上海市地下水應急供水水質特征及變化

傅旭升

(上海市供水管理事務中心，上海 200081)

不合理開采、過量廢水排放、垃圾填埋和農耕污染等因素，正在嚴重威脅地下水水質安全。根據2020年《中國生態環境狀況公報》[1]，全國10 242個淺層地下水水質監測點中，按照《地下水質量標準》(GB/T 14848—2017)評價，I類～Ⅲ類水質監測點僅占22.7%，Ⅳ類占33.7%，V類占43.6%，地下水普遍存在錳、總硬度和溶解性總固體等超標問題。

上海作為全國經濟發展的龍頭，城市發展中地下水曾作為全市工農業的主要用水[2]，由于埋深淺、污水過量排放[3-4]，上海地下水水質已遭受一定程度的污染[5]，特別是部分工業區附近[6-7]。上海域內曾對地下水資源過度開發利用，引發地面沉降現象，嚴重制約經濟社會的可持續發展[8]。近30年來，上海市的用水格局發生變化，雖然以地表水為水源的自來水能保障城市供應，但目前承壓地下水，特別是第Ⅳ、第Ⅴ含水層地下水仍是上海市重要的應急水源[9]，需要在突發事件時向社會提供用水，提高城市韌性，保障城市供水安全。

2020年，上海市13個國家級地下水監測點中，水質為Ⅲ類、Ⅳ類、Ⅴ類的數量分別為6、5、2個，分別占46.1%、38.5%、15.4%。其中影響潛水綜合質量評價的指標主要為鐵、硫酸鹽和亞硝酸鹽，鐵在潛水中為高背景環境，硫酸鹽和亞硝酸鹽則可能受人類活動影響；影響承壓水綜合質量評價的指標主要為鐵和錳[10]。總體來說，上海地下水水質變化特征以及地下水作為生活飲用水的適宜性需要引起進一步關注。

本文選取2017年—2021年上海市地下開采井和回灌井兩類深井水質監測數據，涵蓋了日常在用井、民防應急供水井、自來水人工回灌井等具有應急供水功能的深井。通過單指標評價法和綜合評價法，分析了上海目前地下水水質特征和近5年水質變化趨勢，明確了影響上海市地下水水質的主要指標。對標《生活飲用水衛生標準》(GB 5749—2006)[11]，對地下水質量進行生活飲用水適宜性評價。研究結果對提高上海應急供水水質有一定支撐作用，能進一步保障供水安全。

1 數據與分析方法

1.1 檢測點深井信息

(1)監測范圍：地下水回灌井和部分開采井。基于實際管理情況逐年增加深井檢測數，2017年、2018年、2019年、2020年、2021年深井檢測數分別為48、69、86、83、103口。2021年的103口深井中包括49口開采井和54口回灌井，相關參數如表1和表2所示。

(2)監測參數：《地下水質量標準》(GB/T 14848—2017)[12]常規指標。

(3)深井類型與分布：開采井和回灌井如表1～表3和圖1所示。

注：由于中心區域點位較為密集接近，圖中部分點位存在重疊

表1 49口開采井參數

表2 54口回灌井參數

表3 各含水層深井檢測數量

1.2 現場采樣

水樣采集前1 d，聯系深井所在單位打開深井水泵進行排水，第2 d采樣前再打開水泵排水30 min以上，在充分抽汲后進行采樣，以保證水樣采自于目的含水層。

1.3 地下水質量評價

依據我國地下水質量狀況和對人體健康風險，參照生活飲用水、工業、農業等用水質量要求，依據各組分含量高低(pH除外)將水質分為5類。本文重點關注以應急供水為目標，適用于集中式生活飲用水水源及供農業用水的Ⅲ類標準。

本項目地下水質量評價參考《地下水質量標準》(GB/T 14848—2017)Ⅲ類限值，評價內容分為水質指標超標率評價、地下水水質特征因子評價、地下水質量綜合評價和生活飲用水適宜性評價。分析方法主要是方差分析。

(1)水質指標超標率評價

將樣品各指標實測值與GB/T 14848—2017 Ⅲ類限值進行對比，計算樣品中超標項目樣本數占總樣本數的比率，綜合分析指標累計超標分擔率[13]。

(2)地下水水質特征因子評價[13]

以水質指標累計超標分擔率超過90%為基準，評價地下水水質的主要特征因子。

(3)地下水質量綜合評價

以單指標評價結果最差的類別確定，并指出最差類別的指標。

(4)生活飲用水適宜性評價[14-15]

將樣品各指標實測值與GB/T 14848—2017 Ⅲ類限值進行對比，分析不同超標情況的樣本占比，并指出將超標指標降至Ⅲ類限值內的工藝。

(5)方差分析

采用SPSS 22.0進行單因素方差分析，顯著性差異標記原則：“ns”表示差異不顯著(P>0.05)，“*”表示差異顯著(P≤0.05)，“**”表示差異十分顯著(P≤0.01)，“***”表示差異極其顯著P≤0.001，“****”表示差異極度顯著(P≤0.000 1)。

2 結果與討論

2.1 地下水水質特征因子及變化規律

本研究對2017年—2021年中GB/T 14848—2017規定的39項常規指標進行分析。結果表明，pH值基本穩定在7.1～8.5，陰離子表面活性劑、亞硝酸鹽、硝酸鹽、氟化物、硒、鎘、鉛、三氯甲烷、甲苯、總α放射性和總β放射性檢出濃度均在國標限值的一半以下，銅、鋅、揮發性酚、硫化物、總大腸菌、氰化物、汞、六價鉻、四氯化碳和苯均未檢出或微檢出，上述水質指標檢測濃度低且無明顯變化規律。

表4為2017年—2021年地下水樣品中水質指標監測情況，以GB/T 14848—2017 Ⅲ類限值作為判斷標準，檢測值超過Ⅲ類限值則視為超標，計算超標分擔率和累計超標分擔率[13]。以累計超標分擔率超過90%的指標作為水質特征因子，結果表明影響上海市地下水水質的特征因子為肉眼可見物、渾濁度、錳、氨氮、鐵、砷、色度、耗氧量、鈉、菌落總數和氯化物11項指標。

表4 2017年—2021年地下水樣品水質指標監測結果

圖2為整個監測周期內水質特征因子的變化規律。由圖2(a)可知2017年—2021年的水質超標率情況，2018年地下水水質顯著優于整體水平。由圖2(b)可知，2021年水質特征因子中除錳和耗氧量外，其余水質特征因子超標率均有明顯上升，特別是肉眼可見物、渾濁度、氨氮、鐵、砷、色度和菌落總數，后續上海地下水管理應該重點關注這些指標，提高管理措施的針對性。

圖2 上海市地下水主要特征因子變化規律

2.2 地下水水質主要影響因素

為了探究地下水水質的影響因素，以水質指標超標率為評判標準，按照使用類型、所處層次和開采年份對深井進行分類，探究不同類型深井之間的水質差異。

2.2.1 深井使用類型

圖3為2017年—2021年不同使用類型深井水質超標率對比結果。在整個監測期間，回灌井水質超標率整體極其顯著低于開采井(P≤0.001),表明人工回灌可以起到改善地下水水質、保障應急水源可利用性的作用。建議在地下水管理工作中，制定科學合理的人工回灌計劃，進一步保障地下水水質。

圖3 2017年—2021年不同使用類型深井水質超標率

2.2.2 深井層次

以2018年水質超標率為參考，分析整個采樣期間不同層次深井水質超標率。總的來看，Ⅱ層和Ⅲ層的深井水質指標超標率要高于Ⅳ層和Ⅴ層。深井所處層次越深，水質受到地表污染影響的可能性越低，因此，水質超標率會下降。值得注意的是，圖4表明2019年—2021年，Ⅲ、Ⅳ層和Ⅴ層深井水質超標率相比2018年均有上升，2021年Ⅲ、Ⅳ層水質超標率已有極度顯著性差異(P≤0.000 1)。

圖4 不同層次深井水質指標超標率變化趨勢

2.2.3 鑿井年度

按照鑿井年度，將深井分為2000年以前、2000年—2010年和2010年以后3種類型，利用方差分析判斷不同類型深井間水質指標超標率差異。圖5表明這3種不同鑿井年度深井整體超標率無顯著性差異，鑿井年度對深井整體水質的影響有限。

圖5 不同鑿井年度深井水質指標超標率變化趨勢

2.3 生活飲用水適宜性評價

以GB/T 14848—2017 Ⅲ類限值作為參考，對2017年—2021年的檢測樣品進行單指標評價，樣品水質指標超標情況如表5所示。2017年—2020年30.42%的樣品無超標項，44.75%的樣品超標項目在3個以內，24.83%的樣品超標項目在3個及以上，2021年則變成了8.74%、19.42%和71.84%，表明檢測區域地下水作為生活飲用水水源的適宜性下降。

2017年—2021年主要水質特征因子數據統計結果如表6所示。結合表4可知，影響上海市地下水作為生活飲用水的適宜性的指標包括：肉眼可見物、渾濁度、錳、氨氮、鐵、砷、色度、耗氧量、鈉、菌落總數和氯化物。這些指標中，砷是毒性指標，菌落總數是微生物指標可以通過燒沸去除，其他均是感官和一般性狀指標，因此，絕大部分地下水進行簡單處理后可保障供水安全。

3 結論及建議

3.1 結論

(1)影響上海市地下水水質的特征因子為肉眼可見物、渾濁度、錳、氨氮、鐵、砷、色度、耗氧量、鈉、菌落總數和氯化物11項指標。

(2)使用類型和所處層次對地下水水質有顯著影響。回灌井水質超標率整體顯著低于開采井(P≤0.001)，Ⅳ層和Ⅴ層深井的水質指標超標率要低于Ⅱ層和Ⅲ層，而鑿井年份對地下水水質影響不顯著。

(3)應急狀態下，絕大部分深層地下水經簡單處理可以滿足應生活飲用水水質要求。

3.2 建議

(1)從特征因子超標率(表4和圖2)、水質指標超標情況(表5)和數據統計結果(表6)可以看出，2021年檢測區域地下水水質整體有明顯下降，需要引起重視并加強地下水管理措施，如定期進行設備設施維護和定頻回揚、排查深井污染源和持續進行水質監測。

表5 2017年—2021年深井監測點水質指標超標結果

表6 2017年—2021年主要水質特征因子數據統計

(2)考慮到人工回灌對地下水水質的積極作用，建議在地下水管理工作中，制定科學合理的人工回灌計劃，確保水質應急狀態下用得上、用得好。

(3)2021年個別站點出現了地下水水質異常情況(氯化物質量濃度為4 830 mg/L或鈉質量濃度為1 530 mg/L)，需要進行持續水質監測，同時還需要進行周邊環境排查，盡早確認水質異常原因并采取必要的處置和治理，保障地下水安全。

(4)本研究檢測點雖在應急供水設施管理監督上有一定的代表性，但在全市深層地下水監測工作中還需進一步健全和完善地下水監測網，實現深井全覆蓋檢測，建立完整的地下水水質預報、預警體系，為本市地下水的科學管理和合理利用提供參考依據。