赣抚平原东北部地下水硝酸盐浓度变化特征及成因

doi:10.13745/j.esf.sf.2023.2.84

地学前缘 ›› 2024, Vol. 31 ›› Issue (3): 360-370.DOI: 10.13745/j.esf.sf.2023.2.84

赣抚平原东北部地下水硝酸盐浓度变化特征及成因

何佳汇¹^,²(), 毛海如¹^,^*(), 薛洋³, 廖福¹, 高柏⁴, 饶志⁵, 杨扬⁵, 刘媛媛⁴, 王广才¹^,^*()

1.中国地质大学(北京) 生物地质与环境地质国家重点实验室/地下水循环与环境演化教育部重点实验室, 北京 100083
2.北京市工程地质研究所, 北京 100048
3.中国水务投资有限公司, 北京 100053
4.东华理工大学水资源与环境工程学院, 江西南昌 330013
5.江西省地质调查勘查院地质环境监测所, 江西南昌 330006

收稿日期:2022-12-17 修回日期:2023-04-13 出版日期:2024-05-25 发布日期:2024-05-25
通信作者: *毛海如(1995—),女,博士,水文地质专业,主要研究方向为地下水污染。E-mail: 717321897@qq.com; 王广才(1962—),男,博士,教授,主要从事水文地质学方面的教学与科研工作。E-mail: wanggc@cugb.edu.cn
作者简介:何佳汇(1996—),女,硕士,助理工程师,地质工程专业,主要研究方向为水文地球化学。E-mail:376408031@qq.com
基金资助:
国家自然科学基金重点项目(42030705)

Variability in spatiotemporal groundwater nitrate concentrations in the northeast Ganfu Plain

HE Jiahui¹^,²(), MAO Hairu¹^,^*(), XUE Yang³, LIAO Fu¹, GAO Bai⁴, RAO Zhi⁵, YANG Yang⁵, LIU Yuanyuan⁴, WANG Guangcai¹^,^*()

1. State Key Laboratory of Biogeology and Environmental Geology/MOE Key Laboratory of Groundwater Circulation and Environmental Evolution, China University of Geosciences (Beijing), Beijing 100083, China
2. Beijing Institute of Geo-Engineering, Beijing 100048, China
3. China Water Investment Co., Ltd., Beijing 100053, China
4. School of Water Resources & Environmental Engineering, East China Institute of Technology, Nanchang 330013, China
5. Geological Environment Monitoring Institute of Jiangxi Geological Survey and Exploration Institute, Nanchang 330006, China

Received:2022-12-17 Revised:2023-04-13 Online:2024-05-25 Published:2024-05-25

摘要/Abstract

摘要：

赣抚平原地下水硝酸盐含量较高,但目前对地下水水化学组分(特别是硝酸盐)浓度的季节变化特征及其影响因素的研究还较少。本文通过采集赣抚平原东北部枯、丰水期地下水样品,运用水化学图解法、自组织神经网络(SOM)、空间自相关分析及反向水文地球化学模拟等方法,对研究区地下水化学组分(特别是硝酸盐)浓度的时空变化及硝酸盐来源进行研究。研究结果表明,研究区地下水化学类型以Cl·NO₃-Ca型、HCO₃-Ca型为主,人类活动的输入是引起地下水化学空间分布差异的主要因素。NO₃^-浓度较高以及季节变化较大的地区均集中于南昌下游。NO₃^-浓度低值区和季节变化的低值区主要分布在西部、东南部的山区以及赣江三角洲下游。地下水NO₃^-浓度的空间分布特征和季节变化特征与地下水径流特征、氧化还原环境和土地利用类型有关。地下水中NO₃^-主要来源于工业、生活污水,农业化肥对地下水NO₃^-的影响也不可忽视。反向水文地球化学模拟结果定量揭示了地下水径流过程中所受水-岩作用和人类活动的影响。

关键词: 地下水, 硝酸盐污染, 时空变化, 水化学演化

Abstract:

Groundwater in the Ganfu Plain exhibits high NO₃^- concentrations, yet few studies have investigated the seasonal variations and influencing factors of groundwater chemistry, particularly NO₃^- concentrations. In this study, groundwater samples were collected in the northeast region of the Ganfu Plain during both dry and wet seasons. The study aimed to explore the spatiotemporal variations in groundwater chemistry, focusing on NO₃^- concentrations, and the sources of NO₃^- in groundwater using hydrochemical diagrams, Self-Organizing Map (SOM), spatial autocorrelation analysis, and an inverse geochemical model. The results indicate that the primary groundwater types in the study area are Cl·NO₃-Ca and HCO₃-Ca. Human activities emerge as the key factor driving spatial variations in groundwater chemistry. Regions with elevated NO₃^- concentrations and significant seasonal variations are predominantly located in the lower reaches of Nanchang. Conversely, areas with lower NO₃^- concentrations and seasonal variations are primarily situated in the western and southeastern mountainous regions and the lower reaches of the Ganjiang River Delta. The spatial distribution and seasonal variability of groundwater NO₃^- concentrations in the study area are influenced by groundwater runoff conditions, redox environments, and land use patterns. Industrial and domestic sewage are identified as the main sources of NO₃^- in groundwater, with the impact of fertilizers on NO₃^- concentrations also warranting consideration. The results from the inverse geochemical model provide quantitative insights into the effects of water-rock interactions and human activities on groundwater quality during groundwater movement processes.

Key words: groundwater, nitrate pollution, spatiotemporal variation, hydrochemical evolution

中图分类号:

P641.12
X523

何佳汇, 毛海如, 薛洋, 廖福, 高柏, 饶志, 杨扬, 刘媛媛, 王广才. 赣抚平原东北部地下水硝酸盐浓度变化特征及成因[J]. 地学前缘, 2024, 31(3): 360-370.

HE Jiahui, MAO Hairu, XUE Yang, LIAO Fu, GAO Bai, RAO Zhi, YANG Yang, LIU Yuanyuan, WANG Guangcai. Variability in spatiotemporal groundwater nitrate concentrations in the northeast Ganfu Plain[J]. Earth Science Frontiers, 2024, 31(3): 360-370.

图/表 15

图1 研究区地理位置和水文地质图

Fig.1 Geographic location and hydrogeological map of the study area

图2 研究区土地利用类型分布图

Fig.2 Distribution of the land use types in the study area

表1 地下水水化学参数统计值

Table 1 The descriptive statistics of analytical data for groundwater

分类	数值类型	ρ_B/(mg·L^-1)										Eh/mV	pH
分类	数值类型	DO	TDS	Ca²⁺	Na⁺	K⁺	Mg²⁺	Cl^-	$S O 4 2 -$	$H C O 3 -$	$N O 3 -$	Eh/mV	pH
枯水期地下水	最小值	2.38	40	2.93	3.7	0.97	0.85	1.45	1.36	5.41	0.1	107	4.75
	最大值	12.5	1 520	98.21	52.72	30.54	57.38	70.88	147.89	333.49	206.31	534	6.89
	平均值	9.9	396.35	29.72	20.11	10.77	10.85	24.46	27.27	93.89	41.78	239.82	6.17
丰水期地下水	最小值	0.12	15.3	1.66	0.97	0.46	0.54	2.98	0.66	5.79	1.4	-6	5.06
	最大值	11.68	441.5	90.41	56.63	70.36	44.02	85	365.85	353.41	224.88	575	7.34
	平均值	4.75	270	38.82	18.88	10.29	11.54	21.18	45.62	111.51	46.72	347.84	6.05

表1 地下水水化学参数统计值

Table 1 The descriptive statistics of analytical data for groundwater

分类	数值类型	ρ_B/(mg·L^-1)										Eh/mV	pH
分类	数值类型	DO	TDS	Ca²⁺	Na⁺	K⁺	Mg²⁺	Cl^-	$S O 4 2 -$	$H C O 3 -$	$N O 3 -$	Eh/mV	pH
枯水期地下水	最小值	2.38	40	2.93	3.7	0.97	0.85	1.45	1.36	5.41	0.1	107	4.75
	最大值	12.5	1 520	98.21	52.72	30.54	57.38	70.88	147.89	333.49	206.31	534	6.89
	平均值	9.9	396.35	29.72	20.11	10.77	10.85	24.46	27.27	93.89	41.78	239.82	6.17
丰水期地下水	最小值	0.12	15.3	1.66	0.97	0.46	0.54	2.98	0.66	5.79	1.4	-6	5.06
	最大值	11.68	441.5	90.41	56.63	70.36	44.02	85	365.85	353.41	224.88	575	7.34
	平均值	4.75	270	38.82	18.88	10.29	11.54	21.18	45.62	111.51	46.72	347.84	6.05

表2 地下水主要离子的季节变化特征

Table 2 Seasonal variation of main ions in groundwater

水量变化分类	平均离子浓度ρ_B/(mg·L^-1)
水量变化分类	Na⁺	Ca²⁺	Mg²⁺	K⁺	Cl^-	$SO 4 2 -$	$NO 3 -$	$HCO 3 -$
枯水期	20.11	29.72	10.85	10.77	24.46	36.49	41.78	93.89
丰水期	18.88	38.82	11.54	10.29	21.18	45.62	46.72	111.51
变化率/%	-6	31	6	-4	-13	25	12	19

表2 地下水主要离子的季节变化特征

Table 2 Seasonal variation of main ions in groundwater

水量变化分类	平均离子浓度ρ_B/(mg·L^-1)
水量变化分类	Na⁺	Ca²⁺	Mg²⁺	K⁺	Cl^-	$SO 4 2 -$	$NO 3 -$	$HCO 3 -$
枯水期	20.11	29.72	10.85	10.77	24.46	36.49	41.78	93.89
丰水期	18.88	38.82	11.54	10.29	21.18	45.62	46.72	111.51
变化率/%	-6	31	6	-4	-13	25	12	19

表3 研究区地下水化学参数相关性

Table 3 Correlation analysis of groundwater chemical parameters in study area

离子	地下水各化学参数间的相关系数
离子	Cl^-	$N O 3 -$	$S O 4 2 -$	$H C O 3 -$	Na⁺	K⁺	Mg²⁺	Ca²⁺
Cl^-	1
$N O 3 -$	0.691^**	1
$S O 4 2 -$	0.491^**	0.414^**	1
$H C O 3 -$	0.334^*	0.038	0.366^**	1
Na⁺	0.863^**	0.692^**	0.691^**	0.422^**	1
K⁺	0.660^**	0.575^**	0.339^*	0.274^*	0.712^**	1
Mg²⁺	0.638^**	0.658^**	0.658^**	0.756^**	0.714^**	0.378^**	1
Ca²⁺	0.546^**	0.467^**	0.763^**	0.799^**	0.678^**	0.379^**	0.868^**	1

表3 研究区地下水化学参数相关性

Table 3 Correlation analysis of groundwater chemical parameters in study area

离子	地下水各化学参数间的相关系数
离子	Cl^-	$N O 3 -$	$S O 4 2 -$	$H C O 3 -$	Na⁺	K⁺	Mg²⁺	Ca²⁺
Cl^-	1
$N O 3 -$	0.691^**	1
$S O 4 2 -$	0.491^**	0.414^**	1
$H C O 3 -$	0.334^*	0.038	0.366^**	1
Na⁺	0.863^**	0.692^**	0.691^**	0.422^**	1
K⁺	0.660^**	0.575^**	0.339^*	0.274^*	0.712^**	1
Mg²⁺	0.638^**	0.658^**	0.658^**	0.756^**	0.714^**	0.378^**	1
Ca²⁺	0.546^**	0.467^**	0.763^**	0.799^**	0.678^**	0.379^**	0.868^**	1

图3 研究区丰、枯水期地下水各指标SOM神经元矩阵黄色和蓝色分别代表指标的高值和低值。Con为地下水电导率,是SOM方法输入的指标之一。

Fig.3 The component planes showing weight vector values of variables in wet and dry season. Yellow and blue represent the high and low values of variables, respectively.

图4 研究区丰、枯水期地下水样SOM网格图箭头表示从枯水期到丰水期聚类的变化。

Fig.4 The pattern of cluster formation of groundwater in wet and dry season. Arrow represents the change in cluster from dry to wet season.

图5 基于SOM研究区丰、枯水期地下水聚类分布图

Fig.5 The spatial distribution of hydrogeochemical clusters of groundwater in wet and dry season

表4 地下水硝酸盐全局莫兰指数计算结果

Table 1 Global Moran’s I value of groundwater NO 3 - in wet and dry season

取样时间	Moran’s I	P-Value	Z-Value
枯水期	0.418	0.001	6.45
丰水期	0.561	0.001	7.18
变化量	0.361	0.001	2.34

图6 空间自相关指标 a—枯水期地下水 N O 3 -;b—丰水期地下水 N O 3 -;c—地下水 N O 3 -季节变化量。

Fig.6 Indicator of spatial association (a: N O 3 - in dry season; b: N O 3 - in wet season; c: the difference of N O 3 - between dry season and wet season)

图7 地下水 N O 3 -自相关指标分布图 a—枯水期地下水 N O 3 -;b—丰水期地下水 N O 3 -;c—地下水 N O 3 -变化量。

Fig.7 The indicator of spatial autocorrelation maps of (a) N O 3 - in dry season, (b) N O 3 - in the wet season, (c) the difference of N O 3 - between dry season and wet seasonThe indicator of spatial autocorrelation maps of (a) N O 3 - in dry season, (b) N O 3 - in the wet season, (c) the difference of N O 3 - between dry season and wet season

图8 研究区离子关系图 a: NO 3 -与Cl-关系图;b: NO 3 -与 SO 4 2 -关系图。

Fig.8 Relationship between ions (a: NO 3 - vs. Cl-; b: NO 3 - vs. SO 4 2 -)

图9 NO 3 -/Cl-与Cl-关系图

Fig.9 Diagram of the NO 3 -/Cl- molar fraction ratio vs. Cl-

图10 研究区反向模拟路径示意图

Fig.10 The path of inverse geochemical model in the study area

表5 研究区水文地球化学反向模拟结果

Table 5 The results of mass transfers for selected inverse geochemical models

化学成分	模拟出的浓度变化值/(mmol·L^-1)
化学成分	枯水期	丰水期
白云石	1.366	1.286
方解石	—	—
石膏	0.685	0.639
石盐	—	—
钾盐	0.81	0.699
CaX₂	-0.191	-0.505
NaX	0.381	1.01
钠长石	—	—
钾长石	0.661	0.825
伊利石	-1.102	-1.375
高岭石	0.937	0.568
CO₂(g)	-6.44	—
O₂(g)	5.594	5.801
硝化作用	2.8	2.9

参考文献 33

[1]	张兆吉, 费宇红, 郭春艳, 等. 华北平原区域地下水污染评价[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2012, 42(5): 1456-1461.
[2]	吴庭雯, 袁磊, 韩双宝, 等. 安固里淖内陆河流域地下水硝酸盐污染时空分布特征及成因分析[J]. 环境化学, 2021, 40(8): 2515-2523.
[3]	黄旭娟. 环鄱阳湖区浅层地下水化学和同位素特征及成因分析[D]. 北京: 中国地质大学(北京), 2017.
[4]	SOLDATOVA E, GUSEVA N, SUN Z X, et al. Sources and behaviour of nitrogen compounds in the shallow groundwater of agricultural areas (Poyang Lake Basin, China)[J]. Journal of Contaminant Hydrology, 2017, 202: 59-69. DOI PMID
[5]	董一慧, 刘春篁, 昝金晶, 等. 鄱阳湖流域浅层地下水硝酸盐氮时空分布特征与来源[J]. 长江流域资源与环境, 2021, 30(12): 2972-2981.
[6]	杨洵, 曹聪, 谢亚巍, 等. 重庆主城都市区地下水质量与污染评价: 基于层级阶梯评价法[J]. 三峡生态环境监测, 2023, 8(3): 36-44.
[7]	付瑶, 郑囡, 王泽明, 等. 基于氮氧同位素技术的大明湖总氮来源研究[J]. 三峡生态环境监测, 2021, 6(4): 48-54.
[8]	刘茂涵, 刘海燕, 张卫民, 等. 鄱阳湖流域赣江北支水体和沉积物中稀土元素的含量和分异特征[J]. 现代地质, 2022, 36(2): 389-405.
[9]	MA Q S, GE W Y, TIAN F J. Geochemical characteristics and controlling factors of chemical composition of groundwater in a part of the Nanchang section of Ganfu Plain[J]. Sustainability, 2022, 14(13): 7976.
[10]	徐芳斐. 环鄱阳湖区浅层地下水三氮分布特征及来源分析[D]. 北京: 中国地质大学(北京), 2017.
[11]	杨涛, 王世杰, 陈生华. 环鄱阳湖地区浅层地下水化学特征及成因分析[J]. 安徽农业科学, 2012, 40(1): 405-407.
[12]	MAO H R, WANG G C, RAO Z, et al. Deciphering spatial pattern of groundwater chemistry and nitrogen pollution in Poyang Lake Basin (eastern China) using self-organizing map and multivariate statistics[J]. Journal of Cleaner Production, 2021, 329: 129697.
[13]	甘春娟, 朱子奇, 刘梦一, 等. 秀山县城区雨水径流污染特征综合评价[J]. 三峡生态环境监测, 2020, 5(4): 73-81.
[14]	金贵, 邓祥征, 赵晓东, 等. 2005—2014年长江经济带城市土地利用效率时空格局特征[J]. 地理学报, 2018, 73(7): 1242-1252. DOI
[15]	卞建民, 查恩爽, 汤洁, 等. 吉林西部砷中毒区高砷地下水反向地球化学模拟[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2010, 40(5): 1098-1103.
[16]	龚星, 陈植华, 罗朝晖. 罗河铁矿水文地球化学特征及成因[J]. 地球科学, 2014, 39(3): 293-302.
[17]	王金金. 北京平谷平原区浅层地下水化学特征演化研究[D]. 成都: 成都理工大学, 2020.
[18]	王瑞. 松嫩平原地下水水化学特征及演化机理研究[D]. 长春: 吉林大学, 2015.
[19]	文帮勇, 杨忠芳, 侯青叶, 等. 江西鄱阳湖地区土壤酸化与人为源氮的关系[J]. 现代地质, 2011, 25(3): 562-568.
[20]	于璐, 郑天元, 郑西来. 地下水硝酸盐污染源解析及氮同位素分馏效应研究进展[J]. 现代地质, 2022, 36(2): 563-573.
[21]	李海明, 李梦娣, 肖瀚, 等. 天津平原区浅层地下水水化学特征及碳酸盐风化碳汇研究[J]. 地学前缘, 2022, 29(3): 167-178. DOI
[22]	张列宇, 马阳阳, 李国文, 等. 稳定同位素技术在水体硝酸盐污染源解析中的研究进展[J]. 环境工程技术学报, 2023, 13(4): 1373-1383.
[23]	吴蓉, 廖凯, 邓燕青, 等. 江西省大气降水水质特征分析及其对地表水环境的影响[J]. 江西水利科技, 2020, 46(5): 365-373.
[24]	张广禄, 刘海燕, 郭华明, 等. 华北平原典型山前冲洪积扇高硝态氮地下水分布特征及健康风险评价[J]. 地学前缘, 2023, 30(4): 485-503. DOI
[25]	吴初. 红碱淖流域地下水循环机理及湖水位动态预测研究[D]. 北京: 中国地质大学(北京), 2020.
[26]	郭华明, 尹嘉鸿, 严松, 等. 陕北靖边高铬地下水中硝酸根分布及来源[J]. 地学前缘, 2024, 31(1): 384-399. DOI
[27]	XU S, LI S L, SU J, et al. Oxidation of pyrite and reducing nitrogen fertilizer enhanced the carbon cycle by driving terrestrial chemical weathering[J]. Science of the Total Environment, 2021, 768: 144343.
[28]	翟大兴, 杨忠芳, 柳青青, 等. 鄱阳湖流域水化学特征及影响因素分析[J]. 地学前缘, 2012, 19(1): 264-276.
[29]	XIONG Y J, DU Y, DENG Y M, et al. Contrasting sources and fate of nitrogen compounds in different groundwater systems in the Central Yangtze River Basin[J]. Environmental Pollution, 2021, 290: 118119.
[30]	张景涛, 史浙明, 王广才, 等. 柴达木盆地大柴旦地区地下水水化学特征及演化规律[J]. 地学前缘, 2021, 28(4): 194-205. DOI
[31]	吴通航, 刘海燕, 张卫民, 等. 鄱阳湖流域赣江下游水化学特征及人类健康风险评价[J]. 现代地质, 2022, 36(2): 427-438.
[32]	王宏青. 氮氧同位素示踪赣江南昌段水体硝酸盐来源[D]. 抚州: 东华理工大学, 2019.
[33]	MAO H R, WANG G C, LIAO F, et al. Geochemical evolution of groundwater under the influence of human activities: a case study in the southwest of Poyang Lake Basin[J]. Applied Geochemistry, 2022, 140: 105299.

赣抚平原东北部地下水硝酸盐浓度变化特征及成因

Variability in spatiotemporal groundwater nitrate concentrations in the northeast Ganfu Plain

RichHTML

PDF (PC)

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 15

参考文献 33

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价

[1]	杨慧, 范怀伟, 徐晓, 张云惠, 王文峰, 闫兆进, 王成, 王俊辉, 刘蕾, 王冉, 慈慧. 能源资源开发区域大气CO₂时空变化及影响因素分析[J]. 地学前缘, 2024, 31(4): 147-164.
[2]	付宇, 曹文庚, 张春菊, 翟文华, 任宇, 南天, 李泽岩. 基于集成学习优化的河套盆地地下水砷风险评估[J]. 地学前缘, 2024, 31(3): 371-380.
[3]	杨冰, 孟童, 郭华明, 连国玺, 陈帅瑶, 杨曦. 基于K_d的某酸法地浸铀矿山地下水铀运移模拟[J]. 地学前缘, 2024, 31(3): 381-391.
[4]	谌宏伟, 杨瑶, 黄荷, 周慧, 彭向训, 于莎莎, 喻娓厚, 李正最, 王赵国. 基于氡同位素示踪的洞庭湖区枯水期湖水与地下水交互作用研究[J]. 地学前缘, 2024, 31(2): 423-434.
[5]	吕良华, 乔文静, 张晗, 叶淑君, 吴吉春, 王水, 蒋建东. 脱卤杆菌介导的厌氧微生物富集菌群对1,2,4-三氯苯的降解特性[J]. 地学前缘, 2024, 31(2): 472-480.
[6]	郭华明, 尹嘉鸿, 严松, 刘超. 陕北靖边高铬地下水中硝酸根分布及来源[J]. 地学前缘, 2024, 31(1): 384-399.
[7]	徐蓉桢, 魏世博, 李成业, 程旭学, 周翔宇. 基于水化学与环境同位素的额济纳平原区域地下水循环规律解析[J]. 地学前缘, 2023, 30(4): 440-450.
[8]	张广禄, 刘海燕, 郭华明, 孙占学, 王振, 吴通航. 华北平原典型山前冲洪积扇高硝态氮地下水分布特征及健康风险评价[J]. 地学前缘, 2023, 30(4): 485-503.
[9]	王振, 郭华明, 刘海燕, 邢世平. 贵德盆地高氟地下水稀土元素特征及其指示意义[J]. 地学前缘, 2023, 30(3): 505-514.
[10]	邢世平, 吴萍, 胡学达, 郭华明, 赵振, 袁有靖. 化隆-循化盆地含水层沉积物地球化学特征及其对地下水氟富集的影响[J]. 地学前缘, 2023, 30(2): 526-538.
[11]	郭永丽, 肖琼, 章程, 吴庆. 石油类污染的岩溶地下水环境特征:以淄博市大武水源地为例[J]. 地学前缘, 2023, 30(2): 539-547.
[12]	鹿帅, 苏小四, 冯晓语, 孙超. 河水入渗过程中近岸带地下水中砷的形成与影响因素研究[J]. 地学前缘, 2022, 29(4): 455-467.
[13]	郭巧娜, 赵岳, 周志芳, 林锦, 戴云峰, 李孟军. 人类活动影响下的龙口海岸带海底地下水排泄通量研究[J]. 地学前缘, 2022, 29(4): 468-479.
[14]	王焰新, 李俊霞, 谢先军. 高碘地下水成因与分布规律研究[J]. 地学前缘, 2022, 29(3): 1-10.
[15]	文冬光, 宋健, 刁玉杰, 张林友, 张福存, 张森琦, 叶成明, 朱庆俊, 史彦新, 金显鹏, 贾小丰, 李胜涛, 刘东林, 王新峰, 杨骊, 马鑫, 吴海东, 赵学亮, 郝文杰. 深部水文地质研究的机遇与挑战[J]. 地学前缘, 2022, 29(3): 11-24.