哈爾濱地區淺層地下水質量與污染評價

孔慶軒，董宏志，王燕，楊廣申，王立宦，劉彩虹，孫曉慶

（1.黑龍江省地質環境監測總站，黑龍江哈爾濱 150030；2.吉林大學環境與資源學院，吉林長春 130021）

哈爾濱地區淺層地下水質量與污染評價

孔慶軒1，董宏志1，王燕1，楊廣申1，王立宦1，劉彩虹2，孫曉慶2

（1.黑龍江省地質環境監測總站，黑龍江哈爾濱 150030；2.吉林大學環境與資源學院，吉林長春 130021）

為查明哈爾濱地區淺層地下水水質現狀及污染情況，利用松嫩平原（黑龍江）地下水污染調查評價項目的數據，對淺層地下水主要化學特征進行了描述.在此基礎上采用模糊綜合評價法進行了地下水質量評價，采用污染指數法進行了地下水污染現狀評價.結果表明：研究區淺層地下水水化學類型以HCO3-Ca型為主；受原生環境下水化學條件控制的Fe、Mn指標含量對水質影響較大；地下水污染屬于區域性污染，污染范圍廣、污染程度重，主要污染物為NH4+及NO-3、NO2-，來源于生活污水及農業生產所施用的化肥.根據分析數據，研究區地下水污染以無機污染為特征.

淺層地下水；水化學特征；水質評價；污染評價；松嫩平原；哈爾濱

地下水作為寶貴自然資源的一部分，為全世界大部分人口提供不可或缺的水源.隨著哈爾濱市經濟的迅速發展，地下水開采量逐年增長，工業廢水、生活污水的排放及農業灌溉、施肥等造成有毒有害物質隨之滲入地下，威脅到地下水供水安全，已引起各級政府的高度重視.2011年全國31個省的69個城市地下水有機污染物檢出率高達48.42%［1］；華北平原淺層地下水直接可以飲用的I類地下水僅占22.2%，潛水硝酸鹽氮的超標率達到了5.41%［2］；陜西關中盆地淺層地下水中硝酸鹽氮的最高檢出值達650 mg/L，超標點比例達32.9%［3］.本文利用松嫩平原（黑龍江）地下水污染調查評價項目哈爾濱地區的野外調查和樣品分析數據，對哈爾濱市淺層地下水質量及污染進行評價研究，以期為地下水資源的合理利用和污染防治提供科學依據.

1 區域水文地質概況

本文研究區域為哈爾濱市及所轄市縣的平原區，面積1.4×104km2.研究區位于松嫩平原東部，地勢總體上南北高，中部松花江河谷低.松花江河谷平原區分布有第四系潛水含水層，巖性為細砂、中粗砂夾小礫石，厚40～60 m.上覆較薄的亞黏土或亞砂土，含水層埋藏淺.在河谷平原區外圍的崗阜狀高平原上部，分布有厚度近30 m的黃土狀亞黏土，其中賦存有聯通性弱的裂隙孔隙潛水.局部地區，在黃土狀亞黏土下部，零星分布有砂、砂礫石孔隙微承壓水，聯通性差，水量小，不具大規模供水意義.本文將研究區內的河谷平原潛水及高平原區的黃土狀亞黏土裂隙孔隙潛水和砂、砂礫石微承壓水統稱為淺層水.

淺層地下水補給主要來源于大氣降水和周圍山區的地下水徑流補給，由四周向平原中心匯集，生活污水和工業廢水的滲入也是其補給來源之一［4］.排泄以蒸發和人工開采為主.

2 采樣點的選擇

野外調查及采樣工作在2012年進行，采樣層位以淺層水為主，共采集樣品133組，采樣井的深度一般在15～35 m.選擇的采樣點控制了調查區不同的地貌單元及水文地質單元，具有一定的代表性.

樣品測試無機組分有23項，如溶解性總固體、總硬度、“三氮”、TFe、Mn等；有機測試揮發性、半揮發性組分共計37項.

3 地下水質量評價

地下水質量評價方法有模糊綜合評判法、灰色系統法、物元分析法、綜合指數法以及神經網絡方法等多種.模糊綜合評價法計算簡單，對地下水質量所屬類別的判斷不是簡單地根據單一指標得出結論，而是通過對各項指標的綜合歸納，根據隸屬度劃分水質級別，在水質評價中有很廣泛的應用.

模糊綜合評價法的模型為B=W·R.B為綜合評價結果（模糊判別集）；W為參評指標權重；R為模糊關系矩陣，各污染物的單項指標（Xi）對各水質級別（Ci）的隸屬度所構成的矩陣，即為模糊關系矩陣R.

隸屬度可用隸屬函數表示.

I級水的隸屬函數

式中：Xi—第i項指標實測濃度值；Cij—第i項指標j級水水質標準.由此構成一個n×5階模糊關系矩陣R.

參評指標權重的計算：

由此可得權系數模糊向量W，W=｛W1、W2……Wn｝.

將W和R進行模糊矩陣的復合運算，得到模糊判別集B=（b1，b2，…，bm）.根據最大隸屬度確定水質級別，完成水質評價.

4 地下水污染評價

地下水污染評價的方法有綜合污染指數法、模糊綜合評價法、灰色聚類分析法和人工神經網絡分析法等.污染指數評價法以其直觀、易理解為廣泛采用.采用污染指數評價法進行地下水無機污染組分評價的計算公式如下：

其中：Pki—k水樣第i個指標的污染評價指數；Cki—k水樣第i個指標的檢測值；C0—對于無機組分，代表k水樣所在區域指標i的對照值，本文根據研究區的地貌特征、地下水埋藏條件，在每個水文地質單元的各取水層段，采用基本未受污染的地下水檢測點各指標含量平均值加減兩個標準差計算獲得.CIII—《地下水質量標準》（GB/T 14848-2007）中指標i的Ⅲ類指標限值.

利用上式分別計算各水樣點單因子污染指數結果Pki，并依據表1中污染分級標準劃分污染等級，確定各水樣單因子污染等級.

表1 單因子污染指數分級標準Table 1Grading standard by single factor pollution index

對單因子污染評價完成后，將各水樣單因子污染等級做比對，規定其中污染等級最高的因子等級劃分結果作為該水樣點地下水污染綜合評價結果.

5 結果討論

5.1 淺層地下水水化學特征

根據哈爾濱地區淺層地下水樣品分析結果，繪制成了地下水水化學類型Piper圖（圖1）.由圖1可以看出，淺層地下水化學類型以1-A型為主，即礦化度（M）小于1.5 g/L的HCO3-Ca型水，其次是4-A型，表示礦化度（M）小于1.5 g/L的HCO3-Na-Ca型水.反映了淺層水文地球化學環境由淋溶遷移至積累，由氧化還原環境到弱還原環境的特征.地下水化學作用由平原邊緣的溶濾作用為主，到平原內部以蒸發濃縮和離子交換吸附為主.

圖1 淺層地下水化學類型Piper圖Fig.1Piper diagram showing chemical types of shallow groundwater

5.2 淺層地下水水質評價

根據調查及樣品分析結果，研究區地下水中總鐵、錳含量較高.本次評價在因子選擇時考慮了兩種情形，即包含TFe、Mn因子及不含二者.評價結果見圖2.

圖2 淺層地下水水質評價等級分區圖Fig.2Zonation by quality grade of the shallow groundwater in Harbin region

由圖2及評價結果統計分析可以看出，含TFe、Mn的評價結果是淺層地下水水質總體較差，IV、V類水質點126個，占總體的94.74%，I、II類水質點的個數僅為7個.由于研究區地下水受原生環境影響，總鐵、錳的含量較高，對地下水質量有著較大的影響，從該評價結果中不易辨別人類活動對地下水質量的影響情況.不含TFe、Mn的評價結果顯示，IV、V類水質點88個，占總體的66.17%，IV、V類水的分布面積明顯縮小，主要分布于松花江及其支流的河谷平原地帶，影響水質的主要污染因子為NH4+、NO3-，該評價結果能夠反映人類活動對地下水的污染情況.

由此可見，評價指標選取不同，評價結果也隨之發生變化，說明評價指標的甄選對地下水質量評價很重要.

5.3 淺層地下水污染評價結果討論

利用地下水污染指數法計算了各采樣點的污染等級，分級結果見圖3.

圖3 研究區地下水污染評價圖Fig.3Zonation by pollution levels of groundwater in the study area

根據圖3及統計分析，研究區淺層地下水污染較重，III類中度污染點14個，占10.53%；IV較重污染點8個，占6.02%；V類嚴重污染點12個，占9.02%；VI類極重污染點97個，占72.93%.VI、V類重污染點覆蓋面積較大，近12 000 km2，幾乎遍布于整個研究區.主要污染因子為NH4+、NO3-.IV、V類重污染區的水樣點集中分布在養殖場、垃圾填埋場周邊地帶及農業種植區.說明居民生活及養殖場隨意堆放的垃圾及農業區大量施用的農藥、化肥是研究區地下水的主要污染源.

區內垃圾場多處于漫灘區，多為村鎮利用采土坑或天然洼地隨意露天堆放，下伏的潛水含水層水位埋藏淺，含水層上部的包氣帶為薄層亞黏土或砂，垃圾淋濾液中的污染物極容易滲入含水層污染地下水.

研究區大面積為農業生產區，過量使用化肥是地下水大面積污染的主要原因.化肥中所含的氮對地下水的污染雖受降水量、土壤性質、植被、化肥品種等多種因素制約，但氮肥用量的多少是造成地下水氮污染的前提條件［5］.氮肥施入土壤后，被作物吸收利用的只占其施入量的30%～40%［6］，剩余部分氮肥經各種途徑損失于環境中，并對水環境造成污染.據資料及本次調查，2012年研究區化肥使用量為47×104t，氮肥用量占50%以上，表明研究區地下水的氮污染與化肥使用量有直接關系.

研究區地下水的污染組分與污染源的分布及類型有關，污染程度受含水層的埋藏條件及徑流條件、污染時間長短的控制.極重污染的地下水點近60%分布于含水層埋藏淺、地下水埋深小于6 m的河谷平原區.該區包氣帶巖性以粉質黏土、粉細砂為主，含水層防污能力弱，極易受到人類活動的影響而被污染.近20%的污染點分布于含水介質聯通性差、污染物不易隨徑流擴散的黃土狀粉質黏土及零星分布的砂、砂礫石層中.地下水被污染后自凈能力弱，污染物逐漸聚積，水質污染加重，地下水污染指數多大于10，說明地下水受污染時間已較長.

由以上可見，地下水污染程度既受污染源的分布及強度的控制，同時也受到地下水的埋藏條件、徑流條件及污染時間的長短的影響.

6 結論

（1）研究區淺層地下水化學類型主要是礦化度（M）不大于1.5 g/L的HCO3-Ca型水，表現出該區的水文地球化學環境以溶濾作用為主.

（2）淺層地下水水質評價中，含TFe、Mn指標時水質總體較差，IV、V類水質點占總體的94.74%；不含TFe、Mn指標時IV、V類水質點占總體的66.17%.說明TFe、Mn對水質影響較大，也代表了淺層水質量受原生環境條件主導.當評價指標中不含TFe、Mn時更能夠反映人類活動對地下水的影響.可見，評價指標選取的不同，會導致不同的評價結果.

（3）地下水污染評價結果表明，研究區地下水污染較重，屬于區域性污染，主要污染因子為NH4+、NO3-.主要污染源為養殖場、居民生活垃圾及農業生產所使用的化肥，地下水污染程度受污染源強度、污染時間的控制，同時也受到地下水的埋藏條件和徑流條件的影響.

［1］高存榮，王俊桃.我國69個城市地下水有機污染特征研究［J］.地球學報,2011,32（5）:581—591.

［2］張兆吉，費宇紅，郭春艷.華北平原區域地下水污染評價［J］.吉林大學學報：地球科學版,2012,42（5）:1456—1462.

［3］李德彬，張琪，宋旭.地下水三氮污染的現狀及主要除氮方法［J］.環境與可持續發展,2009（5）:35—37.

［4］尹鵬.哈爾濱市水資源發展態勢及可持續利用評價研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工程大學,2011.

［5］陳尚龍，達麗紅，喬光建.氮污染物在非飽和土壤中遷移過程對地下水水質影響分析［J］.南水北調與水利科技,2010,8（4）:58—61,102.

［6］王全九，邵明安，鄭紀勇.土壤中水分運動與溶質遷移［M］.北京：中國水利水電出版社,2007.

ASSESSMENT FOR THE QUALITY AND POLLUTION OF SHALLOW GROUNDWATER IN HARBIN,HEILONGJIANG PROVINCE

KONG Qing-xuan1,DONG Hong-zhi1,WANG Yan1,YANG Guang-shen1,WANG Li-huan1,LIU Cai-hong2,SUN Xiao-qing2
（1.Geo-environmental Monitoring Station of Heilongjiang Province,Harbin 150030,China; 2.College of Environment and Resources,Jilin University,Changchun 130021,China）

With the groundwater quality monitoring data of Songnen Plain in Heilongjiang Province,the chemical characteristics are described to ascertain the current situation of quality and pollution of the shallow groundwater in Harbin region.On this basis,fuzzy comprehensive evaluation method is used to assess groundwater quality.The current status of groundwater pollution is assessed by pollution index method.The results show that the hydrochemistry of the shallow groundwater is dominated by HCO3-Ca type.The Fe and Mn contents,which are controlled by the hydrochemical condition in native environment,strongly impact the water quality.The groundwater is regionally polluted,with wide range and severe degree.The main contaminants are NO-3,NO2-and NH4+,which are derived from domestic sewage and fertilizers in agricultural production.According to the data analysis,the groundwater pollution in the study area is mainly inorganic pollution.

shallow groundwater;hydrochemical characteristics;groundwater quality;pollution assessment;Songnen Plain;Harbin

1671-1947（2015）01-0070-05

P641.8

A

2014－11－24；

2014-12-22.編輯：張哲．

中國地質調查局項目“松嫩平原（黑龍江）地下水污染調查評價”（編號1212011220978）資助.

孔慶軒（1965—），女，高級工程師，主要從事地下水環境研究，通信地址黑龍江省哈爾濱市南崗區漢水路190號金馬大廈兆祥寶座1706室，E-mail//172652597@qq.com