毛龍富，劉 宏，陳瑞永，楊麗瑞，黎子謙，劉 宇

（1.云南大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，昆明650091；2.云南大學(xué)國(guó)際喀斯特聯(lián)合研究中心，昆明650223）

水問(wèn)題是當(dāng)今世界最嚴(yán)峻的問(wèn)題之一，中國(guó)農(nóng)村飲用水安全問(wèn)題仍舊很嚴(yán)重［1］。特殊的喀斯特地表——地下二元地質(zhì)結(jié)構(gòu)［2］，加之復(fù)雜的氣候控制下，喀斯特地區(qū)地表水資源匱乏、季節(jié)性干旱缺水嚴(yán)重［3］、靠雨水補(bǔ)給，家庭集雨水窖是解決喀斯特農(nóng)村地區(qū)人畜飲水的主要途徑。但長(zhǎng)期受人類活動(dòng)的不良影響，水質(zhì)問(wèn)題成為了困擾集雨飲用水安全的瓶頸［4］，包括水理化［5］、微生物［6］、病毒［7］等水質(zhì)超標(biāo)污染；加之農(nóng)村水安全意識(shí)薄弱，對(duì)農(nóng)村集雨家庭水窖的研究具有不可須臾的價(jià)值。

目前，雨水集蓄工程是國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)，在美國(guó)、以色列、德國(guó)、澳大利亞等發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)應(yīng)用成熟［8］，東南亞、南亞、中東和非洲等欠發(fā)達(dá)地區(qū)逐步普及；在中國(guó)西北黃土丘陵區(qū)、華北缺水山丘區(qū)、西南喀斯特山區(qū)等地區(qū)集雨水窖的應(yīng)用較為廣泛，人口約2.6億［9］。一般采用單項(xiàng)指標(biāo)評(píng)價(jià)法、綜合指標(biāo)法、主成分分析法、灰色聚類、灰色關(guān)聯(lián)度法、模糊數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)法、層次分析法、集對(duì)分析法等分析評(píng)價(jià)人畜飲用水質(zhì)量［10］。例如，趙文君等［11］采用單項(xiàng)指標(biāo)評(píng)價(jià)法、武金慧等［12］采用改進(jìn)的水質(zhì)指數(shù)法、張國(guó)珍等［13］采用主成分分析法對(duì)西北干旱區(qū)集雨窖水質(zhì)量進(jìn)行了評(píng)價(jià)。結(jié)合主成分分析和聚類分析［14］、自組織映射（SOM）算法［15］、Spearman 秩相關(guān)系數(shù)法［16］、方差分析（ANO‐VA）［17］等方法揭示集雨窖水質(zhì)量特征及其變化規(guī)律，窖水質(zhì)量受控于內(nèi)外環(huán)境因素［18］，與降雨、窖壁材料、屋頂集流面等有關(guān)［19］。

近年來(lái)，隨著全球氣候變暖，頻繁出現(xiàn)極端天氣、氣候事件；在中國(guó)，尤其是云南喀斯特地區(qū)暖干化、旱災(zāi)頻發(fā)［20］，喀斯特分水嶺地區(qū)飲用水安全問(wèn)題令人堪憂，迄今為止，喀斯特區(qū)家庭窖水質(zhì)量評(píng)價(jià)研究不足。由此，本研究基于監(jiān)測(cè)滇東南喀斯特山區(qū)不同家庭背景的7 口典型家庭飲用窖水及1 口公共集雨大水池水水質(zhì)參數(shù)，結(jié)合運(yùn)用單項(xiàng)指數(shù)法與綜合指數(shù)法等方法，旨在探討喀斯特山區(qū)飲用窖水質(zhì)量狀況，對(duì)認(rèn)識(shí)和保障廣大的喀斯特山區(qū)農(nóng)村飲用水資源安全具有深遠(yuǎn)的意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于滇東南典型喀斯特分水嶺區(qū)，即紅河州瀘西縣三塘鄉(xiāng)境內(nèi)，介于103°30′～104°04′E，24°15′～24°45′N 之間，平均海拔為2 310 m。屬亞熱帶低緯高原季風(fēng)氣候區(qū)，受青藏高原和印度季風(fēng)、東亞季風(fēng)的多重影響，年際年內(nèi)降水變化大，年均降雨量為910.30 mm，年均氣溫12 ℃；干、濕季顯著分明，雨季（5-10月）占年降水量的84.15%，是干季（11-次年4月）的4 倍。通常6-11月為豐水期，12-次年4月為枯水期，4月末-6月初和11月末-次年1月初為過(guò)渡期。該地區(qū)是典型喀斯特石漠化生態(tài)脆弱區(qū)，土層淺薄，地表保水力極差、地下水埋藏深，難以取用，水資源十分匱乏，人均用水量遠(yuǎn)低于云南省農(nóng)村用水標(biāo)準(zhǔn)水平［21］。埋藏型水窖是該區(qū)域主要的人畜飲用水源，水窖應(yīng)用率達(dá)99%以上；還有2 個(gè)容量約1 500 m3、3 000 m3公共集雨水池，常年均有水，主要用于建筑、農(nóng)業(yè)、消防等，在極端干旱年備用作人畜飲用水水源。該地區(qū)居民長(zhǎng)期以窖水為生活飲用水，近年來(lái)，人民生活水平日益改善，對(duì)水質(zhì)要求進(jìn)一步提高，迫在了解當(dāng)前的窖水水質(zhì)情況和盼求健康的水窖飲用水。

1.2 樣品采集與監(jiān)測(cè)

在2018-09-28（豐水期，小雨）和2019-01-06（豐水期→枯水期過(guò)渡期，晴）、2019-04-24（枯水期，晴）、2019-05-23（枯水期→豐水期過(guò)渡期，中雨）。選取瀘西縣境內(nèi)典型喀斯特分水嶺山區(qū)三塘鄉(xiāng)7 口具有典型代表性的家庭飲用水窖及1 口公共集水池，進(jìn)行4 次物理、化學(xué)、微生物等水質(zhì)參數(shù)監(jiān)測(cè)。所抽選的水窖代表有3 種類型，第一種是家中圈養(yǎng)牲畜的水窖（1 號(hào)、2號(hào)、3 號(hào)），其中1 號(hào)、2 號(hào)均來(lái)自一戶經(jīng)濟(jì)較好家庭，3 號(hào)所處家庭條件較差；第二種是家中無(wú)圈養(yǎng)牲畜的水窖（4號(hào)、5號(hào)），其中4 號(hào)所處家庭經(jīng)濟(jì)較好，5 號(hào)所處家庭條件較差；第三種是筑在室內(nèi)的水窖（6 號(hào)、7 號(hào)），其中6 號(hào)筑在小商店里、7 號(hào)修筑在廚房中。8號(hào)代表露天公共集水池。

pH 值、水溫、電導(dǎo)率使用美國(guó)生產(chǎn)的HACH 牌HQ40d 多參數(shù)水質(zhì)儀現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定；利用德國(guó)MColor-test 的Calcium Test 試劑、Alkalinity Test 試劑分別在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定Ca2+、HCO3-濃度；運(yùn)用500ml 聚乙烯瓶取回水樣到臨時(shí)實(shí)驗(yàn)室，當(dāng)日采用美國(guó)HACH DR2800 分光光度計(jì)測(cè)定NH3-N、Si、Cr6+、Mn、Cu、Fe、硫化物、硝酸鹽、亞硝酸鹽、余氯、總氯等化學(xué)參數(shù)。

采用日本生產(chǎn)的Compact Dry TC、Compact Dry CF、Com‐pact Dry SL 和Compact Dry EC 微生物快速測(cè)試皿，分別計(jì)數(shù)測(cè)定菌落總數(shù)TC、大腸菌群CF 和沙門氏菌SL、大腸桿菌EC1（Compact Dry EC 同時(shí)培養(yǎng)大腸桿菌“顯藍(lán)或藍(lán)綠色”和其他大腸菌類“顯紅或粉紅色”，因后者重復(fù)統(tǒng)計(jì)，只計(jì)前者記為EC1），單位CFU/mL。用精密移液槍取1 mL水樣滴入每個(gè)微生物快速測(cè)試皿中央，一旦液體樣品滴入就會(huì)自動(dòng)均勻擴(kuò)散入平板，固體培養(yǎng)基轉(zhuǎn)化成凝膠，稍后將各測(cè)試皿有序輕放入便攜式恒溫培養(yǎng)箱以37 ℃培養(yǎng)24～48 h。之后利用高清照相機(jī)逐個(gè)拍下各個(gè)培養(yǎng)皿的菌落，利用計(jì)算機(jī)統(tǒng)計(jì)照片上的各種微生物菌落數(shù)。

在水窖6 號(hào)中布設(shè)HOBO U24-001 電導(dǎo)率水溫測(cè)量記錄儀和HOBO U20-001 水位記錄儀，每30min 分別自動(dòng)監(jiān)測(cè)并保存窖水的電導(dǎo)率/（μS·cm-1）、水溫/℃和水位/cm 等參數(shù)。在水窖6號(hào)附近屋頂上安置MG3-M雨量計(jì)，獲得逐日降水?dāng)?shù)據(jù)。

1.3 飲用水水質(zhì)評(píng)價(jià)法

利用窖水水樣檢測(cè)出的Ca2+、HCO3-、NH3-N、Si、Cr6+、Mn、Cu、Fe、硝酸鹽、亞硝酸鹽、余氯、總氯、硫化物、TC、CF、SL、EC1等水質(zhì)指標(biāo)，進(jìn)行飲用窖水的水質(zhì)評(píng)價(jià)。用DWQI（Drinking Water Quality Index）［22］表示水質(zhì)綜合指數(shù)，WQIj表示各分類指標(biāo)綜合指數(shù)，WQIq為加權(quán)平均綜合指數(shù)［23］。

1.3.1 單指數(shù)法（Index，Ii）

（1）一般分指數(shù)。各指標(biāo)實(shí)測(cè)濃度值與對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)限值的比值，即：

式中：Ci代表指標(biāo)實(shí)測(cè)值；Si為《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB5749-2006）中該指標(biāo)的限值；其中未對(duì)沙門氏菌做出限值標(biāo)準(zhǔn)，因該菌群具有致病性，本研究采用的限值為“不得檢出”。當(dāng)分指數(shù)小于0.10或?qū)崪y(cè)值低于檢出限值時(shí)，一律定義為0.10。

（2）特殊分指標(biāo)。微生物指標(biāo)分指數(shù)Ii計(jì)算公式為：

式中：Ii表示分指數(shù)；Ci代表指標(biāo)實(shí)測(cè)值；Si為《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB5749-2006）中該指標(biāo)的限值。其中計(jì)算大腸菌群、大腸桿菌分指數(shù)時(shí)Si的值取0.3。

對(duì)于pH 值，由于有上下兩個(gè)限值，因而其分指數(shù)的計(jì)算式為：

式中：Smax為上限值；Smin為下限值。

1.3.2 綜合指數(shù)法

（1）感官性狀和一般化學(xué)指標(biāo)、有機(jī)污染指標(biāo)、細(xì)菌指標(biāo)等水質(zhì)指數(shù)對(duì)人體的危害程度較低，均采用內(nèi)梅羅法。

式中：Ii為各分指數(shù)的值；Ii，max為各分指數(shù)中的最大值。

（2）毒理學(xué)指標(biāo)采取最差因子判別法進(jìn)行評(píng)價(jià)，公式為：

（3）飲用水質(zhì)綜合指數(shù)（DWQI）根據(jù)各類指標(biāo)對(duì)人體健康的危害程度，對(duì)類水質(zhì)綜合指數(shù)（WQIj）進(jìn)行加權(quán)綜合，各類指標(biāo)權(quán)重值：

式中：kj為各類指標(biāo)權(quán)重值（如表1）。

表1 窖水指標(biāo)分類和權(quán)重系數(shù)Tab.1 Water cellar index classification and weight coefficient

1.3.3 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

飲用水水質(zhì)分為五級(jí)［24］：Ⅰ級(jí)為優(yōu)良、放心飲用，DWQI在0～0.50之間；Ⅱ級(jí)為較好、達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，DWQI在0.51～1.00之間；Ⅲ級(jí)為輕度污染、酌情飲用，DWQI在1.01～1.50 之間；Ⅳ級(jí)為中度污染、深度處理且檢驗(yàn)合格后方能飲用，DWQI在1.51～2.00 之間；Ⅴ級(jí)為重度污染、不宜飲用，DWQI大于2。

2 結(jié)果與分析

2.1 一般評(píng)價(jià)結(jié)果

在評(píng)價(jià)生活人畜飲用水質(zhì)量中，當(dāng)每項(xiàng)檢測(cè)指標(biāo)的測(cè)定結(jié)果均達(dá)到飲用水標(biāo)準(zhǔn)要求時(shí)為“合格”，否則為“超標(biāo)”。窖水Fe、Cr6+、NH3-N、硝酸鹽、亞硝酸鹽等指標(biāo)均符合飲用水條件。Mn、Si、TC、CF、SL、EC1等指標(biāo)超標(biāo)嚴(yán)重，余氯、總氯在2019-01-06的超標(biāo)水窖最多（如圖1），各指標(biāo)年超標(biāo)程度：CF＞SL＞Si＞Mn＞TC=EC1＞余氯=總氯，超標(biāo)率分別為100%、81.48%、77.78%、51.81%、40.74%、14.81%；少數(shù)窖水的pH、色度、濁度等超標(biāo)。窖水單項(xiàng)指標(biāo)超標(biāo)數(shù)（4.58）多于公共集水池（3.39），其中微生物和Si超標(biāo)率高于集水池，其他則相反。

2.2 綜合指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果

窖水DWQI的平均值為0.942，集水池DWQI平均值0.885。按照等級(jí)分類法對(duì)DWQI進(jìn)行分級(jí)，飲用窖水水質(zhì)較好的II 類占66.07%，符合水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)要求，村民可以放心飲用；其中窖水水質(zhì)較差的III 類占33.93%，受到輕度污染，需要處理后方可酌情飲用；無(wú)其他級(jí)別的水質(zhì)。2019-01-06窖水的綜合水質(zhì)指數(shù)最?。ū?），DWQI值為0.859，除1號(hào)外均小于1；2019-04-24窖水的綜合水質(zhì)指數(shù)最大，其值為1.042，其中1 號(hào)、2 號(hào)、7 號(hào)的DWQI值在全年中最大，此時(shí)6 號(hào)、8 號(hào)的DWQI值在全年中最小。4 號(hào)、6 號(hào)在全年中綜合水質(zhì)指數(shù)較小，即4 號(hào)水質(zhì)最好，6號(hào)次之，DWQI值均小于1，達(dá)到了良好水平；1 號(hào)、7 號(hào)水質(zhì)最差，尤其在枯水期。窖水綜合水質(zhì)在枯水期劣于池水，在豐水期優(yōu)于池水（如圖2）。

表2 生活飲用水不同水質(zhì)級(jí)別Tab.2 Different water quality grades of domestic drinking water

2.3 原因分析

依據(jù)國(guó)家《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB5749-2006）對(duì)照，喀斯特農(nóng)村家庭窖水單項(xiàng)指標(biāo)率超過(guò)50%的有CF、SL、Si、Mn，主要以微生物指標(biāo)、一般化學(xué)指標(biāo)超標(biāo)為主，其中微生物污染較嚴(yán)重、Si、Mn 等化學(xué)指標(biāo)也污染嚴(yán)重。窖水Si、Mn 含量高可能受控于喀斯特分水嶺山區(qū)的地質(zhì)背景；該地區(qū)屬亞熱帶高原山地季風(fēng)氣候，由此窖水水質(zhì)受降水量影響，豐水期的水質(zhì)最佳，枯水期的水質(zhì)最差。

窖水水質(zhì)與集流、儲(chǔ)存、取用水等過(guò)程有關(guān)［25］。在雨水徑流過(guò)程，溶解或沖刷攜帶空氣和屋頂沉積物（包括粉塵、鳥鼠等動(dòng)物糞便）流入水窖［26］，如屋頂降雨徑流向水窖輸送了糞便污染物［27］，而在雨水貯存過(guò)程中細(xì)菌數(shù)量逐漸減少［28］。由此，屋頂、土壤及牲畜糞便成為微生物和Si、亞硝酸等化學(xué)成分的源，“久旱逢雨”會(huì)發(fā)生明顯的“沖刷效應(yīng)”［29］。豐水期降水量豐富，雨水對(duì)高濃度污染物具有“稀釋作用”，豐水期窖水DWQI值小于枯水期（如圖3），其中電導(dǎo)率對(duì)降雨產(chǎn)生了顯著響應(yīng)，電導(dǎo)率隨著降雨的增加而減小。在1 號(hào)、2 號(hào)、7 號(hào)窖水DWQI值較大，尤其在枯水期窖水綜合水質(zhì)較差，這3 口水窖周圍均靠近牛、馬、豬等牲畜，牲畜糞便成了微生物污染源。4 號(hào)、6 號(hào)窖水DWQI值較小，家中無(wú)牲畜圈養(yǎng)、注重水窖的衛(wèi)生。Ca2+、HCO3-有可能源于窖壁的混凝土和白云巖、石灰?guī)r等巖石風(fēng)化，水窖修筑在喀斯特地區(qū)，枯水期雨水補(bǔ)給少，較長(zhǎng)時(shí)間水巖相互作用下Ca2+、HCO3-等離子濃度高，電導(dǎo)率上升。Mn、Cr6+可能源自水窖沉積的污泥。村民向水窖中投放消毒粉劑，氧化和滅活大量的微生物和沉降Mn、Cr6+等有害物質(zhì)，衍生出化合氯（NH2Cl、NHCl2、NHCl3等）和游離氯（ClO-、HClO、Cl2），造成窖水二次污染。

3 結(jié) 論

（1）窖水單指數(shù)超標(biāo)嚴(yán)重的有Mn、Si、TC、CF、SL、EC1等；部分窖水總氯、余氯在投放消毒粉劑期間會(huì)超標(biāo)，造成二次污染；少量水窖色度、濁度、pH等物理參數(shù)超標(biāo)；窖水微生物年平均超標(biāo)高于池水。水窖遠(yuǎn)離牲畜圈舍、周圍衛(wèi)生越干凈、無(wú)集雨徑流補(bǔ)給時(shí)的窖水TC、CF、SL、EC1等微生物污染較小；經(jīng)濟(jì)較好的家庭窖水總氯、余氯含量相對(duì)較高。

（2）喀斯特山區(qū)窖水DWQI的平均值為0.942，飲用水質(zhì)較好的II 類占66.07%，水質(zhì)較差的III 類為33.93%，需處理后方可酌情飲用?？λ固氐貐^(qū)窖水水質(zhì)受集雨徑流與區(qū)域地質(zhì)背景、人為活動(dòng)等多重影響，Si、Mn、Cr6+受控于區(qū)域地質(zhì)背景，TC、CF、SL、EC1微生物源自牲畜糞便；Ca2+、HCO3-等離子源自窖壁的混凝土和白云巖、石灰?guī)r等；總氯、余氯主要源自投放消毒粉劑。 □