保定府河下游两岸浅层地下水水质时间变异特征分析

韩亚坤，杨路华，柴春岭，马文超(.河北农业大学城乡建设学院，河北 保定 07000；.天津农学院水利工程学院，天津 0084；.河北水利电力学院，河北 沧州 0600)

地下水是水资源的重要组成部分，华北平原地区接近70%的饮用水来自地下水[1]。据统计2000年华北平原浅层地下水开采量为178.40亿m3/a，占地下水总开采量的84.2%[2]。因此对地下水水质的分析是确保农业生产和人类健康的保障。很多学者对浅层地下水质进行评价分析，例如张敏[1]运用内罗指数法、模糊数学、主成分分析的方法对德阳市平原区浅层地下水环境质量进行评价，为研究德阳市浅层地下水污染机制提供依据；张晓琳等[3]对大兴区浅层地下水的主要污染物进行时空动态及原因分析，得出近十几年来地下水水质有恶化的趋势，农业面源污染的加剧成为水质恶化的主要影响因素之一；Samuel Y.[4]等人对加纳东部岩石区进行了地下水水质评价，认为大部分硝酸盐严重超标区域且PH值偏酸性；范廷玉[5]用多种评价方法对采煤沉陷区地表水和地下水评价得出水质变化特征；王李云[6]揭示了重庆市涪陵区丛林乡浅层岩溶地下水质的时空变化规律及其与自然因素和土地利用结构的内在关系。本文对府河下游两岸农田的浅层地下水进行时间变异性分析，力在讨论府河和农田土地的利用对两岸浅层地下水质的影响，为府河下游农业灌溉可持续发展提供帮助。

1 材料与方法

1.1 研究区范围与样点布设

(1)研究区范围及概况。府河全长35 km水质保护目标为4级，研究区范围是府河下游安新县白庄村至安新县大桥长度共9 km的河道两岸的农田。研究区属于淀西冲洪积平原区，通过图1 研究区数字高程图可以看出西北高东南低，高程范围在6～9 m之间；并且属于暖温带季风型大陆性半干旱气候，多年平均降水量560.7 mm；土地利用类型主要包括林地、耕地、城镇及居民点、裸地、水域5类，其中耕地占很大比重；种植结构以小麦、玉米为主，属于保定东部粮食主产地之一。

(2)样点布设。试参照《水环境监测规范》(SL 219-2013)以及前期调查资料分析，使用ArcGIS从河北DEM图中提取出研究区的DEM图，如图1。研究区地势总体比较均匀，中部土地利用类型主要以耕地为主，所以样点浅水观测井选取在研究区的中部农田中，观测井共8眼，井深均在50 m以上，府河南北岸各4眼井，均按菱形布置且纵向垂直河道，横向布置的平行河道，相邻的观测井的间距是100 m。通过GPS定位得到观测井位置大致在东经115°50′0″、北纬38°80′0″。

图1 研究区高程图

根据试验目的需要每次取样间隔是一星期每个月采样4次，采样持续时间是在2015年5月-2016年4月共一周年，在每次采样同时监测井的水位。

1.2 样品测定与分析方法

检测和采样过程严格按行业规范进行质量控制，尤其地下水样品采集过程严格参照国际规范和做法，同时按照地表水采样规范采集浅层水观测井对应府河段的河水，样品在低温保存下，取回的浅水样品在实验室进行检测，检测水质参数指标包含4项：氨氮(NH+4-N)、磷酸盐、硝酸盐氮(NO-3-N)、亚硝酸盐氮(NO-2-N)，检测仪器选用XZ-0142型多参数水质分析仪。

对8个浅层地下水观测井和府河观测点每月的4次监测的4项指标参数值分别作算数平均，然后再按季作算数平均，最后用SPSS19.0软件对整理的指标数据描述性统计分析，得出按月和季节分类后的4项指标的均值、标准差，得出变异系数；然后对应《地下水环境质量分类标准》(GB/14848-93)[7]采用单因子评价指数法对4项指标在不同的月份进行水环境质量评价，但是评价时需要确定评价对象水体的水域环境功能，以确定计算时运用的数据属于几级标准，项目评价区域主要为农业区，地下水拟执行地下水环境质量标准中Ⅳ类标准。

2 分析与结果

2.1 水质参数的描述性统计分析

对研究区浅水观测井水质指标参数，进行描述性统计分析，结果见表1。从平均值看，根据《地下水环境质量分类标准》(GB/14848-93)[7]，氨氮为2.306 mg/L超过Ⅴ类标准4.6倍、硝酸盐氮为10.869 mg/L属于Ⅲ类水质、亚硝酸盐氮为0.111 mg/L属于Ⅴ类水质。除了硝酸盐外另外两个水质指标参数均为重度污染。

表1 地下水质量分类指标 mg/L

表2 水质参数月描述性统计

表3 水质参数季节描述性统计

从极值看，4项地下水水质参数质量浓度值检测中，氨氮、硝酸盐、磷酸盐月平均浓度值在1月份最小，硝酸盐月平均浓度在11月份相对最小；从季节平均浓度值看在冬季时氨氮、硝酸盐、磷酸盐相对最小，硝酸盐在秋季相对较小，与月份统计相对应。氨氮月平均浓度在11月份时相对最大，季节平均浓度最大值在秋季；硝酸盐月平均浓度在7月份时相对最大，季节平均浓度相对最大值在夏季；亚硝酸盐和磷酸盐月平均浓度都是在4月份时相对最大，季节平均浓度相对最大值都是在夏季。

根据变异性分级标准：变异系数小于10%为弱变异，变异系数为10%～30%为中等变异，变异系数大于30%为强变异[8]。在水质参数的月与季节的平均浓度值中，只有硝酸盐氮含量变异性相对较小属于中变异性(Cv月硝酸盐氮=16.57%、Cv季硝酸盐氮=12.65%)，这是因为硝酸盐相对稳定的原因；氨氮含量、亚硝酸盐、磷酸盐含量为变异性很大属于强变异性(Cv月氨氮=81.37%、Cv季氨氮=45.67%、Cv月亚硝酸盐=57.06%、Cv季亚硝酸盐=52.18%、Cv月磷酸盐=101.14%、Cv季磷酸盐=92.73%)，尤其是磷酸盐变异性尤为突出。这些水质指标含量的时间强变异性，正是由于浅层地下水补给和排出的多重变化和不同时期不同因素权重影响变化导致了受污染情况的差异，同时每项指标自身的化学性质也决定了其浓度随外界因素的变化。

从月描述性分析的偏度看，除硝酸盐(α氨氮=0.193)项小于零外，其他3项均为正值，即硝酸盐属负偏斜，其他3项属正偏斜；硝酸盐项月平均浓度值相对较小的占大比重，而其他3项月平均浓度值相对较大的占大比重，以氨氮最为突出；从峰值看，表2中β月亚硝酸盐<β月磷酸盐<0<β月硝酸盐<β月氨氮，各项指标对应的正态曲线均比较分散，亚硝酸盐和磷酸盐属低峰态，硝酸盐和氨氮属于高峰态；氨氮项分散程度最强，其他3项峰态相对明显。

从季节描述性分析的偏度看氨氮和磷酸盐项为正值，硝酸盐和亚硝酸盐为负值，就是说氨氮和磷酸盐在夏季末和秋季出现极端浓度值的概率较大，硝酸盐和亚硝酸盐在夏季初出现极端浓度值的概率较大。从峰值看亚硝酸盐为正值外其他都为负值，并且<β季节磷酸盐<β季节硝酸<β季节氨氮，磷酸盐峰值绝对值最大分散程度也就最强。

2.2 府河与观测井水质参数的关系分析

浅层地下水直接接受大气降水、河流地表水、灌溉回渗等入渗补给输入，通过蒸发、人工开采、侧向径流等排泄输出。研究区域是府河下游两岸农田，所以研究区的浅层地下水水质很容易受到府河的影响。将府河与浅层水观测井的4项指标浓度值按月取平均后做成各项指标与月份的关系曲线(如图2-5)。

图2 氨氮月平均浓度值变化图

图3 硝酸盐月平均浓度值变化图

图4 亚硝酸盐平均浓度值变化图

图5 磷酸盐月平均浓度值变化图

从4项指标参数曲线图中通过浅层地下水水质与府河水质的对比，可以发现府河水质参数指标变化趋势与潜层水观测井水的水质变化趋势大体一致，但在个别时期还是存在着差异，如氨氮在2015年的5、6、7月份府河水质是逐渐上升的而井水水质却缓慢降低，这是因为这三个月份随着温度的上升作物生长加快吸收无机盐较多，同时土壤的硝化反应加快，使土壤中的氨氮转化成亚硝酸盐，亚硝酸盐再转化成硝酸盐这也是图2中硝酸盐在5、6、7月份上升的原因；在2016年11和3月份的前后浓度值突然增大是因为11月份和3月份均对农田施肥加氮肥并且灌溉作物，灌溉水携带地表残留化肥和农药回渗到浅层地下水中，也是后期硝酸盐浓度相对增长的原因；图4的亚硝酸盐曲线也有着与氨氮相同的变化规律，这也跟人类农业生产活动影响有着很大关系，并且亚硝酸盐的变化曲线相对于氨氮有一定的滞后性且亚硝酸盐曲线的瞬时变化幅度大于氨氮曲线，是因为亚硝酸盐转化为硝酸盐的速率大于氨氮转化为亚硝酸盐的速率；图3中井水硝酸盐浓度曲线在府河硝酸盐浓度曲线上方，是因为土壤中有硝化细菌可以将亚硝酸盐和岸类转化为稳定的硝酸盐；井水磷酸盐主要是因为府河的影响。

从图中还可以看出井水水质变化趋势对于府河水质变化存在着明显的滞后性，尤其是在枯水期，农业生产活动、和大气降雨较少的情况下府河是影响两岸浅层水水质的主要因素。

2.3 浅层地下水质评价

根据《地下水环境质量分类标准》(GB/14848-93)[7]采用单因子评价指数法对氨氮、硝酸盐、亚硝酸盐3项指标作为评价因子按月份进行水环境质量评价，评价结果见表4。

表4 地下水水质单因子评价结果Tab.4 Results of The single factor evaluation method in shallow underground water

在评价中冬季水质相对较好，夏季较差，在1、2月份水质类别可达到Ⅳ级，夏季的6、7、8月份水质都远超过Ⅴ类水质指标。从而可见府河两岸浅层地下水水质污染比较严重，受府河影响较大。

3 结 语

通过单因子评价法对监测指标参数进行水质评价，得出除了1、2月份为Ⅳ级外其他月份均属于Ⅴ类水质，可见府河两岸农田浅层地下水受到严重污染，不宜引用，但他用水可根据使用目的选用；并且在一年内4项指标参数，除了硝酸盐浓度属于中等变异性外，氨氮、亚硝酸盐、磷酸盐变异性巨大，主要是受府河水质、季节变化、农业生产活动影响。为此对府河水质治理合理使用化肥、农药是保证下游农业生可持续发展的前提，通过分析为府河下游两岸农田地下水治理提供依据。

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[1] 张 敏. 德阳市平原区浅层地下水环境质量研究[D]. 成都：成都理工大学,2014.

[2] 周晓妮. 华北平原东部典型区浅层地下水化学特征及可利用性研究[D]. 北京：中国地质科学院,2008.

[3] 张晓琳,蒙格平,孙 美,等. 北京市大兴区浅层地下水水质时空变化分析[J]. 中国农村水利水电,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. 潘谢采煤沉陷区地表水与浅层地下水转化及水质特征研究[D]. 安徽淮南：安徽理工大学,2013.

[6] 王李云. 农业土地利用对岩溶地下水质的影响研究[D]. 重庆：西南大学,2008.

[7] GB/14848-93，地下水环境质量分类标准[S].

[8] 张 征,赵俊琳,陈家军. 地下水环境模拟中空间分布参数的结构分析[J].勘察科学技术,1999,(1):30-36.