湖南郴州柿竹園礦區鄉鎮地下飲用水源重金屬水質評價

徐冰冰，許秋瑾*，梁存珍，李麗，蔣麗佳

1.環境基準與風險評估國家重點實驗室，中國環境科學研究院,北京 100012 2.中國石油化工學院環境工程系，北京 102617 3.江南大學環境與土木工程學院，江蘇 無錫 214431

湖南郴州柿竹園礦區鄉鎮地下飲用水源重金屬水質評價

徐冰冰1，許秋瑾1*，梁存珍2，李麗3，蔣麗佳1

1.環境基準與風險評估國家重點實驗室，中國環境科學研究院,北京 100012 2.中國石油化工學院環境工程系，北京 102617 3.江南大學環境與土木工程學院，江蘇 無錫 214431

采用單因子評價法和內梅羅指數法對湖南郴州柿竹園礦區鄉鎮地下飲用水源豐、枯水期重金屬進行水質評價。結果表明，Fe、Mn、Ba、Zn、Cu、As、Pb、Ni、Cr、Cd和Hg等重金屬在礦區鄉鎮地下水中普遍存在，其中Mn、Fe和As為該地區鄉鎮地下水中的主要重金屬污染物，其檢出濃度分別超過GB 5749—2006《生活飲用水衛生標準》限值的14.72、1.73和1.61倍。枯水期柿竹園礦區鄉鎮地下水水質相對豐水期差，該地區鄉鎮地下飲用水源水質評價結果為較差、良好和優良的在枯水期分別占飲用水源取樣點總數的5％、10％和85％；在豐水期分別占飲用水源取樣點總數的5％、5％和90％。

地下飲用水源；水質評價；重金屬；礦區

水是人類社會賴以生存和發展的重要自然資源。水環境質量的優劣與國民經濟和百姓健康休戚相關。飲用水作為水體的重要功能之一，一直備受關注[1-3]。現階段，我國工業化與城鎮化進程加快，大量污染物隨工業廢水和生活污水直接排放，通過土壤滲透、地表徑流和大氣沉降等形式不可避免地進入到地表和地下水體之中，直接威脅著飲用水源的水質安全。鄉鎮飲用水源由于量小、分散，水體緩沖和自凈能力較弱，飲用水處理設施遠遠落后于城市等原因，飲用水的安全問題表現得更為突出[4-6]。特別是，經簡單工藝處理、直接飲用的地表水和淺層地下水的鄉鎮飲用水質量和衛生狀況難以保障。已有文獻[7]報道，飲用水污染與癌癥發病率、腹瀉發病率及死亡率之間都存在一定程度的相關性。因此，加強鄉鎮飲用水源的水質監測力度，合理開展鄉鎮飲用水源有毒污染物水質評價，對于有效保障鄉鎮飲用水安全，保護居民健康具有重要意義。

對水質進行合理、客觀、準確的評價是開展鄉鎮飲用水源污染防治與保護的根本依據。水質評價是根據評價目的，合理選擇相應的水質參數、水質標準和評價方法，從而對水體的質量、利用價值及水的處理要求做出客觀評定[8]。目前，多采用以水質物理化學參數的實測值為依據，通過單項參數評價或多項參數綜合評價的方法開展水質評價研究。水質評價方法主要有單因子評價法[9]、綜合指數法[10-12]、模糊數學評價法[13-14]、灰色系統評價法[15-16]、人工神經網絡評價法[17]和多元統計法[18-21]等。對于鄉鎮飲用水源水質評價而言，由于鄉鎮技術人員的操作能力以及相應配套設備還處于相對較低水平，因此，選擇簡單、易操作，評價結果較為可靠的水質評價方法更便于在鄉鎮地區推廣。

湖南郴州柿竹園礦區是世界聞名的多金屬礦床地，被中外地質專家譽為“世界有色金屬博物館”[22]。地下水是該礦區的重要水源之一。礦區內建有多家采礦廠、選礦廠和冶煉廠，存在礦物開采伴生的尾礦庫和尾砂壩等，這些都可能給地下水帶來重金屬污染，危害礦區周邊鄉鎮居民的健康。筆者以湖南郴州柿竹園礦區為例，采用單因子評價法和內梅羅指數法對礦區內鄉鎮地下飲用水源枯、豐水期重金屬污染進行評價，以期為評價鄉鎮飲用水源提供基礎數據支持。

1 材料與方法

1.1 水樣采集與分析

湖南郴州柿竹園礦區內生產企業和尾礦等污染源共計18個(A～R)，其中A、B、F、G、H、O、P、Q、R為選礦廠，E為采礦廠，I、J、L、N為冶煉廠，M為建材公司，C、D、K為尾礦庫。污染源周邊共設20個取樣點，取樣點1#～4#在白露塘鎮；5#～16#在塘溪鄉；17#～20#在橋口鎮。柿竹園污染源與取樣點布置如圖1所示。

圖1 研究區及取樣點示意Fig.1 Study area and sampling sites

采用電感耦合等離子體質譜儀(ICP-MS，Agilent 7500)對礦區地下水中11種重金屬元素(Cr、Mn、Fe、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Ba、Hg和Pb)進行定性定量分析。儀器運行條件：高頻發射功率為1 500 W，Ar載氣流速為0.65 Lmin，Ar補充氣流速為0.45 Lmin，Ar冷卻氣流速為14.0 Lmin，霧化室溫度為2 ℃，真空室壓力為2.1×10-7Pa。各重金屬元素檢測值的標準方差均小于5％。

1.2 水質評價方法

以湖南郴州柿竹園礦區地下水飲用水源為評價對象，針對地下飲用水源重金屬污染物開展水質評價研究，水質評價采用GB 5749—2006《生活飲用水衛生標準》[23]，評價方法為單因子評價法[24]和內梅羅指數法[25]。

1.2.1 單因子評價法[24]

將每個評價因子與評價標準進行比較，確定各評價因子的水質類別，以最差水質作為水質評價結果(式1)。該方法計算簡單、易操作，但由于該方法以最差水質的單個因子水質狀況表示整個水體的水質，評價結果過于悲觀。因此，在重金屬水質評價中采用單因子指數法作為主要污染物篩選的依據。

Ii=CiCOi

(1)

式中，Ii為相對污染程度值；Ci為實測濃度；COi為評價標準值。若Iigt;1.00，表明水質不符合功能區要求，受到污染；若Iilt;1.00，則表明水質符合功能區要求，尚未污染。

1.2.2 內梅羅指數法[25]

內梅羅指數法不僅考慮單因子評價法中參加評價的各種污染物的污染指數，還考慮大量污染物的污染指數，加大了最大污染物的權重，更加合理地反映了水環境的污染性質和程度。因此，選用內梅羅指數法對柿竹園礦區地下飲用水源重金屬污染物進行綜合評價。其評價公式為：

(2)

式中，S為水環境質量綜合污染指數；Ij,max為單因子j的最大污染指數；k為污染因子個數；Ij為單因子j的污染指數。

根據計算結果將水質分為五級：Slt;0.80，優良；0.81≤Slt;2.50，良好；2.50≤Slt;4.25，較好；4.25≤Slt;7.20，較差；Sgt;7.20，極差。

2 結果與討論

2.1 礦區地下飲用水源重金屬暴露特征

重金屬是地下水中常見的重要污染物。重金屬Hg、Cd、Pb、Cr和As由于具有極強的毒性以及生物蓄積性受到較為廣泛的關注[26-27]。對于人體必需的Fe、Cu和Zn等元素而言，當其處于較高暴露水平時也會對人體產生一定的危害作用。因此，著重對柿竹園礦區20個鄉鎮地下飲用水源中Hg、Cd、Pb、Cr、As、Fe、Cu、Zn、Ni、Ba和Mn共11種重金屬元素在枯、豐水期的濃度進行監測，結果如圖2所示。

圖2 柿竹園礦區地下水枯水期和豐水期重金屬濃度特征Fig.2 Concentrations and distribution heavy metals in the dry and wet seasons

由圖2可知，11種重金屬元素在地下水中均有檢出。其中，Fe、Mn、Ba和Zn濃度相對較高，Cu、As、Pb、Ni、Cr、Cd和Hg的濃度相對較低。枯水期，柿竹園礦區鄉鎮地下飲用水源各重金屬平均濃度由高到低依次為：Fe(109.3 μgL)gt;Ba(101.7 μgL)gt;Zn(73.1 μgL)gt;Mn(55.8 μgL)gt;Cu(2.7 μgL)gt;As(1.9 μgL)gt;Pb(1.8 μgL)gt;Ni(1.3 μgL)gt;Cr(0.6 μgL)gt;Cd(0.1 μgL)gt;Hg(0.08 μgL)。與枯水期相比，豐水期11種重金屬元素的濃度略有差異，柿竹園礦區鄉鎮地下飲用水源各重金屬平均濃度由高到低依次為：Ba(99.1 μgL)gt;Fe(91.2 μgL)，Mn(83.7 μgL)gt;Zn(38.2 μgL)gt;As(2.5 μgL)gt;Cu(2.1 μgL)gt;Ni(1.3 μgL)gt;Pb(0.8 μgL)gt;Cr(0.8 μgL)gt;Cd(0.1 μgL)gt;Hg(0.03 μgL)。

柿竹園礦區鄉鎮地下飲用水源中，Mn在豐水期的濃度略大于枯水期，說明除了地下水的流動使含錳礦石溶解之外，在人為因素影響下，地下水中錳很可能還來源于礦區采礦、冶金、化工等工業廢水的排放，應加強進一步的監測。Ni、Cd、Cr和As在枯、豐水期的濃度水平相當，而其他6種重金屬元素在豐水期的濃度略小于枯水期，這10種重金屬的暴露水平并沒有因為豐水期水量的增大而增大，說明這些重金屬元素主要源于礦物的溶濾作用，以自然來源為主。由此可見，在研究區域內鄉鎮地下飲用水源中重金屬主要為天然來源，其中礦物溶濾和地下徑流為主要遷移途徑；人為源對地下水重金屬污染的程度不高。

2.2 礦區地下飲用水源重金屬污染單因子評價

采用單因子指數法對柿竹園礦區鄉鎮地下飲用水源主要重金屬污染物進行篩選，結果如表1和表2所示。

表1 柿竹園礦區枯水期地下水重金屬水質評價結果

枯水期時(表1)，單因子評價結果顯示，柿竹園礦區鄉鎮地下飲用水源20個取樣點中僅有7#、11#和12#存在重金屬污染，不能滿足GB 5749—2006的要求，不宜直接飲用。其中，7#取樣點中Fe和As的相對污染程度值分別為1.73和1.61；11#和12#取樣點中Mn的相對污染程度值分別為7.23和2.33。表明7#、11#和12#取樣點水質不符合功能區要求，受到污染。其他17個取樣點重金屬的相對污染程度值均小于1.00，表明這些飲用水源中各重金屬元素均未超出GB 5749—2006規定的限值，符合飲用水源功能區要求，未被污染。

豐水期時(表2)，單因子評價結果與枯水期略有不同。柿竹園礦區鄉鎮地下水源中僅有3#、4#和11#取樣點存在重金屬污染，不能滿足GB 5749—2006的要求，不宜直接飲用。其中，3#和4#取樣點中As的相對污染程度值分別為1.61和1.04，說明這兩個取樣點存在不同程度的As污染；11#取樣點中Mn的相對污染程度值為14.72，表明該水源受Mn污染嚴重。其他17個取樣點重金屬的相對污染程度值均小于1.00，表明飲用水源中各重金屬元素均未超出GB 5749—2006規定的限值，符合飲用水源功能區要求，未被污染。

表2 柿竹園礦區豐水期地下水重金屬水質評價結果

2.3 礦區地下水飲用水源重金屬綜合水質評價

采用內梅羅指數法對柿竹園礦區鄉鎮地下飲用水源重金屬綜合水質進行了評價(表1和表2)。結果表明，枯水期時(表1)，柿竹園礦區11#取樣點的水環境質量綜合污染指數為5.14，說明該點地下飲用水源水質較差；7#和12#取樣點的水環境質量綜合污染指數分別為1.27和1.66，表明其水質良好；其他17個取樣點的水環境質量綜合污染指數均小于0.80，表明這些取樣點地下飲用水源水質優良。經統計可知，柿竹園礦區鄉鎮地下飲用水源水質較差、良好和優良的飲用水源取樣點數分別占取樣點總數的5％、10％和85％。

豐水期時(表2)，柿竹園礦區11#取樣點的水環境質量綜合污染指數為10.46，說明該點地下飲用水源水質已經處于極差狀態；3#取樣點的水環境質量綜合污染指數為1.15，表明其水質良好；其他18個取樣點的水環境質量綜合污染指數均小于0.80，表明這些取樣點地下飲用水源的水質優良。其中水質極差、良好和優良的飲用水源取樣點數分別占取樣點總數的5％、5％和90％。

3 結論

(1)柿竹園礦區鄉鎮地下水源中普遍存在Fe、Mn、Ba、Zn、Cu、As、Pb、Ni、Cr、Cd和Hg，其中Mn的來源受人為影響相對較大，其他金屬元素主要來源于礦物溶濾等自然來源。

(2)單因子評價法分析結果表明，柿竹園礦區鄉鎮地下飲用水源中主要重金屬污染物為Mn、Fe和As。柿竹園礦區內3#、4#、7#、11#和12#取樣點在枯、豐水期分別受到Fe、As和Mn的污染，已不能滿足《生活飲用水衛生標準》的要求，不宜直接飲用。

(3)內梅羅指數法分析結果表明，柿竹園礦區鄉鎮地下飲用水源重金屬污染豐水期水質優于枯水期。礦區內11#取樣點地下飲用水源枯、豐水期水質分別為較差和極差狀況，受重金屬污染較重，應重點防控；3#、7#、12#取樣點地下飲用水源水質良好；其他取樣點地下飲用水源水質優良。

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WaterQualityAssessmentforHeavyMetalsinRuralGroundwaterSourcesaroundShizhuyuanPolymetallicMineinChenzhou,HunanProvince

XU Bing-bing1, XU Qiu-jin1, LIANG Cun-zhen2, LI Li3, JIANG Li-jia1

1.State Key Laboratory of the Environmental Criteria and Risk Assessment, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China 2.Department of Environmental Engineering, Beijing Institute of Petrochemical Technology, Beijing 102617, China 3.School of Environmental and Civil Engineering, Jiangnan University, Wuxi 214122, China

Water quality assessment for heavy metals in rural groundwater sources around Shizhuyuan Polymetallic Mine in Chenzhou, Hunan province in wet and dry seasons was carried out by using Single-factor Assessment Method and Nemerow Index Methods. The results showed that Fe, Mn, Ba , Zn , Cu , As, Pb , Ni, Cr , Cd and Hg were ubiquitous in rural groundwater sources. Mn, Fe and As were the main heavy metal pollutants in rural groundwater sources around Shizhuyuan mine area, with the detection concentrations exceedingSanitaryStandardforDrinkingWater(GB 5749-2006) by 14.72, 1.73 and 1.61 times, respectively. The rural groundwater quality was poorer in dry season than that in wet season. The water quality in poor, good and excellent status in dry season accounted for 5％, 10％ and 85％ of the total rural groundwater sources, respectively, while in wet season it accounted for 5％, 5％ and 90％, respectively.

groundwater source; water quality assessment; heavy metal; mining area

1674-991X(2013)02-0113-06

2012-06-18

國家環境保護公益性行業科研專項(200909054)

徐冰冰(1980—)，女，副研究員，博士，主要從事水污染控制技術研究，xbb_hit@126.com

*責任作者:許秋瑾(1970—)，女，研究員，博士，長期從事湖泊生態及污染防治技術研究，xu_qiujin@yahoo.com.cn

X523

A

10.3969j.issn.1674-991X.2013.02.019