新疆阿克蘇地區地下水優先控制污染物的確定

涂 治，周金龍*，孫 英，曾妍妍，雷 米

(1.新疆農業大學水利與土木工程學院，新疆 烏魯木齊 830052;2.新疆水文水資源工程技術研究中心，新疆 烏魯木齊 830052;3.新疆水利工程安全與水災害防治重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830052)

新疆阿克蘇地區位于亞歐大陸中心，是塔里木河流域生態走廊的重要水源地，也是絲綢之路經濟帶的重要節點[1]，該地區氣候干燥、蒸發強烈，是典型的內陸干旱地區。隨著社會經濟的迅速發展，工農業廢水和生活污水大量排放，致使大量有機物、重金屬等污染物出現在阿克蘇地區環境介質中[2-4]。由于地下水污染的區域性和隱蔽性[5]，需要采取及時有效的監測措施，但對地下水中種類繁多的污染物同時并逐一開展監測，將會耗費巨大的社會資源，而且以現有的技術條件也難以達到監測要求，因此應對地下水中出現頻率高、潛在危害大、持久性較長的污染物優先加以關注。

優先控制污染物最早由美國國家環境保護局(EPA)開展研究[6]，隨后歐盟、加拿大和日本等國家和國際組織也陸續開展了優先控制污染物的研究[7-10]。我國在1990年針對水體提出了優先控制污染物黑名單[11]，但此類研究多針對地表水，而針對地下水優先控制污染物的篩選研究較少，所以急需開展各地區地下水優先控制污染物的篩選工作，并建立地下水優先控制污染物名錄。

目前國內外常用的污染物篩選方法有風險商(RQ)法、模糊數學法、綜合評分法、層次分析法、化學危害排序識別法、潛在危害指數法等[12-16]。綜合對比上述各種污染物篩選方法，將潛在危害指數法與綜合評分法相結合的篩選方法相對成熟、簡便[17]，且對于干旱地區地下水優先控制污染物的篩選有著較好的應用效果[18]。因此，本文選用綜合評分法結合潛在危害指數法來篩選阿克蘇地區地下水中的優先控制污染物。

1 研究區概況

阿克蘇地區地處塔里木盆地西北緣，地理坐標為78°01′E～84°05′E、39°27′N～42°38′N。該地區整體地勢北高南低，由西向東傾斜，地貌類型劃分為山前傾斜平原、塔里木河沖積平原和風積平原，構造上屬于天山古生代褶皺帶及塔里木臺塊北緣。研究區出露的地層以第四系為主，地層巖性為卵石、砂礫石、砂和亞砂土，具有由北向南逐步變細的特點；區內寒武系-奧陶系地層較為發育，寒武系地層主要為白云巖、膏巖，奧陶系地層主要為白云巖。研究區含水層由山前傾斜平原單一結構潛水(地下水埋深為0～100 m)，向沖積平原上部潛水-下部承壓水的雙層或多層結構(地下水埋深為0～200 m)過渡，地下水開采層主要為埋深小于50 m的淺層含水層，部分塔里木河沿岸機井開采層小于10 m[19]。

阿克蘇地區水文地質條件如圖1所示。渭干河流域-阿克蘇河流域山前礫質帶潛水較窄，且地下水較貧乏。阿克蘇河流域沖積礫石、砂礫中潛水單井涌水量在溫宿以西為100～1 000 m3/d，在溫宿以南大于5 000 m3/d，在溫宿以北為溢出帶；阿克蘇河流域細土平原區在山前平原的上更新統洪積砂黏土夾細砂中，潛水、承壓水單井涌水量為10～100 m3/d；阿克蘇河流域沖積砂礫和細砂中,潛水的單井涌水量為1 000～4 000 m3/d,承壓含水層西部為卵礫、東部為中粗砂，承壓水單井涌水量為1 090～7 000 m3/d。渭干河流域沖洪積扇平原區頂部礫質帶中，潛水單井涌水量為1 000～1 200 m3/d；承壓水分布于平原區，在全新、上更新統含礫粗中砂、粉砂中，承壓水單井涌水量為1 000 m3/d，到扇緣承壓水單井涌水量為100～500 m3/d，上部潛水單井涌水量為100～200 m3/d。研究區南部葉爾羌河流域、喀什噶爾河流域、和田河流域平原的細砂夾薄層黏砂土中，地下水富水性較弱；南部塔里木河沖積平原區全新統沖積粉細砂中，潛水單井涌水量為100～500 m3/d，局部有承壓水分布。

圖1 新疆阿克蘇地區水文地質圖Fig.1 Hydrogeological map of Aksu Prefecture,Xinjiang

阿克蘇地區山前一帶潛水含水層主要接受垂直方向上地表水入滲補給；中下游河流沖積平原區河網、溝渠密布，水平方向主要接受上游含水層地下水的側向補給，垂直方向上主要接受河水、溝渠水等入滲補給。研究區地下水總體徑流方向為由西北流向東南，地下水的排泄方式主要為垂向上的人工開采和潛水蒸發蒸騰。

2 地下水水樣采集與測試

研究區共采集到地下水水樣175組，取樣點的控制面積為13.2×104km2，取樣點分布見圖2。本研究嚴格按照《地下水監測規范》(SL 183—2005)中規定的內陸盆地平原區超采區地下水水質監測井密度為1.0～1.6眼/103km2的要求設置地下水采樣點，并按照《區域地下水污染調查評價規范》(DZ/T 0288—2015)中規定的要求進行水樣的采集、保存、送樣。水樣檢測由中國地質科學院水文地質環境地質研究所完成，檢測項目包括：苯、甲苯、氯乙烯、二氯甲烷、1,2-二氯乙烷、三氯甲烷、三氯乙烯、四氯乙烯、1,1,1-三氯乙烷、四氯化碳、1,1-二氯乙烯、溴仿、1,2-二氯丙烷、1,1,2-三氯乙烷、乙苯、苯并[a]芘、α-BHC、β-BHC、γ-BHC、δ-BHC、p,p′-DDE、p,p′-DDD、o,p′-DDT、p,p′-DDT、六氯苯、溴二氯甲烷、一氯二溴甲烷、1,2-二氯乙烯、苯乙烯、鄰二氯苯、氯苯、間二氯苯、對二氯苯、總六六六、總滴滴涕、間二甲苯、對二甲苯、鄰二甲苯、1,2,4-三氯苯39種有機物和Pb、Cd、Fe、Mn、Zn、Cu、Hg、As、Cr(Ⅵ)9種重金屬。使用Tracedsq GCMS-QP 2010氣相色譜-質譜聯用儀對水樣中有機物進行測定；使用iCAP 6300等離子體發射光譜儀對水樣中重金屬進行測定。取樣時采集現場空白樣、空白加標樣和平行樣，以保證數據的可靠性。

圖2 研究區地下水取樣點分布圖Fig.2 Distribution of groundwater sampling points in the study area

依照《地下水質量標準》(GB/T 14848—2017)，地下水中污染物濃度高于檢測下限的為檢出，檢出濃度大于標準中Ⅲ類水限值的即為超標。檢測結果為：研究區地下水中共檢測出5種有機物和8種重金屬，其中5種有機物和6種重金屬濃度超標，見表1。

表1 阿克蘇地區地下水中污染物檢出結果Table 1 Detection parameters of pollutants in groundwater of Aksu Prefecture

3 研究方法

3.1 潛在危害指數法

3.1.1 AMEG的計算

周圍環境目標值(Ambient Multimedia Environmental Goals,AMEG)，是美國環保局(EPA)通過試驗計算出的化學物質在生存環境中可存在的最大濃度，進行試驗的生物與這種濃度的化合物終生接觸都是安全無害的[20]。

使用毒理學參數可估算出一般或急性污染物的AMEGAH，其計算公式如下：

AMEGAH=0.107×LD50

(1)

式中：AMEGAH為急性污染物在水中允許的最大濃度(μg/m3)；LD50為能殺死一半試驗總體的有害、有毒物質的劑量，一般取大鼠經口給毒的半數致死量(mg/kg)。

“三致”污染物或潛在“三致”污染物的AMEGAC計算公式如下：

(2)

式中：AMEGAC為“三致”污染物或潛在“三致”污染物在水中允許的最大濃度(μg/m3)；V閾為閾限值(mg/m3)，表示有毒物質在研究空間中的允許接觸限值，本文主要選取《工作場所有害因素職業接觸限值 第1部分：化學有害因素》(GB/Z 2.1—2007)中時間加權平均允許濃度(PC-TWA)開展計算。

3.1.2 潛在危害指數的計算

潛在危害指數(N)是根據有毒物質基本的毒理學數據，按下式計算得到：

N=2aa′A+4bB

(3)

式中：N為潛在危害指數；A為AMEGAH所對應的分級數值；B為AMEGAC所對應的分級數值；a、a′、b為常數。

A、B值的確定見表2。若污染物無“三致”效應，B值取0；若污染物既無“三致”效應又不能計算A值時，A值取1；當污染物有“三致”效應但不能計算B值時，B值取1。

表2 AMEG與A、B取值的對應關系Table 2 Relationship between AMEG and assignment of A and B

a、a′、b的選取原則如下：有B值時取a=1，無B值時取a=2；當污染物有蓄積或慢性毒性時取a′=1.25，當污染物只有急性毒性時取a′=1；有A值時取b=1，無A值時取b=1.5。

3.2 綜合評分法

綜合評分法是通過評分的方式，將待選污染物的綜合分數按大小進行排序，從而達到篩選污染物的目的[21]。本文結合潛在危害指數法與綜合評分法，選擇9項評價指標進行綜合評分。對于可定量的指標，經定量計算后賦值，其中生物累積性可用正辛醇/水分配系數的對數值(lgPo/w)來表示[12]；對于難以定量的指標，根據定性數量化來賦值。指標名稱、權重、賦分沿用國內相關文獻，見表3[18]。污染物的綜合評分值的計算公式如下：

表3 綜合評分法確定的指標權重及其賦值Table 3 Index weights and values of comprehensive evaluation method

污染物的綜合評分值=f×25%+N×12%+D×10%+E×10%+G×6%+H×10%+I×7%+J×12%+K×8%

(4)

4 結果與討論

4.1 潛在危害指數的計算

本文根據毒理學理論、檢測報告、規范等[22-24]來確定阿克蘇地區地下水中污染物急性、慢性毒理學數據以及是否屬于“三致”污染物或潛在“三致”污染物。在研究區地下水中檢出的13種污染物中，有10種污染物具有“三致”或潛在“三致”的毒性，相關的毒理學數據和潛在危害指數(N)計算結果見表4。

表4 阿克蘇地區地下水中污染物的毒理學數據和潛在危害指數計算結果Table 4 Toxicological data and calculation results of potential damage index of pollutants in groundwater in Aksu Prefecture

由表4可知，阿克蘇地區地下水中污染物的潛在危害指數在6.5～23.5之間，其中污染物Cr(Ⅵ)、As、Pb、Cd、苯并[a]芘的潛在危害指數較大，說明其危害程度較大。

4.2 綜合評分值的計算

結合阿克蘇地區地下水中各種污染物的生態學及毒理學數據，對各種污染物進行綜合評分與相應計算，其計算結果見表5。

由表5可知，阿克蘇地區地下水中各種污染物的綜合評分值均介于24.4～51.8之間，其中污染物As的綜合評分值最高。再選用聚類分析方法中的k-means法通過SPSS軟件進行分類[25]，最終將研究區地下水中污染物的綜合評分結果聚類后可分為3類：Ⅰ類污染物有As、苯并[a]芘、Pb、Cd；Ⅱ類污染物有三氯甲烷、Mn、Cr(Ⅵ)、四氯化碳；Ⅲ類污染物有乙苯、二甲苯、Fe、Cu、Zn。其中，Ⅰ類污染物的綜合評分值普遍較高，說明其綜合危害程度大，將Ⅰ類污染物As、苯并[a]芘、Pb、Cd初步認定為阿克蘇地區地下水的優先控制污染物。

表5 阿克蘇地區地下水中污染物在各指標項得分及綜合評分結果Table 5 Score of each pollutant in groundwater of Aksu prefecture and results of comprehen-sive evaluation method

4.3 地下水優先控制污染物的空間分布特征

阿克蘇地區4種地下水優先控制污染物的空間分布，見圖3。

圖3 阿克蘇地區4種地下水優先控制污染物的空間分布圖Fig.3 Distribution of four groundwater priority pollutants in Aksu Prefecture

由圖3可見：阿克蘇地區地下水中As在各縣市分布廣泛且北部山前地下水補給區As濃度遠小于南部地下水排泄區，呈現出由北向南聚集的趨勢，西部地下水中As濃度高于東部；地下水中苯并[a]芘超標區呈島狀分布在研究區中西部的溫宿縣、阿克蘇市、阿瓦提縣、沙雅縣等縣市，總體分布呈西多東少，其濃度高值區集中于人口密度較大、工業活動頻繁的區域，可能受人類活動的影響較大；地下水中Pb分布在研究區西部和東部的溫宿縣、阿克蘇市、阿瓦提縣、沙雅縣和庫車縣，其中阿克蘇市地下水中Pb濃度高于周邊其他縣市，沙雅縣、庫車縣地下水中Pb濃度遠高于其他縣市，可能受到了一定的污染；地下水中Cd分布在研究區西部和東部的溫宿縣、阿克蘇市、拜城縣、阿瓦提縣和庫車縣，其中研究區西部地下水中Cd濃度分布較為均衡且均未超標，東部區域沙雅縣、庫車縣地下水有Cd超標區出現，其地下水中Cd濃度略高于周圍縣市。

4.4 污染來源解析

主成分分析法是較常用的污染物來源分析方法，由于研究區地下水優先控制污染物的KMO檢驗值為0.611，Bartlett球形檢驗顯著性水平小于0.01，表明數據間具有一定的相關性[26]，因此本文運用SPSS軟件對研究區地下水優先控制污染物進行了主成分分析，提取出3個主成分，累計貢獻率達87.2%，主成分載荷見表6。由于土地利用類型與地下水水質關系密切[27]，因此結合研究區土地利用類型圖(見圖4)，通過地下水優先控制污染物在各土地利用類型的濃度分布數據，繪制了阿克蘇地區地下水優先控制污染物在不同土地利用類型中分布的散點圖(見圖5)，并利用Kendall秩次相關檢驗法[28]，對采樣點半徑500 m圓形范圍內的地下水優先控制污染物濃度與土地利用類型面積占比進行了Kendall秩次相關檢驗分析[29]，其檢驗結果見表7。

表6 阿克蘇地區地下水優先控制污染物的主成分載荷Table 6 Principal component analysis of priority control pollutants in groundwater in Aksu Prefecture

圖4 阿克蘇地區土地利用類型圖Fig.4 Land use types in Aksu Prefecture

圖5 阿克蘇地區地下水優先控制污染物在不同土地利用類型中分布的散點圖Fig.5 Land use scatter diagram of groundwater priority pollutants in Aksu Prefecture

表7 阿克蘇地區地下水優先控制污染物濃度與土地利用類型面積占比的Kendall秩次相關檢驗值Table 7 Kendall’s correlation coefficient of the percent of land use and priority control pollutants concentration in Aksu Prefecture

由表6可知：F1中As、Cd具有較高的正因子載荷，表明As、Cd的來源相似。由圖5和表7可知：阿克蘇地區地下水中As在各種土地利用類型中均有檢出點，As檢出濃度分布較為均勻，其濃度與建設用地面積占比顯著負相關；地下水中Cd的檢出點在耕地和建設用地，Cd檢出濃度較低且與其余土地利用類型面積占比的相關性低。已有研究表明，水體懸浮物和水中沉積物對Cd表現出較強的富集能力，自然富集是Cd出現在自然介質中的主要原因[22]；封閉的地質構造和造山帶與河流等沉積環境相結合的水文地質條件將有利于研究區地下水中As的富集[30]。因此，可以認為F1是自然富集因素。F2中Pb具有很高的正因子載荷，研究區地下水中Pb在草地、耕地、林地、未利用土地中均有檢出點，其中Pb在耕地的檢出點最多，檢出濃度普遍高于其他土地利用類型，且與耕地面積占比顯著正相關，表明Pb受農業活動的影響較大。此外，研究區農業施肥偏重且主要使用磷肥和鉀肥[31]，已有研究表明磷肥的施用、污水灌溉、農藥是Pb污染的重要污染源[22]。所以，可以認為F2是農業活動因素。F3中苯并[a]芘具有很高的正因子載荷，研究區地下水中苯并[a]芘的檢出點分布在耕地、林地、建設用地及未利用土地，其中建設用地的檢出點多且整體檢出濃度明顯高于其他土地利用類型，其濃度與建設用地面積占比顯著正相關，與林地面積占比顯著負相關，表明苯并[a]芘受人類活動的影響較大。而工業活動、機動車尾氣排放、煤爐取暖、民用燃爐做飯、生活垃圾滲透液及焚燒是造成苯并[a]芘污染的主要因素[32]。因此，可以認為F3是人類生活因素。

5 結 論

本文使用綜合評分法來篩選阿克蘇地區地下水優先控制污染物，考慮了表征污染物健康風險狀況的各類風險指標得分，并結合污染物的潛在危害效應進行了量化計算，選取9項評價指標對阿克蘇地區地下水優先控制污染物進行了篩選，克服了采用單一方法篩選的局限性，并較為全面地考慮了多種因素。同時，本研究篩選出的阿克蘇地區地下水4種優先控制污染物均在中國優先控制污染物和美國EPA優先控制污染物名單中，說明該評價結果較為可靠。

本文運用潛在危害指數法并結合綜合評分法，對阿克蘇地區地下水優先控制污染物進行了篩選，結果表明：阿克蘇地區地下水優先控制污染物為苯并[a]芘、As、Pb、Cd，其中苯并[a]芘的污染主要由人類生活因素造成，As和Cd的污染主要由自然富集因素造成，Pb的污染主要由農業活動因素造成。本文的研究結果對于阿克蘇地區采取有針對性的地下水污染管控措施具有重要的意義，也可為制定地下水環境保護政策提供依據。