徐州沛縣地下水應急水源地溶解性總固體(TDS)本底值調查研究

何建國，王 莉，章 梅，王彥君，劉 莉

(1.江蘇地質礦產設計研究院(中國煤炭地質總局檢測中心)，江蘇 徐州 221006；2.中國礦業大學，江蘇 徐州 221006；3.江蘇省徐州環境監測中心，江蘇 徐州 221006)

當前，對于我國平原區大部分淺層地下水，由于埋藏淺，防污性能弱，在現代大規模農業、工業等人類社會活動的影響作用下，自然狀態下的地下水水中各個化學組分已發生變化。但對于深層地下水而言，由于其埋藏深，有較厚的隔水層，防污性能較強，受到人類活動而導致地下水污染的可能性較小[1-3]。在我國部分區域深層地下水，由于受到區域地質、水文地質條件以及賦存于地下水與巖土相互作用等多種因素影響[4]，導致地下水組分中一種或多種元素本底偏高，而當地管理部門在依據《地下水環境質量標準》[5]評價該區域地下水水質時，通常片面認定該區域地下水水質是人為活動影響導致的污染，忽視了水文地質條件及地下水水化學演化對地下水水質本底產生的影響[6-7]，制約了當地社會經濟發展，因此地下水環境本底的確定，對于識別環境污染和評價污染程度及人類活動影響程度具有重要意義[8-10]。

地下水本底值也稱地下水環境背景值，是指在未受人類活動影響的情況下,地下水所含化學成分的濃度值，該值反映了天然狀態下地下水環境自身原有化學成分的特性值[11-13]。我國以往的地下水本底(背景)值研究更多的單純從數理統計角度出發，從數據本身的分布特征分析識別本底(背景)值，忽視地下水水質是否受到人為活動影響、地下水水質及水化學特征是否為值本底的真實反映，而使得本底值的可靠程度偏低。

沛縣地下水應急水源位于沛縣縣城，當地環境監測部門在對該水源地水井例行監測過程中發現該水源地溶解性總固體(TDS)超過國家地下水質量標準III類水限值(1 000 mg·L-1)，為了查明其本底值及范圍，筆者以沛縣地下水應急水源地為研究對象，通過水質監測、水文地質鉆探、試驗測試和數理統計等多種手段對沛縣水源地周邊環境現狀、水文地質條件、區域地下水演化等多方面進行了詳細論證，分析地下水溶解性總固體(TDS)是否為含水層環境本底值真實反映，并采用數理統計計算溶解性總固體(TDS)地下水本底值及范圍。

1 研究區水文地質條件概述

沛縣位于江蘇省西北部，沛縣地下水飲用水源保護區位于沛縣縣城，保護區總面積10.28 km2，水源地主采下更新統承壓含水層，為更好研究水源地溶解性總固體(TDS)變化特征，依據水源地及監測點的分布情況，將沛縣整個縣城作為一個水文地質單元進行研究分析，面積約100 km2。區域地下含水層按照含水層之間的水力聯系和富水程度從上而下可分為五個含水層，即全新統潛水含水層、上更新統承壓含水層(第I承壓含水層)、中更新統承壓含水層(第II承壓含水層)、下更新統承壓含水層(第Ⅲ承壓含水層)和新近系承壓含水層。其中下更新統承壓含水層含水巖組分布廣，富水性較好，是區域供水主要含水層。

2 水樣及巖土樣的采集與測試

本次對水文地質單元內現有9口水井第Ⅲ承壓含水層連續3個月水質動態監測，并在水源地上游施工1口水文地質勘探孔采取了第Ⅲ承壓含水層水樣以及其含水層砂層和隔水層樣品。水質測試分析方法和標準主要依據為GB/T5750《生活飲用水標準檢驗方法》和GB T14848-2017《地下水質量標準》，土樣測試方法主要依據 GB/T50123-2019《土工試驗方法標準》(圖1)。

圖1 研究區位置及采樣點分布圖

3 本底值研究方法

本次在劃定水文地質研究單元的基礎上，通過以下兩個步驟來確定沛縣地下水應急水源地溶解性總固體(TDS)本底值，首先主要是查明研究區內環境質量現狀，開展水文地質鉆探及地下水水質動態監測，對水質監測數據及歷史數據進行分析，并結合區域地下水含水層水文地質條件，分析地下水含水層中溶解性總固體(TDS)是否為含水層本底的真實反映；第二步采用數理統計判定溶解性總固體(TDS)本底值及其范圍。

3.1 環境質量現狀調查

為查明研究區內環境質量現狀，本次收集了研究區內的第二次污染源普查的主要產生污染源的11家工業污染源、7家污水處理企業和畜禽養殖企業的污染源排放監測數據(研究區內無固廢處置單位)，并利用研究區內現有9個水井開展連續3個月的水質動態監測。從對區內污染源排污口的的監測數據及現場調查來看，區內工業生產、治污環節未對溶解性總固體造成影響，工業污水經處理后，通過市政管網進入污水處理廠進一步處理，未發現明顯下滲及排放通道，對地下水環境無影響；污水處理廠依據《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918-2002)相關標準限值，達標排放；畜禽養殖企業基本處于停產未養殖狀態，無污染物排放，對地下水環境無影響。在對現有水井的第Ⅲ含水層水質監測結果中也未發現特征污染物，可以排除人類活動行為對沛縣地下水水源地的影響。

3.2 水文地質條件對地下水含水層的影響

沛縣第III承壓含水層的埋深較深，含水層頂板埋深在72～150 m，底板埋深在75～176 m之間，含水層之間有巨厚的粘土隔水層，且區域隔水層連續、穩定，含水層受地表人為影響的因素較小。本次采集了3個隔水層6組粘土樣進行滲透系數測試，從表中可以看出各隔水層間亞黏土的垂直滲透系數為和水平滲透系數遠低于1×10-6cm/s，隔水層防污性能強，可以有效保證對污染物的隔絕，防污性能較好。

表1 地下水隔水層防污性能

3.3 區域地下水水質對比分析

本次收集了沛縣區域地下水第III含水層的1958年以來的歷史水質數據和以及水化學特征資料，并與研究區水質資料資料進行對比分析，從表中可以看出沛縣區域第III含水層溶解性總固體(TDS)歷史數據最大值為1964年在沛縣縣城東關監測的數據，其值為2230 mg·L-1，最小值為1978年在沛縣梁集鄉監測數據，其值為830 mg·L-1，大部分數值介于1 000～1 800 mg·L-1，其水化學特征為HCO3·Cl-Na·Ca、Na·Mg 或HCO3·SO·Cl4-Na·Mg；研究區第III含水層監測數據均值在675.80～1 626.00 mg·L-1，水質特征為HCO3-Ca·Na或Cl·SO4-Na·Ca·Mg型水，對比分析來看，研究區監測的溶解性總固體與區域水質歷史監測數據相吻合，水質類型也基本相近，研究區水質與區域水質基本吻合，是含水層本底的真實反映。

3.4 地下水環境本底值調查

3.4.1 異常值的剔除

對于小樣本(n<100)的異常值判斷，筆者采用格魯布斯檢驗法剔除異常指標，本次采集了9個監測水井的水質數據，水樣分析數據及各指標經 Grubbs 準則檢驗后的異常數據見表3 。

表2 水源地監測數據與區域地下水溶解性總固體歷史數據對比結果表 mg·L-1

表3 Grubbs檢驗法異常值剔除結果

3.4.2 檢驗分布類型

本次選用K-S檢驗以及Q-Q圖、P-P圖對各環境統計單元的各元素含量概率分布類型進行綜合判定(信度選為0.05)。分別以兩個檢驗方法判定的一致結果作為確定分布類型的依據。地下水中有關組分的含量，或符合正態分布，或符合對數正態分布，否則，均作偏態分布處理，不再考慮其它分布類型。研究區各指標分布類型如表4所示，Mg2+、NO3--N呈對數正態分布，Na++K、Ca2+、Cl-、SO42-、氯化物呈正態分布，HCO3-+CO32-和溶解性總固體(TDS)呈偏態分布(見圖2)。

圖2 部分水質組分P-P和Q-Q圖

表4 K-S檢驗結果

3.4.3 地下水環境本底值及成因分析

采用數理統計方法，對研究區Mg2+、NO3--N、Na++K+、Ca2+、Cl-、SO42-、氯化物等7項指標的算數平均中值、標準差、變異系數和本底值區間進行計算;對HCO3-+CO32-、溶解性總固體(TDS)2項指標的標準差、中位值和變異系數進行了計算，并按照5%～95%區間范圍計算了本底值區間范圍，見表5、表6。從表中可以看出Mg2+、Na++K+、Ca2+、Cl-、SO4-和氯化物等組分變異系數相對較小，表面其在地下水中含量相對穩定，其中，Na++K+、SO42-、Cl-、氯化物和HCO3。-+CO32-的平均值和標準差都比較大，表明其在地下水中的絕對含量較大，是地下水中的主要陰、陽離子，是引起地下水溶解性總固體偏高的主要變量。

表5 正態及對數正態分布組分地下水環境本底值

表6 偏態分布組分地下水環境本底值

4 結語

通過對工作區污染源現狀調查，地水文地質條件分析及區域地下水歷史水質特征分析，排除了人類活動行為導致地表污染物遷移到地下導致水源地第III含水層溶解性總固體超標，并得出以下結論。

(1)工作區內工業企業、污水處理廠和畜禽養殖對地下水環境基本無影響，現有水井第Ⅲ含水層水質監測中也未發現特征污染物，此外研究區地下水位埋深大，且有巨厚、連續、穩定的隔水層，地下水防污性能較好，排除了地下水源地受污染的可能性。

(2)通過對沛縣地下水水源地溶解性總固體歷史監測數據與沛縣水源地地下水階段性水質監測數據對比分析來看，研究區溶解性總固(TDS)與區域水質基本吻合，未受外界影響而發生變化，是含水層水質本底的真實反映。

(3)通過對研究區地下水組分含量的分析，采用數理統計方法得出了研究區溶解性總固(TDS)、HCO3-+CO32-、Na++K+、Ca2+、Cl-、SO42-和氯化物、Mg2+和NO3--N離子的地下水環境的本底值及范圍。

(4)研究區內溶解性總固體(TDS)超標的主要原因是魯西南地區高溶解性總固體地下水的補給以及區域地下徑流不暢的水動力條件等多方面造成的。