孫岐發(fā)，賈立國(guó)，孫茁桉，邢衛(wèi)國(guó)，郝國(guó)杰，田 輝，李旭光

1.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局哈爾濱自然資源綜合調(diào)查中心，黑龍江 哈爾濱 150081；2.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局 沈陽(yáng)地質(zhì)調(diào)查中心，遼寧 沈陽(yáng) 110034；3.國(guó)家珠寶玉石質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心沈陽(yáng)實(shí)驗(yàn)室，遼寧沈陽(yáng) 110034

0 前言

地下水是水資源的重要組成部分，隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人口增長(zhǎng)，地下水已經(jīng)成為我國(guó)城市和工農(nóng)業(yè)用水的重要水源.天然地下水在參與自然界水循環(huán)的過(guò)程中，從其周圍介質(zhì)獲得各種成分，所以它是一種復(fù)雜的天然溶液.人類活動(dòng)對(duì)環(huán)境的干擾，使某些地下水不僅含有天然來(lái)源的組分，而且含有人類生產(chǎn)的各種有機(jī)和無(wú)機(jī)化合物以及細(xì)菌病毒等，導(dǎo)致地下水的化學(xué)組成更加復(fù)雜，水質(zhì)可能惡化.供飲用的地下水中某些組分的貧乏或過(guò)量都會(huì)影響健康.開(kāi)展人類活動(dòng)影響下地下水水質(zhì)特征研究，對(duì)于地下水合理開(kāi)發(fā)利用和地下水環(huán)境保護(hù)具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值.

地下水特征是水文地質(zhì)學(xué)科的重要研究?jī)?nèi)容［1-2］.地下水特征由物源的沉積環(huán)境及沉積組合特征決定，并受自然和人為因素交互影響［3-6］.當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)［7-10］、相關(guān)性分析［11-16］等技術(shù)方法對(duì)地下水水質(zhì)量進(jìn)行研究.

地下水在運(yùn)移過(guò)程中，與介質(zhì)發(fā)生多種多樣的物理化學(xué)作用，其中包括溶解/沉淀、酸堿平衡、吸附/解吸及氧化還原作用等［17-20］.依據(jù)地質(zhì)、水文地質(zhì)條件的不同，這些作用往往控制著一個(gè)地區(qū)地下水的水質(zhì)變化.

東北地區(qū)針對(duì)地下水的相關(guān)研究主要集中在平原地區(qū)進(jìn)行［21-25］.鄂倫春地處大興安嶺南麓，針對(duì)地下水的研究相對(duì)較少，在本地區(qū)進(jìn)行地下水水質(zhì)特征與適用性分析對(duì)少數(shù)民族地區(qū)居民飲水安全和地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展都具有重要意義.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局于2019年在鄂倫春自治區(qū)布署了水文地質(zhì)研究工作.

1 研究區(qū)概況

鄂倫春自治旗位于內(nèi)蒙古自治區(qū)呼倫貝爾市東北部，大興安嶺南麓，嫩江西岸，北與黑龍江省呼瑪縣以伊勒呼里山為界，東與黑龍江省嫩江縣隔江相望，南與莫力達(dá)瓦達(dá)斡爾族自治旗、阿榮旗接壤，西與根河市、牙克石市為鄰，東經(jīng)121°55′～126°10′，北緯48°50′～51°25′之間.全旗總面積59 800 km2，屬于寒溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候，四季變化顯著.境內(nèi)的河流均發(fā)源于大興安嶺南側(cè)和伊呼里山南側(cè)，自西北流向東南，匯入嫩江干流，皆屬松花江水系.自西北向東南地貌表現(xiàn)變化規(guī)律明顯，即由低山區(qū)逐漸過(guò)渡到丘陵及山間平原，烏魯布鐵鎮(zhèn)只包含剝蝕地形、剝蝕堆積地形和堆積地形.區(qū)內(nèi)地層由新元古界至新生界均有分布.大地構(gòu)造屬古亞洲洋構(gòu)造域中亞造山帶東段，并處環(huán)太平洋構(gòu)造域大陸構(gòu)造-巖漿活動(dòng)帶中.

鄂倫春自治旗缺乏形成大型自流盆地的條件，境內(nèi)地下水大部分為潛水，局部存在構(gòu)造型裂隙及破碎帶承壓水.地下水類型按含水層特點(diǎn)可分為第四系松散巖類孔隙水和基巖裂隙水兩大類型，局部有白堊系嫩江組碎屑巖孔隙承壓水.前者多分布在東部河谷地帶和波狀平原區(qū)，后兩者主要分布于西部山地及丘陵地區(qū).地下水來(lái)源以大氣降水滲入補(bǔ)給為主，對(duì)于下游地區(qū)，河水滲漏也是補(bǔ)給來(lái)源之一（圖1）.

圖1 鄂倫春自治旗水文地質(zhì)圖Fig.1 Hydrogeological map of Oroqen Qi

2 研究方法

2.1 地下水水樣采集與測(cè)試

地下水采樣點(diǎn)針對(duì)14口水井（Esj01—Esj14），在洗井、抽水實(shí)驗(yàn)要結(jié)束時(shí)，水清澈接近地下原水.采樣時(shí)間為2019年7—8月，共采集地下水水樣17組（其中平行樣3組），采樣點(diǎn)分布詳見(jiàn)圖2.Esj01—04、Esj06—09井取的是玄武巖層位的孔洞裂隙水；Esj05井取的是砂巖層位的孔隙裂隙水；Esj10—14井取的是第四系砂礫巖層位的孔隙水.樣品嚴(yán)格按《地下水環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范（H/164—2004》進(jìn)行采集、保存和送樣.

圖2 鄂倫春自治旗地下水取樣點(diǎn)位置圖Fig.2 Sampling location map of groundwater in Oroqen Qi

樣品由國(guó)土資源部東北礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測(cè)中心測(cè)試完成，嚴(yán)格按照HJ776—2015、HJ84—2016、HJ700—2014、GB/T5750—2006、DZ/T0064—1993、HJ828—2017、HJ195—2005規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行.

2.2 地下水質(zhì)量評(píng)價(jià)

采用國(guó)家《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T14848—2017）進(jìn)行評(píng)價(jià)，原則上以地下水類型進(jìn)行評(píng)價(jià).本次參加評(píng)價(jià)的點(diǎn)為14個(gè)，參評(píng)項(xiàng)目20項(xiàng)，其中全分析一般化學(xué)指標(biāo)采用15項(xiàng)，毒理學(xué)指標(biāo)采用5項(xiàng)（見(jiàn)表1）.

表1 地下水質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)及限值Table 1 Evaluation indexes and limits of groundwater quality

首先進(jìn)行單項(xiàng)組分評(píng)價(jià)，劃分所屬級(jí)別，用表2標(biāo)準(zhǔn)分別確定單項(xiàng)組分評(píng)價(jià)分值Pi.

表2 地下水單項(xiàng)組分質(zhì)量評(píng)價(jià)分級(jí)表Table 2 Quality evaluation grading of single component of groundwater

采用內(nèi)梅羅（N.L.Nemerow）指數(shù)法計(jì)算地下水水質(zhì)綜合指標(biāo)評(píng)價(jià)，計(jì)算公式為：

式中：P綜為綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)；Pi平均為各單項(xiàng)組分值的平均值；Pi最大為各單項(xiàng)組分值的最大值；Pi為各單項(xiàng)組分值；n為參評(píng)項(xiàng)目數(shù).

然后根據(jù)P綜值，按標(biāo)準(zhǔn)中所規(guī)定的方法對(duì)地下水質(zhì)量進(jìn)行分級(jí).依據(jù)中國(guó)地下水質(zhì)量狀況和人體健康風(fēng)險(xiǎn)，參照生活飲用水及工業(yè)、農(nóng)業(yè)等用水質(zhì)量要求，依據(jù)各組分含量高低（pH除外），分為5類（見(jiàn)表3）.

表3 地下水質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)分級(jí)表Table 3 Comprehensive evaluation grading of groundwater quality

I類：地下水化學(xué)組分含量低，適用于各種用途；

Ⅱ類：地下水化學(xué)組分含量較低，適用于各種用途；

Ⅲ類：地下水化學(xué)組分含量中等，以GB5749—2006為依據(jù)，主要適用于集中式生活飲用水水源及工農(nóng)業(yè)用水；

Ⅳ類：地下水化學(xué)組分含量較高，以農(nóng)業(yè)和工業(yè)用水質(zhì)量要求以及一定水平的人體健康風(fēng)險(xiǎn)為依據(jù)，適用于農(nóng)業(yè)和部分工業(yè)用水，適當(dāng)處理后可作為生活飲用水；

V類：地下水化學(xué)組分含量高，不宜作為生活飲用水水源，其他用水可根據(jù)使用目的選用.

3 地下水質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果

本次參加評(píng)價(jià)的14個(gè)點(diǎn)，經(jīng)過(guò)15項(xiàng)全分析一般化學(xué)指標(biāo)和5項(xiàng)毒理學(xué)指標(biāo)共20項(xiàng)評(píng)價(jià)，地下水檢出率、超標(biāo)率如表4、圖3、圖4.

圖3 地下水檢出率測(cè)試結(jié)果Fig.3 Test results of groundwater detection rate

圖4 地下水超標(biāo)率測(cè)試結(jié)果Fig.4 Test results of groundwater excessive rate

表4 地下水檢出率、超標(biāo)率測(cè)試評(píng)價(jià)結(jié)果Table 4 Evaluation results of groundwater detection and excessive rates

3.1 單指標(biāo)水質(zhì)評(píng)價(jià)

測(cè)試結(jié)果表明，區(qū)域內(nèi)鐵、錳、色度、渾濁度、pH值、硫酸根、氟離子存在超標(biāo).其中鐵IV類水井?dāng)?shù)6個(gè)，IV類水占比42.86%；V類水井?dāng)?shù)3個(gè)，V類水占比21.43%.色度IV類水井?dāng)?shù)2個(gè)，IV類水占比14.29%；V類水井?dāng)?shù)7個(gè)，V類水占比50%.錳IV類水井?dāng)?shù)4個(gè)，IV類水占比28.57%.混濁度IV類水井?dāng)?shù)6個(gè)，IV類水占比42.86%.pH值IV類水井?dāng)?shù)1個(gè)，IV類水占比7.14%；V類水井?dāng)?shù)1個(gè)，V類水占比7.14%.氟離子V類水井?dāng)?shù)1個(gè)，V類水占比7.14%.硫酸根IV類水井?dāng)?shù)1個(gè)，IV類水占比7.14%.鉛、銅、氯離子、砷、汞、溶解性總固體、總硬度、耗氧量、亞硝酸鹽氮這9項(xiàng)指標(biāo)都在Ⅲ類水質(zhì)范圍之內(nèi)（表5）.

表5 地下水水質(zhì)單指標(biāo)評(píng)價(jià)統(tǒng)計(jì)表Table 5 Evaluation statistics of single index of groundwater quality

3.2 地下水質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)

綜合評(píng)價(jià)認(rèn)為，Esj10、07、08、13井地下水錳超標(biāo)；Esj09井硫酸根離子超標(biāo)；Esj13井氟離子超標(biāo)；Esj05、06、07、08、06、10、12、11、13井鐵超標(biāo).

Esj08、13、10、07井地下水錳含量達(dá)到Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)；Esj06、08、12、14、09、05井地下水鐵含量達(dá)到Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)，Esj13、10、07井地下水鐵含量達(dá)到Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)；Esj13井氟化物含量達(dá)到Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；Esj03井硝酸鹽含量達(dá)到Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，Esj02井硝酸鹽含量達(dá)到Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；Esj09井氨氮達(dá)到Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；Esj11井pH值達(dá)到Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，Esj01井pH值達(dá)到Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；Esj04、14井色度達(dá)到Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，Esj01、08、13、06、09、05、07井色度達(dá)到Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；Esj08、10、09、13、07、05渾濁度達(dá)到Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)（表6）.

表6 地下水水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)統(tǒng)計(jì)表Table 6 Comprehensive evaluation of groundwater quality

3.3 生活飲用水評(píng)價(jià)

以《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB5749—2006）中的小型集中式供水和分散式供水標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，對(duì)14眼井的地下水質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià).評(píng)價(jià)指標(biāo)選用毒理指標(biāo)、一般化學(xué)指標(biāo)和感官指標(biāo).

經(jīng)過(guò)3項(xiàng)毒理指標(biāo)砷、氟化物和硝酸鹽分析，Esj13井氟離子達(dá)到1.83 mg/L，限值為1.2 mg/L；Esj02、03井硝酸鹽分別為60.53和23.24 mg/L，限值為20 mg/L（表7）.建議進(jìn)一步取樣化驗(yàn).

表7 毒理指標(biāo)分析結(jié)果Table 7 Analysis results of toxicological indexes

一般化學(xué)指標(biāo)分析，14眼井中Esj05、07、10、13井鐵、錳超標(biāo).鐵的限值為0.5 mg/L，錳的限值為0.3 mg/L.化驗(yàn)結(jié)果中鐵和錳的最大值分別為3.05和0.57 mg/L（表8），可以根據(jù)情況進(jìn)行除鐵錳處理后飲用.

表8 感官性狀和一般化學(xué)指標(biāo)分析結(jié)果Table 8 Analysis results of sensory properties and general chemical indexes

感官性狀指標(biāo)分析顯示，Esj11井pH值為6.34，限值為不小于6.5；Esj01、05、13、06、07、08、09井色度值都超出限值20 mg/L的標(biāo)準(zhǔn)，Esj05、13、07、08、09、10井的混濁度都超出了限值3 mg/L的標(biāo)準(zhǔn).混濁度、色度超標(biāo)和鐵錳含量高有直接關(guān)系，為水經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間放置后，二價(jià)鐵被氧化成三價(jià)鐵顏色發(fā)生變化并產(chǎn)生沉淀所致.

其他各井都適用于小型集中式供水和分散式供水水源及工農(nóng)業(yè)用水使用.

3.4 農(nóng)業(yè)灌溉水質(zhì)評(píng)價(jià)

根據(jù)《農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB5084—2005），對(duì)14眼水井灌溉用水質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià).灌溉用水分為水田灌溉用水、旱田灌溉用水和疏菜灌溉用水.

通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，只有Esj01的pH值超標(biāo)，為9.3，不符合灌溉用水要求，灌溉前需要對(duì)井水重新進(jìn)行測(cè)試，合格后方可進(jìn)行灌溉使用.其他各井的指標(biāo)全部符合農(nóng)田灌溉水標(biāo)準(zhǔn)，可以作為灌溉水源使用（表9）.

表9 農(nóng)田灌溉指標(biāo)分析結(jié)果Table 9 Analysis results of irrigation indexes of farmland

4 討論

4.1 各參數(shù)的相關(guān)性分析

Pearson相關(guān)性系數(shù)矩陣是一種在水文地球化學(xué)中應(yīng)用比較廣泛的工具，它可以將各類離子或指標(biāo)之間相關(guān)性定量化清楚地表示出來(lái)［10-14］.本文采用SPSS19軟件計(jì)算水質(zhì)指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)矩陣，見(jiàn)表10.

鐵是地殼中第二大含量豐富的金屬，約占地殼質(zhì)量的5%.鐵又是生物體必需的微量元素.地下水鐵、錳離子含量高是東北平原普遍存在且較復(fù)雜的一個(gè)水文地球化學(xué)問(wèn)題，尤其是在地下水徑流緩慢的低平原區(qū)，情況更為嚴(yán)重.

由表10可以看出，氨氮與TDS（溶解性總固體）之間具有良好的相關(guān)性，說(shuō)明它們之間可能有相同的來(lái)源.鐵與色度、渾濁度都具有顯著相關(guān)性，說(shuō)明色度、渾濁度受鐵控制；鐵與錳具有顯著相關(guān)性，說(shuō)明東北地區(qū)地下水鐵、錳含量受鐵、錳土壤高背景值控制；色度與渾濁度具有顯著相關(guān)性，說(shuō)明地下水受二價(jià)鐵氧化為三價(jià)鐵引起的沉淀和顏色變化控制.

表10 地下水水化學(xué)參數(shù)相關(guān)性系數(shù)矩陣Table 10 Correlation coefficient matrix of groundwater hydrochemical parameters

4.2 地下水各參數(shù)變異特征

統(tǒng)計(jì)分析可以反映某一地區(qū)或某一時(shí)間段內(nèi)地下水成分的概略面貌［5-9］.為了解該地區(qū)的地下水水化學(xué)特征，對(duì)鄂倫春自治旗地下水水樣檢測(cè)數(shù)據(jù)各個(gè)指標(biāo)用SPSS19軟件進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析，得到水化學(xué)組分統(tǒng)計(jì)特征值，如表11.

表11 地下水化學(xué)組分統(tǒng)計(jì)特征值Table 11 Statistical eigenvalues of groundwater chemical compositions

從表11可以看出，TDS、總硬度（CaCO3）均值較高，說(shuō)明地下水的硬度較高且礦化度較大.在離子組分方面，SO42－質(zhì)量濃度的平均值最大，Cl－、NO3－次之，表明其在地下水離子中占據(jù)主導(dǎo)，在地下水中的絕對(duì)質(zhì)量濃度較高.

變異系數(shù)是變量變幅和穩(wěn)定性的特征.變量變幅越小，穩(wěn)定性越強(qiáng)，變異系數(shù)就越小，反之亦然.較大的變異系數(shù)說(shuō)明地下水化學(xué)組分形成及演化的影響因素復(fù)雜.TDS、CaCO3、COD變異系數(shù)較小，反映其在該地區(qū)的地下水中的質(zhì)量濃度相對(duì)穩(wěn)定.TDS、CaCO3不僅質(zhì)量濃度較高，且穩(wěn)定；而As、SO42－、NH4＋、NO2－的變異系數(shù)較大，說(shuō)明其在不同區(qū)域質(zhì)量濃度值相差較高，易受水文氣象條件、地形地貌、含水層介質(zhì)和人類活動(dòng)等因素的影響.

4.3 水質(zhì)討論

結(jié)合巴彥公社幅1∶200 000水文地質(zhì)普查報(bào)告①李景，等.中華人民共和國(guó)區(qū)域水文地質(zhì)普查報(bào)告：巴彥公社幅M－51－［23］.齊齊哈爾：黑龍江省第一水文地質(zhì)隊(duì)，1979.，分析鄂倫春自治旗地下水水質(zhì)情況，認(rèn)為本區(qū)地下水水質(zhì)受鐵、錳、色度和渾濁度影響較大，地下水中鐵、錳超標(biāo)主要是受東北地區(qū)土壤中鐵、錳背景值高影響，地下水中鐵、錳超標(biāo)引起色度和渾濁度相應(yīng)超標(biāo).集中及分散飲水過(guò)程中，只要對(duì)鐵、錳適當(dāng)處理，鐵、錳、色度和渾濁度指標(biāo)都會(huì)向好，同時(shí)應(yīng)減少區(qū)域內(nèi)人類活動(dòng)對(duì)地下水的影響，達(dá)到對(duì)NH4＋、NO2－高含量的控制.

5 結(jié)語(yǔ)

1）區(qū)域內(nèi)鐵、錳、色度、渾濁度、pH值、硫酸根、氟離子存在超標(biāo)現(xiàn)象，使得部分井位地下水水質(zhì)達(dá)到Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn).

2）東北地區(qū)地下水中鐵、錳含量受鐵、錳土壤高背景值控制，鐵與色度、渾濁度都具有顯著相關(guān)性.只要對(duì)地下水中的鐵、錳作適當(dāng)處理，水的色度和渾濁度就會(huì)得到改善.

3）地下水中As、SO42－、NH4＋、NO2－在不同區(qū)域的質(zhì)量濃度值相差較大，易受水文氣象條件、地形地貌、含水層介質(zhì)和人類活動(dòng)等因素的影響，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)人類生活污染的控制.