晋江市浅层地下水硝酸盐含量时空分异研究

黄耀裔，邱伟鹏，许妙琼

(泉州师范学院资源与环境科学学院，福建 泉州 362000)



晋江市浅层地下水硝酸盐含量时空分异研究

黄耀裔，邱伟鹏，许妙琼

(泉州师范学院资源与环境科学学院，福建 泉州 362000)

地下水中的NO3--N污染已是目前面临的一个环境问题，为了解晋江市浅层地下水中NO3--N污染的时空变化，分别采集测试2004年和2014年浅层地下水中NO3--N含量，结果表明NO3--N污染有加剧的趋势。利用地统计与GIS技术结合构建NO3--N的空间分布，从空间视角分析境内NO3--N污染的具体位置。结果可为有关部门在今后的环境评价和污染防治等方面提供参考依据。

硝酸盐；浅层地下水；地统计；晋江市

地球上可供使用的淡水资源中68%左右自于地下水[1]，由于地表水污染越来越严重，使得对地下水的需求增加。由于硝酸盐(NO3--N)是进入地下水中最频繁的污染物质之一[2]，因此地下水中NO3--N污染逐渐受到人们的重视，美国、加拿大、欧洲、俄罗斯、荷兰等国家对地下水中NO3--N含量的调查结果显示其含量正逐渐上升，部分地区甚至超过世界卫生组织推荐的限值数倍[3]。NO3--N地下水污染同样在我国也较为突出，在安徽省淮北平原大部分地区地下水三氮检出率近100%，而河南省的安阳等食管癌高发区地区调查结果发现饮用水中的“三氮”及亚硝胺含量存在密切关系[4]等。NO3--N污染与人类健康关系成为目前国内外的研究重点，医学研究表明过度摄取NO3--N可会人体造成危害，当饮用含高浓度NO3--N的水后在体内能经硝酸盐还原菌作用转化为NO2--N，可导致高铁血红蛋白症、消化系统癌症等疾病[5]；瑞典曾对多位癌症患者致病因进行分析结果发现其中因饮用高NO3--N含量的地下水诱发病因[6]；婴幼儿食用了含NO3--N的食品或水后可导致“蓝婴症”[7]等，表明防治NO3--N污染已经是当务之急。

晋江市是福建省的水资源贫乏区，人均水资源量不到福建省人均1/10。据《福建省晋江市地下水资源调查评价报告》，平水年地下水天然补给量7 461万 m3，允许开采量6 087万 m3，现状开采量为5 500万 m3，全市地下水采补总体平衡。其中2010年主要用水位人均综合用水量为343 m3，万元GDP用水量75 m3工业万元总产值用水量22 m3，工业万元增加值用水量82 m3，农田实灌亩均用水量654 m3，农田有效灌溉亩均用水量456 m3，城镇人均生活用水量282 L/p·d，农村人均生活用水量107 L/p·d。经对研究区实地调查，浅层地下水仍是晋江市居民的主要生活饮用水水源之一。通过2004年与2014年对晋江市浅层地下水NO3--N含量情况进行现状调查，调查分析NO3--N是否有加剧污染趋势，可为今后对其环境评价和污染防治等提供决策参考。

1 自然经济概况

晋江市主要位于我国东南沿海的福建省泉州市境内，晋江流域的下游南岸，倚山临海，地理位置优越。地质条件属闽东滨海加里东隆起带。地势由西北向东南倾斜。地貌以台地平原为主，丘陵多为低丘，呈条带状或弧丘状分布。西北部的紫帽山海拔517.8 m，为境内最高峰。海拔100～300 m的罗裳—灵源和灵秀山脉分别纵贯境内中部东西。根据气象局资料，气候属南亚热带湿润区，年均气温20℃～21℃，年均日照2 130 h，年均降雨量911～1 231 mm。其中晋江流域流经东北部，与横贯市境的支流九十九溪于泉州湾汇合入海。流域一带的晋东平原是泉州市最大的冲积平原，土地肥沃，河网密布，为水稻主要种植区。中部及南部广大地区丘陵起伏，多属侵蚀剥蚀台地，农作物为甘薯、花生、大豆主产区[8]。

图1 2004年采样点分布图

晋江市同时是海峡西岸经济区重要的制造业基地之一，具有中国“品牌之都”称号，其中“国字号”品牌达117个之多，如洵兴、劲霸、七匹狼、安踏、利郎等。县域经济基本竞争力居于全国第7位。据《2014年晋江年鉴》，2013年晋江市全年工业总产值按价格指数缩减法计算比上年增长13.1%。规模以上工业企业产值同比增长13.0%。随着经济社会的快速发展，水资源需求量不断增加，使得水污染已成为晋江市经济社会建设和环境可持续发展的重要制约因素。

图2 2014年采样点分布图

2 浅层地下水样采集

以涵盖晋江市所有乡镇(街道)，随时间含量变化状况等为原则，分别采集2004年和2014年两个年份的晋江市浅层地下水水样，涵盖内坑镇、梅岭街道、青阳街道、深沪镇、紫帽镇、陈埭镇、池店镇、磁灶镇、安海镇、新塘街道、灵源街道、罗山街道、英林镇、永和镇、金井镇、东石镇与西园街道共计19个镇(街道)，2004年采集水样本60个，2014年采集水样本117个，2004年和2014年的采样点分布图分别见图1和图2所示。NO3--N测试方法采用《生活饮用水标准检验方法》(GB 5750—2006)的酚二磺酸分光光度法。

3 浅层地下水时空分布规律

3.1 NO3--N含量时间变化

根据表1的描述性统计结果，在2004年晋江市浅层地下水NO3--N含量值介于0.23～45.18 mg/L，平均值为6.85 mg/L，而在2014年NO3--N含量值介于0.20～57.80 mg/L，平均值为7.95 mg/L，10 a期间含量平均值上升了1.10 mg/L，年均值增加0.1 mg/L左右，这与美国的调查研究较一致[9]。进一步从变异系数来看，变异系数从87.16%增加到101.28%，说明NO3--N在浅层地下水中分布不均匀，开始向不稳定状态发展，在局部地段仍会形成高含量区，影响浅层地下水的质量。表明该区受NO3--N污染程度有加深加深趋势。

图3 晋江市镇区NO3--N含量

项目2004年2014年Max(mg/L)45.1857.80Min(mg/L)0.230.20Avg(mg/L)6.857.95Std(mg/L)5.978.05CV%87.16%101.28%

表2 《地下水质量标准》下硝酸盐含量范围统计

根据《地下水质量标准》(GB/T14848-93)，NO3--N的三类水质标准为20 mg/L；以此为基准研究区2004年NO3--N的超标率为10%，2014年的超标率则为7.7%。

表3 WHO标准下硝酸盐含量范围统计

根据世界卫生组织(WHO)制定的饮用水标准，NO3--N的含量不得超过10 mg/L[10]。据表2，研究区2004年水中NO3--N含量在0～10 mg/L的范围之内的总取样点数占总体的81.7%，超标率为18.3%。而到了2014年，水中NO3--N含量在0～10 mg/L的范围之内的总取样点数占总体的76.1%，超标率增加为23.9%，较2004年增加了5.6%，从2004年至2014年，随着晋江市工农业的迅速发展，以及工业生产废水的排放量增加、生活污水排放以及农业化肥过度使用导致其晋江市浅层地下水NO3--N含量整体呈现上升，说明NO3--N污染有加剧的趋势。

进一步按镇(街道)尺度统计NO3--N含量状况，2004年NO3--N的平均含量以龙湖镇最高，安海镇最低，而在2014年NO3--N的平均含量则以东石镇最高，安海镇最低，2014年较2004年有15个镇(街道)含量增加，整体的变化趋势见图3所示，说明随时间变化污染有加剧。

3.2 NO3--N含量空间分布

利用统计手段虽具有挖掘数据的特征并利用图表可视化，但是对于具有空间位置特征的数据则难以空间可视化表达，而空间统计学则可以很好的加以表达。

地理学中的地统计学(Geostatistics)以空间分布特点的区域化变量理论为基础，研究自然现象的空间变异与空间结构的一种技术方法，可在有限的离散数据基础上无偏最优预测(或模拟)连续的空间分布，得到预测的不确定性估计[11，12]。数据网格化(Data gridding)是地统计的具体实现手段之一，将空间上不均匀分布的数据，按一定的方法归算成规则网格中的代表值(或趋势值)的过程。

距离幂函数反比加权法主要是通过设定空间待插点为P(xp，yp，zp)，P点邻域内有已知散乱点Qi(xi，yi，zi；i=1，2，…，n)。具体插值计算公式表达为[13]：

(1)

依据地统计理论和差值计算方法，通过GIS技术实现2004年与2014年的NO3--N含量空间分布图。借助MapGIS k9地理信息系统软件加以实现。具体的实现步骤：在MapGIS k9的数字地形分析模块中加载含有NO3--N含量属性字段的点数据(.Wp)，在数据分析面板中通过离散数据网格化，分别以两个年份的NO3--N含量值属性字段作为Z值(网格化方法采用距离幂函数反比加权法)生成Grid网格化得到NO3--N含量栅格文件(.msi)，并叠加行政区划数据(.wl)等其它要素可显示其空间分布规律[14]，从2004年NO3--N空间分布图(图4所示)，NO3--N含量较高主要分布于晋江市安海镇与东石镇交接地区，池店镇靠近鲤城区，罗山街道与新塘街道交界处；而到了2014年(图5所示)，NO3--N含量较高则主要则不要与龙湖镇、罗山街道与新塘街道交界处，东石镇，金井镇。在10年的时间跨度，研究区浅层地下水硝酸盐含量整体呈上升趋势，空间含量由研究区的西部往南部迁移，受地表的土地利用类型的变更、企业迁移、人口迁移等因素影响的地表水下渗造成空间分布发生改变。

图4 2004年NO3--N空间分布图

图5 2014年NO3--N空间分布图

4 结语

地下水硝酸盐污染已经是全球普遍存在的问题，日渐受到重视。通过对晋江市浅层地下水2004年与2014年的NO3--N含量的动态调查与监测，结果表明晋江市浅层地下水的NO3--N污染有加剧的趋势，空间含量由研究区的西部往南部迁移。今后将进一步研究地表水中NO3--N的淋滤与氮肥施用量、大气降雨以及农用灌溉水等的关系，分析NO3--N的来源，为有效防治NO3--N污染提供参考，实现地下水资源环境的可持续发展。

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Study on Jinjiang Shallow Groundwater Nitrate Content Spatio-temporal Variation

HUANG Yao-yi，QIU Wei-peng，Xu Miao-qiong

(School of Resources and Environmental Science, Quanzhou Normal University, Quanzhou 362000, Fujian)

Nowadays the NO3--N pollution of shallow groundwater is facing an environment problem to humanity, in order to knows spatial and temporal variations of NO3--N pollution in shallow groundwater in jinjiang city,It’s sampling and test NO3--N content about shallow groundwater in 2004 year and 2014 year, the test results showed that the trend of NO3--N pollution has intensified.Using statistical and GIS technology combined with the spatial distribution of NO3--N, from the perspective of space within the territory of the specific location of NO3--N pollution.The results to relevant departments in the environmental evaluation and provide reference for pollution prevention.

Nitrate；shallow groundwater and geostatistics

2016-05-18

福建省创新实验项目(201610399051)；泉州市科技局项目(2015Z139)

黄耀裔(1983-)，男，福建晋江人，实验师，主要从事环境信息系统应用与环境污染防治，环境教学与管理研究。

P641.12

A

1004-1184(2016)06-0004-03