王思維,林曼利,王 曜,謝 哲
(1.宿州學(xué)院 環(huán)境與測繪工程學(xué)院,安徽 宿州234000;2.宿州學(xué)院 資源與土木工程學(xué)院,安徽 宿州234000)
地下水因其水質(zhì)優(yōu)良,分布廣泛,水質(zhì)更新速度快,開采工作簡單易行,已成為人們?nèi)粘Ia(chǎn)生活青睞的水源地之一。世界上約三分之一的人口是以地下水作為飲用水源的[1],特別是在農(nóng)業(yè)灌溉中約 80% 的水取自地下[2]。但近年來地下水面臨水質(zhì)污染和超采雙重問題,主要原因包括農(nóng)業(yè)的集約化,化肥農(nóng)藥的不合理使用,城鎮(zhèn)化的不斷推進過程中欠佳的基礎(chǔ)設(shè)施和含水層水量超采等[3-4]。在中國,61% 的城市以地下水作為飲用水源,在多種污染源作用下,我國淺層地下水污染嚴重且污染速度快[5]。目前我國地下水污染十分嚴重,點源污染不斷增加,非點源污染日漸突出,水污染加劇的態(tài)勢尚未得到有效遏制[6]。據(jù)環(huán)保部門調(diào)查統(tǒng)計,我國已有118個大中型城市地下水受到了污染,有近3.6億的農(nóng)村人口無法喝到健康的符合標準的飲用水[7]。水質(zhì)型缺水已嚴重阻礙了社會經(jīng)濟的發(fā)展,威脅到了人類的身體健康。對于采煤礦區(qū)來說,煤炭開采活動不僅會對地下水流動產(chǎn)生干擾,也會對其水質(zhì)產(chǎn)生一定的影響[8-11]。同時由于煤礦企業(yè)大多分布在近郊和偏遠農(nóng)村地區(qū),而地下水恰恰又是這些地區(qū)居民的直接飲用水水源。因此,地下水水質(zhì)對采煤礦區(qū)居民的身體健康至關(guān)重要,應(yīng)予以高度關(guān)注。從研究現(xiàn)狀來看,針對地下水的研究,目前主要集中于以地下水為飲用水源的城市地區(qū)的水質(zhì)分析與評價[12-14],而對農(nóng)村地下水水質(zhì)開展研究的較少[15-16]。本文在對安徽北部農(nóng)村地區(qū)地下水中 Cd,Cr,Cu,Zn,Pb,Ni和 Mn 七種重金屬含量特征進行分析的基礎(chǔ)上,利用修正的內(nèi)梅羅指數(shù)法對水質(zhì)進行了評價,以期為研究區(qū)水資源規(guī)劃管理和農(nóng)村居民用水水源地的選擇提供參考。
皖北地區(qū)地處淮河及其以北地區(qū),位于E114°55'~118°10',N32°25'~ 34°35'之間,為黃淮海平原南端。北部臨山東、江蘇、河南三省,地轄淮南,蚌埠,阜陽,亳州,宿州,淮北六個地級市,區(qū)域總面積為64 154 km2,國土面積約占安徽省總量的1/3,人口3 100萬,約占安徽省的1/2[17],其中農(nóng)村人口約為1 900萬[18]。區(qū)域內(nèi)主要為暖溫帶季風(fēng)氣候,大部分地區(qū)年降水量小于800 mm,氣候較為干旱。本區(qū)域內(nèi)煤炭資源豐富,煤種齊全,全省含煤面積1.8萬 km2,占全省總面積的13%。區(qū)域內(nèi)有淮南礦業(yè)、淮北礦業(yè)、國投新集和皖北煤電等安徽四大煤炭企業(yè),主要重工業(yè)為煤炭的開采及其相關(guān)產(chǎn)業(yè),是我國重要的煤炭生產(chǎn)和發(fā)電基地之一。
本次研究共采集26個農(nóng)村地下水樣品,采樣時間集中安排在2013年5月。采樣方法為隨機采樣,一般從壓水井直接取樣,采樣深度在15~200 m之間,采樣點的分布如圖1所示。取樣時先抽洗5 min,之后用聚乙烯塑料瓶潤洗3次,采樣容量為1 000 ml,裝滿密封后,于24 h內(nèi)帶回實驗室進行處理。
水樣的T、pH、總?cè)芙庑怨腆w(TDS)和電導(dǎo)率(Ec)在各采樣點現(xiàn)場測試,其中pH由便攜式pH計 (Bante220型)測定,T、TDS和Ec由水質(zhì)檢測筆(HM,COM-100)測定。樣品帶回實驗室后,經(jīng)0.45μm孔徑濾膜過濾,加入優(yōu)級純HNO3調(diào)pH≤2,處理后的樣品儲存于4℃冷藏備用。重金屬采用原子吸收分光光度計(普析,TAS-990FG)測定,其中Mn、Zn和Ni采用火焰法,Cd、Cr、Cu和Pb采用石墨爐法,定量方法采用外標法。
圖1 安徽北部地區(qū)農(nóng)村地下水采樣點分布圖
經(jīng)過檢測,各采樣點的重金屬含量實測數(shù)據(jù)分析結(jié)果列于表1。
表1 重金屬含量測試數(shù)據(jù)分析 mg/L
由表1可知,研究區(qū)地下水中Mn的含量范圍為:0.001 0~0.248 0 mg/L,Zn的含量范圍為:0.002 6 ~1.089 2 mg/L,Cu的含量范圍為:0~0.020 8 mg/L,Pb的含量范圍為:0.000 9~0.014 7 mg/L,Cd的含量為:0 ~0.002 9 mg/L,Ni的含量范圍為:0.000 6 ~0.116 8 mg/L,Cr的含量為:0.000 1~0.008 7 mg/L。七種檢測指標含量均值大小為:Zn>Mn>Ni>Cu>Pb>Cr >Cd。劉進[19]于 2008-2009年在淮北平原采集了151個淺層地下水水樣,并對其進行重金屬含量測定,其結(jié)果表明重金屬均值大小順序為Zn>Mn>Cu>Pb>Ni>Cd,除Ni的含量大小與本研究有一定差異外,其他含量特征與本文研究結(jié)果一致;林曼利等[20]于2012年在皖北四個礦區(qū)采集了59個水樣,進行重金屬的測定,結(jié)果表明,重金屬均值大小順序為Zn>Ni>Pb>Cu>Cr>Cd,除 Pb和Cu的含量大小存在一定的差異,其他含量與本文研究結(jié)果一致。結(jié)合前人的研究成果可以得出,安徽北部地下水中,Zn、Mn和Ni的含量一般較大,而Cr和Cd的均值則相對較小。
所測樣品中Mn最大濃度為0.248 0 mg/L,是《生活飲用水衛(wèi)生標準》GB5749-2006中Ⅲ類水質(zhì)標準值(0.1 mg/L)的2.48倍。許光泉等[21]于2008年對安徽淮北平原淺層地下水水質(zhì)特征進行了分析研究,結(jié)果表明淺層地下水中Mn含量為0.01~1.05 mg/L,最大含量超出 GB5749-2006中Ⅲ類水質(zhì)標準值的10倍;周鍇鍔等[22]在2013年對淮河流域平原區(qū)淺層地下水Mn的分析研究中表明埋深0~50 m地下水中,重金屬 Mn的含量為 0.1~1.94 mg/L,最大含量是GB5749-2006中Ⅲ類水質(zhì)標準值0.1 mg/L的19.4倍。綜合對比,本文研究結(jié)果與前人研究結(jié)論基本一致。水中Ni最大濃度值為0.116 8 mg/L,是生活飲用水標準值的5.84倍,超標含量較高。劉進[19]研究表明淮北平原地下水中Ni的最大濃度為0.050 5 mg/L,是生活飲用水標準值的2.5倍,也與本文研究結(jié)果一致。Zn最大濃度為1.089 2 mg/L,是生活飲用水標準值的1.089 2倍;Pb最大濃度為0.014 7 mg/L,是生活飲用水標準值的1.47倍;Cu、Cd和Cr的最大濃度分別為 0.020 8 mg/L、0.002 9 mg/L 和 0.008 7 mg/L。通過對比可以得出,研究區(qū)地下水中Mn和Ni的濃度高,超標量較大,Zn和Pb超標量相對較小,而Cu、Cd和Cr則均未超標。
在七種檢測指標中,Mn、Zn和 Ni三種重金屬標準差較大,表明三種重金屬物質(zhì)的離散程度比較大,說明可能受到了點源的擾動;而 Cu、Pb、Cd、Cr四種重金屬物質(zhì)標準差較小,表明四種金屬物質(zhì)的離散程度較小,差異不大,說明可能主要源自自然環(huán)境賦存或者受到了面源擾動[23-24]。在七種檢測指標中,Ni、Mn、Zn和Pb四種重金屬都有在不同的采樣點中的含量超過了標準值,超標率分別為15.39%、11.54%、3.85%和3.85%,而Cu、Cd和Cr三種重金屬超標率均為0。桂和榮等[25]于2002年對淮南市淺層地下水中的重金屬進行分析研究,其結(jié)果表明 Cu,Zn,Pb,Hg,Cr和 Cd六種重金屬中僅Pb超標,超標率為1.33%,與本次研究所得出的 Cu,Cd,Cr超標率為0和Pb的超標率為3.85%的結(jié)論比較一致,說明安徽北部地區(qū)已經(jīng)有了部分地區(qū)開始出現(xiàn)Pb污染的狀況。Mn和 Ni超標率較高,超標率分別為 11.54%和15.39%。何曉文等[26]于2011年對淮南礦區(qū)淺層地下水開展了水質(zhì)分析與評價研究,結(jié)果表明Mn和Ni也有超標現(xiàn)象,其中二者超標率分別為46.92%和3.85%。針對安徽北部農(nóng)村地下水,26個采樣點中共有5個采樣點檢測出重金屬含量超出標準值,總體超標率為19.23%。
在本次研究,主要考慮的是地下水是否可以作為農(nóng)村居民直接飲用水水源,因此在進行農(nóng)村地下水重金屬水質(zhì)評價時,選用《生活飲用水衛(wèi)生標準》GB5749-2006Ⅲ類水質(zhì)標準作為本次水質(zhì)評價的標準。在水質(zhì)評價中,評價方法有很多,通常根據(jù)不同的評價指標和評價因子的數(shù)量等因素來確定具體的評價方法。就總體而言,在水質(zhì)評價中常用的評價方法主要有單因子指數(shù)法,模糊綜合法,內(nèi)梅羅指數(shù)法及修正后的內(nèi)梅羅指數(shù)法等。其中,單因子指數(shù)法能夠直觀清晰的反映出影響水質(zhì)的污染因子,同時可以對單個獨立指標進行靈活的評價,但是評價等級會受到高濃度指標對的影響,從而無法良好地對研究區(qū)的水質(zhì)進行綜合評判,故在水質(zhì)評價中存在一定的缺陷[27]。模糊綜合法通過構(gòu)造合適的隸屬函數(shù),通過數(shù)學(xué)運算的方法來反映水質(zhì)界限的模糊性,更能夠客觀地反映水質(zhì)的真實性和污染狀況,但構(gòu)造隸屬函數(shù)和權(quán)重矩陣時,方法難以構(gòu)造,數(shù)學(xué)計算量大且繁瑣[28]。內(nèi)梅羅指數(shù)法是一種突出最大值的計權(quán)型多因子環(huán)境質(zhì)量指數(shù)法,考慮了污染較為嚴重的因子,又在數(shù)學(xué)加權(quán)計算的運算過程中避免了人為主觀因素對權(quán)重系數(shù)的影響,是一種應(yīng)用廣泛的水質(zhì)評價方法[29]。本文在對研究區(qū)的水質(zhì)評價中,采用了應(yīng)用廣泛的內(nèi)梅羅指數(shù)評價方法。為了在計算過程中避免傳統(tǒng)的內(nèi)梅羅指數(shù)法中過大污染因子和各污染因子對人體危害不同的權(quán)重對水質(zhì)評價的影響,故采用了修正后的內(nèi)梅羅指數(shù)法對研究區(qū)展開水質(zhì)評價。
傳統(tǒng)內(nèi)梅羅指數(shù)的計算方法如下所示:
式(1)和式(2)中:Lij表示實測濃度與標準濃度之比;Ci表示第i種污染物的實測濃度,mg/L;Coi表示第i種污染物第j種評價等級標準,mg/L;Cimax表示多種污染物因子中的最大濃度,mg/L;C平均為多種污染物因子的平均濃度,mg/L;p'為內(nèi)梅羅指數(shù)。
修正的內(nèi)梅羅指數(shù)計算公式主要包括污染因子權(quán)重值的計算,加權(quán)平均的計算和修正后的內(nèi)梅羅指數(shù)計算,其計算公式分別見式(3)、式(4)和式(5)。在計算過程中,首先根據(jù)研究區(qū)地下水的用途判斷地下水的質(zhì)量標準等級,將污染物因子的排放標準值Ii按從大到小的順序進行排列,將Iimax與Ii的比值作為第i種污染物在評價方法中的相關(guān)性比值。式(3)~式(5)中,Wi為第 i種污染因子的權(quán)重值,Iimax為污染因子中的最大值,Ii為污染因子中的標準值,n表示污染因子個數(shù),P表示修正后的內(nèi)梅羅指數(shù)。其計算方法[30-33]如下:
本文評價指標選用《生活飲用水衛(wèi)生標準》GB5749-2006中Ⅲ類水質(zhì)標準為基礎(chǔ)劃分污染等級,利用上式,計算得出修正后的內(nèi)梅羅指數(shù)的地下水評價分級標準見表2。
表2 地下水評價分級標準
根據(jù)實驗檢測數(shù)據(jù)、水質(zhì)等級標準和評價模型計算得到的結(jié)果(Lij,Wi,Cimax,C加權(quán)平均和 P)列于表 3。
由表3可知,通過Lij值發(fā)現(xiàn),研究區(qū)內(nèi)的采樣點中S1、S2、S3、S6和S10等五地檢測出了單項重金屬指標超出飲用水Ⅲ類水衛(wèi)生標準,分別是 Mn、Zn、Pb和Ni四中重金屬元素,尚未對地下水綜合水質(zhì)造成影響,其中以重金屬Mn,Ni和Pb表現(xiàn)較為明顯,如S6中重金屬Mn實測濃度是標準值的2.48倍,S2中重金屬 Ni實測濃度是標準值的3.43倍,S10中重金屬Pb實測濃度是標準值的1.47倍。采樣點S15的 P=0.771 9,在0.739<P≤1之間,說明該地區(qū)地下水水質(zhì)已經(jīng)受到了重金屬的輕度污染,地下水可能已經(jīng)不可以再直接作為飲用水水源。研究區(qū)內(nèi)其他25個地下水采樣點的P均小于0.624,水質(zhì)狀況為清潔,地下水水質(zhì)總體未出現(xiàn)重金屬污染,尚且可以繼續(xù)直接作為飲用水水源,但研究區(qū)水質(zhì)問題應(yīng)予以重視。
(1)與《生活飲用水衛(wèi)生標準》Ⅲ類水質(zhì)標準值相比,安徽北部農(nóng)村地區(qū)地下水重金屬元素中,Mn,Zn,Ni和 Pb四種重金屬出現(xiàn)超標現(xiàn)象,超標率分別為 11.54%、3.85%、3.85%和15.39,而Cu、Cd和Cr三種重金屬均未超標。
(2)根據(jù)水質(zhì)評價結(jié)果,研究區(qū)大部分農(nóng)村地下水水質(zhì)較好,可直接作為居民生活飲用水水源,但個別采樣點地下水水質(zhì)已受到了重金屬的影響,采樣點S15(皖阜陽市潁上縣雙集)的內(nèi)梅羅污染指數(shù)P=0.771 0,水質(zhì)評價結(jié)果為輕度污染。
(3)地下水水質(zhì)事關(guān)廣大農(nóng)村居民飲水健康,有關(guān)部門應(yīng)合理規(guī)劃農(nóng)村飲用水工程建設(shè),建立健全地下水動態(tài)監(jiān)測體系,嚴格管理鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)排污,保證農(nóng)村居民飲用水水質(zhì)安全。
表3 修正的內(nèi)梅羅指數(shù)計算結(jié)果
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