成都平原典型樣區(qū)淺層地下水水質(zhì)調(diào)查與污染評價

唐學(xué)芳, 吳 勇, 韓莉璧, 陳 晶, 李仁海, 鄧東平, 榮欣萍

(1.成都理工大學(xué) 環(huán)境與土木工程學(xué)院, 四川 成都 610059; 2.地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點實驗室, 四川 成都 610059; 3.四川省地質(zhì)工程勘察院, 四川 成都 610032)

研究區(qū)位于成都市西北部，為沖積平原，耕地土層深厚、質(zhì)地適中，自流灌溉，是我國5大糧食主產(chǎn)區(qū)之一[1]。近20 a來，增施以氮肥為主的化肥是該區(qū)域提高糧食和蔬菜產(chǎn)量的主要措施之一，氮肥年用量常高達(dá)250～350 kg/hm2[2]。水文地質(zhì)系統(tǒng)中氮的運(yùn)動受自然循環(huán)過程、人為影響和隨機(jī)事件的控制，人口密度、氮肥負(fù)荷、地下水補(bǔ)給、土壤防護(hù)能力、滲流帶滲透率、地下水深度和飽和帶滲透率等因素能影響硝酸鹽向地下水遷移的相對難易程度。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)密集的地區(qū)，氮肥施用量與地下水硝酸鹽含量密切相關(guān)，尤其是不適當(dāng)?shù)氖┓手贫萚3-4]。目前，對該區(qū)域地下水研究多集中在地下水膠體[5]、硝酸鹽污染方面[2,6]，對該區(qū)開展地下水水質(zhì)調(diào)查與評價研究，有利于掌握該地區(qū)地下水質(zhì)量狀況和變化趨勢，有針對性的開展土壤和地下水資源保護(hù)，對合理開發(fā)利用地下水資源提供決策依據(jù)具有重要現(xiàn)實意義。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)面積438 km2。屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候，年平均氣溫16 ℃，年平均降雨量979.4 mm，6—9月豐水期占全年降雨量的69%，12月至次年2月枯水期降雨量為全年的2.4%，其余月份為平水期。多年平均蒸發(fā)量879.2 mm，平均相對濕度84%。境內(nèi)河網(wǎng)密布，河道總長158 km。研究區(qū)屬岷江冰水—流水堆積扇中部，區(qū)內(nèi)大部分為平原區(qū)，僅在西北部橫山子一帶為一級臺地。平原區(qū)位于堆積扇中部，由第四系冰水及沖洪積等多種成因的沉積物堆積而成，地下水類型主要為第四系松散巖類孔隙潛水；西北部橫山子殘留臺地，上覆第四系上更新統(tǒng)砂質(zhì)黏土或含泥砂礫卵石層，下伏白堊系砂泥巖，地下水類型為第四系松散巖類孔隙潛水和白堊系砂泥巖裂隙水。研究區(qū)主要河流包括蒲陽河、走馬河、柏條河、江安河等。研究區(qū)地處岷江扇地下水徑流帶與排泄帶的過渡地區(qū)，地下水主要沿平原傾斜方向自北西向南東運(yùn)移，區(qū)內(nèi)地下水的補(bǔ)給來源主要為河流、農(nóng)灌、渠系入滲，其次為降雨入滲和側(cè)向徑流。研究區(qū)地下水水化學(xué)類型以HCO3-Ca，HCO3-Ca·Mg型為主，局部地段為HCO3·SO4-Ca型。礦化度大多數(shù)小于1 g/L，少數(shù)在1～2 g/L，硬度300～450 mg/L。區(qū)內(nèi)地下水pH值多在6.5～8.5之間，為中性水，少部分為弱堿性水。根據(jù)2017年研究區(qū)內(nèi)25口地下水監(jiān)測井資料，地下水位埋深在2.6～13.1 m之間。

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本文選取了成都平原典型樣區(qū)60個地下水監(jiān)測井為水樣采集點，采樣時間為2018年11月，枯水期，采樣計劃制定、樣設(shè)備選擇、樣品采集方法、樣品保存與送檢、實驗室分析測試等均嚴(yán)格按照《區(qū)域地下水污染調(diào)查評價規(guī)范(DZT0288-2015)》執(zhí)行，保證了數(shù)據(jù)的科學(xué)性、準(zhǔn)確性。本次采樣充分考慮了研究區(qū)水文地質(zhì)條件、污染源分布狀況，采樣點分布合理，基本涵蓋了研究區(qū)的環(huán)境敏感點，可以代表研究區(qū)域淺層地下水整體的水質(zhì)狀況。本次調(diào)查評估特別注重了樣品野外采集質(zhì)量控制和室內(nèi)測試質(zhì)量控制，選擇具有國家計量認(rèn)證的實驗室進(jìn)行水樣的分析測定。水質(zhì)檢測指標(biāo)包括：常規(guī)水質(zhì)指標(biāo)如溶解性總固體、總硬度、硫酸鹽、氯化物；主要由人類活動產(chǎn)生并對農(nóng)業(yè)灌溉和飲水安全有潛在威脅的指標(biāo)，如硝酸鹽、亞硝酸鹽、氨氮和氟化物等；以及對人類和其他生物生長發(fā)育有重要影響的指標(biāo)，如鐵(Fe3+)、錳(Mn2+)等。

2.2 研究方法

2.2.1 單因子污染評價法 對照《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB/T14848-2017)》[7]中指標(biāo)限值(Ⅲ級)，將測試指標(biāo)與Ⅲ級限值對照進(jìn)行階梯評價，得出地下水水質(zhì)初步評價，通過無機(jī)毒理指標(biāo)和微量有機(jī)指標(biāo)進(jìn)行地下水污染評價，將地下水水質(zhì)初步評價與污染評價相結(jié)合，判定地下水質(zhì)量類型是否升級[12]。

2.2.2 PCA因子分析法 利用因子分析或主成分分析對數(shù)據(jù)集進(jìn)行解析并降維，通過對多個變量間關(guān)系的分析，以較少有代表性因子來說明眾多因子信息[8-9]，基本步驟包括： ①確認(rèn)待分析的原始指標(biāo)變量是否適合作因子分析； ②構(gòu)造因子變量； ③利用旋轉(zhuǎn)方法使因子變量更具可解釋性； ④計算主成分及其貢獻(xiàn)率和累積貢獻(xiàn)率； ⑤計算主成分荷載[10]。選取研究區(qū)60個地下水監(jiān)測資料，每個監(jiān)測點選取總硬度、溶解性總固體、銨根離子、氯離子、氟離子、硫酸根、硝酸根、亞硝酸根、鐵、錳共10個指標(biāo)進(jìn)行綜合評價。

3 結(jié)果分析

3.1 地下水理化特征

利用SPSS對60組水樣的測試結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計分析(表1)。由表1可知，研究區(qū)淺層地下水中亞硝酸、銨根離子、硫酸根、氯離子、氟離子的超標(biāo)檢出率小于2%，污染較輕。總硬度、溶解性總固體、硝酸根、鐵和錳的超標(biāo)率均大于3%，有一定程度污染，其中總硬度、硝酸根和錳的超標(biāo)率分別是13.3%，11.7%和33.3%，屬于污染較重的指標(biāo)，這3個指標(biāo)的變異系數(shù)分別為0.36，1.86和1.42，具有超標(biāo)率較高、變異系數(shù)較低特點，表明污染空間分布廣，主要是面源污染。檢測結(jié)果與《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB/T1484-2017)》Ⅲ級標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，除了亞硝酸、銨根離子、氯離子和氟離子沒有超標(biāo)，其它分析指標(biāo)均有不同程度的超標(biāo)，其中總硬度、硝酸根和錳的超標(biāo)率達(dá)到11%以上，硫酸根、鐵和TDS的超標(biāo)率在1%～3.5%。檢測結(jié)果與《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)(GB5749-2006)》[11]進(jìn)行比較，超標(biāo)項目主要為硝酸鹽、硫酸鹽、溶解性總固體(TDS)、總硬度、鐵和錳。

表1 研究區(qū)淺層地下水理化特征的統(tǒng)計分析

3.2 單因子評價結(jié)果

根據(jù)層級階梯評價法對研究區(qū)地下水水質(zhì)進(jìn)行評價[12](表2)。60組地下水樣品中，地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)符合Ⅱ類水的取樣點有7組，占地下水取樣總數(shù)的12%，符合Ⅲ類水的取樣點有26組，占地下水取樣總數(shù)的43%，符合Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)的取樣點有20組，占地下水取樣總數(shù)的33%，達(dá)到Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)的取樣點有7組，占地下水取樣總數(shù)的12%。從評價結(jié)果顯示，無機(jī)常規(guī)化學(xué)指標(biāo)中主要影響離子是總硬度、鐵離子和錳，其中，有1個取樣點的錳達(dá)到劣Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)，有18個取樣點的錳達(dá)到Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)；有3個取樣點的硫酸鹽達(dá)到Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)，有1個取樣點的硫酸鹽達(dá)到Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)；有3個取樣點的鐵離子達(dá)到Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，有1個取樣點的鐵達(dá)到Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)；有27個取樣點的總硬度達(dá)到Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)，研究區(qū)地下水質(zhì)量主要與無機(jī)常規(guī)化學(xué)指標(biāo)有關(guān)，無機(jī)毒理指標(biāo)影響離子主要是硝酸根和亞硝酸根，其中，有7個取樣點的硝酸鹽達(dá)到Ⅳ類及以上標(biāo)準(zhǔn)，有10個取樣點的硝酸鹽達(dá)到Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，有5個取樣點的亞硝酸鹽達(dá)到Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，研究區(qū)地下水質(zhì)量與無機(jī)毒理化學(xué)指標(biāo)有一定程度關(guān)系。綜合評價研究區(qū)地下水質(zhì)量局部地區(qū)有一定污染。

表2 研究區(qū)水質(zhì)評價結(jié)果一覽表

續(xù)表2

樣號鐵離子錳離子總硬度溶解性固體硝酸根亞硝酸根硫酸根綜合評價JC26ⅡⅡⅡⅡJC27ⅢⅢⅡⅡⅢJC28ⅢⅢⅡⅢⅡⅢJC29ⅢⅢⅡⅢJC30ⅣⅡⅣJC31ⅣⅢⅡⅣJC32ⅢⅢⅡⅢJC33ⅤⅡⅡⅤJC34ⅢⅢⅡⅢJC35ⅡⅡⅢⅣⅡⅣJC36ⅣⅢⅡⅣJC37ⅢⅢⅡⅢJC38ⅣⅡⅢⅣJC39ⅡⅢⅢⅢⅢJC40ⅡⅡⅡⅡJC41ⅢⅣⅢⅣJC42ⅡⅡⅡⅡJC43ⅡⅢⅢⅢJC44ⅡⅢⅡⅢⅢJC45ⅣⅢⅣJC46ⅡⅡⅡJC47ⅡⅡⅡⅡJC48ⅣⅢⅡⅣJC49ⅡⅢⅡⅢJC50ⅡⅢⅡⅢJC51ⅢⅢⅢⅢⅢJC52ⅡⅣⅢⅢⅡⅣJC53ⅣⅡⅡⅢⅣJC54ⅡⅢⅢⅢⅢJC55ⅢⅢⅢJC56ⅡⅢⅢJC57ⅡⅡⅢⅢⅢⅢJC58ⅡⅢⅡⅣⅣJC59ⅡⅢⅡⅢⅢJC60ⅢⅡⅡⅡⅢⅢ

3.3 主成分分析結(jié)果

表3 研究區(qū)地下水水質(zhì)評價主成分特征分布

圖1 研究區(qū)污染源解析標(biāo)準(zhǔn)化地下水質(zhì)指標(biāo)的因子提取率

表4 研究區(qū)污染源解析旋轉(zhuǎn)因子的荷載矩陣

評價因子F1F2F3F4F5總硬度-0.0830.8480.313-0.001-0.041TDS-0.1780.3500.1580.790-0.090NO-3-0.346-0.250-0.5840.222-0.176NO-2-0.0100.0050.0170.0340.959NH+30.465-0.1890.0220.7240.247SO2-40.0030.941-0.1190.1430.012Cl--0.2320.1480.7430.219-0.212F-0.279-0.2780.5720.2190.321Fe0.862-0.115-0.118-0.0590.044Mn0.8920.0430.2120.119-0.037

圖2 研究區(qū)污染源解析旋轉(zhuǎn)因子載荷矩陣

4 討 論

4.1 硝酸根離子影響因素及成因分析

地下水中硝酸根離子含量一般與污染源和環(huán)境水文地質(zhì)因素有關(guān)[12]。世界衛(wèi)生組織(WHO)頒布的飲用水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定硝酸鹽含量的最大允許濃度為10 mg/L[13]，歐洲為11.3 mg/L，我國GB/T14848-2017地下水水質(zhì)Ⅲ類飲用水標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定硝酸鹽含量不得超過20 mg/L。本次60組地下水樣品中，硝酸根離子有7組超標(biāo)，超標(biāo)點為JC01，JC02，JC03，JC08，JC09，JC21，JC35，其中，JC02，JC03，JC08，JC09，JC21這5個采樣點的硝酸根離子達(dá)到Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)，這些超標(biāo)點位主要分布在研究區(qū)西北部，這種異常超標(biāo)的點，與天然背景值關(guān)系不大，與污染源的關(guān)系較為密切。研究區(qū)大部分為農(nóng)業(yè)耕作區(qū)，受地表人類活動影響較大，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)施用過量化肥，農(nóng)灌水下滲均可產(chǎn)生面源污染，引起地下水硝酸鹽污染[10]；其次氮污染受包氣帶巖性的防污性能、地下水水位埋深、地下水徑流速度等水文地質(zhì)條件因素的影響。研究區(qū)河網(wǎng)密集，地下水接受河水補(bǔ)給，為氮磷污染物進(jìn)入地下水系統(tǒng)提供了通道，研究區(qū)內(nèi)巖性為砂質(zhì)黏土和礫卵石，含水層巖性分布對氮素轉(zhuǎn)化具有控制作用，顆粒細(xì)的含水層中以還原作用為主，顆粒粗的含水層中以硝化作用為主[10]。氮污染物從排放到進(jìn)入地下水到參與地下水運(yùn)動的過程，均受水文地質(zhì)環(huán)境因素的綜合制約，水文地質(zhì)條件是決定其污染源擴(kuò)散進(jìn)入地下水的重要因素[12]。研究區(qū)中地下水硝酸鹽污染主要來源于農(nóng)業(yè)耕作中化肥農(nóng)藥的長期使用。

4.2 總硬度影響因素及成因分析

長期飲用高硬度地下水會對人體健康產(chǎn)生很大影響[14-15]。本次調(diào)查與監(jiān)測結(jié)果顯示，研究區(qū)地下水總硬度達(dá)到Ⅲ類及以上的取樣點達(dá)到27個，研究區(qū)地下水總硬度超標(biāo)的原因主要包括4點： ①研究區(qū)內(nèi)人類活動產(chǎn)生的廢棄物(包括液、固)通過各種方式進(jìn)入土壤，在土壤中發(fā)生機(jī)械過濾、生物分解、離子吸附與交換等作用[16]，隨下滲水進(jìn)入含水層，使地下水中一種或多種化學(xué)組分濃度(包括Ca2+，Mg2+)增加，造成地下水硬度的升高； ②研究區(qū)環(huán)境污染以人類生產(chǎn)、生活污染為主，其垃圾、糞便、生活污水、農(nóng)業(yè)廢棄物等有機(jī)物在土壤微生物的參與下，形成硝酸、硫酸等酸類，這些酸可能會溶解土層中的鈣、鎂礦物質(zhì)，使之進(jìn)入地下水，增加了地下水硬度[17]； ③研究區(qū)地處岷江扇地下水徑流帶與排泄帶的過渡地區(qū)，第四系松散巖類孔隙潛水含水層，巖性為砂礫石、砂卵石，含水層顆粒松散、粒度粗、徑流條件較好，巖層中的鈣鎂化合物溶濾條件較好，強(qiáng)烈的交替作用使巖層中的鈣鎂化合物溶濾變成Ca2+和Mg2+離子，使地下水中Ca2+和Mg2+濃度較高[18]； ④研究區(qū)內(nèi)重點污染源有養(yǎng)豬場，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查顯示，存在畜禽糞便及廢棄物未處理排放現(xiàn)象，畜禽廢棄物中Cl-，Na+含量很高，遷移能力強(qiáng)，能夠?qū)⑼寥缹又械腃a2+和Mg2+置換出來，使土壤中Ca2+和Mg2+離子進(jìn)入地下水從而增加了地下水的硬度[19]。因此，該區(qū)域總硬度較高是水文地質(zhì)條件和人類活動影響的綜合作用結(jié)果。

圖3 研究區(qū)地下水質(zhì)評價結(jié)果

4.3 鐵、錳影響因素及成因分析

地下水中Fe3+和Mn2+的含量主要受上覆巖土及水介質(zhì)的化學(xué)成分、地下水系統(tǒng)所處的氧化還原環(huán)境及季節(jié)性變化等因素的影響，且與地下水補(bǔ)給、徑流、排泄條件直接相關(guān)[20]。研究區(qū)地下水埋藏于第四松散的含水層，含水層主要為全新統(tǒng)、更新統(tǒng)地層，鐵錳結(jié)核分布于更新統(tǒng)冰水—流水堆積層中，含有豐富的鐵、錳元素。地下水中鐵、錳元素含量與含水介質(zhì)的鐵、錳元素具有較好的相關(guān)性[21]，研究區(qū)含水介質(zhì)和上覆地層中含有大量鐵、錳元素，是影響地下水中鐵、錳含量較高的主要因素。研究區(qū)鐵離子和錳離子超標(biāo)點主要為基本農(nóng)田區(qū)，地下水埋藏淺，且主要接受垂向滲補(bǔ)給(農(nóng)灌、大氣降水和渠)，地下水水平徑流緩慢，鐵錳離子進(jìn)入地下水后向下游遷移速度緩慢，鐵、錳均為變價元素，有氧條件下能形成難溶化合物，更減慢了遷移，這也是研究區(qū)內(nèi)地下水鐵錳離子含量高的原因。此外，工業(yè)污水中排放的有機(jī)酸作用，會加速鐵錳由巖石進(jìn)入地下水的過程[22]。綜上，研究區(qū)地下水中的鐵錳離子主要來源于含水層地質(zhì)巖性，屬地質(zhì)環(huán)境背景因子。

5 結(jié) 論

(1) 對照《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB/T14848-2017)》中指標(biāo)限值(Ⅲ級)，研究區(qū)地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)符合Ⅱ類水占13%，符合Ⅲ類水占43%，符合Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)占33%，達(dá)到Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)占10%。區(qū)域整體地下水質(zhì)量存在一定程度污染，局部地區(qū)污染較嚴(yán)重，有1個取樣點的錳達(dá)到劣Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)，有18個取樣點的錳達(dá)到Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)，有7個采樣點的硝酸鹽達(dá)到Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)，其中有5個采樣點的硝酸根離子為Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)。

(2) 根據(jù)本次調(diào)查監(jiān)測的實際情況，建議采取以下措施。①根據(jù)氣候、水文地質(zhì)條件和土壤類型，選擇適宜的耕作方式，結(jié)合作物種類和耕作條件確定肥料的品種、用量、施用時間和施用方式，推廣使用有機(jī)肥。②定期開展研究區(qū)土壤和地下水監(jiān)測與評估，對典型地區(qū)開展土壤—植物—水系統(tǒng)中物理生化過程及溶質(zhì)輸移的研究與建模，為決策提供依據(jù)，加強(qiáng)土壤—植物—水系統(tǒng)的全面管理。

致謝：在本次地下水資源調(diào)查和污染現(xiàn)狀評價過程中得到了四川省地質(zhì)工程勘察院、四川省天晟源環(huán)保股份有限公司的鼎力協(xié)助，在此表示衷心的感謝。