無居民海島地下水質(zhì)量評價及影響因素識別研究

龔艷君 雷利元 張 云

(1.遼寧省海洋水產(chǎn)科學(xué)研究院，遼寧 大連 116023；2.大連市海域海島開發(fā)與保護(hù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116023)

海島是我國海洋領(lǐng)土的重要組成部分,是國家主權(quán)的象征，海島又是特殊的海洋資源和環(huán)境的復(fù)合區(qū)域,是海洋生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,其生物資源、旅游資源、港口資源等十分豐富。我國海島眾多,面積大于500m2的島嶼有6000多個(不包括海南島及臺灣省、香港特別行政區(qū)、澳門特別行政區(qū)諸島),其中約94%的島嶼為無人居住島嶼；面積在500m2以下的島嶼和巖礁近萬個[1]。通常按所在的海島是否存在戶籍居民，將海島分為有居民海島和無居民海島，無居民海島是指不屬于居民戶籍管理的住址登記地的海島[2]。

《中華人民共和國海島保護(hù)法》實(shí)施后，系統(tǒng)的海島調(diào)查仍然不足，僅2009—2012年開展了“全國海域海島地名普查”，主要調(diào)查海島名稱、數(shù)量和位置，且目前只公布了部分海島名錄。因此，無居民海島淡水資源、沙灘資源、動植物資源、本地物種、珍稀瀕危物種和典型生境等信息的系統(tǒng)性和精度明顯不足，海島資源稀缺程度、生態(tài)重要程度、生態(tài)脆弱性等更需進(jìn)一步調(diào)查和評估[3]。淡水資源是海島自然資源的重要組成部分，海島特殊的地理區(qū)位和空間隔離特征使得海島生態(tài)系統(tǒng)十分脆弱,部分生態(tài)系統(tǒng)一旦遭受破壞，將對海島生態(tài)環(huán)境造成不可逆的危害。其中,最為顯著的就是海島的地下水資源，海島地下水系統(tǒng)是一個獨(dú)立的循環(huán)系統(tǒng)，由于海島面積狹小，補(bǔ)給來源有限，地下淡水體又被海水包圍，因此易受海水入侵的威脅。海島面積狹小的地理特征限制了海島地表水系的發(fā)育,中小型海島普遍缺乏有效的天然地表儲水地貌，因此，海島地下水對于海島生態(tài)系統(tǒng)起到至關(guān)重要的作用[4]。

本文以遼寧省無居民海島楊家山島為例,選用單因子指數(shù)法與綜合評價法對該島地下水質(zhì)量進(jìn)行評價，探求地下水水質(zhì)影響因素，提出無居民海島地下水資源保護(hù)建議，旨在為無居民海島地下水資源的合理利用和海島生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域位于渤海海域，地處遼寧省葫蘆島市興城市沿海。遼寧省管轄海域遼闊，海島數(shù)量眾多，海島資源豐富，主要分布于黃海與渤海海域，大連市的海島數(shù)量最多，其次為葫蘆島市。遼寧省海島數(shù)量為633個，總面積約505.000km2，島岸線長約920.00km，其中，無居民海島589個。

楊家山島位于渤海北部海域、遼東灣西側(cè)近岸，為無居民海島，周邊有覺華島、張家山島等海島，距大陸最近距離為8.21km。海島岸線長度為2.05km，陸域面積0.145km2，最高點(diǎn)高程44.40m，海島地勢中部凸起，四周平緩，島岸以基巖為主，低潮時周邊海域巖礁裸露，海島地表土壤層較厚，植被茂密，生長灌木及草本植物，喬木較少[5]。該島有護(hù)島人員長期居住，島上地下水是人類飲用水和生活用水的主要來源，同時看護(hù)人員在島上種植了農(nóng)作物。為改善無居民海島基礎(chǔ)設(shè)施條件，2017年，島上開展了開發(fā)利用活動。

根據(jù)《遼寧省水資源》資料統(tǒng)計(jì)，興城市水資源總量為43174萬m3，其中地表水資源量37135萬m3，地下水資源量8400萬m3[6]。海島所在區(qū)域?qū)儆跍貛啙駶櫦撅L(fēng)型海洋氣候，季風(fēng)氣候顯著，降雨多集中7—8月，其降水量為全年降水量的53%，而11月至次年3月，總降水量僅占全年的4%。

2 材料與方法

2.1 樣品采集

2016年8月、2018年6月、2020年8月分別在島上采集地下水樣品，樣品按照采集順序Y-01～Y-04分別編號，主要用途為飲用水和生活用水。本次研究以2016年地下水樣品的分析測試結(jié)果為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，2018年與2020年(統(tǒng)稱2016年后)采集的平行數(shù)據(jù)作為補(bǔ)充和對比。

樣品采集、樣品的儲存和管理按照《水質(zhì)采樣、樣品的存儲和管理技術(shù)規(guī)范》(HJ 493—2009)的要求執(zhí)行。地下水質(zhì)監(jiān)測項(xiàng)目及分析方法按照《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 14848—2017)(2016年調(diào)查參考GB/T 14848—93)為依據(jù)。

2.2 評價指標(biāo)選取及分析方法

以《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 14848—2017)為依據(jù)，并結(jié)合《第二次全國海島資源綜合調(diào)查技術(shù)規(guī)程》中海島地下水監(jiān)測項(xiàng)目，本次選擇氨氮、總硬度、溶解性總固體、硫酸鹽、高錳酸鹽指數(shù)、氯化物、鐵、錳、硝酸鹽、氟化物、砷、六價鉻、鉛、汞14項(xiàng)主要反映生活污染的理化性指標(biāo)作為分析參數(shù)，見表1。其中，一般化學(xué)指標(biāo)8項(xiàng)、毒理學(xué)指標(biāo)6項(xiàng)，見表2。

表1 地下水質(zhì)監(jiān)測項(xiàng)目及分析方法

表2 地下水環(huán)境質(zhì)量評價指標(biāo)

依據(jù)我國地下水水質(zhì)現(xiàn)狀、人體健康基準(zhǔn)值及地下水質(zhì)量保護(hù)目標(biāo)，并參照了生活飲用水、工業(yè)、農(nóng)業(yè)用水水質(zhì)最高要求，將地下水質(zhì)量劃分為5類。Ⅰ類主要反映地下水化學(xué)組分的天然低背景含量，適用于各種用途；Ⅱ類主要反映地下水化學(xué)組分的天然背景含量，適用于各種用途；Ⅲ類以人體健康基準(zhǔn)值為依據(jù)，主要適用于集中式生活飲用水水源及工、農(nóng)業(yè)用水；Ⅳ類以農(nóng)業(yè)和工業(yè)用水要求為依據(jù)，除適用于農(nóng)業(yè)和部分工業(yè)用水外，適當(dāng)處理后可作生活飲用水；Ⅴ類不宜飲用，其他用水可根據(jù)使用目的選用。

2.3 評價方法

目前，地下水水質(zhì)評價方法眾多，應(yīng)用比較廣泛的方法主要有綜合污染指數(shù)法、模糊數(shù)學(xué)綜合評判法、灰色聚類分析法、層次分析法以及人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等，但這幾種方法無法很好地與地下水質(zhì)量類別定義相對應(yīng)，因此，費(fèi)宇紅等[7]在2014年提出，采用單因子指數(shù)法和綜合評價法相結(jié)合的方法,具有明確的物理意義，能夠更有效地指導(dǎo)水資源管理和利用，本次選擇該方法對楊家山島地下水水質(zhì)進(jìn)行評價。

2.3.1 單因子指數(shù)法

地下水環(huán)境質(zhì)量評價時，對重要的水質(zhì)指標(biāo)可作單因子評價，其原理是將評價指標(biāo)的監(jiān)測結(jié)果與《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 14848—2017)中劃分的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，再選取評價指標(biāo)中最差的類別作為水體的水質(zhì)類別[7]，單因子指數(shù)計(jì)算公式為

(1)

式中：Pi為第i個水質(zhì)因子的標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)；Ci為第i個水質(zhì)因子的監(jiān)測濃度值，mg/L；Csi為第i個水質(zhì)因子的標(biāo)準(zhǔn)濃度值，mg/L。

當(dāng)Pi≤1時，說明水質(zhì)較好，監(jiān)測指標(biāo)未超標(biāo)；當(dāng)Pi>1時，說明水質(zhì)已經(jīng)超標(biāo)。

2.3.2 綜合評價法

綜合評價法首先進(jìn)行各單項(xiàng)組分評價，劃分組分所屬質(zhì)量類別，其次是對各類別按照表3分別確定單項(xiàng)組分評價分值Fi，再按式(2)和式(3)計(jì)算綜合評價分值F：

(2)

(3)

地下水單項(xiàng)組分評價標(biāo)準(zhǔn)和綜合水質(zhì)分級標(biāo)準(zhǔn)見表3。

表3 地下水單項(xiàng)組分評價標(biāo)準(zhǔn)和綜合水質(zhì)分級標(biāo)準(zhǔn)

3 結(jié)果與分析

3.1 單因子指數(shù)評價分析

地下水質(zhì)量評價中各項(xiàng)指標(biāo)的限值受地下水質(zhì)量類別控制。鑒于前述的概念，Ⅲ類地下水的各項(xiàng)指標(biāo)限值與生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)相對應(yīng)，即限值是健康風(fēng)險限；Ⅰ類和Ⅱ類地下水的限值對于供水沒有制約意義；Ⅳ和Ⅴ類水，直接飲用對人體健康有潛在危險，不宜作為生活飲用水水源[8]。故本次評價以《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 14848—2017)中Ⅲ類水質(zhì)指標(biāo)及限值為標(biāo)準(zhǔn)，并參照其他類水質(zhì)量指標(biāo)，對所采集水樣進(jìn)行水質(zhì)分析與評價，結(jié)果見表4、圖1、圖2。

表4 主要指標(biāo)檢出情況統(tǒng)計(jì)

圖1 指標(biāo)超標(biāo)情況統(tǒng)計(jì)(2016年)

圖2 指標(biāo)超標(biāo)情況統(tǒng)計(jì)(2016年后)

由表4、圖1、圖2可知，2016年，Y-01、Y-02、Y-04水質(zhì)指標(biāo)中除了鉛超標(biāo)外，其他指標(biāo)均符合Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，Y-03水質(zhì)指標(biāo)中，總硬度、溶解性總固體、硫酸鹽、高錳酸鹽指數(shù)、氯化物和鉛均有不同程度的超標(biāo)，已不能作為生活直接飲用水源；2016年后，Y-01～Y-03水質(zhì)指標(biāo)中，總硬度、溶解性總固體、硫酸鹽、硝酸鹽、高錳酸鹽指數(shù)、氯化物和鉛都有不同程度的超標(biāo)。

3.2 綜合評價分析

根據(jù)檢測數(shù)據(jù)，地下水污染綜合評價結(jié)果見表5和表6，評價指標(biāo)中氟化物和六價鉻均符合Ⅰ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，單項(xiàng)組分評價分值為0，故該表中未體現(xiàn)這兩項(xiàng)。

表5 地下水污染綜合評價結(jié)果(2016年)

表6 地下水污染綜合評價結(jié)果(2016年后)

由表4和表5可以看出，2016年，評價結(jié)果為較好的有3組，占檢測總數(shù)的75%；評價結(jié)果為極差的有1組，占檢測總數(shù)的25%。其中Y-03號井水質(zhì)極差，主要污染因子為氯化物，與飲用水標(biāo)準(zhǔn)對比，最高超標(biāo)2.02倍；其次是鉛、溶解性總固體、高錳酸鹽指數(shù)、總硬度，最高超標(biāo)2倍；氨氮、硝酸鹽、硫酸鹽、錳均符合Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，單項(xiàng)組分評價分值為3，鐵單項(xiàng)組分評價分值為0。

由表4和表6可以看出，2016年后，評價結(jié)果為較好的有1組，占檢測總數(shù)的25%；評價結(jié)果為較差的有1組，占檢測總數(shù)的25%；評價結(jié)果為極差的有2組，占檢測總數(shù)的50%。其中Y-01號井水質(zhì)極差，主要污染因子為總硬度、硝酸鹽和氯化物，與飲用水標(biāo)準(zhǔn)對比，最高超標(biāo)1.20倍；其次是溶解性總固體、高錳酸鹽指數(shù)和鉛，最高超標(biāo)4.80倍。Y-03號井水質(zhì)也為極差，主要污染因子為總硬度、溶解性總固體和氯化物，與飲用水標(biāo)準(zhǔn)對比，最高超標(biāo)2.84倍；其次是高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、硝酸鹽和硫酸鹽，最高超標(biāo)0.27倍。

3.3 污染因子來源分析

在單因子指數(shù)評價結(jié)果中，存在兩類指標(biāo)：一類是地下水中原生指標(biāo)，另一類是人類活動導(dǎo)致的污染指標(biāo)。其中，“三氮”(硝酸鹽、亞硝酸鹽、氨氮)、毒性重金屬(汞、砷、鎘、六價鉻、鉛)屬于污染指標(biāo)[9]。由評價結(jié)果可知，影響楊家山島地下水質(zhì)量的主要為原生指標(biāo)，如高錳酸鹽指數(shù)、氯化物、溶解性總固體、總硬度，來自人類活動影響的污染指標(biāo)主要有硝酸鹽和鉛、氨氮。

高錳酸鹽指數(shù)是反映水體中有機(jī)和無機(jī)可氧化物質(zhì)污染的常用指標(biāo)，常被作為地表水體受有機(jī)物污染和還原性無機(jī)物質(zhì)污染程度的綜合指標(biāo)。高錳酸鹽指數(shù)越高，說明水體受到有機(jī)物污染的程度越嚴(yán)重。從評價結(jié)果來看，2016年以后超標(biāo)水質(zhì)主要來自于Y-01與Y-02水井，這兩眼水井由人工開采，埋藏淺，水質(zhì)相對容易受到影響，且地下水補(bǔ)給主要是降水補(bǔ)給，通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)在兩眼水井附近島上居民種植了農(nóng)作物，初步判斷淺層地下水受到地面農(nóng)業(yè)灌溉的影響(施氮肥等)，或受到生活污染源污染的可能性較大，從而造成高錳酸鹽指數(shù)超標(biāo)。

根據(jù)我國生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)及農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，正常情況下地下水氯離子濃度不超過250mg/L，當(dāng)?shù)叵滤新入x子濃度超過250mg/L時則認(rèn)定為該地區(qū)已經(jīng)發(fā)生海水入侵，氯離子濃度大于500mg/L，則認(rèn)定為該地區(qū)已經(jīng)發(fā)生嚴(yán)重入侵[10]。根據(jù)分析評價結(jié)果，島上有2眼水井((Y-01、Y-03)發(fā)生了嚴(yán)重入侵，1眼水井(Y-02)已經(jīng)發(fā)生海水入侵，還有1眼水井(Y-04)氯離子濃度為241mg/L，與入侵的濃度值很接近。初步判斷該結(jié)果與島上地下水的分布位置、地勢和降水有關(guān)，Y-01～Y-03水井距海近，氯離子濃度高，而Y-04水井所在位置地勢高，氯離子濃度低。Y-01～Y-03集中分布在海島南側(cè)靠近岸邊的位置，埋藏淺，水質(zhì)與水量均受降水和徑流影響；Y-04位于海島中部地勢較高的位置，通過鉆機(jī)開采，水質(zhì)穩(wěn)定，較淺層地下水水質(zhì)受降水和徑流影響較小。

硝酸鹽是地下水中最常見的一類污染物，主要與農(nóng)業(yè)施氮肥、垃圾集中處理、工業(yè)廢水排放、動物養(yǎng)殖等活動有關(guān)，島上地下水中硝酸鹽超標(biāo)原因初步判斷為生活污染源。為改善無居民海島基礎(chǔ)設(shè)施條件，2017年，楊家山島實(shí)施了碼頭、木棧道、沙灘浴場設(shè)施建設(shè)工程，施工過程中和工程建成后都產(chǎn)生了生活污染源，主要包括施工人員和常住護(hù)島人員產(chǎn)生的生活污水、垃圾、人畜糞便等，其中含有大量含氮有機(jī)物，可通過化糞池滲入地下或作為農(nóng)肥被施用在農(nóng)田，經(jīng)過復(fù)雜的生物化學(xué)作用轉(zhuǎn)化為硝酸鹽，最終污染地下水。

4 結(jié) 語

本文依據(jù)無居民海島楊家山島多年的地下水監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用單指標(biāo)評價方法和綜合評價方法相結(jié)合的方法評價了地下水質(zhì)量現(xiàn)狀，結(jié)果表明，2016年，楊家山島地下水質(zhì)量整體較好，但2016年后局部淺層水質(zhì)已明顯受到人類活動和海水入侵的干擾，主要污染因子為高錳酸鹽指數(shù)、氯化物、溶解性總固體、總硬度、氨氮、硝酸鹽等。根據(jù)研究結(jié)果提出以下建議：

a.加強(qiáng)地下水監(jiān)測工作，針對海島水資源影響因素多、環(huán)境較脆弱的特點(diǎn)，應(yīng)對海島地下水資源實(shí)施長期監(jiān)測，實(shí)時掌握水資源的污染狀況，分析污染物質(zhì)和來源，尤其針對目前水質(zhì)綜合評價較好的地下水，應(yīng)禁止在其附近排放污水、堆放廢物等。

b.盡可能對海島現(xiàn)有植被進(jìn)行保護(hù)，增加土壤的持水性能；要盡量減少地下水的過度使用，合理開發(fā)地下水，維護(hù)地下水的水力平衡。

c.加強(qiáng)地下水環(huán)境監(jiān)測設(shè)備建設(shè)，完善監(jiān)測手段，逐步實(shí)現(xiàn)對地下水環(huán)境的實(shí)時監(jiān)控和數(shù)據(jù)的快速分析，使監(jiān)測資料更準(zhǔn)確、更及時地反映地下水質(zhì)量狀況和發(fā)展趨勢。

d.大多數(shù)的無居民海島還處于尚未開發(fā)的階段，無居民海島的開發(fā)利用將會使部分自然環(huán)境變成人工環(huán)境，因此，要嚴(yán)格把控海島開發(fā)利用項(xiàng)目審批，進(jìn)行任何開發(fā)活動之前應(yīng)先對海島生態(tài)環(huán)境狀況進(jìn)行生態(tài)評估，避免人類活動對海島生態(tài)環(huán)境造成影響。