2019, Vol. 39
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地下水资源作为地球内部物质循环和能量交换的重要载体，是地球表层系统中最活跃的组成因子和生态系统中最重要的环境要素之一, 对于人类而言, 地下水具有供水功能和生态功能(徐亚等, 2015; Mohd Ariffin et al., 2016; Atanackovi et al., 2016; Souid et al., 2017; Alfatlawi et al., 2018).中国是一个水资源非常丰富的国家, 但由于人口数量多, 因此人均拥有水资源相当于世界人均占有量的1/4, 地表水资源量占总水量的2/3, 为1.9万亿m3, 而仅占地下水资源总水量的1/3保持着农田灌溉、工业用水和居民饮水(周红颖, 2017; 贾忠华等, 2018).近几十年来, 工业化和城市化进程带来了全球地下水质量下降和水质恶化的问题, 引起了各国政府和公众的广泛关注.由此可见, 在我国社会经济快速发展的过程中, 合理开发和保护地下水资源起着至关重要的作用(朱彦臣等, 2015; Qadir, 2016; 李晓卫, 2017).
由于黑龙江省位于中国东北地区, 土地面积为45.4×104 km2, 占全国总面积的4.7%, 位于三江平原, 是中国重要的粮食产地.黑龙江省地下水资源丰富, 主要用于城乡供水和农业灌溉, 占总供水量的21.72%, 对维护黑龙江省经济社会健康发展起着不可替代的作用.国内外研究者对岩溶地下水、矿区地下水等进行了大量研究, 例如王亚维等(2019)对卡斯特地区地下水进行水质评价, 结果显示岩溶泉雨季水质属于Ⅰ类, 枯季水质属于Ⅳ类.李红叶等(2019)将贝叶斯理论引入地下水水质评价体系.而对城市水源地研究较少, 因此本文对绥化市第一水源地下水污染特征进行分析, 综合评价地下水水质和污染程度, 以期为城市水源地地下水污染治理提供参考依据.
2 材料与方法(Materials and methods) 2.1 研究区概况绥化市位于松嫩平原东部, 是小兴安岭豫麦和松嫩平原的接地带.东北部地势较高, 西南部地势较低, 即从低丘和高原到河谷平原的过渡.地质构造相对简单，主要由NE和NW方向的两个断层构造组成.根据现场调研、访问黑龙江省水利勘测院、904地质勘测队及绥化市水利局提供的绥化市水文地质资料, 划定绥化市第一水源地补给区为上游呼兰河补给区及一水源周围环状等水位线区域, 位于城区北部, 北辰路、中直路东北侧, 面积为177 km2(图 1).地下水系统属于松嫩平原东部, 第四纪中更新世孔隙承压水盆地.白垩纪碎屑岩构成该地区第四纪含水层的保水层.微裂缝孔隙潜水局部发生在高原平原顶部哈尔滨组黄土状粉质粘土层中.绥化压水盆地的地下水流由东北地区向西南流出, 最后排入呼兰河和松花江.随着地势的降低, 地下水位从200 m降到120 m.地下水位埋藏深度, 水头高度, 水力梯度等因地形和基质波动而异.
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| 图 1 研究区位置及采样点 Fig. 1 Location and sampling points in the study area |
于2018年10月13日采用贝勒管方法在补给区范围内选取可用民井、企业自备井10口, 第一水源地取水井1口进行样品采集, 井深70 m, 目前的进水量可达到3万m3 · d-1, 处理过程使用曝气曝气和双虹吸过滤去除铁和锰.同时, 根据国家技术规范的要求, 建成了两口新的环境监测井.新建监测井拟选择PVC管材, 井管内径100 cm, 井深选择低于近十年历史最低水位面5 m, 滤水管的长度至少比多年平均最低水位低1 m, 水面预留5 m.地下水监测井如图 1所示.
2.3 主成分分析法利用SPSS 21.0软件采用具有varimax旋转的PCA进行数据处理(Wu et al., 2014), 本研究仅采用特征值大于1的主要因子.
2.4 地下水污染评价方法地下水污染现状评价采用污染指数Pki法(式(1))进行地下水污染评价, 参照《指南》.污染指标分级标准见表 1.
| 表 1 污染指标分级标准 Table 1 Classification criteria of pollution indicators |
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(1) |
式中, Pki为k水样的第i项污染指数, 无量纲; Cki为待评价指标的实测浓度值(mg · L-1); C0为待评价指标的背景值(mg · L-1); CⅢ为待评价因子的标准值。
3 结果与讨论(Results and discussion) 3.1 水源地地下水污染特征空间分布由图 2可知, 硫酸盐浓度高值区出现在X1垃圾填埋场, 为7.92 mg · L-1, 最低值出现在B2黑龙江天农食品有限公司, 为6.34 mg · L-1.氯化物浓度变化范围较小, 为7.45~7.95 mg · L-1, 最高值出现在垃圾填埋场.溶解性总固体和总硬度高值区同样出现在垃圾填埋场, 分别是最低值的1.52倍和1.43倍.铁和锰高值区均出现在第一水源地.高锰酸盐指数出现在太平岗, 硝酸盐高值区出现在兴发村.氨氮、氟化物和磷酸盐高值区均出现在垃圾填埋场, 分别为1.43、0.58和0.17 mg · L-1.砷在13个井位的浓度均为0.002 mg · L-1.
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| 图 2 绥化市第一水源地污染空间分布图 Fig. 2 Spatial distribution map of pollution in the first water source area of Suihua City |
绥化市第一水源地取水井地下水超标因子为铁(2.06倍)、锰(2.3倍)、氨氮(0.9倍), 第一水源地补给区内其他取水井监测指标中铁、锰、氨氮、溶解性总固体和总硬度超标.铁在所有监测井的监测结果都显示为Ⅳ类; 锰在第一水源地取水井的浓度值最高, 监测结果显示为Ⅴ类, 其余所有监测井均为Ⅳ类; 氨氮在E和X1监测井的浓度值最高, 监测结果显示为Ⅴ类, 其余所有监测井均为Ⅳ类; 部分监测井溶解性总固体、总硬度监测结果为Ⅴ类.硫酸盐、氯化物、溶解性总固体、总硬度、氟化物和磷酸盐浓度高值区均出现在X1, 由于X1位于垃圾填埋场附近, 垃圾填埋后释放的气体中含有挥发性有机物, 进入地下水后打破原来水CO2的平衡压力, 促进CaCO3的溶解, 引起地下水硬度升高, 导致地下水污染.高锰酸盐指数和氨氮的高值区出现在E, E位于太平岗村屯地下水井; 硝酸盐高值区出现在B8, B8位于兴发村屯地下水井.由于绥化市是农业和畜牧业发展大市, 农田施肥、畜禽污水或农村散排生活污水中氮素进入土壤后, 在微生物作用下, NH4-N通过硝化作用转化成易被作物吸收的NO3-N, 因土壤胶体对NO3-吸附甚微, 而且NO3-极易溶于水, 易随雨水或灌溉淋溶进入地下水, 导致地下水中硝态氮、氨氮含量超标.
3.2 水源地地下水主要污染物分析将检测出的12种污染物通过主成分分析及旋转成分矩阵提取出影响绥化市城区地下水水质的3个主要因子(图 3), 累计为全部变量的80.869%.第一个主成分方差贡献率是53.554%, 密切相关的是硫酸盐、氯化物、溶解性总固体、总硬度、硝酸盐、氨氮、砷和高锰酸盐指数, 说明第一主成分反映了地下水主要受到含氮、硫酸盐和氯化物的污染.第二个主成分密切相关的污染物为铁、锰和磷酸盐.第三个主成分在总氰化物和氟化物方面有很高的正载荷.因第一主成分贡献率远高于第二、三主成分, 所以绥化市地下水水质主要受第一主成分的影响.因此本文选取主要污染物硫酸盐、氯化物、溶解性总固体、总硬度、硝酸盐、氨氮、砷和高锰酸盐指数作为之后的主要评价指标.
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| 图 3 主成分载荷图 Fig. 3 Principal component load map |
评价指标:根据主成分分析结果, 确定地下水污染主要指标为硫酸盐、氯化物、溶解性总固体、总硬度、硝酸盐、氨氮、砷和高锰酸盐.因此对以上8个指标进行污染现状评价.评价基准:使用地下水对照值, 结合2007年“黑龙江省地下水污染现状调查报告”, 黑龙江省地质环境监测站基于20世纪50—60年代松嫩平原地区水文地质调查的钻井水质分析数据和20世纪80年代初的研究成果, 参考“绥化市地下水化学特征及水质状况评价”, 最后确定该评价指标的背景值, 如表 2所示.
| 表 2 水质各指标背景值 Table 2 Background values of water quality indicators |
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污染指标分级结果如表 3所示, 硫酸盐、氯化物、硝酸盐氮和砷4种污染物污染级别为Ⅰ, 表明未受到污染; 总硬度在B1、B1、B4、B5、B10、B11、X2和Y的污染级别为Ⅱ, 为轻度污染, 其他井位为中度污染; 高锰酸盐指数在B7、B8、B9、E和X1为轻度污染, 其他井位未受到污染.溶解性总固体在B7、B8、B9、E和X1为较重度污染, 其他井位为中度污染.氨氮在B5、B7、B8、B9、E、X1和X2为极重度污染, 其他为严重污染.综合来看，污染指标主要为溶解性总固体和氨氮, 分别为中污染和极重污染.主要集中在B5、B7、B8、B9、E和X1.
| 表 3 绥化第一水源地及补给区地下水污染现状评级结果 Table 3 Rating results of groundwater pollution in the first water source area and recharge area of Suihua |
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污染指标分级空间分布如图 4所示, 溶解性总固体、硫酸盐、氯化物和总硬度空间分布呈相似趋势, 高值区均出现在E、X1、B7、B8和B9.氨氮高值区出现在X1, 这可能与该处为垃圾填埋场有关.高锰酸盐指数高值区出现在E, 硝酸盐氮高值区出现在B8, 砷浓度的空间分布没有变化.研究区内氨氮污染为严重污染和极重污染, 溶解性总固体为中度污染和较重污染, 硫酸盐、氯化物、硝酸盐氮和砷为未污染, 总硬度为轻度到中度污染, 高锰酸盐指数为轻度污染.研究区历年监测水质中铁、锰均超出《地下水质量标准》(GB/T 14848-93) Ⅲ类标准限值, 是由于地质环境导致的天然不良水质.研究区位于松嫩平原中西部, 地下水中铁、锰广泛分布，主要源于岩石中含铁硅酸盐，或含锰矿物的溶解.岩石、土壤中的天然放射性核素可形成各种水溶物, 被流水带到各种水源中.绥化水源地及补给区氨氮和硝酸盐氮的检出, 主要潜在污染源为农田和多处分散养殖场畜禽粪便散排等面源.北林区周边农村生活污水散排可能影响到地下水的总硬度和溶解性总固体的升高.
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| 图 4 污染指标分级空间分布 Fig. 4 Distribution of pollution indicators |
1) 绥化市第一水源地取水井主要超标因子为铁、锰、氨氮, 第一水源地补给区内其他取水井监测指标中铁、锰、氨氮、溶解性总固体和总硬度超标.硫酸盐、氯化物、溶解性总固体、总硬度、氟化物和磷酸盐浓度高值区均出现在垃圾填埋场, 高锰酸盐指数和氨氮的高值区出现在太平岗村屯地下水井, 硝酸盐高值区出现在兴发村屯地下水井.
2) 通过主成分分析及旋转成分矩阵来提取出影响绥化市城区地下水水质的3个主要因子, 累计为全部变量的80.869%.第一主成分相关的污染物有硫酸盐、氯化物、溶解性总固体、总硬度、硝酸盐、氨氮、砷和高锰酸盐指数.
3) 地下水污染评价结果显示污染指标主要为溶解性总固体和氨氮, 分别为中污染和极重污染, 主要集中有B5、B7、B8、B9、E和X1.溶解性总固体、硫酸盐、氯化物和总硬度空间分布呈相似趋势, 高值区均出现在E、X1、B7、B8和B9.氨氮高值区出现在X1, 这可能与该处为垃圾填埋场有关.高锰酸盐指数高值区出现在E, 硝酸盐氮高值区出现在B8, 砷浓度的空间分布没有变化.地下水污染主要与两个方面因素有关:一是地质环境导致的天然不良水质; 二是各类污染源.
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