成都平原典型樣區(qū)淺層地下水水質調查與污染評價

唐學芳, 吳 勇, 韓莉璧, 陳 晶, 李仁海, 鄧東平, 榮欣萍

(1.成都理工大學 環(huán)境與土木工程學院, 四川 成都 610059; 2.地質災害防治與地質環(huán)境保護國家重點實驗室, 四川 成都 610059; 3.四川省地質工程勘察院, 四川 成都 610032)

研究區(qū)位于成都市西北部，為沖積平原，耕地土層深厚、質地適中，自流灌溉，是我國5大糧食主產區(qū)之一[1]。近20 a來，增施以氮肥為主的化肥是該區(qū)域提高糧食和蔬菜產量的主要措施之一，氮肥年用量常高達250～350 kg/hm2[2]。水文地質系統中氮的運動受自然循環(huán)過程、人為影響和隨機事件的控制，人口密度、氮肥負荷、地下水補給、土壤防護能力、滲流帶滲透率、地下水深度和飽和帶滲透率等因素能影響硝酸鹽向地下水遷移的相對難易程度。在農業(yè)生產密集的地區(qū)，氮肥施用量與地下水硝酸鹽含量密切相關，尤其是不適當的施肥制度[3-4]。目前，對該區(qū)域地下水研究多集中在地下水膠體[5]、硝酸鹽污染方面[2,6]，對該區(qū)開展地下水水質調查與評價研究，有利于掌握該地區(qū)地下水質量狀況和變化趨勢，有針對性的開展土壤和地下水資源保護，對合理開發(fā)利用地下水資源提供決策依據具有重要現實意義。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)面積438 km2。屬亞熱帶季風性濕潤氣候，年平均氣溫16 ℃，年平均降雨量979.4 mm，6—9月豐水期占全年降雨量的69%，12月至次年2月枯水期降雨量為全年的2.4%，其余月份為平水期。多年平均蒸發(fā)量879.2 mm，平均相對濕度84%。境內河網密布，河道總長158 km。研究區(qū)屬岷江冰水—流水堆積扇中部，區(qū)內大部分為平原區(qū)，僅在西北部橫山子一帶為一級臺地。平原區(qū)位于堆積扇中部，由第四系冰水及沖洪積等多種成因的沉積物堆積而成，地下水類型主要為第四系松散巖類孔隙潛水；西北部橫山子殘留臺地，上覆第四系上更新統砂質黏土或含泥砂礫卵石層，下伏白堊系砂泥巖，地下水類型為第四系松散巖類孔隙潛水和白堊系砂泥巖裂隙水。研究區(qū)主要河流包括蒲陽河、走馬河、柏條河、江安河等。研究區(qū)地處岷江扇地下水徑流帶與排泄帶的過渡地區(qū)，地下水主要沿平原傾斜方向自北西向南東運移，區(qū)內地下水的補給來源主要為河流、農灌、渠系入滲，其次為降雨入滲和側向徑流。研究區(qū)地下水水化學類型以HCO3-Ca，HCO3-Ca·Mg型為主，局部地段為HCO3·SO4-Ca型。礦化度大多數小于1 g/L，少數在1～2 g/L，硬度300～450 mg/L。區(qū)內地下水pH值多在6.5～8.5之間，為中性水，少部分為弱堿性水。根據2017年研究區(qū)內25口地下水監(jiān)測井資料，地下水位埋深在2.6～13.1 m之間。

2 材料與方法

2.1 數據來源

本文選取了成都平原典型樣區(qū)60個地下水監(jiān)測井為水樣采集點，采樣時間為2018年11月，枯水期，采樣計劃制定、樣設備選擇、樣品采集方法、樣品保存與送檢、實驗室分析測試等均嚴格按照《區(qū)域地下水污染調查評價規(guī)范(DZT0288-2015)》執(zhí)行，保證了數據的科學性、準確性。本次采樣充分考慮了研究區(qū)水文地質條件、污染源分布狀況，采樣點分布合理，基本涵蓋了研究區(qū)的環(huán)境敏感點，可以代表研究區(qū)域淺層地下水整體的水質狀況。本次調查評估特別注重了樣品野外采集質量控制和室內測試質量控制，選擇具有國家計量認證的實驗室進行水樣的分析測定。水質檢測指標包括：常規(guī)水質指標如溶解性總固體、總硬度、硫酸鹽、氯化物；主要由人類活動產生并對農業(yè)灌溉和飲水安全有潛在威脅的指標，如硝酸鹽、亞硝酸鹽、氨氮和氟化物等；以及對人類和其他生物生長發(fā)育有重要影響的指標，如鐵(Fe3+)、錳(Mn2+)等。

2.2 研究方法

2.2.1 單因子污染評價法 對照《地下水質量標準(GB/T14848-2017)》[7]中指標限值(Ⅲ級)，將測試指標與Ⅲ級限值對照進行階梯評價，得出地下水水質初步評價，通過無機毒理指標和微量有機指標進行地下水污染評價，將地下水水質初步評價與污染評價相結合，判定地下水質量類型是否升級[12]。

2.2.2 PCA因子分析法 利用因子分析或主成分分析對數據集進行解析并降維，通過對多個變量間關系的分析，以較少有代表性因子來說明眾多因子信息[8-9]，基本步驟包括： ①確認待分析的原始指標變量是否適合作因子分析； ②構造因子變量； ③利用旋轉方法使因子變量更具可解釋性； ④計算主成分及其貢獻率和累積貢獻率； ⑤計算主成分荷載[10]。選取研究區(qū)60個地下水監(jiān)測資料，每個監(jiān)測點選取總硬度、溶解性總固體、銨根離子、氯離子、氟離子、硫酸根、硝酸根、亞硝酸根、鐵、錳共10個指標進行綜合評價。

3 結果分析

3.1 地下水理化特征

利用SPSS對60組水樣的測試結果進行統計分析(表1)。由表1可知，研究區(qū)淺層地下水中亞硝酸、銨根離子、硫酸根、氯離子、氟離子的超標檢出率小于2%，污染較輕。總硬度、溶解性總固體、硝酸根、鐵和錳的超標率均大于3%，有一定程度污染，其中總硬度、硝酸根和錳的超標率分別是13.3%，11.7%和33.3%，屬于污染較重的指標，這3個指標的變異系數分別為0.36，1.86和1.42，具有超標率較高、變異系數較低特點，表明污染空間分布廣，主要是面源污染。檢測結果與《地下水質量標準(GB/T1484-2017)》Ⅲ級標準進行比較，除了亞硝酸、銨根離子、氯離子和氟離子沒有超標，其它分析指標均有不同程度的超標，其中總硬度、硝酸根和錳的超標率達到11%以上，硫酸根、鐵和TDS的超標率在1%～3.5%。檢測結果與《生活飲用水衛(wèi)生標準(GB5749-2006)》[11]進行比較，超標項目主要為硝酸鹽、硫酸鹽、溶解性總固體(TDS)、總硬度、鐵和錳。

表1 研究區(qū)淺層地下水理化特征的統計分析

3.2 單因子評價結果

根據層級階梯評價法對研究區(qū)地下水水質進行評價[12](表2)。60組地下水樣品中，地下水質量標準符合Ⅱ類水的取樣點有7組，占地下水取樣總數的12%，符合Ⅲ類水的取樣點有26組，占地下水取樣總數的43%，符合Ⅳ類水標準的取樣點有20組，占地下水取樣總數的33%，達到Ⅴ類水標準的取樣點有7組，占地下水取樣總數的12%。從評價結果顯示，無機常規(guī)化學指標中主要影響離子是總硬度、鐵離子和錳，其中，有1個取樣點的錳達到劣Ⅴ類水標準，有18個取樣點的錳達到Ⅳ類水標準；有3個取樣點的硫酸鹽達到Ⅲ類水標準，有1個取樣點的硫酸鹽達到Ⅳ類水標準；有3個取樣點的鐵離子達到Ⅲ類水質標準，有1個取樣點的鐵達到Ⅴ類水標準；有27個取樣點的總硬度達到Ⅲ類水標準，研究區(qū)地下水質量主要與無機常規(guī)化學指標有關，無機毒理指標影響離子主要是硝酸根和亞硝酸根，其中，有7個取樣點的硝酸鹽達到Ⅳ類及以上標準，有10個取樣點的硝酸鹽達到Ⅲ類標準，有5個取樣點的亞硝酸鹽達到Ⅲ類標準，研究區(qū)地下水質量與無機毒理化學指標有一定程度關系。綜合評價研究區(qū)地下水質量局部地區(qū)有一定污染。

表2 研究區(qū)水質評價結果一覽表

續(xù)表2

樣號鐵離子錳離子總硬度溶解性固體硝酸根亞硝酸根硫酸根綜合評價JC26ⅡⅡⅡⅡJC27ⅢⅢⅡⅡⅢJC28ⅢⅢⅡⅢⅡⅢJC29ⅢⅢⅡⅢJC30ⅣⅡⅣJC31ⅣⅢⅡⅣJC32ⅢⅢⅡⅢJC33ⅤⅡⅡⅤJC34ⅢⅢⅡⅢJC35ⅡⅡⅢⅣⅡⅣJC36ⅣⅢⅡⅣJC37ⅢⅢⅡⅢJC38ⅣⅡⅢⅣJC39ⅡⅢⅢⅢⅢJC40ⅡⅡⅡⅡJC41ⅢⅣⅢⅣJC42ⅡⅡⅡⅡJC43ⅡⅢⅢⅢJC44ⅡⅢⅡⅢⅢJC45ⅣⅢⅣJC46ⅡⅡⅡJC47ⅡⅡⅡⅡJC48ⅣⅢⅡⅣJC49ⅡⅢⅡⅢJC50ⅡⅢⅡⅢJC51ⅢⅢⅢⅢⅢJC52ⅡⅣⅢⅢⅡⅣJC53ⅣⅡⅡⅢⅣJC54ⅡⅢⅢⅢⅢJC55ⅢⅢⅢJC56ⅡⅢⅢJC57ⅡⅡⅢⅢⅢⅢJC58ⅡⅢⅡⅣⅣJC59ⅡⅢⅡⅢⅢJC60ⅢⅡⅡⅡⅢⅢ

3.3 主成分分析結果

表3 研究區(qū)地下水水質評價主成分特征分布

圖1 研究區(qū)污染源解析標準化地下水質指標的因子提取率

表4 研究區(qū)污染源解析旋轉因子的荷載矩陣

評價因子F1F2F3F4F5總硬度-0.0830.8480.313-0.001-0.041TDS-0.1780.3500.1580.790-0.090NO-3-0.346-0.250-0.5840.222-0.176NO-2-0.0100.0050.0170.0340.959NH+30.465-0.1890.0220.7240.247SO2-40.0030.941-0.1190.1430.012Cl--0.2320.1480.7430.219-0.212F-0.279-0.2780.5720.2190.321Fe0.862-0.115-0.118-0.0590.044Mn0.8920.0430.2120.119-0.037

圖2 研究區(qū)污染源解析旋轉因子載荷矩陣

4 討 論

4.1 硝酸根離子影響因素及成因分析

地下水中硝酸根離子含量一般與污染源和環(huán)境水文地質因素有關[12]。世界衛(wèi)生組織(WHO)頒布的飲用水質標準規(guī)定硝酸鹽含量的最大允許濃度為10 mg/L[13]，歐洲為11.3 mg/L，我國GB/T14848-2017地下水水質Ⅲ類飲用水標準中規(guī)定硝酸鹽含量不得超過20 mg/L。本次60組地下水樣品中，硝酸根離子有7組超標，超標點為JC01，JC02，JC03，JC08，JC09，JC21，JC35，其中，JC02，JC03，JC08，JC09，JC21這5個采樣點的硝酸根離子達到Ⅴ類水標準，這些超標點位主要分布在研究區(qū)西北部，這種異常超標的點，與天然背景值關系不大，與污染源的關系較為密切。研究區(qū)大部分為農業(yè)耕作區(qū)，受地表人類活動影響較大，農業(yè)生產施用過量化肥，農灌水下滲均可產生面源污染，引起地下水硝酸鹽污染[10]；其次氮污染受包氣帶巖性的防污性能、地下水水位埋深、地下水徑流速度等水文地質條件因素的影響。研究區(qū)河網密集，地下水接受河水補給，為氮磷污染物進入地下水系統提供了通道，研究區(qū)內巖性為砂質黏土和礫卵石，含水層巖性分布對氮素轉化具有控制作用，顆粒細的含水層中以還原作用為主，顆粒粗的含水層中以硝化作用為主[10]。氮污染物從排放到進入地下水到參與地下水運動的過程，均受水文地質環(huán)境因素的綜合制約，水文地質條件是決定其污染源擴散進入地下水的重要因素[12]。研究區(qū)中地下水硝酸鹽污染主要來源于農業(yè)耕作中化肥農藥的長期使用。

4.2 總硬度影響因素及成因分析

長期飲用高硬度地下水會對人體健康產生很大影響[14-15]。本次調查與監(jiān)測結果顯示，研究區(qū)地下水總硬度達到Ⅲ類及以上的取樣點達到27個，研究區(qū)地下水總硬度超標的原因主要包括4點： ①研究區(qū)內人類活動產生的廢棄物(包括液、固)通過各種方式進入土壤，在土壤中發(fā)生機械過濾、生物分解、離子吸附與交換等作用[16]，隨下滲水進入含水層，使地下水中一種或多種化學組分濃度(包括Ca2+，Mg2+)增加，造成地下水硬度的升高； ②研究區(qū)環(huán)境污染以人類生產、生活污染為主，其垃圾、糞便、生活污水、農業(yè)廢棄物等有機物在土壤微生物的參與下，形成硝酸、硫酸等酸類，這些酸可能會溶解土層中的鈣、鎂礦物質，使之進入地下水，增加了地下水硬度[17]； ③研究區(qū)地處岷江扇地下水徑流帶與排泄帶的過渡地區(qū)，第四系松散巖類孔隙潛水含水層，巖性為砂礫石、砂卵石，含水層顆粒松散、粒度粗、徑流條件較好，巖層中的鈣鎂化合物溶濾條件較好，強烈的交替作用使巖層中的鈣鎂化合物溶濾變成Ca2+和Mg2+離子，使地下水中Ca2+和Mg2+濃度較高[18]； ④研究區(qū)內重點污染源有養(yǎng)豬場，根據現場調查顯示，存在畜禽糞便及廢棄物未處理排放現象，畜禽廢棄物中Cl-，Na+含量很高，遷移能力強，能夠將土壤層中的Ca2+和Mg2+置換出來，使土壤中Ca2+和Mg2+離子進入地下水從而增加了地下水的硬度[19]。因此，該區(qū)域總硬度較高是水文地質條件和人類活動影響的綜合作用結果。

圖3 研究區(qū)地下水質評價結果

4.3 鐵、錳影響因素及成因分析

地下水中Fe3+和Mn2+的含量主要受上覆巖土及水介質的化學成分、地下水系統所處的氧化還原環(huán)境及季節(jié)性變化等因素的影響，且與地下水補給、徑流、排泄條件直接相關[20]。研究區(qū)地下水埋藏于第四松散的含水層，含水層主要為全新統、更新統地層，鐵錳結核分布于更新統冰水—流水堆積層中，含有豐富的鐵、錳元素。地下水中鐵、錳元素含量與含水介質的鐵、錳元素具有較好的相關性[21]，研究區(qū)含水介質和上覆地層中含有大量鐵、錳元素，是影響地下水中鐵、錳含量較高的主要因素。研究區(qū)鐵離子和錳離子超標點主要為基本農田區(qū)，地下水埋藏淺，且主要接受垂向滲補給(農灌、大氣降水和渠)，地下水水平徑流緩慢，鐵錳離子進入地下水后向下游遷移速度緩慢，鐵、錳均為變價元素，有氧條件下能形成難溶化合物，更減慢了遷移，這也是研究區(qū)內地下水鐵錳離子含量高的原因。此外，工業(yè)污水中排放的有機酸作用，會加速鐵錳由巖石進入地下水的過程[22]。綜上，研究區(qū)地下水中的鐵錳離子主要來源于含水層地質巖性，屬地質環(huán)境背景因子。

5 結 論

(1) 對照《地下水質量標準(GB/T14848-2017)》中指標限值(Ⅲ級)，研究區(qū)地下水質量標準符合Ⅱ類水占13%，符合Ⅲ類水占43%，符合Ⅳ類水標準占33%，達到Ⅴ類水標準占10%。區(qū)域整體地下水質量存在一定程度污染，局部地區(qū)污染較嚴重，有1個取樣點的錳達到劣Ⅴ類水標準，有18個取樣點的錳達到Ⅳ類水標準，有7個采樣點的硝酸鹽達到Ⅳ類標準，其中有5個采樣點的硝酸根離子為Ⅴ類標準。

(2) 根據本次調查監(jiān)測的實際情況，建議采取以下措施。①根據氣候、水文地質條件和土壤類型，選擇適宜的耕作方式，結合作物種類和耕作條件確定肥料的品種、用量、施用時間和施用方式，推廣使用有機肥。②定期開展研究區(qū)土壤和地下水監(jiān)測與評估，對典型地區(qū)開展土壤—植物—水系統中物理生化過程及溶質輸移的研究與建模，為決策提供依據，加強土壤—植物—水系統的全面管理。

致謝：在本次地下水資源調查和污染現狀評價過程中得到了四川省地質工程勘察院、四川省天晟源環(huán)保股份有限公司的鼎力協助，在此表示衷心的感謝。