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Ｉa(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。

1 研究區(qū)概況

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。

2 樣品采集與測試

2.1 樣品采集

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。

2.2 指標測試

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

3 結(jié)果與討論

3.1 重金屬含量特征

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%。

3.2 重金屬污染評價

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。

4 結(jié)語

(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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