岩溶城镇区人类活动对地下水水质的影响

任 坤，李晓春，王凤康，蓝家程

(1.西南大学地理科学学院，三峡库区生态环境教育部重点实验室，重庆 400715国土资源部岩溶生态环境 -重庆南川野外基地，重庆 408435;2.西北大学资源与环境学院，陕西 西安 710127)

岩溶地区具有特殊的地质背景，导致其水、土等生态环境非常脆弱，极易受到人类活动的影响[1-2]。人类活动产生的污染物能够通过落水洞、漏斗和裂隙等直接进入地下含水层，加之岩溶含水系统自净能力较差，使得岩溶地下水水极易受到污染，直接制约着人类生活饮用水安全。城镇地区，人口较为集中，污水和垃圾排放量较大，且多数地区生活垃圾的随意堆放、未经处理的生活及工业废水的任意排放、以及农业化学肥料及农药的不合理施用等都对岩溶生态环境造成了巨大影响，地下水水质遭到严重破坏。前人就农业活动[3-8]、工业活动[9-10]、旅游活动[11-12]和产业结构变化[13]等对岩溶地区地下水水化学的影响做了很多研究，但就某一个岩溶城镇区的人类活动对地下水水质的影响研究的并不多。而随着社会经济的发展，城镇化是一个必然的趋势。因此本文以重庆南山老龙洞地下河流域作为研究单元，通过分析地下水污染组分来源，探讨近几年来该流域岩溶地下水水质变化的原因，以求为岩溶区域城镇的建设发展和岩溶地下水的保护提供科学依据。

1 研究区概况

老龙洞岩溶流域位于重庆市南岸区南山黄桷垭镇，为一近南北向展布的岩溶槽谷。槽谷地处川黔南北构造体系长江南岸南温泉背斜上，背斜核部主要地层为三叠系下统嘉陵江组碳酸盐岩，背斜东西两翼及南北两侧为三叠系上统须家河组长石石英砂岩和泥岩并夹有煤层。槽谷内落水洞、天窗、岩溶洼地、岩溶漏斗、溶洞和地下河较为发育，大型洼地中分布有较厚的土壤覆盖层，其边缘常有泉水出露，地下河出口海拔约379 m，洞内多年平均温度18℃。区内属于亚热带湿润性季风气候，多年平均气温为17℃，多年平均降雨量1 180 mm，植被为亚热带常绿阔叶林，土壤为黄壤和石灰土。老龙洞流域位于城镇地区，人口数量较多，人类活动多样且集中。流域人口约5万人，人口密度约3 751人/km2。上游主要为黄桷垭街区、重庆邮电大学等人口聚集区;中下游分布有老厂社区、重庆第二师范学院、“重庆泉山市级小企业创业基地”的二十来家小企业和大量火锅店;下游有拉法基水泥厂、巨成石材等厂矿以及汽修、电焊、木材厂等企业。流域面积约13 km2，不同土地利用类型所占流域面积比例如图1所示。

图1 不同土地利用类型所占比例

2 研究方法

根据研究区水文地质图(见图2)，选取了桂花湾泉(Q1)、赵家院子泉(Q2)、老龙洞地下河出口(D1)和城市生活污水沟(W1)为采样点。其中，桂花湾泉和赵家院子泉属于表层岩溶裂隙水，周围土地利用类型分别以城镇建设用地和农业用地为主。老龙洞地下河水属于岩溶管道水。

图2 研究区水文地质图(据曹敏修改 )

2.1 样品采集与测试

2008年4月至2013年3月，对老龙洞地下河出口(D1)每月中旬取样一次，2010年9月至2013年3月每月中旬采集桂花湾(Q1)和赵家院子泉(Q2)水样，2010年10月至2012年10月采集污水(W1)水样，而后因地下排污管道铺设，地表污水沟无污水，停止采样。在野外，用多参数水质分析仪 WTW350i(德国)现场测定水温、电导率(EC)和 pH值，精度分别为 0.1℃、1 μS/cm、0.01;用硬度计和碱度计(德国Merck公司)现场测定Ca2+和HCO3-含量，精度分别为2 mg/L和0.1 mmol/L。用事先通过酸浸泡过的聚乙烯瓶分别采集50 ml和500 ml用于阳、阴离子浓度室内测试，其中阳离子加入1:1 HNO3酸化至pH＜2。所采水样放入便携带式冰袋中保存运回实验室分析测试。阳离子用Optima-2100DV全谱直读型ICP-OES(美国 Perkin-Eptima公司，检测精度0.001 mg/L)测定;阴离子测定方法参考《地下水标准检测方法》与《水和废水检测方法·第四版》，其中 SO42-、NO3-、PO43-用UV2450紫外分光光度计(日本岛津公司，检测精度0.01 mg/L)测定，Cl-的测定采用 AgNO3滴定法。

图 3 地下河(D1)2008～2013年 K+、Na+、SO2-、4 NO3-、Cl-和 PO43-变化趋势

2.2 数据分析

主成分分析法被广泛的运用在地球科学系统上，通过降维来解析一些化学组分的来源。对桂花湾泉(Q1)、赵家院子泉(Q2)、老龙洞地下河出口(D1)(W1不属于岩溶地下水，不详细分析)的物理化学指标经过 KMO度量和Bartlett球型度检验，认为主成分分析法可行，并选取特征根大于1的主成分进行研究。Q1、Q2有3个主成分，D1有4个主成分，其累计方差贡献率分别为 87.55%、91.03%和 97.39%。在SPSS软件中进行主成分分析。

3 结果与分析

3.1 地下水污染组分含量

根据2008年以来地下水及2010年10月至2012年10月地表污水水化学监测数据(见表1)可以看出，地下河水K+的变化范围较大，为 7.56 ～37.27 mg/L，污水、赵家院子泉和桂花湾泉 K+变化范围为 16.91～44.12 mg/L、3.50～11.83 mg/L、3.72 ～9.97 mg/L，变化幅度相对较小。《中华人民共和国生活饮用水卫生标准》(GB5749-2006)规定，生活饮用水中Na+的含量不得超过200 mg/L，地下河和泉水中 Na+的含量在11.08～74.1 mg/L之间，单就 Na+来看，老龙洞流域的地下水可以作为饮用水源。地下河水中SO2-4的含量最高，变化幅度为 69.1～182 mg/L，均值为 111.99 mg/L，从均值来看，采样点 SO42-的含量大小依次为地下河水＞赵家院子泉＞生活污水＞桂花湾泉。GB5749-2006规定，生活饮用水中 NO3--N的含量不得超过20 mg/L，地下水中NO3--N的含量都超过了20 mg/L，说明研究区地下水中NO3--N污染比较严重，依次为桂花湾泉＞赵家院子泉＞地下河水。污水中 Cl-和PO43-的含量最高，极值可达120 mg/L和15.68 mg/L，而主要受农业活动影响的赵家院子泉这两种污染物质的含量却最低，地下河水 Cl-和 PO43-的含量最高介于两者之间，初步可断定地下河水中这两种离子主要来源于生活污水。同老龙洞地下河一样，重庆丰都雪玉洞岩溶地下河(几乎不受人类活动的影响，属天然地下水)也发育于川黔南北构造体系，自2007年以来地下水中PO43--P的含量多在0.15 mg/L左右(未发表)。而研究区地下水和污水中PO43--P的浓度平均值都超过了这个值，Q2和Q1两个泉水PO43--P含量分别超过雪玉洞地下河水约2倍和4倍，老龙洞地下河水中PO43--P含量比雪玉洞地下河水高出十几倍，可见研究区PO43--P污染也比较严重。以电导率(EC)均值来看，污水＞地下河 ＞赵家院子泉＞桂花湾泉。

3.2 地下水污染组分含量变化特征

根据老龙洞地下河各种离子每月浓度值的变化趋势图，用 y=a+bt对其进行线性拟合。其中，b为变化趋势，b×10表示倾向率。K+、Na+、Cl-和 PO43-的倾向率分别为1.36、0.61、2.60、0.40，均大于 0;SO42-和NO3-的倾向率分别为5.43、4.65，都小于 0。结合图 3可以得知，自 2008年以来，老龙洞地下河水 K+、Na+、Cl-和 PO43-含量呈逐渐增加趋势，SO42-和NO3-呈减少的趋势。农耕区过多施用氮肥和粪肥，其中约有12.5% ～45%的氮从土壤中流失，造成农耕区地下水硝酸盐的含量严重超标[14]，但由于城镇的发展使得研究区农业用地面积减少，农业活动带来的氮源减少是地下河水NO3-含量呈减少趋势的主要原因;SO42-量的减少也可能是农业活动输入减少造成的，但具体原因还有待进一步分析。地下河水中 K+、Na+、Cl-和 PO43-含量增加表明城镇化效应明显，PO43-主要来自含磷化肥和洗涤剂的使用，但研究区含磷化肥的使用量较小(赵家院子泉PO43-浓度最低)，而污水(WI)中PO43-的含量较高，说明地下河水 PO43-主要来源于城镇化带来的大量含磷洗涤剂的使用。从地下水污染较为严重的NO-来看，地下河的水质趋于好转;但从 PO3-34来看，地下水水质正在恶化。值得一提的是三年来赵家院子泉周围农业用地逐渐减少，但泉水中 K+、Na+、SO42-、Cl-和PO43-含量却在增加，尤其是 PO43-含量从 2009年的 0.08 mg/L上升到2012年的0.62 mg/L，上升很快。这是因为在其周围农业用地减少的情况下，居民建设用地却在增加，增长的人口会产生更多的生活垃圾和排放更多的生活污水，导致赵家院子泉水中 K+、Na+、SO42-、Cl-和 PO43-含量增加，说明赵家院子泉水越来越受到城镇化的影响，同时也印证了地下河水中PO43-含量的增减是由于城镇化造成的。

表1 各监测点组分含量范围及平均值

3.3 地下水污染组分来源探讨

桂花湾泉的第 1主成分(Q1-PC1)中(表 2)，K+、Na+、SO42-、NO3-和Cl-均有较高的载荷量。桂花湾泉附近没有工业活动，也没有农业用地，只分布有重庆邮电学院，由此可以推测出邮电学院生活污水的渗入是其最主要的污染来源。桂花湾泉的第3主成分(Q1-PC3)中(见表2)，只有 PO43-具有较高的载荷量，周围的居民常年在此洗衣，含磷洗涤剂的使用可能是水中PO43-的主要来源。所以Q1-PC1反映了生活污水是 K+、Na+、SO42-、NO3-和Cl-等营养物质的主要来源，Q1-PC3反映了居民的洗衣活动是泉水中PO43-的主要输入源。赵家院子泉的第 1主成分(Q2-PC1)中(表 2)，K+、Na+、SO42-、NO3-和Cl-也有较高的载荷量。赵家院子泉上覆主要是农业用地(菜地)，农业中土杂肥、化肥、农药的大量施用使土壤中的钾、钠、氮和硫等含量增加[15]，这与重庆市北碚区青木关地下河系统污染物质的来源基本相同[16]。另外，赵家院子泉周围零星分布着居民点，居民排放的废水可能也是泉水中污染物质的来源之一。和桂花湾泉一样，在赵家院子泉的第3主成分(Q2-PC3)(见表2)，只有 PO43-具有较高的载荷量，居民的洗衣活动对其贡献较大。Q2-PC1反映了农业活动是 K+、Na+、SO42-、NO3-和 Cl-等营养物质的主要来源，Q2-PC3反映了居民的洗衣活动是泉水中PO43-的主要输入源。

岩溶地区特殊的水文地质“二元”空间结构，地表水和地下水转换迅速[17-18]，地表水可携带污染物质进入地下河;流域内有一南北方向的地表排污沟渠，黄桷垭镇所有的生活污水都排入此沟渠，沿途污水渠中的污水部分泄露至低洼农田和落水洞;流域内垃圾露天堆积随处可见;流域的中下游，居民和小企业通过落水洞排放污水和倾倒垃圾的现象非常普遍。因此，地表径流携带的污染物、污水及农业活动都可以成为地下河污染组分的来源。地下河水的第1主成分(D1-PC1)中(见表 2)，K+、Na+和 PO43-均有较高的载荷量，反映了老龙洞地下河的污染来源有城镇活动、工业活动、农业活动等，较为复杂，这与前人的研究结果相一致[19]。在第3主成分(D1-PC3)中(见表2)，SO42-具有较高的载荷量，经调查发现研究区含有煤系地层，煤层中的硫化物经风化水解作用可以产生硫酸，如2FeS2+7O2+2H2O=2FeSO4+2H2SO4。由于研究区基本没有排放含硫“三废”的工业活动，雨水 SO42-含量却较高，因此 SO42-来自于研究区煤系地层和酸雨的可能性较大，但不排除生活污水的影响，因为污水中的SO42-含量也很高。第4主成分(D1-PC4)中(见表2)，仅 NO3-具有较高的载荷量。地下河处于还原环境(DO常年低于2 mg/L)使氮不以NO3--N形式存在，因此地下河水NO3-含量比较低(见表1)。

表2 地下水物理化学指标的载荷

4 结语

(1)研究区地下水污染组分含量较高，其中NO3--N和PO43--P污然最为严重，按 GB5749-2006规定，研究区的地下水已不可作为饮用水源。

(2)以地下水污染较严重的NO3--N来看，地下河的水质正在趋于好转，而以PO43--P来看，地下河的水质却在恶化，赵家院子泉水PO43--P增长也十分迅速，其受城镇化影响越来越明显。

(3)城镇生活污水和工业废水都是地下河的补给源，垃圾堆所含的污染物质和农田中过量使用的化肥农药都可以经地表径流携带或雨水冲洗进入地下河，因此地下河污染来源具有多源性，污染程度比两个表层岩溶泉严重。然而，地下河中NO3-和SO42-含量的减少，说明采取一些积极的措施，地下水的污染是可以得到治理的。

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