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泾惠渠灌区地下水中三氮分布特征及其影响因素的研究


分类号:X1
10710—0729043

谖害犬海
硕士学位论文
泾惠渠灌区地下水中三氮分布特征及其影响因 素的研究

韩彩波

导师姓名职称 申请学位级别 论文提交日期 学位授予单位 答辩委员会主席 学位论文评阅人

李佩成

教授

r />钱会

教授 易秀教授

毛全年教授级高工

The Dis
ln

A Dissertation Submitted for the Degree of Master

Candidate:Han Caibo

Supervisor:Prof.Li Peicheng

Chang’an University,Xi’an,China

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“111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
导师签名:

砂/口年歹月加日

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

Northeast of Sanyuan,Northwest of Yanliang,near west river of Jingyang and around of
north Gaoling.In the new village in Jingyang where Jiezi village between Jingyang

and

Sanyuan

is at the

junction

and nearby Du village in Sanyuan county,there

are

much of
on

nitrite.In addition,near the village of

Tianyan,there

are

lots of ammonia nitrogen.Based

the study of three nitrogen content and chemical characteristics of groundwater,the author found that the

transfer

and transformation of three nitrogen were influence by aquifer

lithology,groundwater depth and chemical characteristics of

groundwater.Manganese and

magnesium ions

on

the conversion of three nitrogen Was significantly correlated.Jinghui


irrigation district is the main grain producing area,where
pollution in

considerable portion of nitrogen

groundwater are from

agriculture pollution.Nitrate in soil profile increased with

depth reduction
in water

and

ammonium ion remained,which indicated that nitrate is easier dissolved

than

ammonia nitrogen

and

fertilization will speed

up the

leaching of nitrate,

therefore pollution of groundwater nitrogen will be intensified.The data of soil profile of past

two years show that soil nitrate pollution has increased.
The most serious nitrogen pollution is nitrate pollution in Jinghui irrigation district.The

largest area of pollution is from nitrite pollution and the ammonia pollution caused the smallest area.In
recent

years,the

content

of three nitrogen in Jinghuiqu is reducing

and

the

II

IlI

目录

……………………………………………………………………………………1 ……………………………………………………………………………………:! ……….………….…….………..……..…..…………….……….…….……...:! ……………………………………………………………………………………3 ………………………………………………………………….………………..4 …………….….……….….….……...…..….….……….……….…….………!;

……………………………………………………………………………………7

……….……….……….……….………...….….……….……….……….……7 ………………………………………………………………….………………..8 ……….………….….….……………….……….….…………….………..…..8 ……………………………………………………………………………………8

排泄条件………………………………………………….1l
………………….……………………………………………………………….1 l …………….…….………….….……….…………….…...….…….…….….1:! ………………………………………………………………………………….1:1

2.4社会经济概况…………………………………………………………………………l 3 2.4.1农业概况……………………………………………………………………………1 3 2.4.2工业概况………………………………………………………………………….14 第三章泾惠渠灌区地下水中氮的存在形式及特征………………………………………15 3.1灌区地下水中氮的存在形式及特征………………………………………………….15 3.2灌区地下水中三氮的空间分布特征………………………………………………….16 3.2.1灌区地下水中三氮的统计特征………………………………………………….16 3.2.2灌区地下水中三氮的空间分布特征……………………………………………..18 3.3近年来地下水中氮变化的动态特征…………………………………………………22 3.3.1近年来灌区地下水中硝酸盐氮的变化情况……………………………………..22 3.3.2近两年来灌区地下水中铵氮的变化情况…………………………………………25
IV

4.1.3工业污染………………………………………………………………………….30 4.1.4大气氮氧化合物干湿沉降污染…………………………………………………..30 4.2三氮转化规律研究……………………………………………………………………30 4.2.1有机氮的矿化过程……………………………………………………………….3 l 4.2.2硝化作用………………………………………………………………………….32 4.2.3反硝化过程……………………………………………………………………….33 4.2.4铵的吸附作用…………………………………………………………………….33 4.3泾惠渠灌区影响三氮转化的水文地球化学因素……………………………………34 4.3.1三氮分布与含水层岩性分布的特征关系……………………………………….34 4.3.2三氮分布与地下水埋深关系分析……………………………………………….36 4.3.3三氮转化与灌区地下水水化学特性关系研究………………………………….39 4.4土壤剖面氮的分布对地下水的影响………………………………………………….4l 4.4.1土壤剖面基本特征……………………………………………………………….4l 4.4.2土壤剖面中铵氮的分布特征…………………………………………………….43 4.4.3土壤剖面中硝酸盐氮的分布特征……………………………………………….44 4.4.4施肥对土壤剖面硝酸盐氮含量的影响………………………………………….45 4.4.5土壤剖面硝酸盐氮含量时间上对比分析……………………………………….46 第五章灌区地下水中“三氮”污染评价与防治对策……………………………………48 5.1地下水中“三氮”污染评价…………………………………………………………….48 5.1.1硝酸盐污染评价…………………………………………………………………..48 5.1.2亚硝酸盐污染评价……………………………………………………………….49 5.1.3铵氮污染评价…………………………………………………………………….50 5.2控制泾惠渠灌区地下水中三氮含量的措施建议……………………………………52



5.2.1预防措施………………………………………………………………………….52 5.2.2治理措施………………………………………………………………………….53 结论与建议……………………………………………………………………………………55 参考文献………………………………………………………………………………………58 致{射…………………………………………………………………………………………………………………………63

长安人学硕上学位论文

第一章绪论
1.1论文研究背景及意义
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【11。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,2J。

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13个贫水国之 一,人均占有水资源量为2250m3,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21600m3,仅为世界平均值的2/3,预计至fJ21世纪30年代,在降水总量不减少的情 况下,人均水资源量将下降到1760m3,逼近国际公认的严重缺水警戒线1700m3【31。中国 的用水大户主要是农业,用水总量约4000亿m3,占全国总用水量的70%,而农田灌溉用 水量就已达至U3600.3800亿m3,占农业用水量的90%.95%,根据有关专家的预测结果, 如果在农FFl灌溉用水量不增加的情况下,至U2030年全国缺水将会高到1300—2600亿m3, 其中农业缺水达N500.700亿m314,5,61。 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【7,8,9,10】。 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【12】,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【131, 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90mg/L,该城市的胃癌发病率比对照城市要高 25%120】;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【2I】。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



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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【221。 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1975年在丹麦哥本哈根召开的氮素水污染 会议,1984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,1987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22%的耕作区地下水

硝酸盐浓度超过WHO饮用水硝酸盐含量50mg/L标斛241。在英国1970年超过11.30
mg/L,1980年约为90mg/L,虱J1987年达142mg/L【25】;美国许多地区地下水中硝酸盐平 均每年增长0.8mg/L,硝酸盐已成为美国地下水一大污染物;德国有50%农用井水硝酸 盐的浓度已超过-j"60mg/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【261。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‘271。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【281在研究河套灌区地下水氮污染状况中发现,井水中的N03--N主要来自氮 肥与动物粪肥,施肥是地下水N03--N浓度增高的主要原因之一。高旺盛等【29】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[30l 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(WHO)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【3lJ;瑞典最南端的谢夫灵厄流域,有总输入氮量84%. 87%是来自农业的。瑞典西海岸的拉霍尔姆湾,河流中的氮素有60%来自农业;Jolleyl32l 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。Lin和Dorant33】发现 当土壤水饱和率为60%时,好氧微生物过程最活跃;超过80%时,厌氧过程变得更为显 著,如反硝化作用。Ingwersen等【34】报道,在1 5。C时土壤无机层在体积水分含量达到52% 时,硝化速率最大;在土壤的有机层中,体积水分含量在42%.43.5%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【351。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【361。土壤中反硝化作用的最适pH范围是在6—8之间的中性条件
下【3 7Jj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“11 l”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2009年1 1月泾惠渠灌区地下水的水质分析数据,分析泾惠渠灌区在2009 年11月地下水中氮的污染现状。 (2)根据泾惠渠灌区1990年,2008年及2009年的地下水水质资料,利用Surfer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2009年11月泾惠渠灌区地下水的水质分析数据,应用SPSS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。



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



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第二章泾惠渠灌区概况
2.1自然地理概况
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70kin。南北宽约20kin,灌溉设施面积135.5万亩,有效灌溉面积125.9 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1/300"--'1/600,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538.9ram,全年降水量集中在7-9月份, 达到500,4,多雨年和少雨年最大差值可达590 film,降水年际变化很大。多年平均蒸发量



第二章泾惠渠灌区地质环境特征

1212mm,年平均相对湿度70%左右,年平均风速1.8 m/s,年平均气温13.4。C,无霜期232 天,总日照时数2200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(mm) 地区 平均
三原 泾阳
552

平均蒸发
量(mm)

平均年气
温(℃)

平均日照
(h)

平均风速
(m/s)

年总辐射
千卡/cm2

最少
383 349

最多
718

13.2
1710 13.1

2244

2.0
2.1

117.4

55l

830

2149

114.6

注:引自《泾惠渠灌区浅层地下水资源调查研究成果报告》

,、2500



{Q

2000

趔1500
礁1000


靶500
嚏=

篷0

年份

一降雨量…◆..蒸发量
图2.2

1960.1999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90%左右。土壤属第四纪沉积黄土,



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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"---0.3 对第四季的岩相变化,沉积厚度及地貌景观具有控制作用【39】。

0%01441。

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
极强富水性 强富水区 富水区 中等富水区 弱富水区 单位涌水量(t/h?m) 20"--'40或>40
10~20 5~10
l L5

0.5~l 0.1~0.5 <0.1

极弱富水区
贫水区

根据上述标准,将灌区划分为4个区,7个亚区。即:泾渭河漫滩及一级阶地第四 系全新统冲积含水岩组水文地质区(泾河漫滩及一级阶地强富水亚区,渭河漫滩及一级 阶地强富水亚区);泾河二级阶地第四纪全新统冲积含水岩组水文地质区(泾河二级阶地 清峪、冶峪河以南富水亚区,泾河二级阶地东北(清峪河以北)富水亚区,泾河二级阶地 北部(清峪河洽峪河以北)中等偏弱富水亚区);泾河三级、渭河二级阶地笫四系上更新统 冲积含水岩组水文地质区(泾河三级阶地中等富水哑区,渭河二级阶地中等富水亚区); 黄土台垣第四系中更新统洪积含水岩组水文地质区(黄土台塬弱富水亚区)。



第二章泾惠渠灌区地质环境特征

表2.3泾惠渠灌区地貌及水文地质分区特征表m1 地貌单元
水文地质分区 区(名称) 泾渭河漫滩及一 亚区(名称) 泾河漫滩及一

含水层 代号
埋深(m) 厚度(m)

岩性 以粗砂、砂卵石为主,

泾渭河漫 滩及一级 阶地

级阶地第四系全 新统冲积含水岩 组水文地质区

级阶地强富水
Ⅱ区 渭河漫滩及一





l 2.33.57.5

4.36

上覆弧砂土、弧枯七、 局部夹粉、细砂 以细砂、中粗砂、砂砾 石为主,间夹数层弧砂 土、砸粘士,河漫滩砂 砾石层夹有淤泥质土 西部及中部以粉、细砂, 底部有砂砾石层分布,

(酲2)

级阶地强富水
Ⅱ区

,B

4.0.63.O

24.50

泾河二级阶地 清河、冶峪河以 泾河二级阶地第 四系全新统冲积
泾河二级 南富水亚区
II~
6.0.75.0 6—20

东部以粉细砂层为主, 局部含砂砾石层,间夹 有多层亚枯土、亚砂土
以粉细砂为主,局部含

含水岩组水文地
质区

泾河二级阶地
东北部(清河以
llB
10.80 10.20

阶地

砂砾石,间夹亚粘土、
弧砂十

(醴。)

北)富水Ⅱ区 泾河二二级阶地
北部(清河、冶 峪河以北)中等
//c
12.5.50

以Ⅱ粘土、亚砂土夹粉
10.15

吸砂为主,局部含砂砾

富水亚区
泾河三级、渭河二 泾河三级

石 以砂砾石为主,次为弧
IIIK 10.50
13.17

级阶地第四系上 更新统冲积含水
岩组水文地质区

泾河三级阶地 中等富水距区 渭河二级阶地 中等富水哑区

枯十、弧砂土夹砂层, 上覆新黄土 以砂砾石、砂层为主, 上部夹亚砂土、亚枯士, 上覆新黄土 以亚粘土、亚砂土夹砂、

阶地渭河 二级阶地

(醒。)
黄士台塬第四系 中更新统洪积汗 黄土台塬 水岩组水文地质

IIIB

27.90

16—50

黄土台塬弱富
水Ⅱ区

80一100

/V >100

10.30

砂砾石层为主,上覆新 黄土及老黄-t-.(厚度大)

区(以,)

lO

圈饲‰、心一哈。5高。\1泣/羽 ~。、f、 【 、 一县界u孓k
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

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临一么

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【401。 (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m3, 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15"--'30米),引水灌溉以后,潜水位急剧上升。70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40余米,愈向下游愈浅,至下游入河处,仅有20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(300"-'600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(3.92%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(1.25%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m1。 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。 ①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。 ②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
12

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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。 ③人工开采:随着工农业的快速发展,灌区自70年代以来, 地下水丌采量逐年递增。根据1977年~1988年的统计,年平均潜

m3,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136.9万亩,人均耕地1.38亩,人均水田1.27亩。农业总产值36.44 亿元,粮食亩产平均560kg左右,总产69.43万吨。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】【411。 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10万亩,水果总产量达到10万吨。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16900人,养牛16600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U2006年全县大家畜存栏77600头,其中奶牛存栏70600头,生猪存栏l 8.2万头,奶羊存 栏11.1万只,奶类产量达至1]23.4万吨。 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

200l 2002 2003 2004

1139l

2646

1567

3176—
3815
4672 445

11630

2616 2338 2513

1638 1330
1737

221.834 229.55 217.46

11476

238

l 1135

5393

313

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142I
化肥名称 尿素

氮含量(%)
45~46 30~33
24~26

化肥名称 硫硝酸铵 硝酸氢钙
硫酸铵 硝酸铵

氮含量(%)
25—27 13 20~2l 32~34

复合肥
氯化铵 碳酸氢铵

17

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12万“a,乳品5916t/a,中成药744.21 t/a,全年的工业产品销售率达92.15%,2006 年三原全县工业发展增加值15.5亿元,比上年增长20.7%。

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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TN03-外,还有NH4+、N02‘、NH3、N2、N20和有机氮。
其@N03’、NOz和NH4+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”,NH3、N2和N20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94%的水质点硝酸盐氮含量占总氮含量90%以上。 有6%的水质点铵氮含量占总氮含量的10%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13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(PHN2、N20)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、IE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95.25%,亚硝酸盐氮含量最低,仅占总氮的0.67%,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N03-的存在; N02"在三氮的转化过程中属于中间产物,因此其存在较少;由于NH4+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NH4+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。

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表3.1泾惠渠灌区地下水中三氮含量特征表

灌区47个地下水采样点中N03。、N02"SnNH4+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41.38
mg/L、0.2313 mg/LSn0.4278 mg/L。

硝酸盐氮变异系数为761.26%,亚硝酸盐氮变异系数为l 743.06%,铵根离子变异系 数为616.92%,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N03-迁移过程比较稳定,N02-最不 稳定,NH4+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 (WHO)饮用水准则中的规定硝酸盐的含量不得超过10 mg/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20 mg/L。采用刘宏斌等【43】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 WHO准则中的标准,其水样点占总体的27.66%。另外,含量在2~4 mg/L和4"--"10mg/L 范围内的水质点分别占了21.28%和31.91%。达到WHO标准的水样点占总样点的72.34 %,符合我国的生活饮用水标准的样点占总样点的91.49%。

17

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surfer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。mg,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20mg/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surfer生成亚硝酸盐氮的 等值线,如图3.4所示:

18

图3.4灌区地下水中亚硝酸盐氮分布特征图(单位:mg,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》(GBPTl4848.93)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.02 mg/L。各采样点的超标情况见图3.5。

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采样点

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●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t

mg,L)

19

第三章泾惠渠灌区地下水水质现状

由图3.4、图3.5知,N02.-N含量共有lO个采样点不符合《:地下水质量分类标准》 (GBPTl4848.93)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,对地下水造成危害。其它地区的亚硝酸盐氮 含量都比较低,甚至有些地区检测不出亚硝酸盐氮,这是因为亚硝酸盐在地下水中极不 稳定,在地下水中一般无法迁移,只能分布在污染源附近。 C3)铵氮 根据灌区地下水中各采样点铵氮的含量,利用软件surfer生成铵氮的等值线,如图 3.6所示:

图3.6泾惠渠灌区地下水中铵氮分布特征(单位:mg,L)

铵氮的分布浓度高值区域主要在临潼县的田严村附近,其余地区铵氮含量均较低。 由于铵氮不能远距离迁移,因此,污染源可能在该地区附近。 根据我国《生活饮用水卫生标准》(GB5479-2006)铵氮浓度<o.5mg/L,分析各采 样点地下水中铵氮的超标情况,见图3.7:

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图3.7采样点铵氮浓度分布特征(单位:rag/L)

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采样点中铵氮的最大浓度为0.4278mg/L,所有采样点铵氮的质量浓度都<O.5mg/L, 均符合我国《生活饮用水卫生标准》(GB5479.2006)(<0.5mg/L),其污染程度较轻 微。 综上所述,泾惠渠灌区地下水中硝酸盐氮、亚硝酸盐氮、铵氮含量的分布在渠首浓

度都不高。位于研究区的排泄地带——灌区的东南角,硝酸盐氮和铵氮含量都较高,亚
硝酸盐含量较低。由于铵根离子不稳定,极易转化成硝酸盐,而亚硝酸盐仅是一中间过 程,所以含量较低,这说明这一地区硝酸盐的含量有一部分是来自铵氮的转化。另外, 由于硝酸盐很稳定,可以较远距离迁移,所以这一地区硝酸盐含量还有一部分来自径流 带入的硝酸盐。亚硝酸盐氮和铵氮的其它高含量地区只表征了最近的污染,因为亚硝酸 盐和铵根离子不稳定。 根据上述分析,对泾惠渠灌区地下水中三氮含量较高的区域进行统计(表3.3)。
表3.3泾惠渠灌区地下水中三氦高含量分布位置表 三氮
硝酸盐氮 亚硝酸盐氮 铵氮

较高含量分布位置 三原与阎良的交界地区,泾阳的西南地区以及高陵的东南角
泾阳县的东南,三原地区

临潼的西南角

在研究区内硝酸盐氮的含量相对较高,其分布较分散,这是由污染源的位置、地下 水径流方向、硝酸盐氮在地下水中较稳定存在且能随地下水径流,迁移较远的距离等因 素共同作用的结果。亚硝酸盐氮和铵氮的分布相对比较集中,主要是受到污染源位置和

21

第三章泾惠渠灌区地下水水质现状

自身性质不稳定的影响。

3.3近年来地下水中氮变化的动态特征
3.3.1近年来灌区地下水中硝酸盐氮的变化情况 根据1990年11月泾惠渠灌区地下水水质资料,利用surfer软件,生成硝酸盐氮的等 值线,见图3.8:

图3.8

1990年11月泾惠渠灌区地下水中硝酸盐氮分布特征图(单位:mg,L)

根据2008年11月泾惠渠灌区地下水水质资料,利用surfer软件,生成硝酸盐氮的等 值线,见图3.9:

图3.9

2008年11月泾惠渠灌区地下水中硝酸盐氮分布特征图(单位:mg,L)

由图3.8、图3.9以及本章上一节图3.3对比分析,可以看出:①灌区地下水中硝酸盐

氮浓度整体有很大降低,污染程度减小。②灌区地下水中硝酸盐氮污染面积减小,1990
年硝酸盐氮污染较分散,超标区域几乎遍布整个灌区,到近两年,污染较集中,只有少

数区域硝酸盐氮污染严重。③在三原北部及阎良西部地区硝酸盐氮浓度先降低后升高。
根据WHO中规定的饮用水标准,对比近年来灌区地下水中硝酸盐氮的污染情况, 见图3.10、图3.11、图3.12-

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__硝酸盐浓度——wH0中规定的饮用水标准

采样点

图3.10

19如年11月各采样点硝酸盐氮浓度分布特征图(单位:mr/L)
23

第三章泾惠渠灌区地下水水质现状

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采样点

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图3.11

2008年11月各采样点硝酸盐氮浓度分布特征图(单位:mg,L)



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1硝酸盐氮浓度——who@规定的饮用水标准
图3?12









采样点

2009年11月各采样点硝酸盐氮浓度分布特征图(单位:mg几)

由上述三图可以看出,

1990年11月灌区地下水中硝酸盐氮污染较严重,超标率较

高,且超出标准值范围较大,这种情况在近两年有所改善,灌区地下水中硝酸盐氮含量 明显降低,超标率也有所降低,但是硝酸盐氮浓度最大值先降低后升高。从整个灌区来 看,地下水中硝酸盐氮的污染有降低趋势。 采用刘宏斌等【30】的分级方法,根据N03_-N含量将地下水质量分为5个等级:0~ 2m∥L属于优良等级;2~5mffL属于良好等级;5"---10m∥L属于达标但已经处于警戒状 态;10~20mg/L属于超标;>20m∥L属于严重超标。按上述分级标准分析近年来水质点 的频率分布情况,见图3.13:

24

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硝酸盐氮含量(m扎)
囝1990年11月频率分布囵2008年11月频率分布口2009年11月频率分布 图3.13三年采样点硝酸盐氮的频率分布对比图

通过三年采样点水质调查结果如上图所述,可以看出:①1990年灌区地下水中硝酸 盐氮含量主要集中在≥20m∥L的范围内,即属于严重超标的频率分布较高。(室)2008年灌 区地下水中硝酸盐氮含量在5"-"10mg/L、10~20m∥L范围内的频率分布较高,与1990年 相比严重超标范围内的频率分布大有降低,其污染程度减小。@2009年灌区地下水中硝 酸盐氮含量在2"-'5范围内的频率分布较高,优良率与良好率的频率分布均有提高,污染 程度得到进一步的改善。通过以上分析说明,泾惠渠灌区地下水中硝酸盐氮的优良与良 好范围的频率分布有增加趋势,超标率有降低趋势;达标但已经处于警戒状态与超标范 围的频率分布先升高后降低;严重超标范围的频率分布有降低趋势。地下水中硝酸盐的 污染有逐年减轻的趋势。 3.3.2近两年来灌区地下水中铵氮的变化情况 根据2008年11月泾惠渠灌区地下水水质资料,利用surfer软件,生成铵氮的等值线,
见.图3.14:

25

第三章泾惠渠灌区地下水水质现状

图3.14 2008年11月泾惠渠灌区地下水中铵氮分布特征图(单位:rag/t,)

对比近两年铵氮在研究区内的分布情况,从图3.6、图3.14可以看出:2009年在位于 临潼东南角地下水的排泄区铵氮浓度升高很快,甚至逼近生活饮用水标准,最大值已经 达No.4278mg/L,其它地区变化不大。 根据2008年11月各采样点铵氮的含量(图3.15),与2009年11月各采样点铵氮的含 量(图3.7)对比分析近两年灌区地下水中铵氮的浓度变化。

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一氨氮浓度 采样点

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图3.15 2008年11月各采样点铵氮浓度分布特征图(单位:mg,L)

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对比近两年铵氮在研究区内的浓度变化情况,由图3.7与图3.15可以看出,有少数采 样点铵氮含量增加较多,其它采样点变化不是很明显,两年的所有采样点铵氮浓度均在 生活饮用水标准范围以内。 3.3.3具体采样点氮的变化情况 上述趋势与灌区内农ffl施肥种类、施肥量,生活垃圾的排放等有关,变化较明显的 采样点还要具体研究。 根据泾惠渠灌区地下水的流向,硝酸盐氮浓度的分布情况,选择靠近渠首的一个点 泾阳县的席杨(D012,X022),位于中下游地区的点三原的金家尧(D026,X002),位 于地下水排泄区的点高陵县的北田(D038,X044),阎良县的老寨(D031,X008)为研 究对象,列表如下:
表3.4具体采样点硝酸盐氮、铵氮浓度对比表

由上表可以看出,位于上游地区的席杨,硝酸盐氮浓度有所降低,其余位于中下游 和下游地区的点位均有所上升。两年的铵氮变化不明显,且无规律性。 席杨地区位于地下水补给区,水力交错条件相对较好,是四个点位中地下水硝酸盐 氮含量最低的。其它三个点位因为所处地区位于研究区的排泄地带,经径流迁移过来的 硝酸盐氮汇集在这些地区,使地下水中的硝酸盐氮含量增加。除此之外,工农业的发展, 含氮化肥农药的使用,尤其是氮肥的使用,也是影响因素之一。而铵氮的分布主要受周 围污染源影响比较大。 综上所述,对泾惠渠灌区近两年氮的测定指标进行对比分析,如表3.5所示:

第三章泾惠渠灌区地下水水质现状

表3.5泾惠渠灌区地下水中硝酸盐氮、铵氮含量特征表

由上表可知,1990年灌区硝酸盐氮含量变化范围、平均值、变异系数、超标率最大。 灌区地下水中硝酸盐氮的含量经过近二十年的迁移转化,发生了较大的变化,总体来说, 上述指标值均有很大程度的降低,这说明灌区地下水中硝酸盐氮的污染程度减轻。近两 年灌区硝酸盐氮的浓度平均值略有下降,但是浓度最小值和最大值均有所上升,变异系 数增加,超标率降低。这说明整个灌区硝酸盐氮的污染有下降趋势,超标区域缩小,但 是值得注意的是,局部地区硝酸盐氮含量增加较快其污染有上升趋势,而且超出WHO 准则中饮用水标准的范围在增加。 铵氮与硝酸盐氮的变化趋势有所差异,铵氮的平均含量有所增加,但连续两年的所 有采样点铵氮含量均在生活饮用水标准范围以内。硝酸盐氮与铵氮的稳定性都变弱。

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第四章泾惠渠灌区地下水中氮的转化规律及影响因素分析
4.1泾惠渠灌区地下水氮的来源分析
地下水中氮的来源主要是人为来源,包括化肥、农药、动物粪便及污水灌溉、 城镇生活污水、含氮的工业废水1441。未受污染的地下水中的硝酸盐、亚硝酸盐及铵 氮主要来源于动物和植物起源的各种含蛋白质的复杂有机物被细菌分解【451。除此而外, 沉积地层中地质成因的氮也足地下中氮的天然污染源。结合灌区的自然地理、水文地质 条件和经济背景,分析认为研究区地下水中的氮污染主要来源于以下几个方面: 4.1.1农业污染 农业生产活动中对地下水造成氮的污染,主要是肥料和污水灌溉。肥料包括了化肥 和动物废弃物【461,这些主要是造成了地下水硝酸盐含量的增加。污水灌溉目前已成为农 业增产的重要措施之一,就泾惠渠灌区而言,一般都是渠水和深井灌溉,其污灌带来的 影响不大。灌区农业活动中使用的化肥有氮肥、磷肥、钾肥、复合肥等。施用到土壤中 的化肥,由于淋洗、挥发等要损失一部分,特别是泾惠渠灌区以大水漫灌为主,随着地 表水的淋失,进入地下水所占比例比较高。参考相关研究,氮肥的损失比例为55%。而 土壤也并未全部吸收利用施入的动物废弃物,其利用率较低。参考中国农业科学院农业 资源与区划研究所(1995)在《中国耕地》中针对农区采用的氮收集利用率:人排泄物为 30%:大牲畜为20%;猪28%;羊14%;鸡35%【47】。因此,农业污染造成的氮污染除去 上游补给研究区的地下水中带来的以外,灌区本身的农业活动也会给地下水带来污染。 可以看出,生活污水和生活垃圾污染是研究区地下水氮污染的一个重要来源。 4.1.2生活污水及生活垃圾污染 生活污水即人们日常生活中产生的各种污水,未经处理排入天然水体会造成水体污 染,尤其是含氮废水会造成地下水中三氮的污染。生活垃圾可通过废弃物的地面处理系 统,如污灌或专门的地面污水处理场地,通过化粪池及破损或防渗不好的污水管道渗入 含水层;或通过大气降水的淋滤,使生活垃圾的污染物随水入渗到含水层,造成含水层 的污染【48】。生活污水中的铵氮污染物的含量既与区域内的人口数量有关,又与区域内城 市化进程、居民生活方式、社会经济条件、流动人口数量以及第三产业的发达程度等因 素相关[49,501。地下水中硝酸盐含量除了与生活污水中氮的含量相关,还与该地区的污水 管道、污水处理能力和处理程度相关【51,52】。另外,研究区内的农户生活垃圾处理方式大
29

第Pq牵泾惠渠灌区地下水中氮的来源及转化机制研究

都采用填埋,而经大气降水淋滤后填埋处理的垃圾,其污染物会渗入含水层,污染地下
水。

4.1.3工业污染 工业污染源主要是工业污水和工业垃圾,这些的任意排放、堆积,使它们可以通过 渗坑、渗井、排污管道的破损及排污河渠的渗漏等渗入含水层,使地下水中硝酸盐含量 增大‘531。灌区内的工业发展迅速,食品业、机械制造业、饲料加工业在这些地区都占有 很大比例。仅三原县产品销售率就达N92.15%。这些都会造成地下水氮的污染,尤其是 硝酸盐氮含量的增加。 4.1.4大气氮氧化合物千湿沉降污染 众所周知,因为煤、石油、天然气、植物等的燃烧也产生了大量的氮氧化物,通过 光化学作用后,形成硝酸盐类沉降下来或随雨水降落到地表、土壤与河湖中,最终也能 进入到地下水里【54,55】。 除了上面所述的三种类型的污染来源之外,农田径流、城市径流等夹带的非点源也

迅速增加冈。泾惠渠灌区水系发达,受污染的地表水在与地下水复杂的水力交替过程中
也加重了灌区地下水硝酸盐的污染。 综上所述,泾惠渠灌区地下水中硝酸盐氮污染主要来源于农业和工业带来的污染, 生活污水和生活垃圾对该地区地下水也会造成一定的影响,但其影响程度相对较小。整 个灌区硝酸盐氮的污染有减小的趋势,只有三原部分地区受工业污染较严重,硝酸盐的 含量有所增加。

4.2三氮转化规律研究
地下水系统中存在的各种形态的氮,在一定条件下可相互转化。地下水氮污染状况 取决于氮的输入及转化过程【57】。在整个氮循环的过程中,其主要的氮转化过程包括:有 机氮的矿化过程、硝化过程和反硝化过程。地下水系统中氮的来源及转化循环途径如图 4.1所示。

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长安人学硕_J:学位论文

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隔水层

图4.1三氮迁移转化示意图‘鼹I

由图可见,地下水系统的氮污染主要是硝酸盐氮的污染。地下水中的硝酸盐氮可分 为直接来源及间接来源两类。直接来源主要是直接来自肥料、污水中的硝酸盐氮。间接 来源主要来自有机氮及铵根离子的转变,而有机氮和铵根离子可来源于肥料、污水或天 然产生的。这两类来源中,以间接来源为主。下面我们主要讨论其转化过程。 4.2.1有机氮的矿化过程 这个阶段也叫氨化过程或称氨化作用,它足氮转化过程的第一步。也就是各种简单 的铵基化合物分解成铵的过程,同时还可能产生一些中间产物,如:有机酸、醇、醛等 较简单的物质。如果有机氮完全矿化,则所有的有机氮转化为无机形式的NH4+。这个 过程可以在好氧条件下进行,也可以在厌氧条件下进行,但以好氧条件下矿化速度较快, 而且积累的中问产物(有机酸)少。整个过程是在细菌参与下的铵化过程,其微生物种 类繁多,其中包括各种细菌、真菌、放线菌等,其主要微生物是异养型菌,也可以是好 氧菌或厌氧菌。其中以有机质中的碳作为生物能源的微生物属于异养型微生物。具体生 物类群见表4.1。

第四章泾惠渠灌区地下水中氮的来源及转化机制研究

表4.1参与三氮转化的主要微生物类群表I"I

经过了矿化作用的N吖首先要被土壤颗粒和土壤胶体吸附。土壤对NH4+的吸附作
用在氮素运移与转化过程中主要表现在两个方面:①使大部分的可交换性铵保存存土壤 中;②由于土壤对NH4+具有保持作用,阻滞了NH4+向深层土壤的淋失,减轻了氮素对 地下水的污染。但是当土壤对NH4+的吸附达到最大值时,即吸附作用达到饱和时,在渗 入水流的作用下,NH4+还可能进入地下水中,加重对地下水的氮污染【601。 4.2.2硝化作用 通过自养型微生物把NH4+氧化为N03-的过程称为硝化作用。亚硝化杆菌属和硝化 杆菌属是常见的硝化细菌。虽然也有些学者发现异养型细菌可以使NH4+氧化为N03‘, 但自养型细菌比异养型细菌所产生的硝化速率大102~104倍。所以说,硝化作用不同于 铵化作用,此过程不需要有机质作为能源,而是通过硝化细菌细胞合成所需的碳源(如 C02和HC03")。在大多数情况下,亚硝化菌和硝化菌同时存在,每克土壤可达上千个。 硝化作用可分为两个阶段:第一阶段是NH4+氧化为N03。,第二阶段是N02-氧化为
N03’。即:

NH:+1.502

J型骂2H++H20+N02+髓

NOj+0.50,—业当NO;+能量
根据有关资料表明,第一阶段的反应所产生的能量为247~357Ⅺ/molNH4+;第二
阶段产生的能量为65~88KJ/molN02。。

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长安大学硕士学位论文

由上面的化学反应方程式可以看出,NH4+和N02"在氧的作用下会转化成N03。,它 们都是不稳定的离子,会很快转化。所以NH4+矛DN02-在地下水中的含量不超过每升百

分之一或十分之一毫克,表明地下水被污染,而且证明是最近的污染蚓。N03"是氧化环
境里溶解氮的最稳定的形式,是氮化合物氧化的最终产物,在水中很容易迁移,且很少 或不会受到阻滞[62】。说明是较早的污染或者表明距水的污染源很远。在透水性好的松散 沉积物及裂隙地层里,浅层潜水通常含有较多的溶解氧,所以N03。可迁移到补给区以外 很远的地方。 4.2.3反硝化过程 通过微生物的作用使硝酸盐还原为气态氮(N2、N20)的过程称为反硝化过程,或 称反硝化作用。参与反硝化过程的微生物通常是异养型细菌。但是某些自养型细菌也能 还原硝态氮,凡是参加反硝化作用的细菌统称为反硝化菌。由于反硝化菌以异养型菌为 主,故其细胞合成需有机碳作为能源,它是在厌氧条件下繁殖的。其反应过程可写成:
2NO N ————————一 2HNO 一—————————◆—————————争————————专一 2 2一 H H O
,’

H2-3N号O



2H ^ O



,’





,’

其总反应式可以写成:

C6H1206+4NO;—马6H20+6C02+2N2+能量

从水质这个观点看,地下水中的反硝化作用是一种有益的作用,因为溶解N2和N20 浓度的增加,对饮用水并没有什么不利。在有机质和N03-都很丰富的废物堆下的土壤中, 反硝化细菌可使大量的N03-经反硝化作用而损失。但是,由于地下水中缺乏有机质,从 而抑制着反硝化细菌的生长,因此,即使是在还原环境里,反硝化作用的速度也会受到 很大的限制。不过由于地下水流动很缓慢,所以缓慢的反硝化作用,对于防止地下水中 硝酸盐的升高也是有意义的。 4.2.4铵的吸附作用 NH4+随水向下运动时,可能会发生阳离子交换的可逆现象,且ONH4+被土壤或包气 带地层中的阳离子吸附剂吸附在固体表面上。当系统中存在一价和二价的其它阳离子 时,铵参加阳离子的交换情况,随一价与二价阳离子浓度比的变化而变化。也就是说土 壤或地层中所吸附的NH4+占阳离子吸附容量(CEC)的百分比取决水中其它离子,特别 是Ca2+、M92+的浓度,因为它们与NH4+争夺吸附价位。吸附性NH4+并不稳定,它可能硝

第四章泾惠渠灌区地下水中氮的来源及转化机制研究

化为N03’,再次进入水中。 除上面所述外,氮循环过程中还有N02。_N的化学还原,NH3的挥发及氮的同化作用。 N03‘在天然地下水中含量很少,不是由于硝酸盐的溶解性差,而是它易被植物吸收和在 运动途中的反硝化作用和同化作用共同作用的结果【631。另外,土层具有净化作用,但是 当三氮污染超过土层的净化能力,土层将会失去其净化作用。

4.3泾惠渠灌区影响三氮转化的水文地球化学因素
从上面的分析可以看出,多种细菌参与三氮的转化,而其转化的多种影响因素追根 究底都与细菌的活性密切相关。本文将结合泾惠渠灌区的水文地质背景以及影响三氮转 化的普遍环境因素和地质因素,针对灌区的实际情况,对其进行水文地球化学因素分析。 4,3.1三氮分布与含水层岩性分布的特征关系 由下图(图4.2)以及第二章的内容可知,灌区分布在第四系全新统地层,上、中更 新统地层,下更新统地层主要埋藏于地下。本次采样点全部分布在第四系全新统地层和 第四系上更新统冲积含水岩组水文地质区。泾惠渠灌区地下水类型主要是第四系松散砂 砾石层孔隙水。结合以上特点研究采样点在全新统地层与上更新统地层的水质点特性。





黪泾河二级阶地东北部富水重区 渭河二级阶地中等富水重区 —●泾河浸漳及一级阶地虽富水重区
比例尺

!遵塑曼差星二缍睑垫曼.宣一盘卫
图4.2泾惠渠灌区第四系地层及水文地质图

长安大学硕‘J:学位论文

由上图(图4.2)可以看出全部采样点都分布在以下的地层中:

醴属于泾渭河漫

及一级阶地富水亚区,地层上部为亚砂土、砂质粘土、粘质砂土;下部为中、粗砂、

卵石层。醣属于泾河二级阶地,地层岩性为砂质粘土、粘质砂土互层夹粉、细砂、砂
砾石层。以1属于渭河二级阶地中等富水亚区,地层岩性以砂砾石、砂层为主,上部夹
亚砂土、亚粘土,上覆新黄土。现将所有采样点按照不同岩性含水层整理水质数据,见 表4.2。
表4.2灌区不同岩性含水层内三氮含量对比表

从上表中可以看出三氮在不同的地层中其含量变化不同。①对硝酸盐而言,全新统 地层泾渭河漫滩及一级阶地与泾河二级阶地,硝酸盐的平均含量差别不是很大,而上更 新统地层中硝酸盐的含量是全新统地层中硝酸盐平均含量的2.24倍。全新统地层泾渭河 漫滩及一级阶地,最大值与最小值分别为34.5mg/L、0.74mg/L;泾河二级阶地,最大值 与最小值分别为42.0 meCL、0.62 mg/L;上更新统地层中最大值与最小值分别为30.3mg/L、

第阴章泾惠渠灌区地下水中氮的米源及转化机制研究

5.17mg/L,可见三者中全新统地层泾河二级阶地最大值最大,最小值最小,标准差最大, 这说明这一地层中硝酸盐含量差异性较大。②亚硝酸盐的平均含量、最大值及其标准差 随地层的变化一致,全新统地层亚硝酸盐的平均含量、最大值及其标准差都高于上更新 统地层,而全新统地层中泾渭河漫滩及一级阶地亚硝酸盐的平均含量、最大值及其标准 差又都高于泾河二级阶地。这说明全新统地层亚硝酸盐含量比上更新统硝酸盐含量高, 且全新统地层不同位置的亚硝酸盐含量的差异性较上更新统大。③铵根离子最大值及标 准差随地层的变化与亚硝酸盐的变化一致,即全新统地层两者的值较上更新统大。但是 上更新统地层铵根离子的平均含量高于全新统地层。 综上所述,上更新统地层岩性粗,透气性好,易保持氧化环境,符合硝化细菌的生 存需要,有利于硝化细菌的生长、繁殖,从而有利于硝化作用的进行,所以该地层的硝 酸盐含量高;全新统地层尤其是泾渭河漫滩及一级阶地岩性相对较细,粗细相间,易于 形成还原环境,不利于硝化细菌存活,而对反硝化细菌有利,进而有利于反硝化作用的 进行,所以这一地层亚硝酸盐含量最高畔】。这说明区域含水层岩性分布对氮转化起控制 作用,由于颗粒粗的含水层中有机物含量低,地下水处于比较氧化的环境,硝化作用为 主,有利于硝化细菌的生存;颗粒细的含水层中有机物含量高,地下水处于比较还原的 环境,以还原作用为主,有利与矿化过程和反硝化过程,硝化过程较难进行。 4.3.2三氮分布与地下水埋深关系分析 泾惠渠灌区地下水埋深大多在lO~20m之间。由于地貌及河流切割程度的控制,埋 深总的变化趋势为由西北到东南埋深变深。在阎良的东北,高陵的南面地下水埋深较深, 甚至有的采样点埋深超过20m,灌区的西南地下水埋深较浅,大多在1~lOm之问。 本次采样点埋深最浅处在三原县的杜家村,其埋深为1.75m,最深处在高陵南部的 上马渡村,埋深达到40.5m。对三氮的分布与地下水埋深的关系按每5m分段的方法进行 研究(表4.3)。

36

长安人学硕上学位论文

表4.3灌区不同埋深地下水中三氮统计表 地下水埋深(m)
l~5
5~10 10~15 15~20 20-..一25
>25

样品数


N03-(mg/L)
3.827

N02-(mg/L)
0.088
0.043

NH4+(rag/L)
0.077



4.6775

0.08
0.1

14

11.84

0.10095 0.02095
0.01535

12 6


5.29

0.09l
0.1

8.358
6.3

0.0021

O.13

由上表可以看出埋深在10"---'15m范围内样品数最多,占样品总数的33.33%,其次是 15"--'20m范围内的样品数也较多。硝酸哉的含量在10"-'15m范围内最高,达N11.84mg/L。
1"-'--5m时最小为3.827 mg/L。亚硝酸盐是硝化作用和反硝化作用的中间产物,极不稳定。

地下水中的含量也很低,在埋深>25m时含量最低,仅有0.0021mg/L,10'---'15m范围内其 含量最大,其值为0.10095mg/L。铵根离子变化范围在0.077"---'0.13 mg/L之间,最大值出 现在埋深>25m时。 硝酸盐的含量随着地下水埋深的增加逐渐升高,在埋深为10"--"15m时达到最大值后 开始减小,但在20"---25m又出现一个高值。这种先增大后减少的趋势与泾惠渠灌区的地 层结构有关系。研究区内上游水力坡降大,渗径短,地层颗粒粗,透气性较好,地下水 中含有较多的氧气,这使土壤中的有机氮矿化成NH4+后进一步被硝化成N03。。N03-较为 稳定,能运移到相对较远的地方。土壤中富集的有机氮和的NH4+的不断下渗,使得硝化 和矿化作用不断进行,从而使N03-含量不断增加。N03随水迁移,在埋深10"-'-"15m时达 到最大值。在15m以下中下游以及下游地区水力坡降较为平缓,渗径长,地层颗粒较细, 透气性较上游微弱,地下水慢慢转变为还原环境硝化作用越来越缓慢甚至中止,反硝化 作用加强,再加上地下水交替强度弱,径流缓慢,反硝化作用更有利于进行,N03"含量 变小。 亚硝酸离子在三氮转化过程中并不稳定,属于中间产物,含量变化较大。 铵根离子变化范围不大,在随水向下运动的过程中,铵根离子不断受到硝化作用的 影响,转化为N03。,所以在15"---'20m时浓度不是很高。地下水埋深在15---'20m时铵根离 子含量比较高,该处因三氮含量均偏高,所以判断该采样点附近存在点污染源。在埋深 >25m时,铵根离子的含量却达到了最大值,该深度说明了采样点附近存在局部“漏斗’’,

37

第四章泾惠渠灌区地下水中氮的来源及转化秽tSJl研究

使污染物向此处汇集。 根据灌区地下水不同埋深范围中三氮的含量,将地下水中三氮含量与埋深深度进行 回归分析见表4.4、图4.3、4.4、4.5:

14

—12


瓷lo 3 8

錾46
器2
O l"-5

5~10

lO~15

15~20

20~25

>25

埋深(m) 图4.3灌区不同深度N03浓度变化情况图

一0.15 -j

置t:t0

0.1

錾o.05
{叱

悼 剖0 l~5 5~10 10~15 15~20 20~25>25

埋深(m)

图4.4灌区不同深度N02浓度变化情况图

一O.15
一 \

誉o.1
“t—l"

褪0.05
皿幺

■}

郑0
l"--'5

5~lO

10~15

15~20

20~25

>25

埋深(m)

图4.5灌区不同深度NH4+浓度变化情况图

长安大学硕十学位论文

由上述分析可以看出,N03-相关系数为0.595,与地下水埋深相关性一般;N02"相关

系数为0.872,与地下水埋深有显著的相关性;N出+相关系数为0.913,与地下水埋深有显
著的相关性。 综上所述,灌区地下水中的三氮有一部分来源于地表,其中N02‘与NH4+主要来源于 地表,地面污染源直接影响其地下水中的含量。N03-与其它两种离子不同,其来源于地 表的含量相对较少。 4.3.3三氮转化与灌区地下水水化学特性关系研究 三氮的转化除了受地下水水位埋深的影响之外,还与地下水自身的特性有关,即地 下水中三氮的迁移转化与地下水中离子的相互影响、相互制约有关。本文用SPSS软件分 析地下水元素与三氮的相关性,分析结果如表4.5:

39

第四章泾惠渠灌区地下水中氮的来源及转化机制研究

表4.5泾惠渠灌区地下水元素与三氮相关关系表

冰.在0.05水平(双侧)上显著相关。 木术.在0.01水平(双侧)上显著相关。 从表中可以看出,三氮与地下水中各离子的相关性都不是十分显著,其中硝酸根离 子与亚硝酸根离子与其它各离子相关性都一般,铵根离子与锰正相关性显著,与镁负相 关性显著。硝酸根与六价铬的相关性最大,也只有0.190,与锰离子的负相关性最大 .0.142;亚硝酸根对地下水中的镁离子相关系数最高,其值为0.186;铵根离子对地下水 中锰离子的相关系数最高0.360,与镁的负相关系数为.0.325。

长安大学硕上学位论文

锰与硝酸根离子呈负相关关系,而与铵根离子呈正相关关系。这主要是由于锰会对 硝酸根离子的积累产生抑制作用,即随着锰的增加,硝酸根离子会不断减少。这是因为:

一方面,硝化细菌对锰比较敏感,锰的存在即使是少量存在,也对硝化细菌有害,从而
会使硝化作用的发生受到抑制;另一方面,硝酸根离子的氧化还原电位为正,锰的氧化 还原电位为负,若锰离子的含量高,就会使地下水具有较强的还原性,而硝酸根离子具 有较强的氧化性,这就会促使地下水处于还原环境中,即有利于地下水中反硝化反应的

进行,使铵根离子浓度升副川。总之,锰离子在地下水中的存在不利于硝酸根离子的积
累,有利于铵根离子的积累。而镁离子的存在对三氮转化的影响与锰离子相反,镁离子 有利于硝化作用的进行,从而有利于硝酸根离子的积累,不利于铵根离子的积累。锰离 子的存在有利于控制灌区地下水中氮污染的扩散,而镁离子会使地下水氮污染加重,但 是锰离子比镁离子对三氮的转化敏感。 综上所述,地下水化学组分对硝酸根离子、亚硝酸根离子的影响都不是很敏感,对 铵根离子的影响最大。由本文第三张可知,灌区地下水中氮的污染主要是硝酸盐的污染, 而硝酸盐的污染来源不是通过地下水中三氮的转化获得的。

4.4土壤剖面氮的分布对地下水的影响
4.4.1土壤剖面基本特征 2009年11月份在西张附近挖一深度为4m的剖面,共采集11份土样,地面下lm 以上每20cm取一份土样,lm以下每50cm取样一次,最底下的土样由于已经见水,所 以在土层3.5m'--'3.8m之间取样,取样时剖面两侧约50cm处已经施肥。 剖面所在地属于泾河二级阶地富水(偏弱)亚区。 土壤质地属于壤土,它是通过

影响微生物的生物量和活动对氮矿化产生作用的。一般来说,壤土和粘土的氮矿化率低 于砂土。有机质细胞壁物质的矿化率及其干燥效应的大小与土壤质地联系起来,共同决 定不同土壤中同一形态的氮素分解、矿化的差异。pH值则是这个共同效应的辅助工作 者,pH值的升高增加了有机质的可溶性,为微生物生长提供了大量富C、N基质,促 进了C、N矿化16
5。。

土壤有机质是土壤中氮的来源之一。土壤有机质的组成很复杂,包括三类物质:① 分解很少,仍保持原来形态的动植物残体。②动植物残体的半分解产物及微生物代谢产

物。③有机质的分解和合成而形成的特殊有机物质——腐殖质。它还含有刺激植物生长

4l

第四章泾惠渠灌区地下水中氮的来源及转化机制研究

的胡敏酸类物质。由于它具有胶体特征,能吸附较多的阳离子,因而使土壤具有保肥力 和缓冲性。它还能使土壤疏松和形成结构,从而改善土壤的物理性。它也是土壤微生物 必不可少的碳源和能源。因此,一般来说,土壤有机质含量的多少,是土壤肥力高低的 一个重要指标。土壤中有机质的分解和积累,决定于生物、气候、母质、地形等条件, 因而土壤有机质含量也反映了一定的成土过程,是区分土壤类型的一个重要特征【661。
力∞ 0 ∞
,_、



bo

\ V
b0 吕

8∞ 6∞ 4∞ 2∞ 0 0

腻 剞

有机质(%) 图4.6土壤剖面有机质含量图

土壤中氮的质量分数与供应状况取决于土壤中有机质的积累和分解速率‘67l。因此, 土壤中的氮素水平高低与有机质含量之间有密切联系。图4.6反映了土壤有机质与土壤 全氮之间的关系,根据相关性分析,土壤有机质含量与土壤全氮之间相关性显著,其相 关系数R=0.97(R2=0.9409),两者之问呈正相关的关系,即有机质含量越高,全氮含量也 高,这表明土壤中全氮主要通过有机质分解而得到,有机质含量的变化对土壤氮素水平 有重要影响。 土壤含水率也与氮的迁移有关系,它的大小直接决定了入渗水在多大入渗量下会引 起溶质氮的迁移深度或进入地下水的可能性。土壤剖面含水率变化如图4.7。

42

长安人学硕一I二学位论文

士壤含水率%
19 0.O 0.5 1.O 20
2l

22

23

24

25

26

27

28

29

30



、_/

1.5

刨 愍 嵝


2.0 2.5 3.0 3.5 4.0

图4.7土壤剖面含水率图

4.4.2土壤剖面中铵氮的分布特征 根据土壤剖面数据,分析土壤中铵氮的含量随土层深度的变化规律(图4.8),从而 研究氮素在土壤与地下水中分布的规律。
氨氮含量(mg/kg)
0 0.O 0.5 1.O










10

12

14

16

18

20

1.5

趟2.0
隧 巡2.5
11

3.0 3.5 4.0

图4.8土壤剖面铵氦的含量图

由图4.8可知铵氮随土层深度变化范围不大在6.14mg/kg'--12.3mg/kg之间,土层深 度在1.0m~1.5m之间铵氮含量达到最大值,其它土层深度铵氮含量均为6.14mg/kg或
9.21mg/kg。

土壤胶体是土壤中较活跃的组分,土壤胶体以其巨大的比表面积和带电性,而使土 壤具有吸附性。铵根离子的迁移主要机理是扩散,由于土壤颗粒和土壤胶体对NH4+具有
43

第四章泾惠渠灌区地下水中氮的来源及转化机制研究

很强的吸附作用,使得大部分可交换态铵(NH4+)得以保存在土壤中,所以土壤剖面铵氮 变化不大。 但是当铵态氮(NH4+)的浓度大于土壤容量时,即当吸附达到饱和后,也可进入地下 水中。所以在铵态氮(NH4+)的环境行为中,吸附作用是一个可以阻滞和延缓氮素进一步 迁移和转化,在一定程度上抑制氮素流失的重要过程。 4.4.3土壤剖面中硝酸盐氮的分布特征 根据土壤剖面数据,分析土壤中硝酸盐氮的含量随土层深度的变化规律(图4.9), 从而研究氮素在土壤中迁移转化的规律。
硝酸盐氮含量(mg/kg)
7 0 O 0 5 O 5 12 17 22 27 32 37 42
47

52





2 0 2 5 3 O 3 5 4 0

—3赵爨喽爿

图4.9土壤剖面硝酸盐氮的含量图

由图4.9中可以看出,硝酸盐氮的含量随着土壤深度的增加而降低,下降速度因土 层深度而异,变化幅度在8.2mg/kg'---45.8mg/kg之间。土壤表层硝酸盐氮的含量非常高, 其原因可能是由于当地农田长期施用氮肥,且一次施用量大。在剖面底部硝酸盐氮含量 较低,这是因为在剖面底部无大量NH4+来源,且土壤的还原性增强,NH4+硝化作用受 抑制,由NH4+转化成的N03-很少。另外,在还原条件下,N03-发生反硝化作用转化为 气态氮,所以随着深度的增加,N03-含量越来越低。 土壤剖面硝酸盐氮的含量不仅与土壤的透气性有关,还与土壤的PH值有关,PH 值随土层深度的变化关系如图4.10所示:

长安大学硕十学位论文

土壤PH值
8 O O 8.1 8.2

8.3 8.4

8.5

8.6

8.7

8.8

8.9



O 5





l 5

2 O

(m)越爨随州

2 5
3 O



5 O



图4.10土壤剖面PH值的变化图

由图4.10可知,土壤剖面PH值的变化范围在8.12"-'8.92之间,处于碱性环境。由图 4.9可知,土层深度在0.4m以下的土样,硝酸盐氮的含量与土壤剖面PH值的变化趋势相 反,当土壤剖面PH值达到最大时,硝酸盐氮的含量达到最低值,因为pH过高会抑制硝 化作用的进行。 比较硝酸盐氮与铵氮在土壤剖面的分布可知,硝酸盐氮比铵氮更容易被淋滤到潜水 面,这一方面是因为根系对铵氮的吸收作用,另一方面也是因为土壤颗粒对铵氮强烈的 吸附作用所致。可见,吸附作用对于铵氮随水流向下迁移的阻滞作用不可忽略,这对于 防止地下水氮污染有着重要意义。 4.4.4施肥对土壤剖面硝酸盐氮含量的影响 2008年11月,在泾惠渠试验站挖一深2m的剖面,经过处理分别采0"--'20cm、20"-- 40cm、40~60cm、60"---100cm、100"---150cm、150"--200cm土样。采样分三次进行:施 肥、灌溉前;施肥、灌溉24h;施肥、灌溉一个周。在剖面的-N施肥(二铵)25kg/卣, 同时按照灌溉量1 20m3/亩进行灌溉。

45

第四章泾惠渠灌区地下水中氮的来源及转化机制研究

硝酸盐氮含量(mg/kg)
O 0 0 0




lO

15

20

25

30

0 0

越 隧 巡 刊

l l l l l 2

—◆一施肥前mi-,,,-施肥24h--▲--施肥一周

图4.1l施肥、灌溉前后不同时间段硝酸盐氮含量变化图

由上图可知,施肥、灌溉前后土壤表层硝酸盐氮含量变化较大,而剖面底部硝酸盐 氮含量较低且各水平硝酸盐含量基本一致。三次取样中,施肥、灌溉24h后的土样在土 壤表层硝酸盐氮含量最高,这说明所施化肥带入的硝酸盐氮在土壤表层积累,由于采样 时间又属于农田休闲时期,没有植物根系对化肥的吸收,另外,化肥施在土壤表面,土 壤的透气性好,所以更易发生硝化反应,使得施入二铵中的铵根发生转化。而施肥一周 后,硝酸盐氮的含量在土壤剖面上部较其它水平高,但是随着硝酸盐氮的迁移,其含量 趋于稳定,在土壤剖面底部与其它处理中的硝酸盐氮含量基本相同。 4.4.5土壤剖面硝酸盐氮含量时间上对比分析 本文将2008年11月施肥灌溉前剖面两侧硝酸盐氮的平均值与2009年11月所取土样 中的硝酸盐氮含量进行对比分析,见图4.12。

长安大学硕:l:学位论文

硝酸盐氮含量(mg/kg)
0 0.O O.2 0.4 5 lO 15 20 25 30 35 40 45 50

乍0.6

毯0.8
瑟i.0
哩1.2 -H 1.4
1.6 1.8 2.O

…◆??2008年11月硝酸盐氮含量+2009年11月硝酸盐氮含量
图4.12连续两年灌区土壤中硝酸盐氮含量对比图

由上图可知,两次取样土壤中硝酸盐氮含量变化趋势基本一致,但2009年11月所取 土样中硝酸盐氮含量明显高于2008年11月采样点,且土壤表层硝酸盐氮的累积量较高, 造成这样的结果主要原因可能是含氮化肥的施入。而过量的硝酸盐氮会随着降雨或灌 溉,移出作物根区,并逐渐向土壤深层移动,最终污染地下水。 综上所述,硝酸盐是施入土壤中氮肥发生硝化反应的最终产物[68,69,70】。NH4+离子因 带正电荷,易被带负电的土壤胶体表面所吸附,硝酸盐(N03-)带负电荷,是最易被淋洗的 氮形态,容易给地下水造成污染‘71,72】,这是由于土壤带负电荷,硝酸盐氮不容易被土壤 胶体所吸附,而是容易随水移动,因此硝酸盐氮容易被淋洗到下部土层。然而,这种地 下水的污染在最初的连续超剂量的施肥情况下,在几年甚至几十年里还不明显【69l。研究 表明,氮素的污染与施肥量成正相关线性分布【73,74】,因此,应该严格控制含氮化肥的使 用做好预防。

47

第五章灌区地下水中“三氮”污染评价与防治对策

第五章泾惠渠灌区地下水中“三氮’’污染评价与防治对策
5.1地下水中“三氮”污染评价
依据我国地下水水质现状、人体健康基准值及地下水质量保护目标,参照国家《地 下水质量标准》(GB/T14848.93)将地下水质量划分为五类: I类:主要反映地下水化学组分的天然低背景含量。适用于各种用途。 II类:主要反映地下水化学组分的天然背景含量。适用于各种用途。 III类:以人体健康基准值为依据。主要适用于集中式生活饮用水水源及工、农业用
水。

Ⅳ类:以农业和工业用水要求为依据。除适用于农业和部分工业用水外,适当处理 后可作生活饮用水。 V类:不宜饮用,其他用水可根据使用目的选用。 以上述标准作为划分依据(表5.1),分别研究硝酸盐、亚硝酸盐和铵根离子在泾惠 渠灌区的污染情况和分布范围,以此来反映灌区三氮受污染程度。
表5.1地下水分类指标(GB/T14848—93)表单位:mg/L

5,1.1硝酸盐污染评价 根据泾惠渠灌渠地下水中硝酸盐的数据分析,参照国家《地下水质量标准》 (GB/T14848.93),用软件surfer软件作出泾惠渠灌区地下水中硝酸盐含量分级图(图
5.1):

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图5.1泾惠渠灌区地下水中硝酸盐含量分级图

由上图可以看出,泾惠渠灌区地下水中硝酸盐的含量以前三类水为主,I类水主要 分布在渠首地段。II类、Ⅲ类水分布面积较为广泛,研究区大部分地区地下水中硝酸盐 含量都属于II类、Ⅲ类水。Ⅳ类水的地区较少。V类水主要集中在泾阳的西河滩、三原 的义和村、高陵的北田附近。所以泾惠渠灌区地下水中硝酸盐的污染少数地区较严重, 这些地区作物从水中吸收过量的硝酸盐后,会影响作物的质量如降低土豆收获和运输时 对机械损伤的抵抗力,降低水果和蔬菜的等级,减少香味和冬季耐藏力,同时作物的营 养价值也下降了【75】。 5.1.2亚硝酸盐污染评价 根据泾惠渠灌渠地下水中亚硝酸盐的数据分析,参照国家《地下水质量标准》 (GB/T14848.93),用软件surfer软件作出泾惠渠灌区地下水中硝酸盐含量分级图(图
5.2):

第五章灌区地下水中。三氮”污染评价与防治对簟

图5.2泾惠渠灌区地下水中亚硝酸盐含量分级图

由上图可以看出,泾惠渠灌区地下水中亚硝酸盐的含量五类水均有分布,I类水主 要分布在渠首,泾阳的西部,泾阳与高陵交界地区,以及研究区的东南角。研究区大部 分地区属于II类水。m类水地区相对较少。Ⅳ类水在三原较大部分地区都有分布,并且

延伸到阎良的西北角,另外一个Ⅳ类水集中区,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。V类水分布区域较小,只有泾阳县的建立村及附近有 小面积的分布。与硝酸盐不同的是亚硝酸盐在灌区中的分布Ⅳ类、V类水区域较大,不 适合饮用的水质范围较大。 亚硝酸盐的危害比硝酸盐要严重得多。亚硝酸钠是一种公认的致癌物质,亚硝酸盐 在人体内与人体当中的生物胺形成亚硝胺,它在人体内达到一定剂量时是致癌、致畸、 致突变的物质,可严重危害人体健康。 5.1.3铵氮污染评价 根据泾惠渠灌渠地下水中铵氮的数据分析,参照国家<地下水质量标准》 (GB厂r14848.93),用软件surfer作出泾惠渠灌区地下水中硝酸盐含量分级图(图5.3):

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图5.3泾惠渠灌区地下水中铵氨含量分级图

由上图可以看出,泾惠渠灌区地下水中铵氮含量几乎全部属于Ⅲ类水;I类水在灌 区中有零星分布;由于铵氮I类水与II类水标准值相同,按照从优不从略原则,将其划 分为I类水,所以图上未显示II类水;Ⅳ类水出现在灌区的排泄区,在研究区的东南角; V类水在整个灌区内没有分布。研究区内铵氮污染较轻微,另外,其毒害作用也不大, 目前为止还没有关于饮用水中铵氮危害人体健康的报道1761,但在地表水体中如果存在较 高的铵氮,铵氮对水生生物有一定的毒害作用,而且还是高耗氧性物质,氧化l mg铵氮 成硝态氮需消耗4.57rag的DO,所以较高浓度的铵氮会直接导致地下水水质的恶化。Ⅳ 类、V类水地区较高的铵氮浓度预示着水体遭到新的有机污染,饮用水中的铵氮可能导 致管网末梢水难闻的臭味。 依据《地下水质量标准》对采样点进行统计划分,如下表:
表5.2各样点地下水三氮浓度分级表单位:个

51

第五章灌区地下水中“三氮”污染评价与防治对策

由上表可以看出,灌区地下水中三氮含量大多属于III类及III类以下水质(适合饮用, 还可作为工、农业用水),属于Ⅳ类、V类的地下水采样点较少,其中亚硝酸盐氮属于 Ⅳ类水质标准的采样点分布较多,以上统计说明泾惠渠灌区地下水三氮污染不是很严
重。

综上所述,按照《地下水质量标准》,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。

5.2控制泾惠渠灌区地下水中三氮含量的措施建议
从泾惠渠灌区地下水及土壤剖面氮分布现状和来源看,目前灌区浅层地下水氮污染 较轻,极少数地区有恶化的趋势。农业施肥及农药的使用、工业污水排放、生活废水及 生活垃圾污染是主要的污染来源。为了有效控制和减少地下水氮污染,应采取以防为主, 防治结合的办法。建议有关部门参照地下水氮污染评价结果,合理改善和开发利用地下 水资源,控制地下水氮污染,并采取措施治理和修复已经污染的地下水,针对不同的污 染类型,采取相应的措施,防止产生对人类不利的影响。 5.2.1预防措施 预防措施包括了两方面的内容:减少污染物的产生和防止污染物渗入。 (1)对于农业污染,应实行科学、合理、平衡施肥方法,提高氮肥利用率。控制氮肥 用量,根据作物吸收规律、土壤供肥性与肥料效应,进行施肥。推广和发展长效碳铵和 以碳铵为主的化肥,提倡施用农家肥。采用深施氮肥、与其它肥配施、氮肥添加硝化抑

制剂等技术,减少氮素的流失删。另外,还应改善灌溉水质,按作物需要,结合施肥,
适量灌水,以防地下水水位上升和污染。 (2)1业对地下水的污染主要就是污水的排放。为减少和防止地下水的污染,降低 排污量是关键。在制定工业布局时,必须考虑减少环境污染和保护地下水水质不受污染。 对于那些容易造成地下水水质污染的工厂,尽可能布置在城市下游较远的地方,或者采 用管道排污【7们。并选择合适的地点作为厂矿处理废水废渣的场所,最好将这些场所放在 城市和水源地的下游,厚粘土层区,离地表水体较远之处;废渣废水排放池的坑底不应低 于地下水位。也可以通过企业管理、技术改造、“三废"资源化、征收排污费等,尽可 能把污染物控制在生产过程中。 (3)对城市的发展和水源地的建设作出全面的规划与合理的布局。对城市生活垃圾

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及污水造成的地下水污染,采取下水道系统的改造和建设,实现雨污分流,注意其封闭 性,隔离污水运输线【77】。建立生活垃圾填埋场时就要考虑到各种可能的污染情况,实现 垃圾无害化处理,禁止采用渗坑、渗井等排放各种污水178】。总之,为保护地下水源,必 须在城市建设的总体规划中考虑环境保护的要求,必须要有防治污染、维持生态指标, 要把环保工作与经济发展同步规划、同步实施,做到经济、社会和环境协调的发展。 5.2.2治理措施 对大面积的地下水氮污染进行治理是一个世界性的难题。目前除了自然净化过程中 的反硝化作用外并没有特别有效的办法。一般是对取用的那部分水进行治理达标后使 用。而硝酸盐是地下水氮污染的标志性元素,也是三氮中最稳定的元素,因此,对氮污 染的治理主要是对水中硝酸盐的去除。目前用于去除硝酸盐的方法主要是物理化学处理 法和生物处理法。 (1)物理化学处理法 物理化学处理法包括了活性炭吸附法、注水法、离子交换法、化学还原法、反渗透 及电渗析法等。但是这些方法不是使用成本过高就是效率较低。活性炭吸附法可以直接 对含水层进行处理。就是在己污染的地下水体内打净化井,井中投入粒状活性炭进行吸 附‘引】。但往往由于污染水体分布面积较大,水量较多。利用此方法难以见效,而且成本 也高,目前尚处于试验研究阶段。另外蒸馏、电渗析、离子交换及反渗透是对取用的地 下水中的硝酸盐进行处理【82】。但是处理时是将硝酸盐集中于介质或废液中,而去除的硝 酸盐又毫无变化地返回环境中。 (2)生物处理法 生物处理法指利用微生物净化含水层,因微生物可以分解地下水中的某些成分,从 而使污染物浓度降低或完全被清除掉。一般来说,生物作用主要发生在包气带中。可以 通过两条途径来完成,一是在含水层中培育微生物,另一途径是向含水层中引进菌种。 但是微生物处理法也有缺点和局限性‘831,如:①对环境要求较高。如溶解氧、PH值、温 度、氧化还原电位、含盐量、养分及污染物的浓度等均影响着微生物分解的程度和速度。 ②微生物在含水层中的大量使用会使地下水的色、味发生异常,含水层中注入培养液后 有时会产生新的污染问题,用微生物净化的含水层往往不能持续很长时间等。另外,目 前还有一些利用区域的地形,将大量使用氮肥、有机肥的农业地区与水源取用区之问的 地带作为缓冲区,在缓冲区地带人工强化种植根系发达、硝酸盐吸附、吸收效果好的植

第五章灌区地下水中“三氮”污染评价与防治对策

物‘洲,利用缓冲区土壤中细菌的反硝化作用及植被的吸附、吸收来去除地下水中的硝酸
盐。

总之,要控制地下水中的氮污染,最重要的是在充分了解硝酸盐本身性质、特性的 基础上对各种可能造成污染的因素严格加以控制。并制定一定的政策、措施。以预防为 主,结合氮污染的处理措施。保持地下水的良性循环,不断提高水质的可用性。

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结论与建议
1、结论: (1)泾惠渠灌区地下水中的氮主要以硝酸盐氮形式存在,占总氮含量的96.45%;亚 硝酸盐氮占总氮含量的O.2l%:铵氮占总氮含量的3.34%。 (2)泾惠渠灌区地下水中的三氮含量的变化范围较大。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,硝酸盐次之,铵根离子的异向 性相对最小。①硝酸盐氮含量浓度高值地区主要集中在以下几个地区:一个是在三原北 部以及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阳附近为中心。②亚硝酸盐氮含量浓度高值地区主要集中在:

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;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。③铵氮含量浓度高值地区主要集中在:临潼县的田严村附近。 (3)通过对2009年11月泾惠渠灌区地下水中三氮分布、硝酸盐氮含量三年的平均值、 铵氮含量近两年的平均值及典型地区采样点氮的对比分析,可以看出灌区地下水中主要 以硝酸盐氮和亚硝酸赫氮污染为主。硝酸盐氮与铵氮的发展趋势有所不同,硝酸盐氮含 量有所下降,而铵氮却略有升高,但是铵氮含量均在生活饮用水标准范围以内。 (4)三氮的迁移转化离不开各种细菌的作用,而生物活性又与水文地球化学因素有 密切的关系。三氮的影响因素表现在以下几个方面: ①从含水层岩性分布特征角度看,区域含水层岩性分布对氮转化起控制作用。泾惠 渠灌区上更新统地层岩性粗,透气性好,易保持氧化环境,符合硝化细菌的生存需要, 有利于硝化细菌的生长、繁殖,从而有利于硝化作用的进行,所以该地层的硝酸盐含量 高;全新统地层尤其是泾渭河漫滩及一级阶地岩性相对较细,粗细相间,易于形成还原 环境,不利于硝化细菌存活,而对反硝化细菌有利,进而有利于反硝化作用的进行,所 以这一地层亚硝酸盐含量最高。 ②从地下水埋深角度看,N0。一与地下水埋深相关性一般,NH4+与地下水埋深显著相关, NO:一与地下水埋深显著相关。 ③从水化学特征角度看,三氮与地下水中各离子的相关性都不是很大,其中硝酸根 离子、亚硝酸根离子与其它各离子相关性都一般,铵根离子与锰正相关性显著,与镁负
相关性显著。

结论与建议

(5)土壤剖面中硝酸盐氮的含量随深度的增加而减少,铵氮的含量随深度的变化不 明显,相比之下,硝酸盐氮比铵氮更容易被淋滤到潜水面;施肥对土壤剖面氮的分布有 影响,尤其对土壤表层影响比较大,施肥会使更多的氮淋溶进入地下水;通过2008年11 月与2009年11月土壤剖面硝酸盐氮含量的对比,发现土壤剖面中硝酸盐氮含量有明显增 加,且土壤表层硝酸盐氮的累积量较高,通过土壤淋溶进入地下水中的硝酸盐氮含量有 所增加。 (6)按照《地下水质量标准》,目前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。 (7)泾惠渠灌区地下水中的三氮污染应以预防为主,制定一定的措施加以限制,并 结合三氮污染的处理措施,共同减弱地下水中的三氮污染。
2、建议:

(1)加快制定地下水环境保护计划和措施。有关部门要根据当地实际情况建立最优 地下水资源管理模式,制定地下水资源和环境的保护对策,为有关地下水的法令、法律 条款的建立和修订提供技术论证。 (2)加大污染源控制力度。加大执法力度,严禁工业废水超标排放,必须在厂内排 出前进行回收处理。完善灌区内排水系统和设施。提高排污渠道的防渗标准,防止污水 渗入地下。 (3)合理科学施用化肥。控制含氮化肥施用量,提高肥料的利用率,以免氮流失污 染地下水。 (4)合理灌溉。要对要用来灌溉的污水进行分析检测,对于对土壤和地下水有影响 的污水不能直接用于灌溉。另外,还要推广应用节水灌溉技术,减轻农田径流和渗流。 (5)加强地下水监测和预测警戒工作。加强地下水监测网的建设和完善,建立预测 系统,及时发现警情并及早进行处理,以免造成严重后果。 (6)定期监测。通过定期监测,及时、系统掌握地下水氮污染状况,积累有关地下水硝 酸盐氮的数据,研究其变化规律及其与当地自然条件(地层和土壤条件、地表植被特征、 气候特征等)和社会经济发展(人口密度、肥料的使用、垃圾粪便和废水的处理程度、大 气来源的氮数量等)之间的关系,为地下水资源提供更合理可行的防治措施。 本论文研究主要是在泾惠渠灌区地下水水质分析的基础上进行的。由于时间和论文

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篇幅所限,另外,由于亚硝酸盐氮属于中间产物不稳定,所以未测定土壤中亚硝酸盐的 含量;未对三氮迁移转化的内在联系进行更深的研究分析;未对土壤淋溶过程进行实验; 作者将在以后的学习与工作中,对这些方面继续进行研究探讨。

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长安大学硕上学位论文

致谢
本文是在导师李佩成教授的悉心指导下完成的。在攻读硕士三年期问,我受到了导 师李佩成教授的谆谆教导和无微不至的关怀。李佩成老师严谨的治学态度、渊博的知识、 深厚的理论功底、求实的工作作风和开阔的思维方式,以及对科学问题敏锐的洞察力和 持之以恒的探索精神,使我受益匪浅。李老师不仪在学习上对我严格要求,而且教我如 何做人,他的言传身教对我将来的工作和学习都有深远的影响。师母初老师在我读研究 生的三年里,无论生活上还是学习上都给予了我很大的关心和帮助,在此,我向关心和 爱护我的恩师和师母致以衷心的感谢和真诚的祝福。 论文在搜集资料过程中,得到泾惠渠管理局的支持,毛全年教授级高工、李军利和 李雪静高工和试验站的孟铁钢副站长,提供了大量资料和帮助,使论文研究得以顺利进 行,对于他们的热情帮助表示诚挚的感谢。 论文在选题及整理分析的过程中,得到了姜凌老师的帮助和指点,在现场取样的过 程中得到了杨生堂老师的精心安排,得到了易秀教授、刘秀花副教授、贺军齐博士、刘 燕博士、贺屹博士的指导和帮助,同时,还得到了徐斌老师、谢娟老师的关心和指点, 在此表示深深的感谢。 在硕士学习期间,对纪鹏、余彬、朱红艳和郑飞敏等同门在学习和生活上给予了我 热情的帮助表示感谢。

63

泾惠渠灌区地下水中三氮分布特征及其影响因素的研究
作者: 学位授予单位: 韩彩波 长安大学

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