费宇红, 张兆吉, 郭春艳, 王春晓, 雷 廷, 刘 瑾

中国地质科学院水文地质环境地质研究所, 河北石家庄 050061

区域地下水质量评价及影响因素识别方法研究
——以华北平原为例

费宇红, 张兆吉, 郭春艳, 王春晓, 雷 廷, 刘 瑾

中国地质科学院水文地质环境地质研究所, 河北石家庄 050061

地下水质量是水岩作用和人类活动双重动力的结果, 在认识地下水质量的同时还应知道其影响因素。本文在严格分析地下水质量分类标准和指标值的基础上, 提出了衡量地下水质量的单指标综合评价和影响因素识别相结合的方法。该方法不仅能够反映具有明确物理意义的地下水质量类别, 还能够划分区域地下水人为污染的可能性。本文以华北平原为案例区, 选择具有代表性的6063个地下水井, 检测了49项无机和有机指标。分析认为华北平原地下水质量受地质环境和水文地质条件控制, 一般化学指标对地下水质量影响程度最高, 原生指标中锰、总硬度、溶解性总固体、碘化物对超Ⅲ类水单指标贡献率超过 50%, 污染指标中亚硝酸盐贡献率达20%, 重金属和有机指标对区域地下水质量影响很小。

华北平原; 地下水质量; 评价; 影响程度; 贡献率

不同的评价方法、标准和检测指标多寡等, 导致评价结果差异很大。地下水质量状况与当地水文地质条件、地下水埋藏和补给水源的质量有关, 地下水质量的变化受人为污染影响, 所以地下水质量是自然因素和人为因素的集合表现。

20世纪80年代“六五”国家科技攻关项目第38项的“华北平原地下水水质评价及水源保护研究”课题, 用16项地下水化学指标, 以饮用水为主要目标, 首次开展了华北平原浅层地下水质量评价。随着经济社会高速发展, 各种污水和固废排放量大幅增加, 导致地下水质量发生了一定程度的劣变, 包括重金属和有机物的污染等。如美国地质调查局(USGS)对美国2400口家用井和1100口公共井的井口取样检测了 55种挥发性有机物(VOCs), 发现全国许多含水层都检测出挥发性有机物(Zogorski et al., 2006)。基于此, 掌握地下水质量现状是区域经济发展的重要基础, 评价地下水质量需识别影响因素。

中国地质调查局开展的地下水污染调查工作,已完成我国东部主要平原地下水污染调查(文冬光等, 2012), 并针对人类活动较强和地下水利用率极高的华北平原, 着重研究了地下水质量评价方法和影响因素的识别方法(李亚松等, 2014)。该方法能够真实反映区域地下水质量, 对区域经济发展具有重要指导意义。

1 评价方法

1.1 地下水质量标准及分类

任何评价都是与标准对应的, 离开标准的评价没有意义, 地下水质量评价也是一样。我国1993年颁布的《地下水质量标准》(GB/T14848—93)沿用至今, 基于39项地下水的物理、化学指标, 将地下水的质量划分五个级别(类), 如表1所示。

表1 地下水质量分类Table 1 Classification of groundwater quality

在《地下水质量标准》(GB/T14848—93)的 39项指标中, 包括: 色、味、浑浊度、肉眼可见物、pH值、总硬度、溶解性总固体、硫酸盐、氯化物、铁、锰、铜、锌、钼、钴、挥发性酚类、阴离子合成洗涤剂、高锰酸盐指数、硝酸盐、亚硝酸盐、铵-氮、氟化物、碘化物、氰化物、汞、砷、硒、镉、铬、铅、铍、钡、镍、敌敌涕、六六六、总大肠杆菌、细菌总数、总α放射性、总β放射性, 极少涉及有机污染物, 已不能满足现代地下水质量客观评价的需求(高存荣等, 2011)。参照国际多个权威饮用水标准, 中国地质调查局组织修订了《地下水质量标准》(报批稿), 除原有指标外, 增加了国际上常在地下水中检出的40项有机污染物指标。

目前, 具有国际权威性和代表性的饮用水水质标准有3部: 世界卫生组织(WHO)的《饮用水水质准则》; 欧盟(EC)的《饮用水水质指令》; 美国环保局(USEPA)的《国家饮用水水质标准》。《国家饮用水水质标准》中包括101项指标, 其中强制性标准 86项, 非强制性指标(用于控制水对皮肤、牙齿变色, 或对感官影响)15项, 每项指标最大浓度值(MCL)和最大浓度限值(MCLG)控制。最大浓度限值是为保障人体健康, 并不涉及到污染物的检出限和控制技术, 具体执行时采用最大浓度值。

我国主要针对日常饮水和生活用水的《生活饮用水卫生标准》(GB5749—85)于 2006年进行了修订, 作为强制性国家标准, 其指标由原来的35项增加至 106项, 特别是有机化合物指标增加了 50项,并设定了水质指标的限值。

1.2 地下水质量指标限值确定

地下水质量评价中各项指标的限值, 受地下水质量类别控制。鉴于前述的概念, III类地下水的各项指标限值与生活饮用水标准相对应, 即限值是健康风险限; Ⅰ类和Ⅱ类地下水的限值对于供水没有制约意义; IV和V类水, 直接饮用对人体健康存在潜在危险, 不宜作生活饮用水水源。当一些化学指标在可处理范围内时, 经一定处理, 特殊情况下可以饮用(王昭等, 2009)。《地下水质量标准》(报批稿) 中, 各项评价指标的限值如表2所示。

1.3 地下水质量评价方法

《地下水质量标准》(GB/T14848—93)推荐的评价方法是由单项组分进行评价, 由突出的最大值计权(内梅罗指数法)确定地下水质量等级。这种方法没能与地下水质量类别定义相对应, 且结果的物理意义不够明确(谷朝君等, 2002; 马成有等, 2006; 李亚松等, 2011)。主要表现为: ①由于单项组分评价分值过多考虑最大值, 导致实际地下水质量评价中,Ⅲ类水出现概率低, 这与我国区域地下水质量实际状况不符合。②虽然“标准”中的评价方法将地下水质量评价结果也分为 5级, 但是, 它与地下水质量的5个类别之间没有对应关系, 造成评价结果的物理意义不明确, 实用性差。③由于“标准”中各

项指标的物理、化学性状不同, 它们对人体健康危害也不同, 因此, 采用原“标准”中指定的综合评价方法获得的结果常常掩盖一些对人体有较大危害的实情。

表2 《地下水质量标准》中各项指标及其限值Table 2 Indexes and their thresholds in the ‘Quality Standard for Ground Water’

国内外许多专家通过大量实际调查和研究, 提出了多种地下水质量综合评价的方法, 例如综合指数法、模糊综合评价法、灰色聚类法和神经网络法等(张全东, 1993; 刘石等, 2006; 郭小砾等, 2006;苏耀明等, 2007)。这些方法虽然运用了许多数学概念, 但评价结果与“标准”的意义无法对应。

鉴于上述, 采用单指标评价方法和综合评价方法相结合的方法, 具有明确的物理意义, 能够更有效地指导水资源管理和利用, 评价方法如下。

单指标评价按指标值所在的指标限值区间确定地下水质量类别, 不同地下水质量类别的指标限值相同时, 从优不从劣。例: 铵-氮类Ⅰ、Ⅱ类标准值均为 0.02 mg/L, 若水质分析结果为 0.02 mg/L,应定为Ⅰ类, 不定为Ⅱ类。综合评价是按单指标评价结果的最高类别确定, 并指出最高类别的指标。例: 某地下水样氯化物含量400 mg/L, 四氯乙烯含量350 μg/L , 这两个指标属Ⅴ类, 其余指标均低于Ⅴ类, 则该地下水质量综合类别定为Ⅴ类。

1.4 影响因素识别方法

地下水不是化学纯的 H2O, 而是复杂的溶液,它反映了该地区地下水的历史演变(张人权等, 2011)。纵观地下水质量评价的指标, 一部分是地质营力作用产生的, 即原生化学指标, 另一部分则是人类活动产生的, 即地下水污染指标。

按前述方法评价出的地下水质量, 不能反映出它的毒性程度和化学物质的来源。如同是Ⅴ类水的几个取样井, 一个可能是氟化物过高, 另一个可能是铁含量过高, 还有的可能是四氯化碳污染, 它们对人体的影响程度和污染状况不同, 因而需对地下水质量的影响因素进行进一步识别。本文主要通过“分类指标影响程度”和“单指标贡献率”的计算,来识别影响地下水质量的主要因素。

1.4.1 分类指标影响程度

为掌握不同类型指标对地下水质量的影响程度, 将前述的 49项地下水质量指标按其化学性质划分为一般化学指标、无机毒理指标、毒性重金属指标、挥发性有机指标和半挥发性有机指标等5类(表3), 并引入“影响程度”的概念, 即地下水分类指标中某类水的个数与该类水参评总个数之比, 计算公式为: 分类指标影响程度=(分类指标某类水个数/某类水总个数)×100%。

表3 地下水质量评价分类指标表Table 3 Classification indexes of groundwater quality evaluation

1.4.2 单指标贡献率

为探求哪些指标对Ⅳ类、Ⅴ类地下水贡献较大,引扩“超Ⅲ类水单指标贡献率”的概念, 即地下水中某指标毒性程度达超Ⅲ类水个数与总超Ⅲ类水个数之比, 计算公式为: 单指标超III类水贡献率=(单指标超III类水个数/超III类水总个数)×100%。

在单指标对地下水质量影响中, 存在两类指标,一类是地下水中原生指标, 另一类是人类活动导致的污染指标, 其中“三氮”(硝酸盐、亚硝酸盐、铵-氮)、毒性重金属(镉、六价铬、铅、汞)和有机指标属于“污染指标”。

2 华北平原地下水质量分析

2.1 区域水文地质条件

华北平原位于我国东部太行山以东、黄河以北、燕山以南、东至渤海的广大平原, 包括北京市、天津市和河北省的全部平原区、山东省和河南省的黄河以北平原, 面积13.92万km2, 按地貌成因可分为山前冲积洪积倾斜平原、中部冲积湖积平原、东部冲积海积滨海平原(图 1), 其地下水系统可分为滦河地下水系统、海河地下水系统和古黄河地下水系统(张兆吉等, 2009a)。地下水是华北平原的主要供水水源, 占总用水量的70%(张兆吉等, 2009b; 张光辉等, 2010)。近年来由于工业废水的不合理排放、农药、化肥的大量施用以及其他人为因素的影响,华北平原地下水质量发生了明显变化(费宇红等, 2007; 张光辉等, 2009; 谭科艳等, 2011; 王兰化等, 2014; 李亚松等, 2014)。

华北平原松散孔隙地下水埋藏条件, 依据沉积类型分为山前冲洪积平原、中部冲积平原和滨海冲积海积平原。垂向上, 分为 4个含水层组: 第 I含水层组, 底界埋深 10～50 m, 是地下水积极循环交替层, 开发利用意义不大, 但对生态环境具有重要作用; 第Ⅱ含水层组, 底界埋深 120～210 m, 属于微承压、半承压地下水, 地下水循环交替能力较强,是农业用水的主要开采层位; 第Ⅲ含水层组, 底界埋深 250～310 m, 是饮用水和工业用水的主要开采层位; 第Ⅳ含水层组, 在滨海平原局部开采该层。通常将第Ⅰ、Ⅱ含水层组统称为浅层地下水系统,第Ⅲ、Ⅳ含水层组统称为深层地下水系统。

图1 华北平原地理位置图Fig. 1 Geographical location of the North China plain

2.2 评价数据的可靠性

评价数据来源于华北平原区域地下水污染调查评价采集的地下水样品, 检测和采样过程严格按行业规范进行质量控制, 尤其地下水样品采集过程严格参照国际规范和做法, 样品在低温保存下, 一周内送达权威国家检测中心。

采样点根据华北平原的工业产业布局、农业种植结构和施用化肥农药、地下水污染源等分布状况,结合当地水文地质条件, 采样点按每 100 km23～4个的精度布设, 在水文地质条件复杂或污染较明显地区, 加密布设, 共布设7000余个。采样工作在2006—2009年4年的10—12月进行。

样品检测机构为: 国土资源部地下水矿泉水检测中心、国家地质实验测试中心和澳实分析(上海)有限公司等单位。

2.3 华北平原地下水质量

采用单指标综合评价法评价结果表明, 在华北平原浅层地下水的4384个采样点中, Ⅰ至Ⅲ类地下水的采样点数占总采样点数的 22%, Ⅳ类地下水的采样点数占 21%, Ⅴ类地下水采样点数占 57%; 在深层地下水的1679个采样点中, Ⅰ至Ⅲ类地下水的采样点占26%, Ⅳ类地下水的采样点数占23%, Ⅴ类地下水的采样点数占51%。

从区域分布来看, 由山前平原, 依次向东, 至中部平原和滨海平原, 地下水质量呈逐渐变差特征,其中Ⅰ至Ⅲ类的地下水从49%降至3.9%, Ⅴ类地下水从21%升至86.9%。深层地下水质量状况好于浅层地下水(图2)。

图2 华北平原地下水质量差异特征Fig. 2 Different characteristics of groundwater quality in the North China plain

2.4 影响因素识别

2.4.1 影响地下水质量的指标

用分类指标计算华北平原地下水质量的影响程度(即对超Ⅲ类地下水的影响程度)表明, 影响程度最大的是“一般化学指标”, 对地下水质量影响程度达70.44%, 其中浅层地下水为75.27%, 深层地下水为 57.83%。其次, 无机毒理指标, 浅层地下水为57.60%, 深层地下水为61.47%。再者, 毒性重金属指标, 浅层地下水为 14.74%, 深层地下水为6.91%。有机指标最低, 在浅层地下水和深层地下水中, 挥发性有机指标分别为 1.14%和 0.6%; 半挥发性有机指标分别为0.05%和0(图3)。

图3 不同分类指标对华北平原地下水质量影响特征Fig. 3 Influences of different classification indexes on groundwater quality in the North China plain

2.4.2 原生指标对区域地下水质量贡献率

在华北平原, 浅层地下水的超Ⅲ类水单指标贡献率较大的是原生指标, 包括: 锰、总硬度、溶解性总固体、碘化物、钠离子、硫酸盐、氯化物、铁、氟化物和砷, 它们的贡献率分别为73%、72%、57%、55%、44%、41%、38%、30%、21%和17%。深层地下水的超Ⅲ类水原生单指标贡献率, 分别为: 氟化物73%、碘化物53%、钠离子52%、溶解性总固体24%、氯化物22%、pH值21%、硫酸盐16%、锰14%、砷7%、总硬度和铁均为5%(图4)。

图4 原生单指标对华北平原超Ⅲ类浅层地下水(a)及超Ⅲ类深层地下水(b)贡献率Fig. 4 Contribution rates of protogenetic components for Ⅳ-Ⅴ class shallow groundwater (a) and Ⅳ-Ⅴ class deep groun dwater (b) in the North China plain

2.4.3 疑似污染指标对区域地下水质量贡献率

在华北平原浅层地下水中, 源自人类活动影响较大的污染指标有: 亚硝酸盐、硝酸盐和铵-氮, 它们的贡献率分别为20%、9.5%和6.4%。镉、六价铬、铅、汞的贡献率, 分别为 0.15%、0.12%、2.38%和0.06%。有机污染指标中苯和四氯化碳对区域地下水质量贡献率较大, 均达0.41%。

在深层地下水中, 源自人类活动影响的污染指标, 亚硝酸盐贡献率为 5.4%, 镉、六价铬、铅和汞的贡献率分别为0.16%、0.49%、1.7%和0.24%, 有机指标中四氯化碳的贡献率为0.32%。

3 结语

1)区域地下水质量评价指标由原生天然指标和人为活动污染指标构成, 在认识地下水质量的同时还应知道其影响因素。地下水质量状况与评价方法、标准和检测指标情况密切相关。本研究在充分借鉴国内外先进的地下水质量评价方法、指标体系和行业规范, 并参考我国新的《地下水质量标准》(报批稿)中地下水指标限值的基础上, 提出了衡量地下水质量的单指标综合评价和影响因素识别相结合的方法。该方法不仅反映具有明确物理意义的地下水质量类别, 还能够划分区域地下水人为污染的可能性。

2)结合华北平原地下水质量分析表明: ①华北平原地下水质量受地质环境和水文地质条件控制,从山前至滨海依次变差, Ⅰ至Ⅲ类地下水从 49%降至3.9%, Ⅴ类地下水从21%升至86.9%, 深层地下水质量好于浅层地下水; ②一般化学指标对华北平原地下水质量影响程度最高, 达70.44%; ③华北平原浅层地下水原生指标锰、总硬度、溶解性总固体、碘化物对超Ⅲ类水单指标贡献率, 分别为 73%、72%、57%和 55%; 源自人类活动影响的污染指标贡献率: 亚硝酸盐为 20%、硝酸盐为 9.5%及铵-氮为6.4%, 镉、六价铬、铅、汞的贡献率极低, 有机污染指标中苯和四氯化碳对区域地下水质量影响贡献率均达 0.41%, 深层地下水源自人类活动影响的污染指标主要为亚硝酸盐, 贡献率为5.4%。

致谢: 参加本研究的单位有: 河北省地质环境监测总站、北京市地质调查研究院、天津市地质调查研究院、山东省地质调查院和河南省地质调查院。十几年的合作中，大家尽心尽力，得出了许多有价值的数据和创新的认识。在此, 对各参加工作的同仁表示感谢。

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Research on the Method for Evaluation and Influence Factors Identification of Regional Groundwater Quality: A Case Study of the North China Plain

FEI Yu-hong, ZHANG Zhao-ji, GUO Chun-yan, WANG Chun-xiao, LEI Ting, LIU Jin
Institute of Hydrogeology and Environmental Geology, Chinese Academy of Geological Sciences, Shijiazhuang, Hebei 050061

The groundwater quality is controlled by water-rock interaction and human activities. It is necessary to know the influencing factors when the groundwater quality is analyzed. On the basis of a rigorous analysis of the classification standard of groundwater quality and its indicators, the method combining the single factor comprehensive evaluation and the identification factor was used to measure the quality of groundwater. This method can not only reflect the classes of groundwater quality with clear physical meaning but also divide the anthropogenic pollution possibility of regional groundwater. As a case study, in the North China plain, 49 organic and inorganic targets were detected from the groundwater samples collected form 6063 representative groundwater wells. The results show that the groundwater quality in the North China plain is controlled by the geological environment and hydrogeological conditions. The general chemical index exerts the greatest influence on the quality of groundwater. According to Ⅳ-Ⅴ class shallow groundwater, and the total contribution rates of manganese, total hardness, total soluble solids, iodide, which are kinds of protogenetic component, are more than 50%. In the pollution indexes, the contribution rates of nitrite is 20%, and the influence of heavy metals and organic matter on the regional groundwater quality is very little.

North China plain; groundwater quality; evaluation; influence degree; contribution rate

P641.69; X824

A

10.3975/cagsb.2014.02.02

本文由国家973项目(编号: 2010CB428801-1)和中国地质调查局国土资源大调查项目(编号: 1212010634600)联合资助。

2013-09-30; 改回日期: 2014-01-24。责任编辑: 魏乐军。

费宇红, 女, 1960年生。研究员。主要从事水文水资源方面的研究。E-mail: yuhong_fei@163.com。