典型喀斯特山區飲用窖水質量監測及評價

毛龍富，劉 宏，陳瑞永，楊麗瑞，黎子謙，劉 宇

（1.云南大學地球科學學院，昆明650091；2.云南大學國際喀斯特聯合研究中心，昆明650223）

水問題是當今世界最嚴峻的問題之一，中國農村飲用水安全問題仍舊很嚴重［1］。特殊的喀斯特地表——地下二元地質結構［2］，加之復雜的氣候控制下，喀斯特地區地表水資源匱乏、季節性干旱缺水嚴重［3］、靠雨水補給，家庭集雨水窖是解決喀斯特農村地區人畜飲水的主要途徑。但長期受人類活動的不良影響，水質問題成為了困擾集雨飲用水安全的瓶頸［4］，包括水理化［5］、微生物［6］、病毒［7］等水質超標污染；加之農村水安全意識薄弱，對農村集雨家庭水窖的研究具有不可須臾的價值。

目前，雨水集蓄工程是國內外研究熱點，在美國、以色列、德國、澳大利亞等發達國家已經應用成熟［8］，東南亞、南亞、中東和非洲等欠發達地區逐步普及；在中國西北黃土丘陵區、華北缺水山丘區、西南喀斯特山區等地區集雨水窖的應用較為廣泛，人口約2.6億［9］。一般采用單項指標評價法、綜合指標法、主成分分析法、灰色聚類、灰色關聯度法、模糊數學評價法、層次分析法、集對分析法等分析評價人畜飲用水質量［10］。例如，趙文君等［11］采用單項指標評價法、武金慧等［12］采用改進的水質指數法、張國珍等［13］采用主成分分析法對西北干旱區集雨窖水質量進行了評價。結合主成分分析和聚類分析［14］、自組織映射（SOM）算法［15］、Spearman 秩相關系數法［16］、方差分析（ANO‐VA）［17］等方法揭示集雨窖水質量特征及其變化規律，窖水質量受控于內外環境因素［18］，與降雨、窖壁材料、屋頂集流面等有關［19］。

近年來，隨著全球氣候變暖，頻繁出現極端天氣、氣候事件；在中國，尤其是云南喀斯特地區暖干化、旱災頻發［20］，喀斯特分水嶺地區飲用水安全問題令人堪憂，迄今為止，喀斯特區家庭窖水質量評價研究不足。由此，本研究基于監測滇東南喀斯特山區不同家庭背景的7 口典型家庭飲用窖水及1 口公共集雨大水池水水質參數，結合運用單項指數法與綜合指數法等方法，旨在探討喀斯特山區飲用窖水質量狀況，對認識和保障廣大的喀斯特山區農村飲用水資源安全具有深遠的意義。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于滇東南典型喀斯特分水嶺區，即紅河州瀘西縣三塘鄉境內，介于103°30′～104°04′E，24°15′～24°45′N 之間，平均海拔為2 310 m。屬亞熱帶低緯高原季風氣候區，受青藏高原和印度季風、東亞季風的多重影響，年際年內降水變化大，年均降雨量為910.30 mm，年均氣溫12 ℃；干、濕季顯著分明，雨季（5-10月）占年降水量的84.15%，是干季（11-次年4月）的4 倍。通常6-11月為豐水期，12-次年4月為枯水期，4月末-6月初和11月末-次年1月初為過渡期。該地區是典型喀斯特石漠化生態脆弱區，土層淺薄，地表保水力極差、地下水埋藏深，難以取用，水資源十分匱乏，人均用水量遠低于云南省農村用水標準水平［21］。埋藏型水窖是該區域主要的人畜飲用水源，水窖應用率達99%以上；還有2 個容量約1 500 m3、3 000 m3公共集雨水池，常年均有水，主要用于建筑、農業、消防等，在極端干旱年備用作人畜飲用水水源。該地區居民長期以窖水為生活飲用水，近年來，人民生活水平日益改善，對水質要求進一步提高，迫在了解當前的窖水水質情況和盼求健康的水窖飲用水。

1.2 樣品采集與監測

在2018-09-28（豐水期，小雨）和2019-01-06（豐水期→枯水期過渡期，晴）、2019-04-24（枯水期，晴）、2019-05-23（枯水期→豐水期過渡期，中雨）。選取瀘西縣境內典型喀斯特分水嶺山區三塘鄉7 口具有典型代表性的家庭飲用水窖及1 口公共集水池，進行4 次物理、化學、微生物等水質參數監測。所抽選的水窖代表有3 種類型，第一種是家中圈養牲畜的水窖（1 號、2號、3 號），其中1 號、2 號均來自一戶經濟較好家庭，3 號所處家庭條件較差；第二種是家中無圈養牲畜的水窖（4號、5號），其中4 號所處家庭經濟較好，5 號所處家庭條件較差；第三種是筑在室內的水窖（6 號、7 號），其中6 號筑在小商店里、7 號修筑在廚房中。8號代表露天公共集水池。

pH 值、水溫、電導率使用美國生產的HACH 牌HQ40d 多參數水質儀現場測定；利用德國MColor-test 的Calcium Test 試劑、Alkalinity Test 試劑分別在現場測定Ca2+、HCO3-濃度；運用500ml 聚乙烯瓶取回水樣到臨時實驗室，當日采用美國HACH DR2800 分光光度計測定NH3-N、Si、Cr6+、Mn、Cu、Fe、硫化物、硝酸鹽、亞硝酸鹽、余氯、總氯等化學參數。

采用日本生產的Compact Dry TC、Compact Dry CF、Com‐pact Dry SL 和Compact Dry EC 微生物快速測試皿，分別計數測定菌落總數TC、大腸菌群CF 和沙門氏菌SL、大腸桿菌EC1（Compact Dry EC 同時培養大腸桿菌“顯藍或藍綠色”和其他大腸菌類“顯紅或粉紅色”，因后者重復統計，只計前者記為EC1），單位CFU/mL。用精密移液槍取1 mL水樣滴入每個微生物快速測試皿中央，一旦液體樣品滴入就會自動均勻擴散入平板，固體培養基轉化成凝膠，稍后將各測試皿有序輕放入便攜式恒溫培養箱以37 ℃培養24～48 h。之后利用高清照相機逐個拍下各個培養皿的菌落，利用計算機統計照片上的各種微生物菌落數。

在水窖6 號中布設HOBO U24-001 電導率水溫測量記錄儀和HOBO U20-001 水位記錄儀，每30min 分別自動監測并保存窖水的電導率/（μS·cm-1）、水溫/℃和水位/cm 等參數。在水窖6號附近屋頂上安置MG3-M雨量計，獲得逐日降水數據。

1.3 飲用水水質評價法

利用窖水水樣檢測出的Ca2+、HCO3-、NH3-N、Si、Cr6+、Mn、Cu、Fe、硝酸鹽、亞硝酸鹽、余氯、總氯、硫化物、TC、CF、SL、EC1等水質指標，進行飲用窖水的水質評價。用DWQI（Drinking Water Quality Index）［22］表示水質綜合指數，WQIj表示各分類指標綜合指數，WQIq為加權平均綜合指數［23］。

1.3.1 單指數法（Index，Ii）

（1）一般分指數。各指標實測濃度值與對應的標準限值的比值，即：

式中：Ci代表指標實測值；Si為《生活飲用水衛生標準》（GB5749-2006）中該指標的限值；其中未對沙門氏菌做出限值標準，因該菌群具有致病性，本研究采用的限值為“不得檢出”。當分指數小于0.10或實測值低于檢出限值時，一律定義為0.10。

（2）特殊分指標。微生物指標分指數Ii計算公式為：

式中：Ii表示分指數；Ci代表指標實測值；Si為《生活飲用水衛生標準》（GB5749-2006）中該指標的限值。其中計算大腸菌群、大腸桿菌分指數時Si的值取0.3。

對于pH 值，由于有上下兩個限值，因而其分指數的計算式為：

式中：Smax為上限值；Smin為下限值。

1.3.2 綜合指數法

（1）感官性狀和一般化學指標、有機污染指標、細菌指標等水質指數對人體的危害程度較低，均采用內梅羅法。

式中：Ii為各分指數的值；Ii，max為各分指數中的最大值。

（2）毒理學指標采取最差因子判別法進行評價，公式為：

（3）飲用水質綜合指數（DWQI）根據各類指標對人體健康的危害程度，對類水質綜合指數（WQIj）進行加權綜合，各類指標權重值：

式中：kj為各類指標權重值（如表1）。

表1 窖水指標分類和權重系數Tab.1 Water cellar index classification and weight coefficient

1.3.3 評價標準

飲用水水質分為五級［24］：Ⅰ級為優良、放心飲用，DWQI在0～0.50之間；Ⅱ級為較好、達到標準，DWQI在0.51～1.00之間；Ⅲ級為輕度污染、酌情飲用，DWQI在1.01～1.50 之間；Ⅳ級為中度污染、深度處理且檢驗合格后方能飲用，DWQI在1.51～2.00 之間；Ⅴ級為重度污染、不宜飲用，DWQI大于2。

2 結果與分析

2.1 一般評價結果

在評價生活人畜飲用水質量中，當每項檢測指標的測定結果均達到飲用水標準要求時為“合格”，否則為“超標”。窖水Fe、Cr6+、NH3-N、硝酸鹽、亞硝酸鹽等指標均符合飲用水條件。Mn、Si、TC、CF、SL、EC1等指標超標嚴重，余氯、總氯在2019-01-06的超標水窖最多（如圖1），各指標年超標程度：CF＞SL＞Si＞Mn＞TC=EC1＞余氯=總氯，超標率分別為100%、81.48%、77.78%、51.81%、40.74%、14.81%；少數窖水的pH、色度、濁度等超標。窖水單項指標超標數（4.58）多于公共集水池（3.39），其中微生物和Si超標率高于集水池，其他則相反。

2.2 綜合指數評價結果

窖水DWQI的平均值為0.942，集水池DWQI平均值0.885。按照等級分類法對DWQI進行分級，飲用窖水水質較好的II 類占66.07%，符合水質標準要求，村民可以放心飲用；其中窖水水質較差的III 類占33.93%，受到輕度污染，需要處理后方可酌情飲用；無其他級別的水質。2019-01-06窖水的綜合水質指數最小（表2），DWQI值為0.859，除1號外均小于1；2019-04-24窖水的綜合水質指數最大，其值為1.042，其中1 號、2 號、7 號的DWQI值在全年中最大，此時6 號、8 號的DWQI值在全年中最小。4 號、6 號在全年中綜合水質指數較小，即4 號水質最好，6號次之，DWQI值均小于1，達到了良好水平；1 號、7 號水質最差，尤其在枯水期。窖水綜合水質在枯水期劣于池水，在豐水期優于池水（如圖2）。

表2 生活飲用水不同水質級別Tab.2 Different water quality grades of domestic drinking water

2.3 原因分析

依據國家《生活飲用水衛生標準》（GB5749-2006）對照，喀斯特農村家庭窖水單項指標率超過50%的有CF、SL、Si、Mn，主要以微生物指標、一般化學指標超標為主，其中微生物污染較嚴重、Si、Mn 等化學指標也污染嚴重。窖水Si、Mn 含量高可能受控于喀斯特分水嶺山區的地質背景；該地區屬亞熱帶高原山地季風氣候，由此窖水水質受降水量影響，豐水期的水質最佳，枯水期的水質最差。

窖水水質與集流、儲存、取用水等過程有關［25］。在雨水徑流過程，溶解或沖刷攜帶空氣和屋頂沉積物（包括粉塵、鳥鼠等動物糞便）流入水窖［26］，如屋頂降雨徑流向水窖輸送了糞便污染物［27］，而在雨水貯存過程中細菌數量逐漸減少［28］。由此，屋頂、土壤及牲畜糞便成為微生物和Si、亞硝酸等化學成分的源，“久旱逢雨”會發生明顯的“沖刷效應”［29］。豐水期降水量豐富，雨水對高濃度污染物具有“稀釋作用”，豐水期窖水DWQI值小于枯水期（如圖3），其中電導率對降雨產生了顯著響應，電導率隨著降雨的增加而減小。在1 號、2 號、7 號窖水DWQI值較大，尤其在枯水期窖水綜合水質較差，這3 口水窖周圍均靠近牛、馬、豬等牲畜，牲畜糞便成了微生物污染源。4 號、6 號窖水DWQI值較小，家中無牲畜圈養、注重水窖的衛生。Ca2+、HCO3-有可能源于窖壁的混凝土和白云巖、石灰巖等巖石風化，水窖修筑在喀斯特地區，枯水期雨水補給少，較長時間水巖相互作用下Ca2+、HCO3-等離子濃度高，電導率上升。Mn、Cr6+可能源自水窖沉積的污泥。村民向水窖中投放消毒粉劑，氧化和滅活大量的微生物和沉降Mn、Cr6+等有害物質，衍生出化合氯（NH2Cl、NHCl2、NHCl3等）和游離氯（ClO-、HClO、Cl2），造成窖水二次污染。

3 結 論

（1）窖水單指數超標嚴重的有Mn、Si、TC、CF、SL、EC1等；部分窖水總氯、余氯在投放消毒粉劑期間會超標，造成二次污染；少量水窖色度、濁度、pH等物理參數超標；窖水微生物年平均超標高于池水。水窖遠離牲畜圈舍、周圍衛生越干凈、無集雨徑流補給時的窖水TC、CF、SL、EC1等微生物污染較小；經濟較好的家庭窖水總氯、余氯含量相對較高。

（2）喀斯特山區窖水DWQI的平均值為0.942，飲用水質較好的II 類占66.07%，水質較差的III 類為33.93%，需處理后方可酌情飲用。喀斯特地區窖水水質受集雨徑流與區域地質背景、人為活動等多重影響，Si、Mn、Cr6+受控于區域地質背景，TC、CF、SL、EC1微生物源自牲畜糞便；Ca2+、HCO3-等離子源自窖壁的混凝土和白云巖、石灰巖等；總氯、余氯主要源自投放消毒粉劑。 □