四湖地區(qū)水質(zhì)評價與空間分析

傅嬌鳳 ，陳世儉，張 婷，2

（1.中國科學(xué)院 測量與地球物理研究所，武漢 430077；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

地下水作為重要的自然資源，與人們的生產(chǎn)生活息息相關(guān).隨著人口增長、社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，水資源短缺和環(huán)境污染日益嚴(yán)重.國內(nèi)外對對地下水水質(zhì)的研究主要集中在5個方面：（1）對地下水水質(zhì)評價方法的探索［1－3］；（2）將不同的技術(shù)引入地下水水質(zhì)研究中，如同位素示蹤法［4－5］和GIS技術(shù)的應(yīng)用［6－7］；（3）隨著地下水水質(zhì)惡化的普遍和加劇，地下水水質(zhì)質(zhì)評價項目不斷增加，研究區(qū)域也從水量型缺水的北方到水質(zhì)型缺水的南方地區(qū)，從城市到近郊到農(nóng)村地區(qū)［8－9］；（4）從不同的角度探索地下水水質(zhì)的演化原因［10－11］；（5）由于地下水常作為飲用水源，隨著對地下水研究的進(jìn)展，許多學(xué)者從毒理學(xué)方面探索地下水水質(zhì)對人類健康的影響［12］.

位于湖北江漢平原的四湖地區(qū)地下水埋藏較淺，采用便利，在未形成集中式供水的農(nóng)村地區(qū)，地下水往往成為主要的生活水源甚至是飲用水源.但是四湖地區(qū)地下水水質(zhì)自然稟賦并不好.根據(jù)有關(guān)資料，四湖地區(qū)所在的荊州市農(nóng)村地區(qū)，72.7%的地下水水源地未能達(dá)到Ⅲ類水質(zhì)要求［13］，飲水不安全人數(shù)占70%［14］.四湖地區(qū)有關(guān)地下水方面的工作報道主要集中在有關(guān)水資源狀況、地下水位動態(tài)規(guī)律、四水轉(zhuǎn)換及其對環(huán)境的影響等方面，而涉及到用水安全以及居民健康有關(guān)的水質(zhì)工作很少.因此對四湖地區(qū)地下水進(jìn)行水質(zhì)分析十分必要.其分析結(jié)果可以為當(dāng)?shù)氐叵滤盟踩峁┮罁?jù)；了解造成地下水污染主要指標(biāo)的空間分布和超標(biāo)情況，為合理治理地表水和地下水提供一些建議.

1 研究區(qū)域和評價方法

1.1 研究區(qū)域和采樣點分布

四湖地區(qū)地跨湖北省的荊州、荊門、潛江3市，處于江漢平原腹地，是位于長江、漢水及其支流東荊河之間的河間洼地，因境內(nèi)曾有長湖、三湖、白露湖和洪湖四大湖泊而得名（現(xiàn)僅存長湖和洪湖）.本次調(diào)查采樣點主要分布在長江沿岸、內(nèi)荊河沿線和東荊河沿岸，涉及洪湖、監(jiān)利、江陵和潛江4縣市.本次調(diào)查共設(shè)置23個采樣點，3個地表水樣分別來自洪湖出水口、長江和內(nèi)荊河，標(biāo)記為S1、S2、S3；6個潛水水樣標(biāo)記為P1～P6，14個承壓水水樣標(biāo)記為C01～C14，采樣點分布見圖1.

1.2 水質(zhì)檢測方法

采樣現(xiàn)場用美國哈希水質(zhì)儀（DS5系列）測定了水樣溶解性總固體（TDS）和pH值.根據(jù)不同測定指標(biāo)的樣品保存要求，每個采樣點取兩組水樣：一組經(jīng)過加酸處理，一組未經(jīng)任何處理.將水樣帶回實驗室分析氨氮、亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮、總氮、總磷、氯化物、鐵、錳、硬度、高錳酸鹽指數(shù)等共10項水質(zhì)化學(xué)指標(biāo).具體的測定方法如下：亞硝酸鹽氮用N－（1—萘基）——乙二胺光度法測定，硝酸鹽氮用紫外分光光度法測定，總氮用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法測定，總磷用鉬酸銨分光光度法測定，鐵用林菲羅琳分光光度法測定，錳用高碘酸鉀分光光度法測定，總硬度用乙二胺四乙酸二鈉滴定法測定，氨氮用納氏試劑分光光度法測定，氯離子用硝酸銀滴定法測定，化學(xué)需氧量用高錳酸鉀酸性滴定法測定.

圖1 四湖地區(qū)采樣點分布圖Fig.1 Map of the sampled points in Sihu Area

1.3 評價方法

長江、洪湖、內(nèi)荊河3個地表水樣按GB3838－2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行單因子評價.地下水選用GB／T14848－9《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》推薦的F值法進(jìn)行水質(zhì)評價.根據(jù)《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》，將水質(zhì)劃分為5類，代碼和類別代號相同，不同類別標(biāo)準(zhǔn)值相同時，水質(zhì)從優(yōu)不從劣，得到單項組分評價，劃分組分所屬類別，對各類別按照表1分別確定單項組分評價分值Fi.

表1 地下水質(zhì)量評分表Tab.1 Ratings for groundwater quality

按式（1）和式（2）計算綜合平分值F：

式中，為各單項組分評分指F的平均值；Fmax為單項組分值Fi的最大值；n為項數(shù)

最后，根據(jù)F值按表2 規(guī)定劃分地下水質(zhì)量級別.

表2 地下水質(zhì)量級別表Tab.2 Levels of groundwater quality

2 水質(zhì)評價結(jié)果和空間分析

2.1 地下水F值評價

利用國際F值法得到2012年6月份20個地下水的水質(zhì)綜合評價，見表3.評價結(jié)果表明四湖地區(qū)地下水水質(zhì)較差，大部分為極差，從整體上看，潛水水質(zhì)略好于承壓水水質(zhì).

表3 2012年6月份水質(zhì)質(zhì)量分級Tab.3 Grading for the groundwater quality of June 2012

2.2 地表水各項水質(zhì)指標(biāo)

洪湖出水口、長江、內(nèi)荊河3個地表水樣，整體上長江水質(zhì)比洪湖水質(zhì)好，洪湖水質(zhì)比內(nèi)荊河水質(zhì)好.洪湖、長江總氮含量均超標(biāo)一倍多，內(nèi)荊河總氮含量超標(biāo)將近3倍.從三氮濃度來看，長江的氨氮、亞硝酸鹽氮含量都比洪湖和內(nèi)荊河低，內(nèi)荊河和洪湖出水口氨氮含量為地表水Ⅴ類，長江水樣氨氮符合地表水Ⅱ類水質(zhì)要求，而長江的硝酸鹽氮含量明顯高于洪湖和內(nèi)荊河.洪湖和內(nèi)荊河的高錳酸鹽指數(shù)超過了6mg／L，表明受有機(jī)污染物和還原性無機(jī)物質(zhì)污染比較嚴(yán)重.洪湖的總磷、總氮超標(biāo)情況都比較嚴(yán)重，總磷超標(biāo)將近4倍，容易發(fā)生水體富營養(yǎng)化.具體指標(biāo)濃度見表4.

表4 四湖地區(qū)地表水水質(zhì)參數(shù)統(tǒng)計值的比較／（mg·L－1）Tab.4 Comparison of the water quality parameters of surface water in Sihu Area／（mg·L－1）

2.3 水質(zhì)空間分布和分析

本次調(diào)查表明，地下水氨氮、鐵、錳和總氮超標(biāo)率高，高錳酸鹽指數(shù)為Ⅳ類水質(zhì)的樣點所占比例大.地下水超標(biāo)比率錳高達(dá)95%，鐵為45%，氨氮為80%，亞硝酸鹽氮為30%，總氮含量超過1.0mg／L的占70%.TDS僅1 個樣點略有超標(biāo)，硝酸鹽氮和氯化物含量均能達(dá)到地下水Ⅲ類水質(zhì)要求.

2.3.1 地下水氨氮的空間分布 潛水中氨氮的濃度分布為0.14～0.39mg／L，承壓水氨氮濃度離散程度高，為0.1 mg／L～8.77 mg／L，氨氮含量有明顯的區(qū)域差異性.14個承壓水樣中僅兩個樣點能達(dá)到地下水氨氮Ⅲ類水質(zhì)要求，有兩個樣點超標(biāo)40多倍.在所有超標(biāo)的樣點中，含量超過0.5mg／L的占50%，且全部為承壓水.氨氮濃度在0.5～3mg／L的樣點主要分布在四湖地區(qū)的東南部，見圖2.

圖2 四湖地區(qū)地下水氨氮濃度空間分布Fig.2 The distribution of the Ammonia Nitrogen of groundwater in Sihu Area

2.3.2 四湖地區(qū)總氮濃度空間分布 在本次地下水水質(zhì)調(diào)查中，總氮濃度超過1.0 mg／L 的占70%，潛水樣點至少超標(biāo)4倍以上，其濃度分布在6.03～27.67mg／L之間.約60%的承壓水樣總氮含量低于2.0mg／L，承壓水總氮含量明顯低于潛水.四湖地區(qū)總氮濃度空間分布見圖3.

圖3 四湖地區(qū)總氮濃度空間分布Fig.3 Distribution of Total Nitrogen in Sihu Area

長江沿岸的4 個潛水井總氮含量均高于20mg／L，氨氮含量稍低，亞硝酸鹽氮較高，硝酸鹽氮比承壓水井高，總氮含量超出長江水樣10余倍.各潛水井三氮和總氮濃度見表5.

表5 長江沿岸潛水井三氮和總氮濃度／（mg·L－1）Tab.5 The contents of Ammonia，Nitrate and Nitrite Nitrogen of the unconfined－water wells along the Yangtze River／（mg·L－1）

2.3.3 地下水鐵和錳濃度分布 四湖地區(qū)鐵錳超標(biāo)嚴(yán)重，鐵超標(biāo)比例為45%，錳超標(biāo)比例高達(dá)95%.承壓水中錳濃度為0.15～2.35 mg／L，潛水為0.01～1.96 mg／L.四湖地區(qū)75%的地下水錳含量僅能達(dá)到水質(zhì)Ⅳ類要求.錳濃度在1.0～3.0mg／L的樣點主要分布在洪湖以東，長江和內(nèi)荊河之間.35%的樣點錳濃度在0.1～0.5mg／L，40%的樣點錳濃度分布在0.5～1.0mg／L.承壓水鐵含量超標(biāo)嚴(yán)重，鐵含量超過1.0mg／L 的樣點全部為承壓水井，鐵含量最高的樣點超標(biāo)20多倍.鐵濃度較高的樣點主要分布在四湖地區(qū)的東南部，見圖4.

圖4 地下水鐵濃度空間分布Fig.4 Distribution of the iron in groundwater in Sihu Area

3 結(jié)果分析和討論

四湖地區(qū)鐵錳超標(biāo)嚴(yán)重主要是水文地質(zhì)地質(zhì)因素造成的，根據(jù)曾昭華的研究［15－16］，地下水鐵元素含量與含水介質(zhì)的鐵元素含量具有較好的相關(guān)性，江漢平原東部地區(qū)含水介質(zhì)和上部土層均含有大量鐵錳結(jié)核.在20個地下水采樣點的數(shù)據(jù)中，鐵的最高值達(dá)6.4m／L，錳的最高值達(dá)2.3 mg／L，地表水中鐵含量均在0.2～0.3mg／L，錳含量低于0.5mg／L.鐵、錳含量較高會造成地下水出現(xiàn)異味、苦澀，洗衣服時出現(xiàn)衣斑等現(xiàn)象并影響人們的身體健康.根據(jù)唐克旺等人的研究，長江流域地下水pH值大部分為7.0左右，湖北等地淺層地下水由于受到地表水污染，pH值呈中堿性［17］.根據(jù)現(xiàn)場檢測四湖地區(qū)地下水pH值大部分為7.5～8.0，洪湖出水口、長江、內(nèi)荊河pH值分別達(dá)到8.19、8.46和8.20.

廣大四湖農(nóng)村地區(qū)，缺乏完整的生活污水收集處理系統(tǒng)，生活污水隨意排放；村民環(huán)保意識相對淡薄，生活垃圾的清運、處理設(shè)施落后，相當(dāng)部分生活垃圾在水塘溝渠、道旁、地頭隨意傾倒堆積，成為污染源.據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)的研究，目前約96%的村莊居民的生活污水未經(jīng)任何處理，直接排放到河流、湖泊或潑灑到地面上，嚴(yán)重地影響了地表水體的水質(zhì)［18－19］.根據(jù)陳能汪等對福建省九龍江流域農(nóng)村生活污水污染定量調(diào)查結(jié)果表明，全流域年均農(nóng)村生活污水排放總氮、總磷分別占該流域農(nóng)業(yè)非點源污染排放量的28%、25%［20］.尹發(fā)能研究表明四湖流域中部地區(qū)，種植業(yè)污染，畜禽養(yǎng)殖污染和生活污染較為突出，污染綜合特征明顯.該區(qū)是四湖流域糧食主產(chǎn)區(qū)，化肥和農(nóng)藥施用量大，地表徑流江化肥和農(nóng)藥直接帶入水體，對水質(zhì)影響很大［21］.4～6月份正是四湖地區(qū)水稻生長季節(jié)，大量農(nóng)藥、化肥的使用以及農(nóng)田灌溉，增加了該地污染物來源，降雨易將殘留的農(nóng)藥化肥通過下滲、越流補(bǔ)給等帶入地下水中.位于潛江蔬菜種植區(qū)的承壓水井C11，氨氮、總氮、CODMn的含量都很高，位于四湖總干渠附近的承壓水井C13F值達(dá)到7.50，為極差.位于長江沿岸和內(nèi)荊河附近的采樣點污染物指標(biāo)明顯偏高.采樣點P1、P2、P3和P6沿長江北岸分布，三氮及總氮含量見表5.P2 作為飲用水，而P1主要作為生活用水，但二者的亞硝氮含量超標(biāo)嚴(yán)重，作為飲用水的樣點P2亞硝氮含量超標(biāo)將近30倍，亞硝酸鹽氮與體內(nèi)蛋白質(zhì)結(jié)合形成亞硝胺，長期飲用容易致癌.根據(jù)水位觀測資料，2012年從5月份開始，長江水位高于四湖地區(qū)地下水水位，長江補(bǔ)給地下水，而四湖地區(qū)長江切穿了隔水板頂層，可將污染的地表水直接補(bǔ)給地下水.地下水更新周期較長，污染物容易在含水層中長時間積累.

4 結(jié)論

從地表水水質(zhì)來看，長江水質(zhì)最好，其次是洪湖出水口，內(nèi)荊河水質(zhì)最差；地表水總氮超標(biāo)嚴(yán)重，洪湖出水口和內(nèi)荊河氨氮、高錳酸鹽指數(shù)和總磷均超標(biāo)；使用F值法綜合評價四湖地區(qū)地下水，大部分采樣點的F值分布在7.20～8.25之間，水質(zhì)為極差.潛水水質(zhì)略好于承壓水，承壓水主要超標(biāo)指標(biāo)為氨氮、鐵和高錳酸鹽，潛水主要超標(biāo)指標(biāo)為亞硝酸鹽氮、總氮濃度，長期飲用亞硝酸鹽氮超標(biāo)的井水，將影響當(dāng)?shù)鼐用裆眢w健康；四湖地區(qū)鐵錳超標(biāo)嚴(yán)重，其主要原因為該地含水介質(zhì)中含有大量的鐵錳結(jié)核；四湖地區(qū)人口密集，農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)，種植業(yè)造成的面源污染和生活污水等人為污染不僅污染了地表水，對地下水亦有長期的影響.需要對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的農(nóng)田廢水排放進(jìn)行有效管理，合理施肥.對生活垃圾和生活廢水亟待完善措施進(jìn)行無害化處理，以減少對地表水的污染和對地下水水質(zhì)的影響.

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