上海市地下水應(yīng)急供水水質(zhì)特征及變化

傅旭升

(上海市供水管理事務(wù)中心，上海 200081)

不合理開采、過量廢水排放、垃圾填埋和農(nóng)耕污染等因素，正在嚴重威脅地下水水質(zhì)安全。根據(jù)2020年《中國生態(tài)環(huán)境狀況公報》[1]，全國10 242個淺層地下水水質(zhì)監(jiān)測點中，按照《地下水質(zhì)量標準》(GB/T 14848—2017)評價，I類～Ⅲ類水質(zhì)監(jiān)測點僅占22.7%，Ⅳ類占33.7%，V類占43.6%，地下水普遍存在錳、總硬度和溶解性總固體等超標問題。

上海作為全國經(jīng)濟發(fā)展的龍頭，城市發(fā)展中地下水曾作為全市工農(nóng)業(yè)的主要用水[2]，由于埋深淺、污水過量排放[3-4]，上海地下水水質(zhì)已遭受一定程度的污染[5]，特別是部分工業(yè)區(qū)附近[6-7]。上海域內(nèi)曾對地下水資源過度開發(fā)利用，引發(fā)地面沉降現(xiàn)象，嚴重制約經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展[8]。近30年來，上海市的用水格局發(fā)生變化，雖然以地表水為水源的自來水能保障城市供應(yīng)，但目前承壓地下水，特別是第Ⅳ、第Ⅴ含水層地下水仍是上海市重要的應(yīng)急水源[9]，需要在突發(fā)事件時向社會提供用水，提高城市韌性，保障城市供水安全。

2020年，上海市13個國家級地下水監(jiān)測點中，水質(zhì)為Ⅲ類、Ⅳ類、Ⅴ類的數(shù)量分別為6、5、2個，分別占46.1%、38.5%、15.4%。其中影響潛水綜合質(zhì)量評價的指標主要為鐵、硫酸鹽和亞硝酸鹽，鐵在潛水中為高背景環(huán)境，硫酸鹽和亞硝酸鹽則可能受人類活動影響；影響承壓水綜合質(zhì)量評價的指標主要為鐵和錳[10]?？傮w來說，上海地下水水質(zhì)變化特征以及地下水作為生活飲用水的適宜性需要引起進一步關(guān)注。

本文選取2017年—2021年上海市地下開采井和回灌井兩類深井水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，涵蓋了日常在用井、民防應(yīng)急供水井、自來水人工回灌井等具有應(yīng)急供水功能的深井。通過單指標評價法和綜合評價法，分析了上海目前地下水水質(zhì)特征和近5年水質(zhì)變化趨勢，明確了影響上海市地下水水質(zhì)的主要指標。對標《生活飲用水衛(wèi)生標準》(GB 5749—2006)[11]，對地下水質(zhì)量進行生活飲用水適宜性評價。研究結(jié)果對提高上海應(yīng)急供水水質(zhì)有一定支撐作用，能進一步保障供水安全。

1 數(shù)據(jù)與分析方法

1.1 檢測點深井信息

(1)監(jiān)測范圍：地下水回灌井和部分開采井?；趯嶋H管理情況逐年增加深井檢測數(shù)，2017年、2018年、2019年、2020年、2021年深井檢測數(shù)分別為48、69、86、83、103口。2021年的103口深井中包括49口開采井和54口回灌井，相關(guān)參數(shù)如表1和表2所示。

(2)監(jiān)測參數(shù)：《地下水質(zhì)量標準》(GB/T 14848—2017)[12]常規(guī)指標。

(3)深井類型與分布：開采井和回灌井如表1～表3和圖1所示。

注：由于中心區(qū)域點位較為密集接近，圖中部分點位存在重疊

表1 49口開采井參數(shù)

表2 54口回灌井參數(shù)

表3 各含水層深井檢測數(shù)量

1.2 現(xiàn)場采樣

水樣采集前1 d，聯(lián)系深井所在單位打開深井水泵進行排水，第2 d采樣前再打開水泵排水30 min以上，在充分抽汲后進行采樣，以保證水樣采自于目的含水層。

1.3 地下水質(zhì)量評價

依據(jù)我國地下水質(zhì)量狀況和對人體健康風(fēng)險，參照生活飲用水、工業(yè)、農(nóng)業(yè)等用水質(zhì)量要求，依據(jù)各組分含量高低(pH除外)將水質(zhì)分為5類。本文重點關(guān)注以應(yīng)急供水為目標，適用于集中式生活飲用水水源及供農(nóng)業(yè)用水的Ⅲ類標準。

本項目地下水質(zhì)量評價參考《地下水質(zhì)量標準》(GB/T 14848—2017)Ⅲ類限值，評價內(nèi)容分為水質(zhì)指標超標率評價、地下水水質(zhì)特征因子評價、地下水質(zhì)量綜合評價和生活飲用水適宜性評價。分析方法主要是方差分析。

(1)水質(zhì)指標超標率評價

將樣品各指標實測值與GB/T 14848—2017 Ⅲ類限值進行對比，計算樣品中超標項目樣本數(shù)占總樣本數(shù)的比率，綜合分析指標累計超標分擔(dān)率[13]。

(2)地下水水質(zhì)特征因子評價[13]

以水質(zhì)指標累計超標分擔(dān)率超過90%為基準，評價地下水水質(zhì)的主要特征因子。

(3)地下水質(zhì)量綜合評價

以單指標評價結(jié)果最差的類別確定，并指出最差類別的指標。

(4)生活飲用水適宜性評價[14-15]

將樣品各指標實測值與GB/T 14848—2017 Ⅲ類限值進行對比，分析不同超標情況的樣本占比，并指出將超標指標降至Ⅲ類限值內(nèi)的工藝。

(5)方差分析

采用SPSS 22.0進行單因素方差分析，顯著性差異標記原則：“ns”表示差異不顯著(P>0.05)，“*”表示差異顯著(P≤0.05)，“**”表示差異十分顯著(P≤0.01)，“***”表示差異極其顯著P≤0.001，“****”表示差異極度顯著(P≤0.000 1)。

2 結(jié)果與討論

2.1 地下水水質(zhì)特征因子及變化規(guī)律

本研究對2017年—2021年中GB/T 14848—2017規(guī)定的39項常規(guī)指標進行分析。結(jié)果表明，pH值基本穩(wěn)定在7.1～8.5，陰離子表面活性劑、亞硝酸鹽、硝酸鹽、氟化物、硒、鎘、鉛、三氯甲烷、甲苯、總α放射性和總β放射性檢出濃度均在國標限值的一半以下，銅、鋅、揮發(fā)性酚、硫化物、總大腸菌、氰化物、汞、六價鉻、四氯化碳和苯均未檢出或微檢出，上述水質(zhì)指標檢測濃度低且無明顯變化規(guī)律。

表4為2017年—2021年地下水樣品中水質(zhì)指標監(jiān)測情況，以GB/T 14848—2017 Ⅲ類限值作為判斷標準，檢測值超過Ⅲ類限值則視為超標，計算超標分擔(dān)率和累計超標分擔(dān)率[13]。以累計超標分擔(dān)率超過90%的指標作為水質(zhì)特征因子，結(jié)果表明影響上海市地下水水質(zhì)的特征因子為肉眼可見物、渾濁度、錳、氨氮、鐵、砷、色度、耗氧量、鈉、菌落總數(shù)和氯化物11項指標。

表4 2017年—2021年地下水樣品水質(zhì)指標監(jiān)測結(jié)果

圖2為整個監(jiān)測周期內(nèi)水質(zhì)特征因子的變化規(guī)律。由圖2(a)可知2017年—2021年的水質(zhì)超標率情況，2018年地下水水質(zhì)顯著優(yōu)于整體水平。由圖2(b)可知，2021年水質(zhì)特征因子中除錳和耗氧量外，其余水質(zhì)特征因子超標率均有明顯上升，特別是肉眼可見物、渾濁度、氨氮、鐵、砷、色度和菌落總數(shù)，后續(xù)上海地下水管理應(yīng)該重點關(guān)注這些指標，提高管理措施的針對性。

圖2 上海市地下水主要特征因子變化規(guī)律

2.2 地下水水質(zhì)主要影響因素

為了探究地下水水質(zhì)的影響因素，以水質(zhì)指標超標率為評判標準，按照使用類型、所處層次和開采年份對深井進行分類，探究不同類型深井之間的水質(zhì)差異。

2.2.1 深井使用類型

圖3為2017年—2021年不同使用類型深井水質(zhì)超標率對比結(jié)果。在整個監(jiān)測期間，回灌井水質(zhì)超標率整體極其顯著低于開采井(P≤0.001),表明人工回灌可以起到改善地下水水質(zhì)、保障應(yīng)急水源可利用性的作用。建議在地下水管理工作中，制定科學(xué)合理的人工回灌計劃，進一步保障地下水水質(zhì)。

圖3 2017年—2021年不同使用類型深井水質(zhì)超標率

2.2.2 深井層次

以2018年水質(zhì)超標率為參考，分析整個采樣期間不同層次深井水質(zhì)超標率?？偟膩砜?，Ⅱ?qū)雍廷髮拥纳罹|(zhì)指標超標率要高于Ⅳ層和Ⅴ層。深井所處層次越深，水質(zhì)受到地表污染影響的可能性越低，因此，水質(zhì)超標率會下降。值得注意的是，圖4表明2019年—2021年，Ⅲ、Ⅳ層和Ⅴ層深井水質(zhì)超標率相比2018年均有上升，2021年Ⅲ、Ⅳ層水質(zhì)超標率已有極度顯著性差異(P≤0.000 1)。

圖4 不同層次深井水質(zhì)指標超標率變化趨勢

2.2.3 鑿井年度

按照鑿井年度，將深井分為2000年以前、2000年—2010年和2010年以后3種類型，利用方差分析判斷不同類型深井間水質(zhì)指標超標率差異。圖5表明這3種不同鑿井年度深井整體超標率無顯著性差異，鑿井年度對深井整體水質(zhì)的影響有限。

圖5 不同鑿井年度深井水質(zhì)指標超標率變化趨勢

2.3 生活飲用水適宜性評價

以GB/T 14848—2017 Ⅲ類限值作為參考，對2017年—2021年的檢測樣品進行單指標評價，樣品水質(zhì)指標超標情況如表5所示。2017年—2020年30.42%的樣品無超標項，44.75%的樣品超標項目在3個以內(nèi)，24.83%的樣品超標項目在3個及以上，2021年則變成了8.74%、19.42%和71.84%，表明檢測區(qū)域地下水作為生活飲用水水源的適宜性下降。

2017年—2021年主要水質(zhì)特征因子數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果如表6所示。結(jié)合表4可知，影響上海市地下水作為生活飲用水的適宜性的指標包括：肉眼可見物、渾濁度、錳、氨氮、鐵、砷、色度、耗氧量、鈉、菌落總數(shù)和氯化物。這些指標中，砷是毒性指標，菌落總數(shù)是微生物指標可以通過燒沸去除，其他均是感官和一般性狀指標，因此，絕大部分地下水進行簡單處理后可保障供水安全。

3 結(jié)論及建議

3.1 結(jié)論

(1)影響上海市地下水水質(zhì)的特征因子為肉眼可見物、渾濁度、錳、氨氮、鐵、砷、色度、耗氧量、鈉、菌落總數(shù)和氯化物11項指標。

(2)使用類型和所處層次對地下水水質(zhì)有顯著影響?；毓嗑|(zhì)超標率整體顯著低于開采井(P≤0.001)，Ⅳ層和Ⅴ層深井的水質(zhì)指標超標率要低于Ⅱ?qū)雍廷髮?，而鑿井年份對地下水水質(zhì)影響不顯著。

(3)應(yīng)急狀態(tài)下，絕大部分深層地下水經(jīng)簡單處理可以滿足應(yīng)生活飲用水水質(zhì)要求。

3.2 建議

(1)從特征因子超標率(表4和圖2)、水質(zhì)指標超標情況(表5)和數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果(表6)可以看出，2021年檢測區(qū)域地下水水質(zhì)整體有明顯下降，需要引起重視并加強地下水管理措施，如定期進行設(shè)備設(shè)施維護和定頻回揚、排查深井污染源和持續(xù)進行水質(zhì)監(jiān)測。

表5 2017年—2021年深井監(jiān)測點水質(zhì)指標超標結(jié)果

表6 2017年—2021年主要水質(zhì)特征因子數(shù)據(jù)統(tǒng)計

(2)考慮到人工回灌對地下水水質(zhì)的積極作用，建議在地下水管理工作中，制定科學(xué)合理的人工回灌計劃，確保水質(zhì)應(yīng)急狀態(tài)下用得上、用得好。

(3)2021年個別站點出現(xiàn)了地下水水質(zhì)異常情況(氯化物質(zhì)量濃度為4 830 mg/L或鈉質(zhì)量濃度為1 530 mg/L)，需要進行持續(xù)水質(zhì)監(jiān)測，同時還需要進行周邊環(huán)境排查，盡早確認水質(zhì)異常原因并采取必要的處置和治理，保障地下水安全。

(4)本研究檢測點雖在應(yīng)急供水設(shè)施管理監(jiān)督上有一定的代表性，但在全市深層地下水監(jiān)測工作中還需進一步健全和完善地下水監(jiān)測網(wǎng)，實現(xiàn)深井全覆蓋檢測，建立完整的地下水水質(zhì)預(yù)報、預(yù)警體系，為本市地下水的科學(xué)管理和合理利用提供參考依據(jù)。