濟南市深層地下水化學特征及變化規律

任慶蓮，鄭瑞文，徐 超

（1.濟南市清源水務集團有限公司，山東 濟南 250011；2.山東建筑大學市政與環境工程學院，山東 濟南 250101）

巖溶地下水是濟南市生活飲用水的主要來源之一，自20 世紀50 年代至今，高峰期開采量超過80 萬m3/d。近年來，濟南市地下水受地表水或土壤水的下滲，農業面源污染及工業企業廢水下滲影響，主要污染物有硝酸鹽、鹵代烷烴、總硬度、溶解性總固體等。《生活飲用水衛生標準》（GB5749-2022）對硝酸鹽等指標的限值進行更改[1]，硝酸鹽限值由20 mg/L 降低至10 mg/L，濟南市多個地下水水源地硝酸鹽含量出現超過限值的情況，生活飲用水硝酸鹽含量過高容易導致藍嬰癥、高鐵血紅蛋白癥等疾病。濟南市地下水前期研究主要集中在淺層地下水、泉水、地下水人工補源等方面，深層承壓水化學特征和時空變化規律研究較少。

為優化濟南市地下水水資源配制，判斷地下水水源水化學特征、時空變化規律及形成機制，通過對濟南市13 個水源地地下水進行采樣，測定其各指標含量，統計2017—2022 年監測數據，對各水源地地下水水質進行評價，以期為濟南市地下水資源保護和開發提供參考依據。

1 采樣與評價方法

1.1 研究區概況

研究區位于黃河以南，濟南市區北部，西南至長清區歸德鎮1#曹樓水源地，東北至歷城區王舍人街道13#白泉水源地（見圖1）。研究區域氣候干燥，年降水量約670 mm。研究區域地下水主要為承壓水，水源井深度為300~500 m 不等。

圖1 采樣點分布示意圖

1.2 采樣與檢測

對濟南市13 個地下水水源地長期采樣監測，在2017—2022 年每年采樣1~2 次，采樣點位置如圖1 示。參照《地下水質量標準》（GB/T 14848-2017）對各采樣點水質進行常規指標檢測，其中硝酸鹽（以N 計）、氯化物、硫酸鹽檢測采用《水質無機陰離子的測定離子色譜法》（HJ 84-2016）測定，三氯甲烷、四氯化碳采用《水質揮發性鹵代烴的測定頂空氣相色譜法》（HJ 620-2011）測定，pH、總硬度和溶解性總固體等其他指標采用《生活飲用水標準檢驗方法》（GB/T 5750-2006）。濟南市年降水量和年度廢水排放總量參照濟南市氣象局和濟南市生態環境局公告。

1.3 統計分析和質量評價

采用SPSS 26.0 軟件進行數據整理和方差分析，通過Pearson 線性相關系數分析水質參數變化趨勢。通過ArcGIS 10.6 和Origin 2021 軟件作圖。地下水質量評價采用綜合評價法，首先進行單項組分評價，劃分組分所屬質量類別，按各類別分別確定單項組分評價分值Fi（I、II、III、IV、V 類水，Fi分值分別為0、1、3、6、10），按式（1）和式（2）計算綜合評價分值F。根據F 值，按（優良：F＜0.80；良好：0.80≤F＜2.50；較好：2.50≤F＜4.25；較差：4.25≤F＜7.20；極差：F≥7.20）規定劃分地下水質量級別。

2 結果分析

2.1 濟南市深層地下水化學特征

對濟南市13 個地下水水源地水化學組分進行統計分析和質量評價，結果見表1。地下水質量級別達到優良的有6#EMS，質量級別達到良好的依 次 有 7#DY、2#JZ、5#GC、3#QZL、11#XJ、4#LZ、8#LS、1#CL、12#LZ、9#JFQ，質量級別為較差的有10#HN、13#BQ。

表1 2017—2022 年濟南市深層地下水化學組分特征

由圖1 可以看出，空間分布上地下水質量呈現中間高兩邊低的特點。5#~7#位于濟南市西郊玉符河水系末端，毗鄰黃河和玉清湖水庫，地下水質量最高，綜合評價分值F 為0.714~2.125。1#~4#位于長清—孝里，水源地周邊土地利用類型為農業用地，地下水質量次之，綜合評價分值F 為2.126~2.137，主要污染物為溶解性總固體、硝酸鹽等。8#~13#位于濟南市主城區和東郊，水源地周邊土地利用類型為建筑和工業用地，地下水質量略低，綜合評價分值F 為2.132~4.273，主要污染物為總硬度、溶解性總固體、硝酸鹽和氯代烷烴等。

2.2 地下水主要化學組分變化趨勢

統計分析2017—2022 年濟南市13 個地下水水源地各化學組分特征，變化趨勢較顯著的有硝酸鹽、總硬度、溶解性總固體，3 種組分都呈升高趨勢，具體平均變化率硝酸鹽＞溶解性總固體＞總硬度。1#CL、8#LS、9#JFQ、10#HN、11#XJ 采樣點硝酸鹽指標升高顯著（p＜0.05），2022 年較2017 年升高約29%~101%，1#CL、9#JFQ、10#HN、11#XJ、12#LZ 硝酸鹽濃度超10 mg·L-1。2#JZ、5#GC、6#EMS、7#DY 硝酸鹽變化不顯著，濃度常年保持在5 mg·L-1以下。大部分采樣點溶解性總固體指標呈升高趨勢，1#CL、8#LS、12#LZ、13#BQ 采樣點變化趨勢不顯著。5#~7#采樣點溶解性總固體指標較其他采樣點低，在276~556 mg/L 之間。1#~4#、10#采樣點總硬度指標顯著升高（p＜0.05），其他采樣點總硬度指標變化不顯著。5#~7#采樣點總硬度指標較其他采樣點低，在225~341 mg/L之間詳見圖2。

圖2 濟南市深層地下水主要水質指標變化趨勢

3 討 論

3.1 降水和廢水排放總量對硝酸鹽濃度的影響

地下水硝酸鹽濃度與土地利用性質顯著相關，土地性質為農業用地過度使用化肥，建筑用地和工業用地產生的污水等，通過排放、灌溉、降水等方式下滲到地下水中，影響地下水化學演替，地下水中硝酸鹽含量可以一定程度反映其受污染的程度。濟南市13 個地下水水源地中大部分地下水年均硝酸鹽濃度與濟南市年廢水排放總量呈顯著正相關關系（p＜0.01），Pearson 相關系數為0.419~0.957。

結果表明廢水排放總量對濟南市地下水硝酸鹽濃度有顯著增進作用。降水量則通過土壤溶濾、地表徑流下滲等間接影響地下水硝酸鹽濃度，降水可能會加劇地下水硝酸鹽污染程度，濟南市13 個地下水水源地中大部分地下水年均硝酸鹽濃度與濟南市年降水量呈顯著正相關關系（p＜0.05），Pearson 相關系數為0.249~0.636。

結果表明，降水攜帶不同土地利用類型下土壤表層中的氮素下滲至含水層，增加了地下水中硝酸鹽污染，威脅地下水水源地供水安全，城市雨污分流工程的建設對水環境的改善具有現實意義。

3.2 濟南市地下水水質改善措施

新版《生活飲用水衛生標準》（GB 5749-2022）中硝酸鹽標準限值為10 mg/L，《地下水質量標準》（GB/T 14848-2017）硝酸鹽III 類標準為20 mg/L。如圖2 所示，2022 年監測數據顯示1#CL、9#JFQ、10#HN、11#XJ、12#LZ 硝酸鹽濃度超10 mg/L，其他采樣點硝酸鹽濃度均小于10 mg/L，所有采樣點硝酸鹽指標都符合《地下水質量標準》（GB/T 14848-2017）III 類標準20 mg/L 的限值要求，但新版《生活飲用水衛生標準》中硝酸鹽標準限值為10 mg/L，對后續生活飲用水制水企業凈水工藝造成一定的壓力，作為地下水水源地為改善這一地下水水質狀況可采取以下措施：

一是禁止各地下水水源地保護區內進行農作物和經濟林種植，嚴格控制化肥、農藥等非點源污染，不得存在畜禽養殖活動。

二是通過玉符河人工補源工程、黃河水自然下滲、玉清湖水庫自然下滲補給地下水，多年檢測結果顯示玉符河水系末端，毗鄰黃河和玉清湖水庫的5#~7#采樣點硝酸鹽濃度常年在5 mg/L以下，總硬度、溶解性總固體等其他關鍵指標都優于其他地下水水源地，水質狀況良好。其他學者的研究也發現河道入滲補給可能會改善地下水水質[2]。

三是定期對各地下水水源地水質進行監測，根據供水要求和水質狀況，停用或改擴建部分地下水水源地。

四是后期嘗試原水稀釋的方法，將硝酸鹽超過10 mg/L 地下水與硝酸鹽低于5 mg/L 的優質地下水、黃河水、南水北調水、玉清湖水庫水、鵲山水庫水混合后供水，消減硝酸鹽含量。

8#~13#采樣點位于濟南市主城區和東郊，水源地周邊土地利用類型為建筑和工業用地，如表1 所示，主城區和東郊地下水存在氯代烷烴污染，三氯甲烷組分年均含量在0.48~3.68 μg/L 之間，四氯化碳組分年均含量在0.28~1.91 μg/L 之間。薛舜等學者的研究表明采用BBD 法優化固定填料床曝氣去除水中三氯甲烷和四氯化碳，去除率可達到89.8%和100%[3]。建議主城區和東郊地下水水源前處理增加曝氣裝置降低氯代烷烴等揮發性有機物含量。同時建議對水源地周邊制藥和化工企業進行污染物排放長期監測。

4 結 論

1）濟南市13 個地下水水源地中地下水質量級別達到優良的有6#EMS，質量級別達到良好的依 次 有 7#DY、2#JZ、5#GC、3#QZL、11#XJ、4#LZ、8#LS、1#CL、12#LZ、9#JFQ，質量級別為較差的有10#HN、13#BQ。可以看出，空間分布上濟南市地下水質量呈現中間高兩邊低的特點，濟南西郊5#~7#水源地水質狀況最好。

2）濟南市13 個地下水水源地中大部分地下水硝酸鹽年均濃度與濟南市年廢水排放總量呈顯著正相關關系（p＜0.01），與年降水量呈顯著正相關關系（p＜0.05）。

3）針對1#CL、9#JFQ、10#HN、11#XJ、12#LZ 硝酸鹽濃度超10 mg/L 的情況，可采取水源地保護、人工補源、水源地改擴建、原水稀釋等措施，改善地下水硝酸鹽污染狀況。8#~13#采樣點存在氯代烷烴污染，可增加曝氣裝置去除水中三氯甲烷和四氯化碳等揮發性有機物。