湖南郴州柿竹园矿区乡镇地下饮用水源重金属水质评价

徐冰冰，许秋瑾*，梁存珍，李丽，蒋丽佳

1.环境基准与风险评估国家重点实验室，中国环境科学研究院,北京 100012 2.中国石油化工学院环境工程系，北京 102617 3.江南大学环境与土木工程学院，江苏 无锡 214431

湖南郴州柿竹园矿区乡镇地下饮用水源重金属水质评价

徐冰冰1，许秋瑾1*，梁存珍2，李丽3，蒋丽佳1

1.环境基准与风险评估国家重点实验室，中国环境科学研究院,北京 100012 2.中国石油化工学院环境工程系，北京 102617 3.江南大学环境与土木工程学院，江苏 无锡 214431

采用单因子评价法和内梅罗指数法对湖南郴州柿竹园矿区乡镇地下饮用水源丰、枯水期重金属进行水质评价。结果表明，Fe、Mn、Ba、Zn、Cu、As、Pb、Ni、Cr、Cd和Hg等重金属在矿区乡镇地下水中普遍存在，其中Mn、Fe和As为该地区乡镇地下水中的主要重金属污染物，其检出浓度分别超过GB 5749—2006《生活饮用水卫生标准》限值的14.72、1.73和1.61倍。枯水期柿竹园矿区乡镇地下水水质相对丰水期差，该地区乡镇地下饮用水源水质评价结果为较差、良好和优良的在枯水期分别占饮用水源取样点总数的5％、10％和85％；在丰水期分别占饮用水源取样点总数的5％、5％和90％。

地下饮用水源；水质评价；重金属；矿区

水是人类社会赖以生存和发展的重要自然资源。水环境质量的优劣与国民经济和百姓健康休戚相关。饮用水作为水体的重要功能之一，一直备受关注[1-3]。现阶段，我国工业化与城镇化进程加快，大量污染物随工业废水和生活污水直接排放，通过土壤渗透、地表径流和大气沉降等形式不可避免地进入到地表和地下水体之中，直接威胁着饮用水源的水质安全。乡镇饮用水源由于量小、分散，水体缓冲和自净能力较弱，饮用水处理设施远远落后于城市等原因，饮用水的安全问题表现得更为突出[4-6]。特别是，经简单工艺处理、直接饮用的地表水和浅层地下水的乡镇饮用水质量和卫生状况难以保障。已有文献[7]报道，饮用水污染与癌症发病率、腹泻发病率及死亡率之间都存在一定程度的相关性。因此，加强乡镇饮用水源的水质监测力度，合理开展乡镇饮用水源有毒污染物水质评价，对于有效保障乡镇饮用水安全，保护居民健康具有重要意义。

对水质进行合理、客观、准确的评价是开展乡镇饮用水源污染防治与保护的根本依据。水质评价是根据评价目的，合理选择相应的水质参数、水质标准和评价方法，从而对水体的质量、利用价值及水的处理要求做出客观评定[8]。目前，多采用以水质物理化学参数的实测值为依据，通过单项参数评价或多项参数综合评价的方法开展水质评价研究。水质评价方法主要有单因子评价法[9]、综合指数法[10-12]、模糊数学评价法[13-14]、灰色系统评价法[15-16]、人工神经网络评价法[17]和多元统计法[18-21]等。对于乡镇饮用水源水质评价而言，由于乡镇技术人员的操作能力以及相应配套设备还处于相对较低水平，因此，选择简单、易操作，评价结果较为可靠的水质评价方法更便于在乡镇地区推广。

湖南郴州柿竹园矿区是世界闻名的多金属矿床地，被中外地质专家誉为“世界有色金属博物馆”[22]。地下水是该矿区的重要水源之一。矿区内建有多家采矿厂、选矿厂和冶炼厂，存在矿物开采伴生的尾矿库和尾砂坝等，这些都可能给地下水带来重金属污染，危害矿区周边乡镇居民的健康。笔者以湖南郴州柿竹园矿区为例，采用单因子评价法和内梅罗指数法对矿区内乡镇地下饮用水源枯、丰水期重金属污染进行评价，以期为评价乡镇饮用水源提供基础数据支持。

1 材料与方法

1.1 水样采集与分析

湖南郴州柿竹园矿区内生产企业和尾矿等污染源共计18个(A～R)，其中A、B、F、G、H、O、P、Q、R为选矿厂，E为采矿厂，I、J、L、N为冶炼厂，M为建材公司，C、D、K为尾矿库。污染源周边共设20个取样点，取样点1#～4#在白露塘镇；5#～16#在塘溪乡；17#～20#在桥口镇。柿竹园污染源与取样点布置如图1所示。

图1 研究区及取样点示意Fig.1 Study area and sampling sites

采用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS，Agilent 7500)对矿区地下水中11种重金属元素(Cr、Mn、Fe、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Ba、Hg和Pb)进行定性定量分析。仪器运行条件：高频发射功率为1 500 W，Ar载气流速为0.65 Lmin，Ar补充气流速为0.45 Lmin，Ar冷却气流速为14.0 Lmin，雾化室温度为2 ℃，真空室压力为2.1×10-7Pa。各重金属元素检测值的标准方差均小于5％。

1.2 水质评价方法

以湖南郴州柿竹园矿区地下水饮用水源为评价对象，针对地下饮用水源重金属污染物开展水质评价研究，水质评价采用GB 5749—2006《生活饮用水卫生标准》[23]，评价方法为单因子评价法[24]和内梅罗指数法[25]。

1.2.1 单因子评价法[24]

将每个评价因子与评价标准进行比较，确定各评价因子的水质类别，以最差水质作为水质评价结果(式1)。该方法计算简单、易操作，但由于该方法以最差水质的单个因子水质状况表示整个水体的水质，评价结果过于悲观。因此，在重金属水质评价中采用单因子指数法作为主要污染物筛选的依据。

Ii=CiCOi

(1)

式中，Ii为相对污染程度值；Ci为实测浓度；COi为评价标准值。若Iigt;1.00，表明水质不符合功能区要求，受到污染；若Iilt;1.00，则表明水质符合功能区要求，尚未污染。

1.2.2 内梅罗指数法[25]

内梅罗指数法不仅考虑单因子评价法中参加评价的各种污染物的污染指数，还考虑大量污染物的污染指数，加大了最大污染物的权重，更加合理地反映了水环境的污染性质和程度。因此，选用内梅罗指数法对柿竹园矿区地下饮用水源重金属污染物进行综合评价。其评价公式为：

(2)

式中，S为水环境质量综合污染指数；Ij,max为单因子j的最大污染指数；k为污染因子个数；Ij为单因子j的污染指数。

根据计算结果将水质分为五级：Slt;0.80，优良；0.81≤Slt;2.50，良好；2.50≤Slt;4.25，较好；4.25≤Slt;7.20，较差；Sgt;7.20，极差。

2 结果与讨论

2.1 矿区地下饮用水源重金属暴露特征

重金属是地下水中常见的重要污染物。重金属Hg、Cd、Pb、Cr和As由于具有极强的毒性以及生物蓄积性受到较为广泛的关注[26-27]。对于人体必需的Fe、Cu和Zn等元素而言，当其处于较高暴露水平时也会对人体产生一定的危害作用。因此，着重对柿竹园矿区20个乡镇地下饮用水源中Hg、Cd、Pb、Cr、As、Fe、Cu、Zn、Ni、Ba和Mn共11种重金属元素在枯、丰水期的浓度进行监测，结果如图2所示。

图2 柿竹园矿区地下水枯水期和丰水期重金属浓度特征Fig.2 Concentrations and distribution heavy metals in the dry and wet seasons

由图2可知，11种重金属元素在地下水中均有检出。其中，Fe、Mn、Ba和Zn浓度相对较高，Cu、As、Pb、Ni、Cr、Cd和Hg的浓度相对较低。枯水期，柿竹园矿区乡镇地下饮用水源各重金属平均浓度由高到低依次为：Fe(109.3 μgL)gt;Ba(101.7 μgL)gt;Zn(73.1 μgL)gt;Mn(55.8 μgL)gt;Cu(2.7 μgL)gt;As(1.9 μgL)gt;Pb(1.8 μgL)gt;Ni(1.3 μgL)gt;Cr(0.6 μgL)gt;Cd(0.1 μgL)gt;Hg(0.08 μgL)。与枯水期相比，丰水期11种重金属元素的浓度略有差异，柿竹园矿区乡镇地下饮用水源各重金属平均浓度由高到低依次为：Ba(99.1 μgL)gt;Fe(91.2 μgL)，Mn(83.7 μgL)gt;Zn(38.2 μgL)gt;As(2.5 μgL)gt;Cu(2.1 μgL)gt;Ni(1.3 μgL)gt;Pb(0.8 μgL)gt;Cr(0.8 μgL)gt;Cd(0.1 μgL)gt;Hg(0.03 μgL)。

柿竹园矿区乡镇地下饮用水源中，Mn在丰水期的浓度略大于枯水期，说明除了地下水的流动使含锰矿石溶解之外，在人为因素影响下，地下水中锰很可能还来源于矿区采矿、冶金、化工等工业废水的排放，应加强进一步的监测。Ni、Cd、Cr和As在枯、丰水期的浓度水平相当，而其他6种重金属元素在丰水期的浓度略小于枯水期，这10种重金属的暴露水平并没有因为丰水期水量的增大而增大，说明这些重金属元素主要源于矿物的溶滤作用，以自然来源为主。由此可见，在研究区域内乡镇地下饮用水源中重金属主要为天然来源，其中矿物溶滤和地下径流为主要迁移途径；人为源对地下水重金属污染的程度不高。

2.2 矿区地下饮用水源重金属污染单因子评价

采用单因子指数法对柿竹园矿区乡镇地下饮用水源主要重金属污染物进行筛选，结果如表1和表2所示。

表1 柿竹园矿区枯水期地下水重金属水质评价结果

枯水期时(表1)，单因子评价结果显示，柿竹园矿区乡镇地下饮用水源20个取样点中仅有7#、11#和12#存在重金属污染，不能满足GB 5749—2006的要求，不宜直接饮用。其中，7#取样点中Fe和As的相对污染程度值分别为1.73和1.61；11#和12#取样点中Mn的相对污染程度值分别为7.23和2.33。表明7#、11#和12#取样点水质不符合功能区要求，受到污染。其他17个取样点重金属的相对污染程度值均小于1.00，表明这些饮用水源中各重金属元素均未超出GB 5749—2006规定的限值，符合饮用水源功能区要求，未被污染。

丰水期时(表2)，单因子评价结果与枯水期略有不同。柿竹园矿区乡镇地下水源中仅有3#、4#和11#取样点存在重金属污染，不能满足GB 5749—2006的要求，不宜直接饮用。其中，3#和4#取样点中As的相对污染程度值分别为1.61和1.04，说明这两个取样点存在不同程度的As污染；11#取样点中Mn的相对污染程度值为14.72，表明该水源受Mn污染严重。其他17个取样点重金属的相对污染程度值均小于1.00，表明饮用水源中各重金属元素均未超出GB 5749—2006规定的限值，符合饮用水源功能区要求，未被污染。

表2 柿竹园矿区丰水期地下水重金属水质评价结果

2.3 矿区地下水饮用水源重金属综合水质评价

采用内梅罗指数法对柿竹园矿区乡镇地下饮用水源重金属综合水质进行了评价(表1和表2)。结果表明，枯水期时(表1)，柿竹园矿区11#取样点的水环境质量综合污染指数为5.14，说明该点地下饮用水源水质较差；7#和12#取样点的水环境质量综合污染指数分别为1.27和1.66，表明其水质良好；其他17个取样点的水环境质量综合污染指数均小于0.80，表明这些取样点地下饮用水源水质优良。经统计可知，柿竹园矿区乡镇地下饮用水源水质较差、良好和优良的饮用水源取样点数分别占取样点总数的5％、10％和85％。

丰水期时(表2)，柿竹园矿区11#取样点的水环境质量综合污染指数为10.46，说明该点地下饮用水源水质已经处于极差状态；3#取样点的水环境质量综合污染指数为1.15，表明其水质良好；其他18个取样点的水环境质量综合污染指数均小于0.80，表明这些取样点地下饮用水源的水质优良。其中水质极差、良好和优良的饮用水源取样点数分别占取样点总数的5％、5％和90％。

3 结论

(1)柿竹园矿区乡镇地下水源中普遍存在Fe、Mn、Ba、Zn、Cu、As、Pb、Ni、Cr、Cd和Hg，其中Mn的来源受人为影响相对较大，其他金属元素主要来源于矿物溶滤等自然来源。

(2)单因子评价法分析结果表明，柿竹园矿区乡镇地下饮用水源中主要重金属污染物为Mn、Fe和As。柿竹园矿区内3#、4#、7#、11#和12#取样点在枯、丰水期分别受到Fe、As和Mn的污染，已不能满足《生活饮用水卫生标准》的要求，不宜直接饮用。

(3)内梅罗指数法分析结果表明，柿竹园矿区乡镇地下饮用水源重金属污染丰水期水质优于枯水期。矿区内11#取样点地下饮用水源枯、丰水期水质分别为较差和极差状况，受重金属污染较重，应重点防控；3#、7#、12#取样点地下饮用水源水质良好；其他取样点地下饮用水源水质优良。

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WaterQualityAssessmentforHeavyMetalsinRuralGroundwaterSourcesaroundShizhuyuanPolymetallicMineinChenzhou,HunanProvince

XU Bing-bing1, XU Qiu-jin1, LIANG Cun-zhen2, LI Li3, JIANG Li-jia1

1.State Key Laboratory of the Environmental Criteria and Risk Assessment, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China 2.Department of Environmental Engineering, Beijing Institute of Petrochemical Technology, Beijing 102617, China 3.School of Environmental and Civil Engineering, Jiangnan University, Wuxi 214122, China

Water quality assessment for heavy metals in rural groundwater sources around Shizhuyuan Polymetallic Mine in Chenzhou, Hunan province in wet and dry seasons was carried out by using Single-factor Assessment Method and Nemerow Index Methods. The results showed that Fe, Mn, Ba , Zn , Cu , As, Pb , Ni, Cr , Cd and Hg were ubiquitous in rural groundwater sources. Mn, Fe and As were the main heavy metal pollutants in rural groundwater sources around Shizhuyuan mine area, with the detection concentrations exceedingSanitaryStandardforDrinkingWater(GB 5749-2006) by 14.72, 1.73 and 1.61 times, respectively. The rural groundwater quality was poorer in dry season than that in wet season. The water quality in poor, good and excellent status in dry season accounted for 5％, 10％ and 85％ of the total rural groundwater sources, respectively, while in wet season it accounted for 5％, 5％ and 90％, respectively.

groundwater source; water quality assessment; heavy metal; mining area

1674-991X(2013)02-0113-06

2012-06-18

国家环境保护公益性行业科研专项(200909054)

徐冰冰(1980—)，女，副研究员，博士，主要从事水污染控制技术研究，xbb_hit@126.com

*责任作者:许秋瑾(1970—)，女，研究员，博士，长期从事湖泊生态及污染防治技术研究，xu_qiujin@yahoo.com.cn

X523

A

10.3969j.issn.1674-991X.2013.02.019