论文部分内容阅读
再生水作为一种非传统水资源，主要用于农业灌溉、河道景观、市政用水、工业用水和地下水回灌。再生水灌溉量占总再生水使用量的28.9％，其中，再生水灌溉面积占到全国总农田灌溉面积的7.3％，成为最主要的再生水使用方式。再生水的灌溉使用不仅造成了天然水循环的改变，同时，其水体中所含物质会影响地表水、土壤水、地下水水质以及农作物品质，可能影响到生态环境和人类健康。 本文选取北京市东南郊再生水灌区为研究区域，通过资料收集、野外调查采样、室内数据分析，基于稳定同位素示踪和水化学特征等方法揭示降水-地表水-地下水的“三水”转化关系，建立灌区地下水形成的概念模式;通过文献调查明确灌区内典型污染物，并在此基础上阐明硝酸盐、重金属等无机污染物和POPs（PAHs多环芳烃和PCBs多氯联苯）、PPCPs（EDCs内分泌干扰物和药品）等有机污染物在水体中迁移规律，为再生水水质标准的完善和用水安全等提供科学支撑。主要研究内容包括:1）基于氢氧稳定同位素的“三水”转化关系。2）地表水和地下水水化学特征及其转化关系。3）硝酸盐和重金属在不同水体的迁移规律。4)POPs和PPCPs在不同水体的迁移规律。 主要研究结论如下: 1)大气降水氢氧稳定同位素值范围分别为-133‰～9‰和-18.0‰～1.0‰，暴雨雨水的氢氧稳定同位素贫化(δ2H:-97‰，δ18O:-13.0‰)，雨量效应显著。河渠水氢氧稳定同位素在降雨较少模式下沿着河流流向不断升高，是不断的蒸发作用所致。河渠水的氢氧稳定同位素在暴雨模式下沿着河流流向不断降低，表明降水快速产流和汇流进入河道或降雨直接补给。降雨较少模式下和暴雨模式下的地下水氢氧稳定同位素不存在显著的差异性。深部地下水的氢氧稳定同位素均值分别为-83‰和-11.3‰，变化范围小，受到降水和地表水垂直入渗的影响小;浅部地下水氢氧稳定同位素富集（变化范围分别为-64‰～-50‰和-9.1‰～-6.0‰），变化范围大，年龄为14-52年，是由降雨、河渠水和灌溉水下渗补给，也存在现代水体和贫化地下水的混合作用。 2)降雨较少模式下再生水和河渠水阳离子以Na+为主，阴离子以HCO3-为主，暴雨模式下再生水的阳离子以Na+和Ca2+为主，阴离子以Cl-和SO42-为主，而河渠水的阳离子以Ca2+为主，阴离子以HCO3-为主。河渠水中主要阴阳离子浓度在降雨较少模式下沿着河流流向升高，不断的蒸发作用所致。而主要阴阳离子浓度在暴雨模式下沿着河流流向降低，则是由于降雨汇流和稀释作用。基于“三水”转化关系和水化学离子特征，构建了灌区内沿着地下径流方向的地下水形成概念模式。沿着地下水流向，伴随着方解石和白云石动态平衡和沉淀、石膏和岩盐溶解、阳离子交换和地表水下渗过程(再生水对浅部地下水补给比例为7-88％)，地下水的主导阳离子从Ca-Mg和Ca-Na型演化为Na-Mg、Na-Ca或Na型，阴离子以HCO3-为主，Cl-和SO42-不断增加。 3)硝酸盐浓度在降雨较少模式下沿着河流方向不断降低，河底沉积物的反硝化和异化硝酸盐还原反应有效地降低了河流中硝酸盐含量。暴雨模式下，沿着河流方向，河渠水硝酸盐浓度忽高忽低，硝酸盐浓度升高可能是沿岸地表和土壤氮营养盐的流入和硝化作用，硝酸盐浓度降低可能是降水稀释作用。浅部地下水硝酸盐浓度低于再生水和河渠水，而大多数深部地下水的硝酸盐浓度低于5mg/L。9月相比4月而言，浅部地下水硝酸盐浓度大于20mg/L的面积范围扩大，浓度升高，表明降雨会导致硝酸盐的下渗作用。浅部地下水中硝酸盐高值区域分布于研究区西北部和河渠密集的凉水河和风港减河之间。 4)暴雨模式下，小红门再生水重金属含量最高(0.959mg/L)，高碑店再生水最低(0.730mg/L)。所有水体的15种重金属离子中Sr、B、Ba、Fe、Zn和Al离子含量较高，浓度范围为0.007-1.116mg/L。沿着河流流向，Ba、Sr和Ag具有相似的变化趋势，其余重金属离子变化趋势较为一致。重金属离子在暴雨模式下沿着河流流向不存在变化趋势，重金属离子浓度降低与降雨汇入有关，重金属离子升高则是土壤或底泥颗粒重金属的解析过程，可能存在其他污染物等相同来源。暴雨模式下浅部地下水和深部地下水重金属含量变化范围分别为1.300-4.556mg/L和0.731-0.989mg/L，深部地下水重金属含量显著低于浅部地下水。浅部地下水中Sr、B、Ba、Fe和Al离子浓度平均值大于河渠水、再生水和降雨，其他重金属含量均值都小于河渠水中含量，可能原因是大量降雨将原本吸附在土壤和包气带中金属离子冲刷进入地下水，导致铁、锰、砷等离子超标。超标水样主要分布在通州区潮白河和北运河沿线、研究区下游区和大兴区个别点。 5)POPs包括PAHs和PCBs，PAHs在河渠水的浓度范围为359.1-3435.0ng·L-1，沿着河流流向没有变化趋势，个别高值点是因存在未处理工业废水或家庭污水的排入。PAHs在浅部地下水浓度范围为216.5-488205.2ng·L-1，其中，浓度超过10000ng·L-1的浅部地下水，2环PAHs（萘）含量占比均大于98％，分布在杨各庄湿地公园内和凉水河和风港减河之间的区域。PCBs在河渠水的浓度范围为4.2-41.92ng/L，沿着河流流向其浓度逐渐升高，个别河渠水样点PCBs浓度异常高，可能是沿岸工业废气废液的输入。浅部地下水PCBs浓度范围为1.3-43.3ng/L，浓度最高的浅部地下水，也位于凉水河和风港减河之间的区域。 6)PPCPs包括EDCs和药品，EDCs中BPA浓度是E1，E2，E3和EE2浓度的10-10000倍，为主要EDCs。EDCs在河渠水浓度范围为419.6-2554.3ng·L-1，沿着河流方向BPA浓度不断降低，降雨的稀释作用、BPA向沉积物相的分配、光分解或生物降解作用等可能导致溶解态BPA的衰减。EDCs在浅部地下水浓度范围为97.7-1053.3ng·L-1，主要受到BAP的污染，EDCs高值区主要位于大兴区的青云店镇和通州区张家湾，影响深度已经达到地下80m。5种药品在河渠水浓度为507.7-24705.7ng·L-1，三氯生和咖啡因贡献率均值为59％和34％。沿着河流流向，药品浓度整体呈降低趋势，光分解、生物降解、沉积物和悬浮物相的分配作用等影响药品的衰减，浓度明显升高的点主要来自家庭生活废水或畜禽养殖废水的排入。药品在浅部地下水中浓度为331.6-14784.54ng·L-1，三氯生和咖啡因贡献率均值为41％和55％。浅部地下水药品高值区分布在杨各庄湿地和风河营等长期受到再生水补给的区域。