安徽北部农村地区地下水重金属含量特征及水质评价

2015-04-23王思维林曼利

地下水 2015年6期

王思维，林曼利，王曜，谢哲

(1.宿州学院环境与测绘工程学院，安徽宿州234000;2.宿州学院资源与土木工程学院，安徽宿州234000)

地下水因其水质优良，分布广泛，水质更新速度快，开采工作简单易行，已成为人们日常生产生活青睐的水源地之一。世界上约三分之一的人口是以地下水作为饮用水源的［1］，特别是在农业灌溉中约 80% 的水取自地下［2］。但近年来地下水面临水质污染和超采双重问题，主要原因包括农业的集约化，化肥农药的不合理使用，城镇化的不断推进过程中欠佳的基础设施和含水层水量超采等［3－4］。在中国，61% 的城市以地下水作为饮用水源，在多种污染源作用下，我国浅层地下水污染严重且污染速度快［5］。目前我国地下水污染十分严重，点源污染不断增加，非点源污染日渐突出，水污染加剧的态势尚未得到有效遏制［6］。据环保部门调查统计，我国已有118个大中型城市地下水受到了污染，有近3.6亿的农村人口无法喝到健康的符合标准的饮用水［7］。水质型缺水已严重阻碍了社会经济的发展，威胁到了人类的身体健康。对于采煤矿区来说，煤炭开采活动不仅会对地下水流动产生干扰，也会对其水质产生一定的影响［8－11］。同时由于煤矿企业大多分布在近郊和偏远农村地区，而地下水恰恰又是这些地区居民的直接饮用水水源。因此，地下水水质对采煤矿区居民的身体健康至关重要，应予以高度关注。从研究现状来看，针对地下水的研究，目前主要集中于以地下水为饮用水源的城市地区的水质分析与评价［12－14］，而对农村地下水水质开展研究的较少［15－16］。本文在对安徽北部农村地区地下水中 Cd，Cr，Cu，Zn，Pb，Ni和 Mn 七种重金属含量特征进行分析的基础上，利用修正的内梅罗指数法对水质进行了评价，以期为研究区水资源规划管理和农村居民用水水源地的选择提供参考。

1 研究区概况

皖北地区地处淮河及其以北地区，位于E114°55＇～118°10＇，N32°25＇～ 34°35＇之间，为黄淮海平原南端。北部临山东、江苏、河南三省，地辖淮南，蚌埠，阜阳，亳州，宿州，淮北六个地级市，区域总面积为64 154 km2，国土面积约占安徽省总量的1/3，人口3 100万，约占安徽省的1/2［17］，其中农村人口约为1 900万［18］。区域内主要为暖温带季风气候，大部分地区年降水量小于800 mm，气候较为干旱。本区域内煤炭资源丰富，煤种齐全，全省含煤面积1.8万 km2，占全省总面积的13%。区域内有淮南矿业、淮北矿业、国投新集和皖北煤电等安徽四大煤炭企业，主要重工业为煤炭的开采及其相关产业，是我国重要的煤炭生产和发电基地之一。

2 样品采集与测试

2.1 样品采集

本次研究共采集26个农村地下水样品，采样时间集中安排在2013年5月。采样方法为随机采样，一般从压水井直接取样，采样深度在15～200 m之间，采样点的分布如图1所示。取样时先抽洗5 min，之后用聚乙烯塑料瓶润洗3次，采样容量为1 000 ml，装满密封后，于24 h内带回实验室进行处理。

2.2 指标测试

水样的T、pH、总溶解性固体(TDS)和电导率(Ec)在各采样点现场测试，其中pH由便携式pH计 (Bante220型)测定，T、TDS和Ec由水质检测笔(HM，COM－100)测定。样品带回实验室后，经0.45μm孔径滤膜过滤，加入优级纯HNO3调pH≤2，处理后的样品储存于4℃冷藏备用。重金属采用原子吸收分光光度计(普析，TAS－990FG)测定，其中Mn、Zn和Ni采用火焰法，Cd、Cr、Cu和Pb采用石墨炉法，定量方法采用外标法。

图1 安徽北部地区农村地下水采样点分布图

3 结果与讨论

3.1 重金属含量特征

经过检测，各采样点的重金属含量实测数据分析结果列于表1。

表1 重金属含量测试数据分析 mg/L

由表1可知，研究区地下水中Mn的含量范围为:0.001 0～0.248 0 mg/L，Zn的含量范围为:0.002 6 ～1.089 2 mg/L，Cu的含量范围为:0～0.020 8 mg/L，Pb的含量范围为:0.000 9～0.014 7 mg/L，Cd的含量为:0 ～0.002 9 mg/L，Ni的含量范围为:0.000 6 ～0.116 8 mg/L，Cr的含量为:0.000 1～0.008 7 mg/L。七种检测指标含量均值大小为:Zn＞Mn＞Ni＞Cu＞Pb＞Cr ＞Cd。刘进［19］于 2008－2009年在淮北平原采集了151个浅层地下水水样，并对其进行重金属含量测定，其结果表明重金属均值大小顺序为Zn＞Mn＞Cu＞Pb＞Ni＞Cd，除Ni的含量大小与本研究有一定差异外，其他含量特征与本文研究结果一致;林曼利等［20］于2012年在皖北四个矿区采集了59个水样，进行重金属的测定，结果表明，重金属均值大小顺序为Zn＞Ni＞Pb＞Cu＞Cr＞Cd，除 Pb和Cu的含量大小存在一定的差异，其他含量与本文研究结果一致。结合前人的研究成果可以得出，安徽北部地下水中，Zn、Mn和Ni的含量一般较大，而Cr和Cd的均值则相对较小。

所测样品中Mn最大浓度为0.248 0 mg/L，是《生活饮用水卫生标准》GB5749－2006中Ⅲ类水质标准值(0.1 mg/L)的2.48倍。许光泉等［21］于2008年对安徽淮北平原浅层地下水水质特征进行了分析研究，结果表明浅层地下水中Mn含量为0.01～1.05 mg/L，最大含量超出 GB5749－2006中Ⅲ类水质标准值的10倍;周锴锷等［22］在2013年对淮河流域平原区浅层地下水Mn的分析研究中表明埋深0～50 m地下水中，重金属 Mn的含量为 0.1～1.94 mg/L，最大含量是GB5749－2006中Ⅲ类水质标准值0.1 mg/L的19.4倍。综合对比，本文研究结果与前人研究结论基本一致。水中Ni最大浓度值为0.116 8 mg/L，是生活饮用水标准值的5.84倍，超标含量较高。刘进［19］研究表明淮北平原地下水中Ni的最大浓度为0.050 5 mg/L，是生活饮用水标准值的2.5倍，也与本文研究结果一致。Zn最大浓度为1.089 2 mg/L，是生活饮用水标准值的1.089 2倍;Pb最大浓度为0.014 7 mg/L，是生活饮用水标准值的1.47倍;Cu、Cd和Cr的最大浓度分别为 0.020 8 mg/L、0.002 9 mg/L 和 0.008 7 mg/L。通过对比可以得出，研究区地下水中Mn和Ni的浓度高，超标量较大，Zn和Pb超标量相对较小，而Cu、Cd和Cr则均未超标。

在七种检测指标中，Mn、Zn和 Ni三种重金属标准差较大，表明三种重金属物质的离散程度比较大，说明可能受到了点源的扰动;而 Cu、Pb、Cd、Cr四种重金属物质标准差较小，表明四种金属物质的离散程度较小，差异不大，说明可能主要源自自然环境赋存或者受到了面源扰动［23－24］。在七种检测指标中，Ni、Mn、Zn和Pb四种重金属都有在不同的采样点中的含量超过了标准值，超标率分别为15.39%、11.54%、3.85%和3.85%，而Cu、Cd和Cr三种重金属超标率均为0。桂和荣等［25］于2002年对淮南市浅层地下水中的重金属进行分析研究，其结果表明 Cu，Zn，Pb，Hg，Cr和 Cd六种重金属中仅Pb超标，超标率为1.33%，与本次研究所得出的 Cu，Cd，Cr超标率为0和Pb的超标率为3.85%的结论比较一致，说明安徽北部地区已经有了部分地区开始出现Pb污染的状况。Mn和 Ni超标率较高，超标率分别为 11.54%和15.39%。何晓文等［26］于2011年对淮南矿区浅层地下水开展了水质分析与评价研究，结果表明Mn和Ni也有超标现象，其中二者超标率分别为46.92%和3.85%。针对安徽北部农村地下水，26个采样点中共有5个采样点检测出重金属含量超出标准值，总体超标率为19.23%。

3.2 重金属污染评价

在本次研究，主要考虑的是地下水是否可以作为农村居民直接饮用水水源，因此在进行农村地下水重金属水质评价时，选用《生活饮用水卫生标准》GB5749－2006Ⅲ类水质标准作为本次水质评价的标准。在水质评价中，评价方法有很多，通常根据不同的评价指标和评价因子的数量等因素来确定具体的评价方法。就总体而言，在水质评价中常用的评价方法主要有单因子指数法，模糊综合法，内梅罗指数法及修正后的内梅罗指数法等。其中，单因子指数法能够直观清晰的反映出影响水质的污染因子，同时可以对单个独立指标进行灵活的评价，但是评价等级会受到高浓度指标对的影响，从而无法良好地对研究区的水质进行综合评判，故在水质评价中存在一定的缺陷［27］。模糊综合法通过构造合适的隶属函数，通过数学运算的方法来反映水质界限的模糊性，更能够客观地反映水质的真实性和污染状况，但构造隶属函数和权重矩阵时，方法难以构造，数学计算量大且繁琐［28］。内梅罗指数法是一种突出最大值的计权型多因子环境质量指数法，考虑了污染较为严重的因子，又在数学加权计算的运算过程中避免了人为主观因素对权重系数的影响，是一种应用广泛的水质评价方法［29］。本文在对研究区的水质评价中，采用了应用广泛的内梅罗指数评价方法。为了在计算过程中避免传统的内梅罗指数法中过大污染因子和各污染因子对人体危害不同的权重对水质评价的影响，故采用了修正后的内梅罗指数法对研究区展开水质评价。

传统内梅罗指数的计算方法如下所示:

式(1)和式(2)中:Lij表示实测浓度与标准浓度之比;Ci表示第i种污染物的实测浓度，mg/L;Coi表示第i种污染物第j种评价等级标准，mg/L;Cimax表示多种污染物因子中的最大浓度，mg/L;C平均为多种污染物因子的平均浓度，mg/L;p'为内梅罗指数。

修正的内梅罗指数计算公式主要包括污染因子权重值的计算，加权平均的计算和修正后的内梅罗指数计算，其计算公式分别见式(3)、式(4)和式(5)。在计算过程中，首先根据研究区地下水的用途判断地下水的质量标准等级，将污染物因子的排放标准值Ii按从大到小的顺序进行排列，将Iimax与Ii的比值作为第i种污染物在评价方法中的相关性比值。式(3)～式(5)中，Wi为第 i种污染因子的权重值，Iimax为污染因子中的最大值，Ii为污染因子中的标准值，n表示污染因子个数，P表示修正后的内梅罗指数。其计算方法［30－33］如下:

本文评价指标选用《生活饮用水卫生标准》GB5749－2006中Ⅲ类水质标准为基础划分污染等级，利用上式，计算得出修正后的内梅罗指数的地下水评价分级标准见表2。

表2 地下水评价分级标准

根据实验检测数据、水质等级标准和评价模型计算得到的结果(Lij，Wi，Cimax，C加权平均和 P)列于表 3。

由表3可知，通过Lij值发现，研究区内的采样点中S1、S2、S3、S6和S10等五地检测出了单项重金属指标超出饮用水Ⅲ类水卫生标准，分别是 Mn、Zn、Pb和Ni四中重金属元素，尚未对地下水综合水质造成影响，其中以重金属Mn，Ni和Pb表现较为明显，如S6中重金属Mn实测浓度是标准值的2.48倍，S2中重金属 Ni实测浓度是标准值的3.43倍，S10中重金属Pb实测浓度是标准值的1.47倍。采样点S15的 P=0.771 9，在0.739＜P≤1之间，说明该地区地下水水质已经受到了重金属的轻度污染，地下水可能已经不可以再直接作为饮用水水源。研究区内其他25个地下水采样点的P均小于0.624，水质状况为清洁，地下水水质总体未出现重金属污染，尚且可以继续直接作为饮用水水源，但研究区水质问题应予以重视。

4 结语

(1)与《生活饮用水卫生标准》Ⅲ类水质标准值相比，安徽北部农村地区地下水重金属元素中，Mn，Zn，Ni和 Pb四种重金属出现超标现象，超标率分别为 11.54%、3.85%、3.85%和15.39，而Cu、Cd和Cr三种重金属均未超标。

(2)根据水质评价结果，研究区大部分农村地下水水质较好，可直接作为居民生活饮用水水源，但个别采样点地下水水质已受到了重金属的影响，采样点S15(皖阜阳市颍上县双集)的内梅罗污染指数P=0.771 0，水质评价结果为轻度污染。

(3)地下水水质事关广大农村居民饮水健康，有关部门应合理规划农村饮用水工程建设，建立健全地下水动态监测体系，严格管理乡镇企业排污，保证农村居民饮用水水质安全。

表3 修正的内梅罗指数计算结果

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