【2 5 】；美国许多地区地下水中硝酸盐平 均每年增长0 8 m g l ，硝酸盐已成为美国地下水一大污染物；德国有5 0 农用井水硝酸 盐的浓度已超过- j 6 0 m g l 。 1 2 2 氮污染产生的原因 地下水中氮污染来源复杂，既有天然来源，又有人为源【2 6 1 。氮的人为来源很多，主 要是化学肥料、农家肥、生活污水及生活垃圾。农业肥料是地下水的重要污染源，所以， 城市化的结果必然会导致地下水中氮的污染，例如我国的北京、西安、沈阳、开封等一 些古老的大中城市，无一例外地出现地下水中硝酸盐氮污染2 7 1 。世界各国农业区由于施 用大量的含氮化肥，未达标排放及其渗漏的生活污水和含氮工业废水，不合理的回灌， 及被淋滤下渗的固体废弃物，以及超量开采地下水等导致地下水中硝酸盐氮浓度呈上升 趋势，成为一个重要的环境问题。 冯兆忠等【2 8 1 在研究河套灌区地下水氮污染状况中发现，井水中的n 0 3 - - n 主要来自氮 肥与动物粪肥，施肥是地下水n 0 3 - - n 浓度增高的主要原因之一。高旺盛等【2 9 】在黄淮海平 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 3 0 l 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，由于蔬菜普遍存在过量施肥的现象，土壤中硝酸盐氮残留量大，造成土壤中的硝酸 盐氮极易淋洗下渗污染地下水。 第一章绪论 世界卫生组织( w h o ) 调查研究表明世界范围内导致地下水硝酸盐污染的主要原 因是农业用地中化肥的过量使用【3 l j ；瑞典最南端的谢夫灵厄流域，有总输入氮量8 4 8 7 是来自农业的。瑞典西海岸的拉霍尔姆湾，河流中的氮素有6 0 来自农业；j o l l e y l 3 2 l 对农业土壤中氮的转化途径研究结果表明：当施用量过大时，玉米带走的氮素会大量减 少，土壤中氮素的残留量会有较多的增加，直接威胁地下水的质量。l i n 和d o r a n t 3 3 】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【3 4 】报道，在15 。c 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。 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铵的氧化【3 5 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于自养硝 化细菌对酸性环境的适应【3 6 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【37 j j 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【3 引。 1 3 论文研究内容及方法 已如前述，本文的研究内容是基于长安大学承担的“1 1l ”项目及“提高大型灌区 水资源利用效益，促进社会主义新农村建设的试验与示范”项目，前期工作主要是调查 灌区内的自然地理、水文地质、地貌等环境概况，收集已有的地下水水位、水质、工农 业概况等资料。根据取样要求在灌区内布点，然后采集地下水水样及土壤样品，并对水 样和土样进行三氮及常规离子项目的测定，最后对测定结果进行整理和分析。本文研究 内容包括以下几个方面： ( 1 ) 根据2 0 0 9 年11 月泾惠渠灌区地下水的水质分析数据，分析泾惠渠灌区在2 0 0 9 年1 1 月地下水中氮的污染现状。 ( 2 ) 根据泾惠渠灌区1 9 9 0 年，2 0 0 8 年及2 0 0 9 年的地下水水质资料，利用s u r f e r 软件 生成各年氮素分布的等值线图，研究其演化规律特征和影响因素。 ( 3 ) 根据2 0 0 9 年1 1 月泾惠渠灌区地下水的水质分析数据，应用s p s s 等软件分析三 氮受水文地球化学的影响因素。 ( 4 ) 根据剖面土样分析数据，研究泾惠渠灌区地下水中氮的来源。 4 本文以陕西泾惠渠灌区为研究对象，在收集国内外研究资料的基础上，结合本地实 际调查情况，确定采样位置和数量，野外采取水样与土样，在室内进行相关指标的检测 分析。通过各种相关性分析研究其来源及影响因素，针对三氮污染现状提出地下水三氮 污染的防治措施。其技术路线流程图如下： 图1 1 研究技术路线流程图 6 长安大学硕士学位论文 2 1 自然地理概况 第二章泾惠渠灌区概况 泾惠渠灌渠位于陕西省关中平原中部，包括咸阳市泾阳县、三原县以及西安市高陵 县、临潼区和阎良区。西邻泾河，南依渭河，东傍石川河，三河环绕，内有清峪河横贯。 灌区东西长约7 0 k i n 。南北宽约2 0 k i n ，灌溉设施面积1 3 5 5 万亩，有效灌溉面积1 2 5 9 万亩。 图2 1 泾恿渠灌区总体行政区划图 ( 1 ) 地形地貌 泾惠渠灌区由陕西省泾阳县泾河仲山口引水，取水工程位于张家山，属自流灌溉。灌 区西部边界为泾河，西北一东南流向，南部边界为渭河。地势自西北至东南倾斜，地面坡 降1 3 0 0 - - 1 6 0 0 ，属于典型的北方平原灌区。灌区内地势平坦，土壤肥沃，气候怡人，农作 物以小麦、玉米、棉花、蔬菜为主，是陕西省乃至全国的重要粮菜基地。 ( 2 ) 水文气象 泾惠渠灌区位于暖温带半湿润大陆性季风气候区，雨热同期，夏季气温高，降水多而 集中；冬季干燥寒冷，降水稀少。多年平均降水量5 3 8 9 r a m ，全年降水量集中在7 - 9 月份， 达到5 0 0 , 4 ，多雨年和少雨年最大差值可达5 9 0f i l m ，降水年际变化很大。多年平均蒸发量 7 第二章泾惠渠灌区地质环境特征 1 2 1 2 m m ，年平均相对湿度7 0 左右，年平均风速1 8m s ，年平均气温1 3 4 。c ，无霜期2 3 2 天，总日照时数2 2 0 0 小时，灌区内泾阳和三原的气候特征值如表2 1 所示： 表2 1 三原、泾阳气象特征表 年降水( m m ) 平均蒸发平均年气平均日照平均风速年总辐射 地区 平均最少最多 量( m m )温( ) ( h )( m s ) 千卡c m 2 三原5 5 23 8 3 7 1 8 1 3 2 2 2 4 42 0 1 1 7 4 泾阳5 5 l3 4 9 8 3 01 7 1 01 3 12 1 4 92 1 1 1 4 6 注：引自泾惠渠灌区浅层地下水资源调查研究成果报告 ，、2 5 0 0 暑 32 0 0 0 趔1 5 0 0 q 礁1 0 0 0 靶5 0 0 嚏= 篷0 年份 一降雨量蒸发量 图2 21 9 6 0 1 9 9 9 年泾惠渠灌区降雨量蒸发量年际变化曲线图 2 2 灌区地质地貌概况 2 2 1 灌区地质构造 泾惠渠灌区位于关中地堑的北部口镇关山断层分界线南侧。新生代以来强烈沉降，沉 积了巨厚的第四纪松散沉积物。由北向南地质构造单元依次为咸渭断裂、泾阳一三原断阶、 固市凹陷。由于本区地处秦岭纬向构造带、祁吕贺山字型前弧东翼及新华夏系等构造体系的 复合部位，因此基底构造形迹复杂，断裂发育，且大部隐伏于地下，如鲁桥断裂、泾河断裂、 三原断裂等。基底构造的特点多为北升南降呈高角度阶梯式不对称的段陷盆地。 2 2 2 灌区地貌 地貌单元可划分为泾、渭河河漫滩，泾渭河一级阶地，泾渭河二级阶地，泾河三级 阶地，其中以二级阶地分布面积最大，占总面积的9 0 左右。土壤属第四纪沉积黄土， 8 长安人学硕f t 学位论文 土层深厚，上游及泾渭河沿岸多为轻壤土，中下游以中壤土为主，含盐量0 1 - - - 0 30 0 1 4 4 1 。 对第四季的岩相变化，沉积厚度及地貌景观具有控制作用【3 9 】。 潜水含水岩组的形成、分布、岩层相变及厚度变化主要受基底地质构造和地貌单元 控制。因此，以地貌单元作为划分“区”的依据，以含水岩组的单位涌水量、含水层的 结构、渗透性能、地下水埋藏深度，补给及排泄条件等因素作为划分“亚区”的依据。 含水层富水性划分等级如下表： 表2 2 含水层富水性划分等级表 富水性分级单位涌水量( t h m ) 极强富水性2 0 - - 4 0 或 4 0 强富水区1 0 2 0 富水区 5 1 0 中等富水区 ll 5 弱富水区 0 5 l 极弱富水区 0 1 0 5 贫水区 1 0 0 黄土及老黄- t - ( 厚度大) 区( 以，) l o l ，； 、阳 、 、 临一么 圈饲、心一哈。5 高。1 泣羽 一县界u 孓k 。、f 、 葭 【、 泾河二级阶地东北秘富水重区 渭河二级阶地中等富水重区 泾河漫滩及一缎阶地曩富水受区 渭河漫滩及一级阶地蛋富水王区 比饲尺 图2 3 灌区水文地质分区图 2 3 灌区地下水补给、径流、排泄条件 2 3 1 补给条件 本区在长期灌溉作用的影响下，水位埋深较浅，其主要有两种补给源：一是大气降 水的垂直渗入补给；二是灌溉渠系及田间入渗补给( 其中包括井灌回归量) 。 ( 1 ) 大气降水的垂直入渗补给：降水对潜水含水层的补给强度与降水量、持续时间、 地层岩性及结构、地貌单元及潜水位埋深等因素有密切关系。入渗补给强度与雨量分布 规律一致。 在灌区运行初期，由于潜水水位埋藏一般较浅，降雨对潜水的补给作用比较明显并 且迅速，滞后时间短，在降雨集中期，对潜水补给作用较大。其他条件大体相同的情况 下，降雨对地下水补给作用的大小与潜水埋深有密切关系。因为降雨首先要经过包气带 土壤并补充其水分的不足，其达到最大持水度后，多余的水才能在重力作用下垂直入渗 到潜水位，故当潜水位埋深较大时，上部岩层空隙所能持蓄的水量则多，相应下渗量则小， 反之则大【删。 由于灌区表层岩性变异较小，降雨入渗作用及入渗速度主要随潜水位埋藏深度的增 加而变小和缓慢。根据可靠资料分析，降雨入渗补给系数( a ) 与潜水位埋深( ) 成 曲线变化关系。一般情况下当潜水水位埋深a 2 - - 3 米时，a 值随值的减小变化比率 第二章泾惠渠灌区地质环境特征 增大；当潜水水位埋深 2 3 米时，a 值随值的增大而逐渐减小【4 0 1 。 ( 2 ) 地表灌溉水的垂向入渗补给：灌区自运行以来，多年平均引水量超过4 亿m 3 ， 干支渠在长期输水过程中发生的不同程度渗漏，直接补给潜水。本地区在开灌之前，潜 水位埋藏较深( 般均在1 5 - - 3 0 米) ，引水灌溉以后，潜水位急剧上升。7 0 年代后，由 于灌溉水入渗补给量过大，只能通过调节潜水位动态变化，使其基本处于平衡状态，但 丰水年份和丰水期，潜水水位还会呈现上升趋势。 灌区内农田灌溉方式为渠井双灌，灌水定额较高，田间灌溉水渗漏成为潜水的重要 补给源。因此，在干旱年份和枯水季节，潜水也能得到相当数量的灌溉入渗水补给。潜 水位在冬、春灌季中处于高水位期，此时灌溉水对潜水的补给较多。 2 3 2 径流条件 泾惠渠灌区位于泾河以东，关中东部的西界，北临黄土台垣。主要分布为泾、渭河 河流阶地，潜水的径流方向主要受地形、深切河谷的控制，灌区中部偏北地区，清峪河 由三原县城西北进入区内，沿近东西走向发育至灌区东部边缘汇入石川河，河谷下切深 入西部大较，约有4 0 余米，愈向下游愈浅，至下游入河处，仅有2 0 余米。一般均切穿到 潜水位以下，成为清峪河北侧及南侧局部范围( 3 0 0 - 6 0 0 米) 潜水排泄的通道，并以浸润 溢出为主要排泄形式。区内上游水力坡降大( 3 9 2 o - - - - 6 o ) ，渗径短，地层颗粒粗，透水 性强，潜水径流畅通；下游水力坡降较为平缓( 1 2 5 o - - - 2 5 ) ，渗径长，地层颗粒较细， 透水性较上游微弱，潜水径流及水循环交替作用与上游相比较差。由于灌溉、开采等因 素的影响，促进了潜水循环交替作用的加强，表现在七十年代后期潜水水位下降及水质 的恶化m 1 。 2 3 3 排泄条件 地下水的排泄途径可分为垂直排泄和水平排泄。潜水的排泄方式主要有补给河水以 及人工开采。承压水的排泄方式主要有向潜水含水层排泄、以泉水形式向河谷排泄。 垂直蒸发排泄：潜水蒸发是浅层地下水消耗的重要途径，潜水蒸发主要是通过 包气带岩土水分蒸发和植物的蒸腾来完成的。其蒸发的强度、蒸发量的大小与气象条件、 潜水埋藏深度及包气带的岩性有关。气候愈干燥，相对湿度愈小，岩土中水分蒸发便愈 强烈，而且蒸发作用可深入岩土几米甚至几十米。灌区潜水埋深较浅的地带，垂直蒸发 作用比较强烈，是潜水的主要排泄途径。 水平排泄：灌区内潜水以径流的方式分别向清峪河、泾河及渭河排泄。在灌区 1 2 长安大学硕+ l 学位论文 中下游，沿泾、渭河边缘地带、汛期河水高水位期河水对潜水产生 很少。由于泾惠渠灌区潜水开采程度较高，地下潜水位下降幅度较 的排泄方式以垂直排泄方式为主，水平排泄方式为辅。 人工开采：随着工农业的快速发展，灌区自7 0 年代以来， 地下水丌采量逐年递增。根据1 9 7 7 年1 9 8 8 年的统计，年平均潜 m 3 ，人工开采逐渐成为潜水的主要排泄途径。 2 4 社会经济概况 2 4 1 农业概况 灌区耕地面积1 3 6 9 万亩，人均耕地1 3 8 亩，人均水田1 2 7 亩。农业总产值3 6 4 4 亿元，粮食亩产平均5 6 0 k g 左右，总产6 9 4 3 万吨。泾惠渠灌区以全省2 4 的耕地，生 产出了全省5 7 的粮食【l 】【4 1 1 。 泾惠渠灌区的粮食作物以小麦和玉米为主。果业以苹果为主，另外，灌区种植有桃、 杏、葡萄等杂果超过1 0 万亩，水果总产量达到1 0 万吨。以蔬菜种植为主要产业的泾阳县 被农业部确定为我省唯一国家级蔬菜标准化示范县。 畜牧业在灌区有悠久的发展历史。其中泾阳县兴隆镇人口1 6 9 0 0 人，养牛1 6 6 0 0 头， 基本上人均一头牛，已经成为我省奶牛存栏最多的一个乡镇，是陕西省有名的奶源基地。 至u 2 0 0 6 年全县大家畜存栏7 7 6 0 0 头，其中奶牛存栏7 0 6 0 0 头，生猪存栏l8 2 万头，奶羊存 栏1 1 1 万只，奶类产量达至1 2 3 4 万吨。 灌区主要使用氮肥、磷肥、钾肥和复合肥4 种化肥，其中氮肥使用量最大。化肥的 大量使用，虽然提高了农作物产量，但有一部分化肥不能被农作物吸收，随水土流失进 入水体，造成地表水和地下水污染。本文统计了高陵地区化肥及农药使用情况，列表如 下： 第二章泾惠渠灌区地质环境特征 表2 4 高陵地区化肥及农药使用情况调查表 2 0 0 l 2 0 0 2 2 0 0 3 2 0 0 4 1 1 3 9 l 1 1 6 3 0 1 1 4 7 6 l1 1 3 5 2 6 4 6 2 6 1 6 2 3 3 8 2 5 1 3 1 5 6 7 1 6 3 8 1 3 3 0 1 7 3 7 3 1 7 6 3 8 1 54 4 5 4 6 7 22 3 8 5 3 9 33 1 3 2 2 1 8 3 4 2 2 9 5 5 2 1 7 4 6 引自：泾惠渠灌区农业生产资料使用情况调查 表2 5 不同氮肥含氮量统计表1 4 2 i 化肥名称氮含量( )化肥名称氮含量( ) 尿素 4 5 4 6 硫硝酸铵 2 5 2 7 复合肥 3 0 3 3硝酸氢钙1 3 氯化铵 2 4 2 6 硫酸铵 2 0 2 l 碳酸氢铵 1 7硝酸铵3 2 3 4 2 4 2 - i - 业概况 近来来，灌区内工业迅速发展。三原县积极发展以肉类加工为龙头的的食品工业。 食品机械制造业、饲料加工业在该地区的工业发展中也占有很大的比例，主要产品有： 饲料产品1 2 万“a ，乳品5 9 1 6 t a ，中成药7 4 4 2 1t a ，全年的工业产品销售率达9 2 1 5 ，2 0 0 6 年三原全县工业发展增加值1 5 5 亿元，比上年增长2 0 7 。 1 4 长安人学硕上学位论文 第三章泾惠渠灌区地下水中氮的存在形式及特征 3 1 灌区地下水中氮的存在形式及特征 地下水中的溶解氮除t n 0 3 - 外，还有n h 4 + 、n 0 2 、n h 3 、n 2 、n 2 0 和有机氮。 其 n 0 3 、n o z 和n h 4 + 以离子的形式存在，是地下水中氮的主要存在形式，也就是所谓 的“三氮”，n h 3 、n 2 和n 2 0 以溶解气体的形式存在，而有机氮则赋存于水中的有机 质里。 灌区地下水氮的形成、存在形式以及富集情况是该地区自然地理条件、水文地质条 件和经济条件的综合作用，是对氮转化程度和氮所处环境的综合反映。因此，对泾惠渠 灌区地下水中氮的存在形式的研究有利于加强对该地区氮转化过程以及影响因素的了 解。 本次对泾惠渠灌区地下水中三氮的分析主要依据对水质资料的分析，其水质采样点 的分布情况见图3 1 。 图3 1 泾惠渠灌区采样点分布图 对水质点数据进行分析，发现有9 4 的水质点硝酸盐氮含量占总氮含量9 0 以上。 有6 的水质点铵氮含量占总氮含量的1 0 以上，分布在临潼的东南部位。所有水质点 中检出来的亚硝酸盐氮在总氮中所占的比例均不大，其中有1 3 个水质点检出来的亚硝酸 第三章泾惠渠灌区地下水水质现状 氮含量几乎为零。 氮在地下水中的主要存在形式是铵氮、硝酸盐氮和亚硝酸盐氮，另外还有溶解于水 的气态氮( p h n 2 、n 2 0 ) 和有机氮。根据泾惠渠灌区地下水中三氮的数据分析，得出三 占总氮含量的百分比，见图3 2 。 口硝态氮 一、i e 硝态氮 团氨氮 图3 2 泾惠渠灌区地下水中三氮含量百分比图 从三氮平均含量看，由图3 2 可知，灌区地下水中的氮主要是以硝酸盐氮的形式存在， 占总氮含量的9 5 2 5 ，亚硝酸盐氮含量最低，仅占总氮的0 6 7 ，铵氮只有少数地区含 量高一些。 综上所述，泾惠渠灌区地下水所处的环境有利于硝化反应的进行以及n 0 3 - 的存在； n 0 2 在三氮的转化过程中属于中间产物，因此其存在较少；由于n h 4 + 不能长距离迁移， 所以采样点中只有少数水质点所处环境中的n h 4 + 含量偏高。 3 2 灌区地下水中三氮的空间分布特征 3 2 1 灌区地下水中三氮的统计特征 统计水质分析资料，灌区地下水中三氮含量特征如下表3 1 。 1 6 长安大学硕士学位论文 表3 1 泾惠渠灌区地下水中三氮含量特征表 灌区4 7 个地下水采样点中n 0 3 。、n 0 2 s n n h 4 + 的变化范围都比较大。它们的最大值和 最小值之间的差值分别为4 1 3 8m g l 、0 2 3 1 3m g l s n 0 4 2 7 8m g l 。 硝酸盐氮变异系数为7 6 1 2 6 ，亚硝酸盐氮变异系数为l7 4 3 0 6 ，铵根离子变异系 数为6 1 6 9 2 ，均属于强变异项目。这表明，灌区地下水中三氮含量的空间分布具有明 显的异向性，以亚硝酸盐氮的异向性最强。表明了n 0 3 - 迁移过程比较稳定，n 0 2 - 最不 稳定，n h 4 + 最稳定。 对人体危害较大的硝酸盐一直以来都是各地研究的重点。综合考虑世界卫生组织 ( w h o ) 饮用水准则中的规定硝酸盐的含量不得超过1 0m g l ，以及我国的生活饮用水标 准的规定硝酸盐的含量不得超过2 0m g l 。采用刘宏斌等【4 3 】的分级方法，将地下水质量 分为5 个等级，见表3 2 ： 表3 2 泾惠渠灌区地下水中硝酸盐含量等级统计表 根据表3 2 采样点的数据统计，泾惠渠灌区地下水中硝酸盐含量有相当一部分超出了 w h o 准则中的标准，其水样点占总体的2 7 6 6 。另外，含量在2 4m g l 和4 - - 1 0 m g l 范围内的水质点分别占了2 1 2 8 和3 1 9 1 。达到w h o 标准的水样点占总样点的7 2 3 4 ，符合我国的生活饮用水标准的样点占总样点的9 1 4 9 。 1 7 第三章泾惠渠灌区地下水水质现状 3 2 2 灌区地下水中三氯的空间分布特征 ( 1 ) 硝酸盐氮 根据灌区地下水中各采样点硝酸盐氮的含量，利用软件s u r f e r 生成硝酸盐氮的等值 线，如图3 3 所示： 图3 3 灌区地下水中硝酸盐氮分布特征图( 单位。m g ，l ) 由图3 3 可知，泾惠渠灌区硝酸盐氮含量的分布以几个高值点为中心。一个是在三原 与阎良交界处义和村附近为中心；一个是在泾阳县西河滩附近为中心；还有一个是在高 陵的东南角北田附近为中心。在这三个高值点中心附近硝酸盐污染比较严重，均已超过 我国的生活饮用水标准( 小于2 0 m g l ) ，其中阎良与三原交界处污染最为严重。除了这三 个高值点附近其它地区硝酸盐含量都不高，污染比较轻微，尤其是在临潼的东南角硝酸 盐含量最低，这些地区硝酸盐的含量符合我国的生活饮用水标准。 ( 2 ) 亚硝酸盐氮 根据灌区地下水中各采样点亚硝酸盐氮的含量，利用软件s u r f e r 生成亚硝酸盐氮的 等值线，如图3 4 所示： 1 8 图3 4 灌区地下水中亚硝酸盐氮分布特征图( 单位：m g ，l ) 泾惠渠灌区地下水中亚硝酸盐氮的分布主要集中在以泾阳县的建立村一泾阳与三 原交界的街子村为中心线，呈对称分布；另一个是在三原县的杜家村附近为中；还有一 个是在临潼的滩张村附近为中心，形成一个小范围的污染区。 根据地下水质量分类标准( g b p t l 4 8 4 8 9 3 ) 水质指标，选取水质标准第三类作 为水质评判标准，亚硝酸盐氮的质量浓度郢0 2m g l 。各采样点的超标情况见图3 5 。 ll - l l 。_ 一 一- 。 奏菱奏萎奏羹羹羹奚菱羹羹羹萎 采样点 亚硝酸盐氮浓度 图3 5 采样点亚硝酸盐氮浓度分布特征图( 单位tm g ，l ) 1 9 j l苫ox i- 厂lli卜l卜lrl厂lir幢一00x m挖加他屹m吣舛g o o o 0 o 0 0 o o o o o o 曾世疑塘耀键普茸 第三章泾惠渠灌区地下水水质现状 由图3 4 、图3 5 知，n 0 2 - n 含量共有l o 个采样点不符合：地下水质量分类标准 ( g b p t l 4 8 4 8 9 3 ) 水质指标三类水质评判标准，均分布在上面所述的高值点为中心的区 域。亚硝酸盐氮作为硝化过程的中间产物，一般情况下不发生积累，只有在一定的特殊 条件下，比如氧化还原环境的临界状态或是铵氮含量过高，抑制了亚硝酸盐氮向硝酸盐 氮的转化过程，亚硝酸盐氮才有可能积累，对地下水造