四湖地區水質評價與空間分析

傅嬌鳳 ，陳世儉，張 婷，2

（1.中國科學院 測量與地球物理研究所，武漢 430077；2.中國科學院大學，北京 100049）

地下水作為重要的自然資源，與人們的生產生活息息相關.隨著人口增長、社會經濟的發展，水資源短缺和環境污染日益嚴重.國內外對對地下水水質的研究主要集中在5個方面：（1）對地下水水質評價方法的探索［1－3］；（2）將不同的技術引入地下水水質研究中，如同位素示蹤法［4－5］和GIS技術的應用［6－7］；（3）隨著地下水水質惡化的普遍和加劇，地下水水質質評價項目不斷增加，研究區域也從水量型缺水的北方到水質型缺水的南方地區，從城市到近郊到農村地區［8－9］；（4）從不同的角度探索地下水水質的演化原因［10－11］；（5）由于地下水常作為飲用水源，隨著對地下水研究的進展，許多學者從毒理學方面探索地下水水質對人類健康的影響［12］.

位于湖北江漢平原的四湖地區地下水埋藏較淺，采用便利，在未形成集中式供水的農村地區，地下水往往成為主要的生活水源甚至是飲用水源.但是四湖地區地下水水質自然稟賦并不好.根據有關資料，四湖地區所在的荊州市農村地區，72.7%的地下水水源地未能達到Ⅲ類水質要求［13］，飲水不安全人數占70%［14］.四湖地區有關地下水方面的工作報道主要集中在有關水資源狀況、地下水位動態規律、四水轉換及其對環境的影響等方面，而涉及到用水安全以及居民健康有關的水質工作很少.因此對四湖地區地下水進行水質分析十分必要.其分析結果可以為當地地下水用水安全提供依據；了解造成地下水污染主要指標的空間分布和超標情況，為合理治理地表水和地下水提供一些建議.

1 研究區域和評價方法

1.1 研究區域和采樣點分布

四湖地區地跨湖北省的荊州、荊門、潛江3市，處于江漢平原腹地，是位于長江、漢水及其支流東荊河之間的河間洼地，因境內曾有長湖、三湖、白露湖和洪湖四大湖泊而得名（現僅存長湖和洪湖）.本次調查采樣點主要分布在長江沿岸、內荊河沿線和東荊河沿岸，涉及洪湖、監利、江陵和潛江4縣市.本次調查共設置23個采樣點，3個地表水樣分別來自洪湖出水口、長江和內荊河，標記為S1、S2、S3；6個潛水水樣標記為P1～P6，14個承壓水水樣標記為C01～C14，采樣點分布見圖1.

1.2 水質檢測方法

采樣現場用美國哈希水質儀（DS5系列）測定了水樣溶解性總固體（TDS）和pH值.根據不同測定指標的樣品保存要求，每個采樣點取兩組水樣：一組經過加酸處理，一組未經任何處理.將水樣帶回實驗室分析氨氮、亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮、總氮、總磷、氯化物、鐵、錳、硬度、高錳酸鹽指數等共10項水質化學指標.具體的測定方法如下：亞硝酸鹽氮用N－（1—萘基）——乙二胺光度法測定，硝酸鹽氮用紫外分光光度法測定，總氮用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法測定，總磷用鉬酸銨分光光度法測定，鐵用林菲羅琳分光光度法測定，錳用高碘酸鉀分光光度法測定，總硬度用乙二胺四乙酸二鈉滴定法測定，氨氮用納氏試劑分光光度法測定，氯離子用硝酸銀滴定法測定，化學需氧量用高錳酸鉀酸性滴定法測定.

圖1 四湖地區采樣點分布圖Fig.1 Map of the sampled points in Sihu Area

1.3 評價方法

長江、洪湖、內荊河3個地表水樣按GB3838－2002《地表水環境質量標準》進行單因子評價.地下水選用GB／T14848－9《地下水質量標準》推薦的F值法進行水質評價.根據《地下水質量標準》，將水質劃分為5類，代碼和類別代號相同，不同類別標準值相同時，水質從優不從劣，得到單項組分評價，劃分組分所屬類別，對各類別按照表1分別確定單項組分評價分值Fi.

表1 地下水質量評分表Tab.1 Ratings for groundwater quality

按式（1）和式（2）計算綜合平分值F：

式中，為各單項組分評分指F的平均值；Fmax為單項組分值Fi的最大值；n為項數

最后，根據F值按表2 規定劃分地下水質量級別.

表2 地下水質量級別表Tab.2 Levels of groundwater quality

2 水質評價結果和空間分析

2.1 地下水F值評價

利用國際F值法得到2012年6月份20個地下水的水質綜合評價，見表3.評價結果表明四湖地區地下水水質較差，大部分為極差，從整體上看，潛水水質略好于承壓水水質.

表3 2012年6月份水質質量分級Tab.3 Grading for the groundwater quality of June 2012

2.2 地表水各項水質指標

洪湖出水口、長江、內荊河3個地表水樣，整體上長江水質比洪湖水質好，洪湖水質比內荊河水質好.洪湖、長江總氮含量均超標一倍多，內荊河總氮含量超標將近3倍.從三氮濃度來看，長江的氨氮、亞硝酸鹽氮含量都比洪湖和內荊河低，內荊河和洪湖出水口氨氮含量為地表水Ⅴ類，長江水樣氨氮符合地表水Ⅱ類水質要求，而長江的硝酸鹽氮含量明顯高于洪湖和內荊河.洪湖和內荊河的高錳酸鹽指數超過了6mg／L，表明受有機污染物和還原性無機物質污染比較嚴重.洪湖的總磷、總氮超標情況都比較嚴重，總磷超標將近4倍，容易發生水體富營養化.具體指標濃度見表4.

表4 四湖地區地表水水質參數統計值的比較／（mg·L－1）Tab.4 Comparison of the water quality parameters of surface water in Sihu Area／（mg·L－1）

2.3 水質空間分布和分析

本次調查表明，地下水氨氮、鐵、錳和總氮超標率高，高錳酸鹽指數為Ⅳ類水質的樣點所占比例大.地下水超標比率錳高達95%，鐵為45%，氨氮為80%，亞硝酸鹽氮為30%，總氮含量超過1.0mg／L的占70%.TDS僅1 個樣點略有超標，硝酸鹽氮和氯化物含量均能達到地下水Ⅲ類水質要求.

2.3.1 地下水氨氮的空間分布 潛水中氨氮的濃度分布為0.14～0.39mg／L，承壓水氨氮濃度離散程度高，為0.1 mg／L～8.77 mg／L，氨氮含量有明顯的區域差異性.14個承壓水樣中僅兩個樣點能達到地下水氨氮Ⅲ類水質要求，有兩個樣點超標40多倍.在所有超標的樣點中，含量超過0.5mg／L的占50%，且全部為承壓水.氨氮濃度在0.5～3mg／L的樣點主要分布在四湖地區的東南部，見圖2.

圖2 四湖地區地下水氨氮濃度空間分布Fig.2 The distribution of the Ammonia Nitrogen of groundwater in Sihu Area

2.3.2 四湖地區總氮濃度空間分布 在本次地下水水質調查中，總氮濃度超過1.0 mg／L 的占70%，潛水樣點至少超標4倍以上，其濃度分布在6.03～27.67mg／L之間.約60%的承壓水樣總氮含量低于2.0mg／L，承壓水總氮含量明顯低于潛水.四湖地區總氮濃度空間分布見圖3.

圖3 四湖地區總氮濃度空間分布Fig.3 Distribution of Total Nitrogen in Sihu Area

長江沿岸的4 個潛水井總氮含量均高于20mg／L，氨氮含量稍低，亞硝酸鹽氮較高，硝酸鹽氮比承壓水井高，總氮含量超出長江水樣10余倍.各潛水井三氮和總氮濃度見表5.

表5 長江沿岸潛水井三氮和總氮濃度／（mg·L－1）Tab.5 The contents of Ammonia，Nitrate and Nitrite Nitrogen of the unconfined－water wells along the Yangtze River／（mg·L－1）

2.3.3 地下水鐵和錳濃度分布 四湖地區鐵錳超標嚴重，鐵超標比例為45%，錳超標比例高達95%.承壓水中錳濃度為0.15～2.35 mg／L，潛水為0.01～1.96 mg／L.四湖地區75%的地下水錳含量僅能達到水質Ⅳ類要求.錳濃度在1.0～3.0mg／L的樣點主要分布在洪湖以東，長江和內荊河之間.35%的樣點錳濃度在0.1～0.5mg／L，40%的樣點錳濃度分布在0.5～1.0mg／L.承壓水鐵含量超標嚴重，鐵含量超過1.0mg／L 的樣點全部為承壓水井，鐵含量最高的樣點超標20多倍.鐵濃度較高的樣點主要分布在四湖地區的東南部，見圖4.

圖4 地下水鐵濃度空間分布Fig.4 Distribution of the iron in groundwater in Sihu Area

3 結果分析和討論

四湖地區鐵錳超標嚴重主要是水文地質地質因素造成的，根據曾昭華的研究［15－16］，地下水鐵元素含量與含水介質的鐵元素含量具有較好的相關性，江漢平原東部地區含水介質和上部土層均含有大量鐵錳結核.在20個地下水采樣點的數據中，鐵的最高值達6.4m／L，錳的最高值達2.3 mg／L，地表水中鐵含量均在0.2～0.3mg／L，錳含量低于0.5mg／L.鐵、錳含量較高會造成地下水出現異味、苦澀，洗衣服時出現衣斑等現象并影響人們的身體健康.根據唐克旺等人的研究，長江流域地下水pH值大部分為7.0左右，湖北等地淺層地下水由于受到地表水污染，pH值呈中堿性［17］.根據現場檢測四湖地區地下水pH值大部分為7.5～8.0，洪湖出水口、長江、內荊河pH值分別達到8.19、8.46和8.20.

廣大四湖農村地區，缺乏完整的生活污水收集處理系統，生活污水隨意排放；村民環保意識相對淡薄，生活垃圾的清運、處理設施落后，相當部分生活垃圾在水塘溝渠、道旁、地頭隨意傾倒堆積，成為污染源.據相關文獻的研究，目前約96%的村莊居民的生活污水未經任何處理，直接排放到河流、湖泊或潑灑到地面上，嚴重地影響了地表水體的水質［18－19］.根據陳能汪等對福建省九龍江流域農村生活污水污染定量調查結果表明，全流域年均農村生活污水排放總氮、總磷分別占該流域農業非點源污染排放量的28%、25%［20］.尹發能研究表明四湖流域中部地區，種植業污染，畜禽養殖污染和生活污染較為突出，污染綜合特征明顯.該區是四湖流域糧食主產區，化肥和農藥施用量大，地表徑流江化肥和農藥直接帶入水體，對水質影響很大［21］.4～6月份正是四湖地區水稻生長季節，大量農藥、化肥的使用以及農田灌溉，增加了該地污染物來源，降雨易將殘留的農藥化肥通過下滲、越流補給等帶入地下水中.位于潛江蔬菜種植區的承壓水井C11，氨氮、總氮、CODMn的含量都很高，位于四湖總干渠附近的承壓水井C13F值達到7.50，為極差.位于長江沿岸和內荊河附近的采樣點污染物指標明顯偏高.采樣點P1、P2、P3和P6沿長江北岸分布，三氮及總氮含量見表5.P2 作為飲用水，而P1主要作為生活用水，但二者的亞硝氮含量超標嚴重，作為飲用水的樣點P2亞硝氮含量超標將近30倍，亞硝酸鹽氮與體內蛋白質結合形成亞硝胺，長期飲用容易致癌.根據水位觀測資料，2012年從5月份開始，長江水位高于四湖地區地下水水位，長江補給地下水，而四湖地區長江切穿了隔水板頂層，可將污染的地表水直接補給地下水.地下水更新周期較長，污染物容易在含水層中長時間積累.

4 結論

從地表水水質來看，長江水質最好，其次是洪湖出水口，內荊河水質最差；地表水總氮超標嚴重，洪湖出水口和內荊河氨氮、高錳酸鹽指數和總磷均超標；使用F值法綜合評價四湖地區地下水，大部分采樣點的F值分布在7.20～8.25之間，水質為極差.潛水水質略好于承壓水，承壓水主要超標指標為氨氮、鐵和高錳酸鹽，潛水主要超標指標為亞硝酸鹽氮、總氮濃度，長期飲用亞硝酸鹽氮超標的井水，將影響當地居民身體健康；四湖地區鐵錳超標嚴重，其主要原因為該地含水介質中含有大量的鐵錳結核；四湖地區人口密集，農業發達，種植業造成的面源污染和生活污水等人為污染不僅污染了地表水，對地下水亦有長期的影響.需要對農業生產中的農田廢水排放進行有效管理，合理施肥.對生活垃圾和生活廢水亟待完善措施進行無害化處理，以減少對地表水的污染和對地下水水質的影響.

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