全國地下水質分布及變化特征

李圣品，李文鵬，殷秀蘭，金愛芳

(1.中國地質環境監測院，北京 100081；2.中國地質大學(北京)水資源與環境學院，北京 100083)

賦存于地面以下巖土空隙中的地下水約占全球淡水資源量的30%，是水資源的重要組成部分[1]。地下水為世界上大部分人口提供著寶貴的水源，特別是在干旱和半干旱地區或者地表水被污染的地區。地下水是人類生活用水、灌溉和工業用水的主要來源[2-3]。我國約有70%的人口以地下水為主要飲用水源，全國95%以上的農村人口飲用地下水，全國40%的耕地使用地下水灌溉[4]。全國有400多個城市開發利用地下水，北方大部分城市以地下水作為主要供水水源，華北、西北城市利用地下水比例分別高達72%和66%[5]。隨著工農業的迅速發展，地下水資源問題日益突出，地下水環境問題逐漸加劇。如我國北方地區，地下水在城市供水、工農業生產中起著非常重要的作用。然而，地下水的過度開采和不合理的人類活動，引發了一系列地下水環境問題[6]。目前，已報道的地下水污染來源主要有農業面源、城市生活污水和生活垃圾、工業廢水、固體廢物的直接或者不達標排放、采礦和廢棄礦坑廢水。除此之外，超量開采地下水還可能引發海/咸水入侵，砷、鐵和錳等原生污染物的溶解等，都會直接或間接的影響到人類生產活動[7-8]。

根據《2015年中國國土資源公報》，在全國202個地市級行政區5 118個地下水監測點開展了地下水質監測工作，依據《地下水質量標準》(GB/T 14848—93),優良級水質監測點為9.1%；良好級水質監測點為25.0%；較好級水質監測點為4.6%；較差級水質監測點為42.5%；極差級水質監測點為18.8%。主要超標組分為總硬度、溶解性總固體、鐵、錳、“三氮”、氟化物、硫酸鹽等，個別監測點存在鉛、砷、六價鉻、鎘等重(類)金屬超標現象[9]。水利部在2016年4月公布的“地下水動態月報”中提到，在我國開發利用程度大，污染較為嚴重的江漢平原、黃淮海平原、松遼平原、四川盆地等區域的2 000多個淺層地下水井的監測工作中，Ⅱ、Ⅲ類水質大約占比19%；Ⅳ類水質約占比32%；Ⅴ類水質約占比49%，監測區域的主要污染物是“三氮”、氟化物、錳、鐵、重金屬及其他有毒有機物[10]。以上的報道發現，目前地下水受到由城市化、工業化、農業和礦業活動導致的水質惡化的威脅。地下水資源被大量開采，部分地區地下水位持續下降；一些地區城市污水、生活垃圾填埋場滲濾液以及化肥農藥等的大量施用，地下水環境安全面臨著嚴重威脅，污染區域正逐步從淺層地下水向深層地下水轉移[11]。由此可見我國地下水污染問題已經十分突出。

本文將2013—2017年間全國地下水質監測數據進行整理篩選，分析20項監測指標的超標情況，篩選超標項目、研究超標項目在各省市的分布特征和年際變化規律。

1 研究方法

文中涉及的地下水監測井，包括不同地區的孔隙水、巖溶水和裂隙水監測井。地下水監測點分布在全國31個省市范圍內，2013—2017年統計監測井數量分別為5 521、5 925、5 789、6 427和6 360口。

水質綜合評價選取的指標數量是按照《地下水質量標準》(GB/T 14848—93)對地市級行政區內監測點水質進行綜合評價時選取的20項常規指標：pH值、總硬度(以CaCO3計)、溶解性總固體、硫酸鹽、氯化物、高錳酸鹽指數、鐵、錳、氟化物、碘化物、硝酸鹽(以氮計)、亞硝酸鹽(以氮計)、氨氮(以氮計)、汞、砷、鎘、鉛、鉻(六價)、揮發性酚類(以苯酚計)、氰化物。

本文對2013—2017年期間全國地下水質監測數據進行整理篩選，以省市為單位將監測井進行區域劃分，分析20項監測指標的超標情況，篩選出超標項目，研究超標項目在各省市的分布特征和年際變化規律。文中描述各省市地下水質狀況，僅為相應省市監濁井范圍內的水質情況。

2 結果與討論

2.1 水質年際變化和污染物識別

水質超標的定義為：被檢測指標濃度超過《地下水質量標準》(GB/T 14848—93)中規定的Ⅲ類水質標準，即定義為水質超標。水質超標率為：超標水質點的檢出數量與總監測點數量的百分比。

由圖1可以看到，2013—2017年間地下水監測井中20項指標均有不同程度的檢出，總硬度、溶解性總固體、硫酸鹽、鐵、錳、“三氮”等指標超標率均達到了10%，部分井甚至達到20%以上。汞、砷、鎘、鉻(六價)、鉛也有不同程度的超標，尤其2016年。

圖1 2013—2017年水質不同組分超標率

華北地區、東北地區、華東地區和西北地區監測井含有超標10%及以上的監測指標數量明顯較高(圖2)。超過10%監測指標越多，意味著的地下水水質越差。天津市、河北省、遼寧省和江蘇省是代表性的地下水水質較差的省份(表1)，每年均有不低于8項監測指標超標10%及以上。陜西省、上海市、山東省、寧夏、貴州省、吉林省和湖北省等地，也均是地下水水質較差的代表性區域，如寧夏和貴州在2016年度，分別有20和15項監測指標超標10%及以上(圖2)。

相比較之下，西南地區和中南地區水質超標10%及以上的監測指標數量明顯較少(圖2)，湖南省、云南省和西藏在2013年僅有1項指標檢出超標10%及以上；江西省、湖南省、重慶市和云南省2014年有2項指標檢出超標10%及以上；2015年湖南省、云南省和西藏均有1項，海南省和重慶市有2項指標檢出超標10%及以上；西藏在2016年沒有指標檢出超標10%及以上，云南省有2項指標檢出超標10%及以上；2017年海南省、貴州省和云南省均只有1項指標檢出超標10%及以上。

圖2 2013—2017年各省市超標10%及以上的監測項目數量

表1 2013—2017年超標率10%及以上大于8項的省份(含8項)

通過統計各個監測指標超標10%及以上的省份數量發現，總硬度、溶解性總固體、鐵錳和“三氮”是超標現象最為嚴重的(圖3)，其次硫酸鹽、氯化物、氟化物等污染物。在20項監測指標中，汞、鉻、鉛和氰化物是超過10%及以上分布省份最少的監測項目，說明我國以上指標并不存在大面積污染。

總硬度2013年超標最為嚴重，全國監測區平均檢出率為28.20%，其中22個省份檢出率超過10%及以上。23個省份的錳含量檢出率超過10%及以上，16個省份的鐵和溶解性總固體檢出率超過10%及以上。氨氮、硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮的檢出率超過10%及以上的省份分別達到了15個、13個和19個。其余年份的情況與2013年基本類似，檢出率較高的組分主要是總硬度、溶解性總固體、鐵錳和“三氮”，將以上指標作為評定全國監測區地下水質變化的特征指征，通過它們的變化分析地下水質動態變化過程。

圖3 2013—2017年監測項目超過10%及以上的省份數量

2.2 總硬度年際變化和超標特征

地下水硬度上升，是我國地下水的一個普遍問題，主要原因一方面是地下水污染，另一方面是地下水的過量開采引起水動力場和水文地球化學環境的改變[12-13]。圖4展示了2013—2017年各省份監測區的總硬度變化，垂向比較可以展示某一地區的年際變化，橫向可以對比不同省市之間的變化。

華北地區總硬度超標率基本在20%以上，高于東北地區。華北地區2017年總硬度超標率變化較為明顯。北京地區總硬度超標率在2017年由45%左右降低至31%左右。2017年天津、河北、山西和內蒙總硬度超標率均升高，特別是天津和河北地區，分別增加至了45%和49.5%。華東地區總硬度超標最嚴重的是山東省，2013—2017年超標率48%～53%。上海市是華東地區總硬度年際變化最大的地區，為8%～32.74%。中南地區總硬度超標率最高的是河南和湖北，河南總硬度超標率為33.06%～47.85%；湖北的超標率為23.3%～37.24%，且年際波動較大。中南其他省市總硬度超標情況均在較低(低于3%)或未檢出的水平。西南地區的云南和西藏總硬度超標率均在較低的水平。貴州的總硬度超標率穩定在約12%，2017年重慶總硬度超標率由18.18%降低到9.09%。四川省總硬度年均超標率在30%以上，是西南最嚴重的地區。西北地區總硬度超標最嚴重的是寧夏，總硬度超標率為37%～51%，近年來有降低的趨勢。甘肅和新疆地區的總硬度變化最為穩定，總硬度超標率分別在35%和25%左右波動。青海地區2017年總硬度超標率明顯降低，由18%左右降至8%左右。

圖4 2013—2017年總硬度超標率變化

總的來說，總硬度的超標情況在全國監測區較為普遍。比較嚴重的地區集中在華北、東北、西南和西北地區，如山東、湖北和河南等省?？傆捕瘸瑯寺誓觌H變化較為穩定，但是不同省市之間總硬度超標率的差別較大。

2.3 氨氮年際變化和超標特征

氨氮污染是我國地下水污染中較為普遍和嚴重的，氨氮在水體中一定條件下可以轉化為亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮，其中亞硝酸鹽氮對人體有更大的危害。研究表明，5%～20%的硝酸鹽能夠轉化為亞硝酸鹽[14-15]。氨氮在全國各省市監測區均有超標檢出，華北氨氮超標率最低的是內蒙地區，近年來逐漸降至3.23%。華北其他省份近年來氨氮超標率均在增加，2017年尤為明顯，天津、河北和山西地區，氨氮超標率在2017年分別增加至了30.83%、20.75%和22.73%。黑龍江是東北地區氨氮超標最為嚴重的地區，氨氮超標率2017年高達55.90%。

圖5 2013—2017年氨氮超標率變化

華東地區江蘇省氨氮超標率由11.11%逐漸增加至45.45%，情況最為嚴重。上海市氨氮超標率在0～46.02%之間，變化最大。安徽、福建和山東地區，氨氮超標率變幅較小。中南地區河南、湖南和海南地區氨氮超標率均較低，尤其是海南省，基本沒有氨氮超標檢出。在2017年，湖北省氨氮超標率由年均15%左右，增加至了31.76%；廣東地區氨氮超標率由最高31.94%逐漸降至了19.72%，這兩個地區是中南氨氮超標率較嚴重的區域。西南的重慶和西藏基本沒有氨氮超標情況，云南氨氮超標率穩定在5%～10%，四川氨氮超標率在1.96%～23.53%之間。西北地區的陜西和新疆氨氮超標率變化較大。甘肅和青海的氨氮超標率變化穩定，寧夏氨氮超標率高達36%～45%，情況較為嚴重。

氨氮超標情況在不同省市監測區之間差別較大，除個別省市的少數年份外，都有超標檢出；華北、華東和西北地區氨氮超標檢出年際差異明顯，黑龍江、江蘇、廣東和寧夏等是氨氮超標情況較為嚴重的省份。

2.4 硝酸鹽氮年際變化和超標特征

2017年河北硝酸鹽氮超標率高達31.66%，是華北最高的。北京和天津的硝酸鹽氮超標率近年來降低明顯。內蒙古硝酸鹽氮超標率穩定在15%左右。東北三省監測區硝酸鹽氮超標率變化較小，遼寧最為嚴重。山東省硝酸鹽氮超標率在25%以上，是華東最嚴重的地區，其余省份硝酸鹽氮超標率大多在5%以下，除少數年份達到了10%以上。中南地區硝酸鹽氮超標率最高的是河南省，年均超標率15%左右。湖北省，在5%～18%之間波動。其余地區的硝酸鹽氮超標率變化均較穩定，不同省份間的差異也較小，超標率基本在5%以下。

西南地區硝酸鹽氮超標率均在較低的水平，除貴州省硝酸鹽氮超標率最高時達到了16.72%。西北地區各省份間硝酸鹽氮超標率差異較大，且年際變化明顯。甘肅硝酸鹽氮超標率穩定在20%左右，陜西地區的硝酸鹽氮超標率逐漸降至7.37%。寧夏硝酸鹽氮超標率變化較大，在4%～36.90%之間變化。

圖6 2013—2017年硝酸鹽氮超標率變化

全國硝酸鹽氮超標率最為明顯的特征是年際穩定性較好，華北、東北和西北地區的硝酸鹽氮超標情況較為嚴重，東三省、山東、河南、陜西和甘肅等省是較為嚴重的省份。

2.5 亞硝酸鹽氮年際變化和超標特征

華北地區亞硝酸鹽氮超標率年際和地區變化較大，北京亞硝酸鹽氮超標率在10%左右，河北省的亞硝酸鹽氮超標率不斷增高，2017年高達34.49%。東北亞硝酸鹽氮超標率變化最大的是遼寧省在14.32%～30.34%之間波動，黑龍江亞硝酸鹽氮超標率一直在15%以上。華東地區上海亞硝酸鹽氮超標率為4.17%～60%，江蘇省亞硝酸鹽氮超標率29.81%～76.62%。華東其他省份亞硝酸鹽氮超標率的變化相對穩定，中南地區亞硝酸鹽氮超標率變化最大的是湖北省，由17%增至了40.43%。其他省份亞硝酸鹽氮超標率變化均較為穩定。

西南地區亞硝酸鹽氮超標率變化最大的是西藏，超標率為1.67%～25%。其余地區變化均相對穩定，但是不同地區間的差異較大。西北地區亞硝酸鹽氮超標率變化較大，以寧夏地區為例，2016年最高時的亞硝酸鹽氮超標率達到31.93%，最低時僅為0.88%。

圖7 2013—2017亞硝酸鹽氮超標率變化

亞硝酸鹽氮對人體健康威脅最大，在華北、東北、西北、華東的上海和江蘇、中南的湖北和廣西、西南的貴州亞硝酸鹽氮超標較為嚴重，中南和西南地區亞硝酸鹽氮超標率年際變化較小，華東地區不同省份間的差別較小。

2.6 鐵、錳水質變化和超標特征

高鐵錳地下水在我國分布非常廣泛，并且鐵、錳通常共生[16]，錳、鐵為同族元素，性質類似，地下水中的鐵、錳通常是由巖石和礦物的難溶化合物中鐵、錳質的溶解。

由圖8和圖9可以看到，華北地區鐵超標情況較低，河北2013—1016年鐵超標率均在15%左右，但2017年天津和河北的鐵超標率分別達到了80.83%和45.49%，變化較為明顯。華北地區的錳超標現象嚴重。2013—2016年間，北京、天津和河北錳超標率年均在15%以上。2017年，北京錳超標率降至較低水平；而天津、河北和山西分別突增至了47.50%、33.75%和33.33%。東北地區鐵錳超標現象較嚴重，遼寧和黑龍江鐵超標率年均分別達到40%和60%，吉林省鐵超標率在18.18%～72.73%之間波動。遼寧和黑龍江的錳超標率分別達到年均20%和60%以上，吉林的錳超標率在9.09%～50%之間?？梢钥闯?，東北地區整體鐵錳超標現象均較嚴重，尤其是黑龍江地區。

圖8 2013—2017年鐵超標率變化

圖9 2013—2017年錳超標率變化

上海市是華東地區鐵錳超標變化最大的，鐵超標率在8%～57%之間波動，錳的超標率在25%～54%之間波動。其余省份變化較小，但各地區間的差異較為明顯。鐵錳超標最為嚴重的地區是安徽省，鐵超標率均在35%以上，錳超標率均在50%以上，整個華東地區錳超標現象均較嚴重，即使情況較好的福建省，錳超標率也接近20%。

中南地區鐵錳超標現象變化較穩定，但是各省市間的差別較大。超標現象最嚴重的是湖北省，鐵、錳的年均超標率分別達到了38%和43%以上。廣東省鐵、錳年均超標率均在20%以上。廣西省年均超標率在10%左右；海南省年均在5%左右。中南地區整體錳超標情況要比鐵超標情況嚴重。

西南地區四川鐵、錳超標較嚴重，年均超標率均達到了30%左右。重慶市鐵、錳超標現象逐漸嚴重，鐵、錳超標率逐漸增加至40%。其余地區鐵超標率均在5%以下。云南地區錳超標率達到了20%，其他地區較低。西北鐵、錳超標率年際變化較為穩定，寧夏是該區域鐵、錳超標最為嚴重的省份，鐵、錳年均超標率分別達到了40%和30%以上。除寧夏外，陜西省鐵、錳年均超標率分別達到了10%和20%以上，情況同樣較為嚴重。其他省市鐵、錳超標較輕微。

總體來說，鐵、錳超標現象主要集中在華北、華東、中南地區監測區，黑龍江、安徽、湖北、四川、寧夏等省份。鐵、錳超標在各省市的年際變化相對穩定，同一地區鐵、錳并沒有出現一致性的超標特征。

3 結論

(1)總硬度超標集中在華北、東北、西南和西北地區的監測井，以及山東、湖北和河南等省?？傆捕瘸瑯说哪觌H變化較為穩定，不同省市間總硬度超標率的變化較大。

(2)氨氮超標情況在不同省市之間差別較大，華北、華東和西北地區的監測井超標檢出年際差異明顯，氨氮超標較為嚴重的省份為黑龍江、江蘇、廣東和寧夏地區的監測井。

(3)硝酸鹽氮超標率年際穩定較好，華北、東北和西北地區的硝酸鹽氮超標情況較為嚴重，東三省、山東、河南、陜西和甘肅等省份較為嚴重。

(4)亞硝酸鹽氮超標在華北、東北、西北、華東，以及上海、江蘇、湖北、廣西、和貴州的監測井較為嚴重，中南和西南地區亞硝酸鹽氮超標率年際變化較小，華東地區不同省份間的差別較小。

(5)鐵、錳超標現象主要集中在華北、華東、中南地區的監測井，東三省、安徽、湖北、四川、寧夏等省份尤其嚴重，各省市間鐵、錳超標差異較為明顯。