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徐建国，李生果，朱恒华，徐华，韩晔（1.山东省地质调查院，济南250013；2.山东省第七地质矿产勘查院，山东临沂276006）
摘要：本文在对浅层地下水“三氮”迁移转化原理和“三氮”污染控制因素进行分析的基础上，阐
明了南四湖流域平原区浅层地下水“三氮”含量分布规律，并分析了形成原因。从区域分布看，NO3-N含量呈现湖东山前冲洪积平原区高于湖西冲积湖积平原区的特点；NO2-N含量虽然较低，但含量大于0.01mg/L的地段主要分布于南四湖沿岸和山前冲洪积平原部分地区；NH4-N绝大部分地区未检出。浅层地下水“三氮”含量的上述分布规律与非饱和带的岩性组成、地下水位埋深、农田灌溉方式、土壤含水量等密切相关。最后针对研究区浅层地下水氮污染的特点提出了“三氮”污染防治对策。
关键词：南四湖流域；浅层地下水；氮污染；防治对策中图分类号：X131.2
文献标识码：A
Thenitrogenpollutioncharacteristicsoftheshallowgroundwaterinthe
Nansilakedrainagebasin
XuJianguo1，LiShengguo2，ZhuHenghua1，XuHua1，HanYe1
（1.ShandongGeologicalServey，Jinan
250013，China；
276006，China）
2.The7thInstituteofGeology＆MineralExplorationofShandongProvince，Linyi
Abstract：Thisarticleabouttheshallowgroundwaterbasedontheanalysisofclarifyingshallowgroundwaterinthe“triple-nitrogen”migrationandtransformationofprinciplesand“triple-nitrogen”pollutioncontrolfactorsexpoundtheNansilakebasinplainareaof“triple-nitrogen”contentdistribution，andanalysistheformation.Fromthisregionaldistribution，NO3-Ncontentshowedthecharacteristicsthatthelake-eastfloodplainsareasishigherthanthelake-west；thoughNO2-Ncontentisrelativelylow，thelocationwherethecontentisgreaterthan0.01mg/LismainlydistributedatNansilakebanksandsomealluvialplainsareasinfrontofthemountains；NH4-Nwerenotdetectedinmostregions.Shallowgroundwater“triple-nitrogen”oftheabove-mentionedcontentdistributioniscloselyrelatedtothelithologicalcompositionofunsaturatedzone，theburieddepthofgroundwatertable，irrigationmethods，soilmoisturecontent，etc.Finallyfromthestudyareaofshallowgroundwaternitrogenpollutioncharacteristicsreleasethe“triple-nitrogen”pollutioncontrolmeasures.
Keywords：theNansilakedrainagebasin；shallowgroundwater；nitrogenpollution；controlmeasures
用下，形成稳定的、致癌和致突变性的N-亚硝基胺和亚硝基酰胺的各种N-亚硝基族化合物。国内外均有“三氮”与胃癌、高血压发病率之间相关性报道。近些年国内的调查研究工作也表明，地下水“三氮”污染已经成为我国地下水主要污染形式，
05-01；修订日期：2009-08-01收稿日期：2009-基金项目：中国地质调查局国土资源大调查项目
（1212010535304）.
作者简介：徐建国（1965－），男（汉族），山东微山人，
硕士，高级工程师.
2010年第5期
0引言
地下水环境主要的氮化合物为离子态的硝酸盐
氮（NO3-N）、亚硝酸盐氮（NO2-N）、氨氮（NH4-N），即常称为的“三氮”。农业生产中大量使用化肥以及人畜粪便、城市污水和工业废水的大量排放，使含水层正逐渐成为氮元素的贮存库，由于含水层对氮的自净能力极为有限，造成地下水被“三氮”严重污染。
NO3-N和NO2-N均能在各种含氮有机化合物作
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，特别在许多城市和农村地区，地下水中“三氮”
是NO3-N的迁移和积累已经对居民饮水安全构成极大威胁。1
地下水中“三氮”迁移转化原理
布特征，还与包气带岩性组成、农田灌溉方式、地下水位埋深、土壤含水量等密切相关。
（1）包气带岩性
包气带是阻控、拦截“三氮”污染源的主要屏障，不同包气带岩性结构对地下水氮污染的防护能力不同。包气带岩性颗粒越细，土质越密实，渗透性能就越差，防护能力越强；同时粘土矿物含量越高，水-土系统的厌氧程度提高，越有利于反硝化作用的进行，NO3-N对地下水供给量越小。包气带岩性颗粒越粗，渗透越强，会具有较高的氧化还原电
［5］
位，反硝化能力弱，NO3-N对地下水供给量越大。
（2）土壤含水量
硝化细菌是好气性微生物，控制着硝化作用的速率，其活性受土壤中氧分压的强烈影响，后者又
［6］
受到含水量的控制。试验表明，土壤中硝态氮含量与含水量高低呈负相关，含水量越高NO3-N越低，在高施氮量时这种差异更明显。
（3）地下水位埋深
浅层地下水位埋深越大，有机碳在包气带中消耗量越大，地下水有机碳降低，溶解氧含量高，反硝化作用弱，造成NO3-N含量增高。埋深越小，有机碳在包气带消耗量小，地下水有机碳含量高，溶解氧含量低，反硝化作用强，造成NO3-N含量降低。
（4）农田灌溉方式及水源
相对于滴灌及少量多灌，大水漫灌方式会使更多的灌溉水入渗补给地下水，同时也携带了较多的NO3-N污染地下水。另外农灌水源不同也会影响地下水“三氮”污染程度，因为不同水源“三氮”含量不同，对地下水污染的贡献亦不同。3
研究区地质环境背景
2
山东南四湖平原区总面积23510km，地形由东
“三氮”转化过程包括硝化作用、反硝化作用、铵化作用，其中以硝化作用过程为主，包括NH4-N转化为NO2-N、再转化NO3-N。在“三氮”转化过程中，土壤生态系统中的细菌生物对NO3-N的增减具有重要的作用，其中硝化和反硝化细菌是影响地
［1］
下水中NO3-N浓度的重要生物因素之一。（1）硝化作用
土壤和水中NH4-N氧化为NO3-N的过程称为硝化作用，硝化作用不仅是向土壤供给NO3-N的过程，
+
而且也是最重要的过程，在有NH4存在，同时温度、水份、pH和通气等条件有利的土壤中，均能发
生硝化作用。由于NO2-N的氧化作用比NH4-N更为迅速，所以土壤中仅存在微量的NO2-N。硝化反应基本上在土壤表层进行，由于氧源的限制，土壤深
［2］
层的硝化反应较弱。硝化反应方程式：
NH4++2O2—NO3－+2H++H2O
硝化过程与水中溶解氧关系密切，硝化菌在溶解氧为7～9mg/L的水中生长良好，当水中溶解氧少于2.5mg/L时，硝化作用大大降低，不易发生硝化反应。
（2）反硝化作用
又称硝酸盐还原作用，它是使NO3-N通过微生物还原为气态氮（N2、N2O）的过程，参与反硝化作用的微生物通常是异养型细菌为主，其反应式：
2NO3－+10H+—N2+4H2O+2OH－
2NO2－+6H+—N2+2H2O+2OH－
N2O+2H+—N2+2H2O
+
上述反应中所消耗的H主要来自有机物的氧
化。2
地下水“三氮”污染的主要控制因素
——京杭西两侧向湖区微倾斜，地貌单元以南四湖—
运河为界，以东为山前冲洪积平原地貌，以西则为冲积湖积平原地貌。包气带岩性受第四系沉积环境影响，湖西平原古河道带区包气带岩性主要为粉细砂、粘质砂土、粘质砂土与砂质粘土互层结构；古河道间带则以粘质砂土、砂质粘土为主。湖东山前冲洪积平原区包气带岩性总体上较湖西平原区粗，以粘质砂土、细中砂、砂质粘土为主，在冲洪积扇中部以中粗砂、粘质砂土为主。
区内浅层孔隙含水层组底板埋深50～60m，由于内部缺少连续弱透水层，水力联系较密切，为潜水-微承压水。浅层地下水位埋深湖东平原较湖西
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农田氮肥长期过量施用及人畜生活垃圾的排放是造成地下水中NO3-N浓度增加的重要原因。研究表明，NH4-N进入土壤后，由于土壤对NH4-N有很强的吸附作用而减少
［3］
，其余部分在微生物作用下
发生硝化作用转化为NO2-N；NO2-N不稳定，易于
变化，最终在降雨或灌溉条件下进入地下水的形式主要是NO3-N，地下水中“三氮”主要来源于土壤
［4］
。
地下水“三氮”污染不仅取决于氮污染源的分
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大，一般湖东区3～10m，湖西区1～3m，局部小于1m。地下水总体径流方向与地形变化基本一致，——京杭运河方向径流。由东西两侧向南四湖—
湖东平原区由汶泗河冲洪积扇和荆河、城河冲洪积扇组成，含水层分布具有一定规律性，岩性由扇顶向扇缘方向，由砂砾石、中粗砂逐渐过渡为中细砂、粉细砂，厚度由厚变薄，富水性由强变弱。
湖西平原区浅层含水层空间分布不稳定，剖面上多为串珠状透镜体，且层次多，含水层岩性以粉细砂为主。在古河道主流带砂层相对较厚，岩性以细砂、中砂为主，颗粒较粗，富水性较强，向古河道边缘带砂层岩性主要为粉砂，颗粒变细，层次增多，富水性较弱。
在浅层地下水开发利用上，湖东平原区主要用于农田灌溉，居民饮水以中深层地下水为主，湖西平原区以居民饮水和农田灌溉为主，在咸水分布区开采量较小，农田灌溉水源主要为地表水。4
浅层地下水硝酸盐氮的分布特征
天然条件下浅层地下水NO3-N含量4.4mg/L，一般将该值视为硝酸盐含量背景值。本次研究共采集浅层地下水水样469件，分析结果：NO3-N含量高于背景值的有126件，占样品总数的27%，其中大于30mg/L的80件，占样品总数的17%，最大值183.17mg/L，超过国家饮用水标准7倍多。
从区域分布看，NO3-N含量高于4.4mg/L的采样点大多分布于鱼台—金乡—巨野—汶上县城一线
以东的地区，地貌类型为山前冲洪积平原区及湖积平原区，表明这些地区已普遍受硝酸盐污染。部分地区NO3-N含量超过30mg/l，由于NO3-N含量高且矿化度较低，已成为优质地下肥水（硝态氮含量大于15mg/L为肥水）。鱼台—金乡—巨野—汶上县城一线以西黄河冲积平原区采样点NO3-N含量普遍低于4.4mg/l，含量高于背景值的采样点零星分布，表明该区受硝酸盐污染程度相对较轻（图1）。研究区土壤元素调查成果显示，土壤总氮分布规律与浅层地下水“三氮”含量分布规律是一致的。湖东山前冲洪积平原区土壤含氮量高于湖西冲积湖积平原区，前者一般总氮含量高于0.10ppm；而后者大部分地区在0.06～0.10ppm，仅零星地段0.10～0.12ppm。这也说明浅层地下水NO3-N主要来源于土壤层。
研究区浅层地下水NO3-N含量分布规律表明，地下水NO3-N污染程度受地貌、土壤、水文地质条件等因素的控制。湖东山前冲洪积平原区包气带岩性颗粒较粗，粘性土夹层较少，包气带透气性强，有利于硝化作用的进行，而反硝化作用比较微弱，所以在过量施肥的情况下，更容易造成土壤中的NO3-N的积累，在灌溉或降雨条件下，土壤中大量的NO3-N会通过包气带进入浅层地下水，所以该地区NO3-N含量普遍较高。而湖西冲湖积平原区包气带岩性颗粒较细，有较多的粘性土夹层，水-土系统的厌氧程度提高，有利于反硝化作用的进行，所以NO3-N含量普遍偏低。同时湖东平原区浅层地下
图1
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山东南四湖流域平原区浅层地下水硝酸盐氮含量分区
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水位埋深大于湖西平原区，土壤含水量较低，这也有利于硝化作用的进行，会造成更多的NO3-N进入地下水。另外在农灌水源上，湖西平原区以地表水灌溉为主，而湖东平原多以地下水为农灌水源，本次工作水质分析结果表明，南四湖平原区地表水硝酸盐含量普遍低于浅层地下水，灌溉水源也是造成湖西平原区地下水硝酸盐含量较低的原因之一。5
浅层地下水亚硝酸盐氮分布特征
已有研究成果表明，天然条件下NO2-N含量背景值为0.01mg/L。南四湖平原区浅层地下水NO2-N含量超背景值的地段主要分布于南四湖沿岸和山前冲洪积平原部分地区，湖西平原区NO2-N含量超0.01mg/L仅零星分布，且面积较小，这一点与NO3-N含量分布规律相似（图2）。
本次研究浅层地下水469件样品中，NO2-N含量较NO3-N普遍较低，最大值为1.978mg/L，超过
饮用水标准5倍。小于背景值0.01mg/L的样品378件，占总数的81%，超过0.1mg/L的38件，占总数的8%。6
浅层地下水氨氮分布特征
据有关学者研究，天然条件下地下水NH4-N含量一般小于0.2mg/L，所以本次研究以NH4-N含量0.2mg/L作为背景值。由于松散沉积物对NH4-N有很强的吸附作用，所以NH4-N进入土壤后，在土壤层被迅速吸附而减少。同时在土壤层微生物参与下进行了强烈的铵化和硝化作用，NH4-N含量随深度的增加而下降，NH4-N很难通过包气带土层进入地下水（吴敦敖等，1992），所以地下水中NH4-N含量很低。本次研究水分析资料也证实了这一点，在所有地下水样品中NH4-N含量大于0.2mg/L的极少，大部分未检出（表1），说明浅层地下水仅受NH4-N轻微污染。
图2山东南四湖流域平原区浅层地下水亚硝酸盐氮含量分区
地下水氨氮分析结果
取样层位浅层地下水
取样数（个）469
检出数（个）21
大于0.2mg/L数
（个）18
7浅层地下水氮污染防治对策
表1
最大值（mg/L）11.0
由于地下水氮污染一般呈现面状污染特点，防治难度大，成本高，所以防治工作首选对策是“以，应该以源头控制为主防为主，防治结合”
［7］
。
地下水氮污染按照污染来源不同一般划分为农
田径流－淋溶型，畜禽养殖场淋溶型，农村村落淋溶型，无污水管道和垃圾处理系统的城区径流－淋溶型，针对各种污染类型应采取以下防治对策：
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（1）控制氮肥用量，选择合适的氮肥种类，提高氮肥利用率。由于化肥污染是地下水氮污染主要原因，科学合理的施肥方法的推行是控制氮污染的重要手段。
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（2）改善农田灌溉方法。NO3-N为易溶成分，在降水量较少的情况下，不适当地大水漫溉是加速NO3-N下渗和地下水污染的原因之一，因此推行少量多次灌溉方法，既可节约水资源，又可减少NO3-N的淋滤下渗量。
（3）加强对畜禽养殖场的排污管理。南四湖流域畜牧业发展较快，畜禽规模化饲养量占整个畜禽饲养量的65%以上。目前绝大多数养殖场没有粪便、污水处理设施，畜禽粪便大多露天堆放，严重污染地表水和地下水，所以畜禽养殖场应建设粪便、污水处理和存放设施。
（4）加强对农村生活污染源的管理。南四湖流域城市近郊和农村村落生活污染源还处于无序管理状态，大量的生活污水和粪便污水直接渗入地下。以农村粪坑为例，粗略估算仅济宁市就有粪坑173万个，平均每平方公里170个左右，粪坑渗漏对地下水污染由点到面扩散，造成区域性地下水质恶化。
（5）加强对城市污水、垃圾集中收集处理设施的建设，提高城市卫生管理水平。研究区大部分县城目前使用的垃圾场未采取防渗措施，只采用简单
的堆填法掩埋，未达到垃圾无害化处理的要求，城市污水集中处理利用率偏低，这给当地的地下水环境构成较大威胁。
（6）加强对浅层地下水质的监测工作，提高对地下水污染防治的科学管理水平。
参
［1］［2］［3］［4］［5］
考文献
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檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼（上接第25页）
水通过渗透性较大的坡积层，使边坡底部比坡面的含水率高；上层雨水的入渗，以及河床部位的补给，使边坡地下水位有较明显的升高，见图6。停止降雨一天以后，T8时刻如图7所示，边坡内雨水逐渐回落，但裂缝及底部水量回落较慢；同时，地下水位有也有适当的升高。但是随着时间的增加，边坡内地下水位必定回落至初始稳定状态。4
结论
［3］
质边坡内的渗流场分布，使边坡顶部出现了局部的暂态饱和区；底部也出现了较为明显的含水率增大，对边坡的稳定性非常不利。
参
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基于饱和-非饱和降雨入渗理论，研究了降雨
入渗模拟方法及关键技术。通过对交河故城土质边坡在不同降雨条件下的渗流场计算分析，得出如下结论：
（1）建立的饱和-非饱和降雨入渗模型及计算程序，能很好的描述土质边坡在降雨非饱和入渗过程中各个时刻的渗流场分布特征。
（2）在降雨条件下，雨水的入渗将显著改变土
［4］［5］［6］
44工程勘察GeotechnicalInvestigation＆Surveying2010年第5期
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