龔艷君 雷利元 張 云
(1.遼寧省海洋水產(chǎn)科學(xué)研究院,遼寧 大連 116023;2.大連市海域海島開發(fā)與保護(hù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧 大連 116023)
海島是我國海洋領(lǐng)土的重要組成部分,是國家主權(quán)的象征,海島又是特殊的海洋資源和環(huán)境的復(fù)合區(qū)域,是海洋生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,其生物資源、旅游資源、港口資源等十分豐富。我國海島眾多,面積大于500m2的島嶼有6000多個(gè)(不包括海南島及臺(tái)灣省、香港特別行政區(qū)、澳門特別行政區(qū)諸島),其中約94%的島嶼為無人居住島嶼;面積在500m2以下的島嶼和巖礁近萬個(gè)[1]。通常按所在的海島是否存在戶籍居民,將海島分為有居民海島和無居民海島,無居民海島是指不屬于居民戶籍管理的住址登記地的海島[2]。
《中華人民共和國海島保護(hù)法》實(shí)施后,系統(tǒng)的海島調(diào)查仍然不足,僅2009—2012年開展了“全國海域海島地名普查”,主要調(diào)查海島名稱、數(shù)量和位置,且目前只公布了部分海島名錄。因此,無居民海島淡水資源、沙灘資源、動(dòng)植物資源、本地物種、珍稀瀕危物種和典型生境等信息的系統(tǒng)性和精度明顯不足,海島資源稀缺程度、生態(tài)重要程度、生態(tài)脆弱性等更需進(jìn)一步調(diào)查和評估[3]。淡水資源是海島自然資源的重要組成部分,海島特殊的地理區(qū)位和空間隔離特征使得海島生態(tài)系統(tǒng)十分脆弱,部分生態(tài)系統(tǒng)一旦遭受破壞,將對海島生態(tài)環(huán)境造成不可逆的危害。其中,最為顯著的就是海島的地下水資源,海島地下水系統(tǒng)是一個(gè)獨(dú)立的循環(huán)系統(tǒng),由于海島面積狹小,補(bǔ)給來源有限,地下淡水體又被海水包圍,因此易受海水入侵的威脅。海島面積狹小的地理特征限制了海島地表水系的發(fā)育,中小型海島普遍缺乏有效的天然地表儲(chǔ)水地貌,因此,海島地下水對于海島生態(tài)系統(tǒng)起到至關(guān)重要的作用[4]。
本文以遼寧省無居民海島楊家山島為例,選用單因子指數(shù)法與綜合評價(jià)法對該島地下水質(zhì)量進(jìn)行評價(jià),探求地下水水質(zhì)影響因素,提出無居民海島地下水資源保護(hù)建議,旨在為無居民海島地下水資源的合理利用和海島生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。
研究區(qū)域位于渤海海域,地處遼寧省葫蘆島市興城市沿海。遼寧省管轄海域遼闊,海島數(shù)量眾多,海島資源豐富,主要分布于黃海與渤海海域,大連市的海島數(shù)量最多,其次為葫蘆島市。遼寧省海島數(shù)量為633個(gè),總面積約505.000km2,島岸線長約920.00km,其中,無居民海島589個(gè)。
楊家山島位于渤海北部海域、遼東灣西側(cè)近岸,為無居民海島,周邊有覺華島、張家山島等海島,距大陸最近距離為8.21km。海島岸線長度為2.05km,陸域面積0.145km2,最高點(diǎn)高程44.40m,海島地勢中部凸起,四周平緩,島岸以基巖為主,低潮時(shí)周邊海域巖礁裸露,海島地表土壤層較厚,植被茂密,生長灌木及草本植物,喬木較少[5]。該島有護(hù)島人員長期居住,島上地下水是人類飲用水和生活用水的主要來源,同時(shí)看護(hù)人員在島上種植了農(nóng)作物。為改善無居民海島基礎(chǔ)設(shè)施條件,2017年,島上開展了開發(fā)利用活動(dòng)。
根據(jù)《遼寧省水資源》資料統(tǒng)計(jì),興城市水資源總量為43174萬m3,其中地表水資源量37135萬m3,地下水資源量8400萬m3[6]。海島所在區(qū)域?qū)儆跍貛啙駶櫦撅L(fēng)型海洋氣候,季風(fēng)氣候顯著,降雨多集中7—8月,其降水量為全年降水量的53%,而11月至次年3月,總降水量僅占全年的4%。
2016年8月、2018年6月、2020年8月分別在島上采集地下水樣品,樣品按照采集順序Y-01~Y-04分別編號,主要用途為飲用水和生活用水。本次研究以2016年地下水樣品的分析測試結(jié)果為數(shù)據(jù)基礎(chǔ),2018年與2020年(統(tǒng)稱2016年后)采集的平行數(shù)據(jù)作為補(bǔ)充和對比。
樣品采集、樣品的儲(chǔ)存和管理按照《水質(zhì)采樣、樣品的存儲(chǔ)和管理技術(shù)規(guī)范》(HJ 493—2009)的要求執(zhí)行。地下水質(zhì)監(jiān)測項(xiàng)目及分析方法按照《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 14848—2017)(2016年調(diào)查參考GB/T 14848—93)為依據(jù)。
以《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 14848—2017)為依據(jù),并結(jié)合《第二次全國海島資源綜合調(diào)查技術(shù)規(guī)程》中海島地下水監(jiān)測項(xiàng)目,本次選擇氨氮、總硬度、溶解性總固體、硫酸鹽、高錳酸鹽指數(shù)、氯化物、鐵、錳、硝酸鹽、氟化物、砷、六價(jià)鉻、鉛、汞14項(xiàng)主要反映生活污染的理化性指標(biāo)作為分析參數(shù),見表1。其中,一般化學(xué)指標(biāo)8項(xiàng)、毒理學(xué)指標(biāo)6項(xiàng),見表2。
表1 地下水質(zhì)監(jiān)測項(xiàng)目及分析方法
表2 地下水環(huán)境質(zhì)量評價(jià)指標(biāo)
依據(jù)我國地下水水質(zhì)現(xiàn)狀、人體健康基準(zhǔn)值及地下水質(zhì)量保護(hù)目標(biāo),并參照了生活飲用水、工業(yè)、農(nóng)業(yè)用水水質(zhì)最高要求,將地下水質(zhì)量劃分為5類。Ⅰ類主要反映地下水化學(xué)組分的天然低背景含量,適用于各種用途;Ⅱ類主要反映地下水化學(xué)組分的天然背景含量,適用于各種用途;Ⅲ類以人體健康基準(zhǔn)值為依據(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類以農(nóng)業(yè)和工業(yè)用水要求為依據(jù),除適用于農(nóng)業(yè)和部分工業(yè)用水外,適當(dāng)處理后可作生活飲用水;Ⅴ類不宜飲用,其他用水可根據(jù)使用目的選用。
目前,地下水水質(zhì)評價(jià)方法眾多,應(yīng)用比較廣泛的方法主要有綜合污染指數(shù)法、模糊數(shù)學(xué)綜合評判法、灰色聚類分析法、層次分析法以及人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等,但這幾種方法無法很好地與地下水質(zhì)量類別定義相對應(yīng),因此,費(fèi)宇紅等[7]在2014年提出,采用單因子指數(shù)法和綜合評價(jià)法相結(jié)合的方法,具有明確的物理意義,能夠更有效地指導(dǎo)水資源管理和利用,本次選擇該方法對楊家山島地下水水質(zhì)進(jìn)行評價(jià)。
2.3.1 單因子指數(shù)法
地下水環(huán)境質(zhì)量評價(jià)時(shí),對重要的水質(zhì)指標(biāo)可作單因子評價(jià),其原理是將評價(jià)指標(biāo)的監(jiān)測結(jié)果與《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 14848—2017)中劃分的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較,再選取評價(jià)指標(biāo)中最差的類別作為水體的水質(zhì)類別[7],單因子指數(shù)計(jì)算公式為
(1)
式中:Pi為第i個(gè)水質(zhì)因子的標(biāo)準(zhǔn)指數(shù);Ci為第i個(gè)水質(zhì)因子的監(jiān)測濃度值,mg/L;Csi為第i個(gè)水質(zhì)因子的標(biāo)準(zhǔn)濃度值,mg/L。
當(dāng)Pi≤1時(shí),說明水質(zhì)較好,監(jiān)測指標(biāo)未超標(biāo);當(dāng)Pi>1時(shí),說明水質(zhì)已經(jīng)超標(biāo)。
2.3.2 綜合評價(jià)法
綜合評價(jià)法首先進(jìn)行各單項(xiàng)組分評價(jià),劃分組分所屬質(zhì)量類別,其次是對各類別按照表3分別確定單項(xiàng)組分評價(jià)分值Fi,再按式(2)和式(3)計(jì)算綜合評價(jià)分值F:
(2)
(3)
地下水單項(xiàng)組分評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和綜合水質(zhì)分級標(biāo)準(zhǔn)見表3。
表3 地下水單項(xiàng)組分評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和綜合水質(zhì)分級標(biāo)準(zhǔn)
地下水質(zhì)量評價(jià)中各項(xiàng)指標(biāo)的限值受地下水質(zhì)量類別控制。鑒于前述的概念,Ⅲ類地下水的各項(xiàng)指標(biāo)限值與生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)相對應(yīng),即限值是健康風(fēng)險(xiǎn)限;Ⅰ類和Ⅱ類地下水的限值對于供水沒有制約意義;Ⅳ和Ⅴ類水,直接飲用對人體健康有潛在危險(xiǎn),不宜作為生活飲用水水源[8]。故本次評價(jià)以《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 14848—2017)中Ⅲ類水質(zhì)指標(biāo)及限值為標(biāo)準(zhǔn),并參照其他類水質(zhì)量指標(biāo),對所采集水樣進(jìn)行水質(zhì)分析與評價(jià),結(jié)果見表4、圖1、圖2。
表4 主要指標(biāo)檢出情況統(tǒng)計(jì)
圖1 指標(biāo)超標(biāo)情況統(tǒng)計(jì)(2016年)
圖2 指標(biāo)超標(biāo)情況統(tǒng)計(jì)(2016年后)
由表4、圖1、圖2可知,2016年,Y-01、Y-02、Y-04水質(zhì)指標(biāo)中除了鉛超標(biāo)外,其他指標(biāo)均符合Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),Y-03水質(zhì)指標(biāo)中,總硬度、溶解性總固體、硫酸鹽、高錳酸鹽指數(shù)、氯化物和鉛均有不同程度的超標(biāo),已不能作為生活直接飲用水源;2016年后,Y-01~Y-03水質(zhì)指標(biāo)中,總硬度、溶解性總固體、硫酸鹽、硝酸鹽、高錳酸鹽指數(shù)、氯化物和鉛都有不同程度的超標(biāo)。
根據(jù)檢測數(shù)據(jù),地下水污染綜合評價(jià)結(jié)果見表5和表6,評價(jià)指標(biāo)中氟化物和六價(jià)鉻均符合Ⅰ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),單項(xiàng)組分評價(jià)分值為0,故該表中未體現(xiàn)這兩項(xiàng)。
表5 地下水污染綜合評價(jià)結(jié)果(2016年)
表6 地下水污染綜合評價(jià)結(jié)果(2016年后)
由表4和表5可以看出,2016年,評價(jià)結(jié)果為較好的有3組,占檢測總數(shù)的75%;評價(jià)結(jié)果為極差的有1組,占檢測總數(shù)的25%。其中Y-03號井水質(zhì)極差,主要污染因子為氯化物,與飲用水標(biāo)準(zhǔn)對比,最高超標(biāo)2.02倍;其次是鉛、溶解性總固體、高錳酸鹽指數(shù)、總硬度,最高超標(biāo)2倍;氨氮、硝酸鹽、硫酸鹽、錳均符合Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),單項(xiàng)組分評價(jià)分值為3,鐵單項(xiàng)組分評價(jià)分值為0。
由表4和表6可以看出,2016年后,評價(jià)結(jié)果為較好的有1組,占檢測總數(shù)的25%;評價(jià)結(jié)果為較差的有1組,占檢測總數(shù)的25%;評價(jià)結(jié)果為極差的有2組,占檢測總數(shù)的50%。其中Y-01號井水質(zhì)極差,主要污染因子為總硬度、硝酸鹽和氯化物,與飲用水標(biāo)準(zhǔn)對比,最高超標(biāo)1.20倍;其次是溶解性總固體、高錳酸鹽指數(shù)和鉛,最高超標(biāo)4.80倍。Y-03號井水質(zhì)也為極差,主要污染因子為總硬度、溶解性總固體和氯化物,與飲用水標(biāo)準(zhǔn)對比,最高超標(biāo)2.84倍;其次是高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、硝酸鹽和硫酸鹽,最高超標(biāo)0.27倍。
在單因子指數(shù)評價(jià)結(jié)果中,存在兩類指標(biāo):一類是地下水中原生指標(biāo),另一類是人類活動(dòng)導(dǎo)致的污染指標(biāo)。其中,“三氮”(硝酸鹽、亞硝酸鹽、氨氮)、毒性重金屬(汞、砷、鎘、六價(jià)鉻、鉛)屬于污染指標(biāo)[9]。由評價(jià)結(jié)果可知,影響楊家山島地下水質(zhì)量的主要為原生指標(biāo),如高錳酸鹽指數(shù)、氯化物、溶解性總固體、總硬度,來自人類活動(dòng)影響的污染指標(biāo)主要有硝酸鹽和鉛、氨氮。
高錳酸鹽指數(shù)是反映水體中有機(jī)和無機(jī)可氧化物質(zhì)污染的常用指標(biāo),常被作為地表水體受有機(jī)物污染和還原性無機(jī)物質(zhì)污染程度的綜合指標(biāo)。高錳酸鹽指數(shù)越高,說明水體受到有機(jī)物污染的程度越嚴(yán)重。從評價(jià)結(jié)果來看,2016年以后超標(biāo)水質(zhì)主要來自于Y-01與Y-02水井,這兩眼水井由人工開采,埋藏淺,水質(zhì)相對容易受到影響,且地下水補(bǔ)給主要是降水補(bǔ)給,通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)在兩眼水井附近島上居民種植了農(nóng)作物,初步判斷淺層地下水受到地面農(nóng)業(yè)灌溉的影響(施氮肥等),或受到生活污染源污染的可能性較大,從而造成高錳酸鹽指數(shù)超標(biāo)。
根據(jù)我國生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)及農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定,正常情況下地下水氯離子濃度不超過250mg/L,當(dāng)?shù)叵滤新入x子濃度超過250mg/L時(shí)則認(rèn)定為該地區(qū)已經(jīng)發(fā)生海水入侵,氯離子濃度大于500mg/L,則認(rèn)定為該地區(qū)已經(jīng)發(fā)生嚴(yán)重入侵[10]。根據(jù)分析評價(jià)結(jié)果,島上有2眼水井((Y-01、Y-03)發(fā)生了嚴(yán)重入侵,1眼水井(Y-02)已經(jīng)發(fā)生海水入侵,還有1眼水井(Y-04)氯離子濃度為241mg/L,與入侵的濃度值很接近。初步判斷該結(jié)果與島上地下水的分布位置、地勢和降水有關(guān),Y-01~Y-03水井距海近,氯離子濃度高,而Y-04水井所在位置地勢高,氯離子濃度低。Y-01~Y-03集中分布在海島南側(cè)靠近岸邊的位置,埋藏淺,水質(zhì)與水量均受降水和徑流影響;Y-04位于海島中部地勢較高的位置,通過鉆機(jī)開采,水質(zhì)穩(wěn)定,較淺層地下水水質(zhì)受降水和徑流影響較小。
硝酸鹽是地下水中最常見的一類污染物,主要與農(nóng)業(yè)施氮肥、垃圾集中處理、工業(yè)廢水排放、動(dòng)物養(yǎng)殖等活動(dòng)有關(guān),島上地下水中硝酸鹽超標(biāo)原因初步判斷為生活污染源。為改善無居民海島基礎(chǔ)設(shè)施條件,2017年,楊家山島實(shí)施了碼頭、木棧道、沙灘浴場設(shè)施建設(shè)工程,施工過程中和工程建成后都產(chǎn)生了生活污染源,主要包括施工人員和常住護(hù)島人員產(chǎn)生的生活污水、垃圾、人畜糞便等,其中含有大量含氮有機(jī)物,可通過化糞池滲入地下或作為農(nóng)肥被施用在農(nóng)田,經(jīng)過復(fù)雜的生物化學(xué)作用轉(zhuǎn)化為硝酸鹽,最終污染地下水。
本文依據(jù)無居民海島楊家山島多年的地下水監(jiān)測數(shù)據(jù),采用單指標(biāo)評價(jià)方法和綜合評價(jià)方法相結(jié)合的方法評價(jià)了地下水質(zhì)量現(xiàn)狀,結(jié)果表明,2016年,楊家山島地下水質(zhì)量整體較好,但2016年后局部淺層水質(zhì)已明顯受到人類活動(dòng)和海水入侵的干擾,主要污染因子為高錳酸鹽指數(shù)、氯化物、溶解性總固體、總硬度、氨氮、硝酸鹽等。根據(jù)研究結(jié)果提出以下建議:
a.加強(qiáng)地下水監(jiān)測工作,針對海島水資源影響因素多、環(huán)境較脆弱的特點(diǎn),應(yīng)對海島地下水資源實(shí)施長期監(jiān)測,實(shí)時(shí)掌握水資源的污染狀況,分析污染物質(zhì)和來源,尤其針對目前水質(zhì)綜合評價(jià)較好的地下水,應(yīng)禁止在其附近排放污水、堆放廢物等。
b.盡可能對海島現(xiàn)有植被進(jìn)行保護(hù),增加土壤的持水性能;要盡量減少地下水的過度使用,合理開發(fā)地下水,維護(hù)地下水的水力平衡。
c.加強(qiáng)地下水環(huán)境監(jiān)測設(shè)備建設(shè),完善監(jiān)測手段,逐步實(shí)現(xiàn)對地下水環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)控和數(shù)據(jù)的快速分析,使監(jiān)測資料更準(zhǔn)確、更及時(shí)地反映地下水質(zhì)量狀況和發(fā)展趨勢。
d.大多數(shù)的無居民海島還處于尚未開發(fā)的階段,無居民海島的開發(fā)利用將會(huì)使部分自然環(huán)境變成人工環(huán)境,因此,要嚴(yán)格把控海島開發(fā)利用項(xiàng)目審批,進(jìn)行任何開發(fā)活動(dòng)之前應(yīng)先對海島生態(tài)環(huán)境狀況進(jìn)行生態(tài)評估,避免人類活動(dòng)對海島生態(tài)環(huán)境造成影響。