城市湖泊环境地下水氮污染机制及其对富营养化调控的基础研究--以杭州西湖为例

This work is proposed to deal with research on the nitrogen pollution mechanism in groundwater and the theory about the influence of groundwater on eutrophication control in the West Lake watershed. The water environment in the West Lake watershed will be studied by using the theory and method of the environmental geochemical study, using nitrogen isotope and oxygen isotope and using Visual MODFLOW. The nitrogen sources in the surface water and groundwater will be indicated. The nitrogen pollution mechanism of groundwater will be expounded. The flux of pollutants into the lake from groundwater and the factors effected the flux will be predicted. The mechanism about the groundwater and its nutrients (N) into the West Lake will be expounded. The research could provide the scientific basis to control nitrogen pollution in the West Lake. It has the theoretical basis for hydraulic interaction between groundwater and lakes and could provide basic data on calculation about fluxes of groundwater nutrients into the lake and has effective utilization of water resources in the urban lakes watershed.

本研究拟以西湖流域水环境为研究对象，开展西湖流域地下水氮污染机制及其对富营养化调控的基础研究。利用环境地球化学研究理论和手段，结合氮氧同位素方法，运用Visual MODFLOW模型，以期进行西湖流域地下水及湖水氮污染的源解析，阐明地下水氮污染机制，预测地下水氮污染物的入湖通量，探讨引起氮输送量变化的影响因素，阐明流域地下水及其营养物质（N）渗入湖泊的机理，力求为有效抑制西湖水体氮污染提供重要的理论依据，为地下水和湖泊水力交互作用提供理论依据，为营养物质随地下水入湖通量计算提供基础数据，将有利于城市湖泊水质的达标控制和水资源的有效利用。

本项目明确了西湖流域地表水体的主要污染物是TN，西湖流域地下水的主要污染物是NO3-，NO3-是TN的主要存在形式。氮、氧同位素研究表明西湖流域地表水氮污染源主要为化肥、土壤氮、降雨和生活污水（粪肥），地表水体中硝化作用明显。地下水氮源与土地利用密切相关，其中林地地下水氮主要来自土壤氮、茶园地下水氮主要来自化肥和有机肥、商业和居住区地下水氮污染源主要为生活污水，地下水中存在硝化作用也存在反硝化作用。NO3-和氨氮NH4+在沉积物-水界面均存在浓度梯度，NO3-自底层水向间隙水扩散，是为沉积物累积；NH4+自间隙水向底层水扩散，是为沉积物释放。西湖底层水硝化作用明显，硝酸盐来源包括生活污水（粪肥）、土壤氮、化肥和降雨，生活污水（粪肥）是主要来源。间隙水中特别高的δ15N值反映西湖沉积物-水界面存在强烈的反硝化作用。西湖沉积物-水界面硝化速率和反硝化速率的平均值分别为2.85 mmol•m-2•d-1和23.51μmol•m-2•d-1，沉积物-水界面在水体氮素去除过程中作用显著。硝化速率和反硝化速率时空变化显著。温度和溶解氧是影响西湖沉积物-水界面氮迁移转化的主要因素。钱塘江引水、降雨量和溪流的数据，得到年均入湖水量分别为1.20×108 m3/a，1.04×107 m3/a和2.77×107 m3/a。利用SCS-CN模型估算出近岸地区的年均地表径流量分别为1.74×106 m3/a。利用MODFLOW构建研究区浅层地下水-湖泊模型，并通过人工校准使模型接近实际情况最终根据质量预算表获得研究期内西湖周边浅层地下水入湖水量为119 ×104m3/a。综合计算得出年外源入湖总量为1.76×108 m3，可见，西湖周边地下水补给西湖水量很少（0.007%），对西湖总体水量影响较小。估算各源入湖总氮量，各源入湖TN量依次为钱塘江引水>溪流>地表径流>降雨>地下水。西湖周边浅层地下水入湖TN、NO3--N和NH4+-N分别占入湖总量的0.02%、0.02%和0.03%，表明西湖周边浅层地下水输入对西湖氮含量的影响极低。本项目的研究为有效抑制西湖水体氮污染提供了重要的理论依据，为地下水和湖泊水力交互作用提供了理论依据，利于西湖水质的达标控制和水资源的有效利用。