辽宁某地地下水中(重)金属污染评价

徐盛洪, 程全国

(沈阳大学 区域污染环境生态修复教育部重点实验室, 辽宁 沈阳 110044)



辽宁某地地下水中(重)金属污染评价

徐盛洪, 程全国

(沈阳大学 区域污染环境生态修复教育部重点实验室, 辽宁 沈阳 110044)

采用单项污染指数法和内梅罗综合污染指数法研究辽宁某地饮用水源地、垃圾填埋场和化工园区三个典型场地的地下水中9种(重)金属污染情况.结果表明,饮用水源地地下水中有5种(重)金属超标,采用内梅罗综合污染指数法评价的等级为Ⅱ(尚清洁);垃圾填埋场的地下水中有3种(重)金属超标,采用内梅罗综合污染指数法评价的等级为Ⅱ(尚清洁);化工园区的地下水中有7种(重)金属超标,采用内梅罗综合污染指数法评价的等级为Ⅲ(超标).

地下水; 重金属; 单项污染指数; 内梅罗综合污染指数

随着社会的发展,重金属污染问题越来越引起人们的关注[1-2],因其是持久性有毒污染物,很难运用简单的方法进行治理.重金属进入水体的途径很多,包括大气沉降、工业废水及城市生活污水的排放、矿产开采、地表径流的汇入等[3].地下水污染一般包括地表水渗入、矿山堆场以及垃圾填埋场渗滤液的浸入等,当重金属污染物进入水体后可由水相转入固相,并最终进入沉积物和地下水中,造成地下水污染[4].因地下水是农村及城市郊区的主要饮用水源,所以地下水中的重金属污染严重会直接危害人体健康.因此,用合理的评价方法,真实、准确地反映水体质量,是预防和解决地下水问题的基础[5].水质评价的研究工作起步较早,目前应用较多的方法包括单因子评价法[6]、灰色聚类法[7]、神经网络法[8-9]、内梅罗综合指数法[10]等.其中,单因子评价法应用最为成熟,原理简单,易于操作,但是评价结果过于单一,无法解释水环境中复杂的内在关系;灰色聚类法引入了灰色系统理论,综合考虑了各因子间的关系,评价结果较好,但具有一定的人为主观性;神经网络法包括BP、Hopfield等不同的网络,考虑了各污染因子间的复杂关系,但不易操作;内梅罗综合指数法是一种兼顾极值或称突出最大值的计权型多因子环境质量指数.总之,各种评价方法均有优缺点,在实际水质评价工作中,最重要的是根据研究目的找到合适的方法[11].本文以地下水质量标准(GB/T 14848—93)为依据,选用9种(重)金属污染因子,采用单因子评价法和内梅罗综合污染指数法对辽宁某地饮用水源地、垃圾填埋场和化工园区三个场地的地下水中(重)金属污染情况进行评价.

1 研究区域概况

辽宁某地位于辽东半岛中部,地貌类型齐全,分区规整,分异规律清楚.地势由高到低,从低山、高丘陵、低丘陵、台地到平原,层次分明,海拔由1 km到50 m依次跌落,构成了东南高,西北低的同向倾斜缓降地势.地处北温带,属大陆性气候,冬季寒冷,夏季炎热,四季分明.

1.1 饮用水源地概况

饮用水源地1995年8月投入使用,所能服务人口为7万人.该饮用水源设计每年取水量1 460万t,实际取水量1 244.1万t.该饮用水源地分为一级水源和二级水源,一级保护区以水井中心100 m为半径所围成的外包线区域,面积0.13 km2,占总保护区面积的3.3%.所有井的二级保护区均以一级保护区边界为起点,外径距离1 000 m所围成的外包线区域,二级保护区面积为3.796 km2,占总保护区面积的96.7%.

1.2 垃圾填埋场概况

市中心区生活垃圾无害化处理场始建于2001年,一期总投资3 700余万元,占地面积约30 hm2,总库容量为375.4万m3,使用年限为18～20年,日处理垃圾300 t.该市中心区垃圾无害化处理场实行新的垃圾处理填埋工艺,将生活垃圾由市内3个城区环卫处负责,集中装车压缩后,运到该垃圾处理场进行处理后填埋,污水经导流管排入调蓄池后进入污水处理厂进行处理.填埋区产生的气体经导气管收集后导出,符合国家环境保护标准和环境卫生的要求.

1.3 化工园区概况

化工园区自1993年10月开始建设并使用至今.饮用水源地、垃圾填埋场和化工园区三个场地一共35个采样点情况见表1.

表1 采样点编号、高程

注:— 表示未测量.

2 研究方法

2.1 采样和测定方法

采样时间为2015年10月,分别对三个研究区域附近的35个监测井中的地下水进行取样和分析,参照监测项目分析方法[12],对地下水中铁(Fe)、铜(Cu)、锌(Zn)、铬(Cr6+)、镉(Cd)、钼(Mo)、汞(Hg)、钴(Co)、铍(Be)9种金属元素含量进行测定,其中重金属元素有铜(Cu)、锌(Zn)、镉(Cd)、汞(Hg)、钴(Co)5种.具体方法见表2.

表2 项目测定方法

2.2 地下水水质评价方法

采用地下水质量标准(GB/T 14848—93)中单项污染指数法来对地下水中的(重)金属污染程度进行分析评价,然后利用内梅罗综合污染指数法评价该区域(重)金属的污染等级.

(1) 单项污染指数法.为了分析各(重)金属的污染程度,可利用单项污染指数法[13],公式如下:

(1)

(2)

(2) 内梅罗综合污染指数法.为了综合评价该市地下水总体(重)金属的污染程度,选择内梅罗综合污染指数法进行分析[14].内梅罗综合污染指数法的计算公式为:

(3)

式中:P综为综合污染指数(综合反映各污染物对区域地下水的不同作用);P平均为所有单项污染指数的平均值;Pmax为地下水环境中各单项污染指数中的最大值.

内梅罗综合指数的分级标准见表3.

表3 内梅罗综合污染指数的分级标准

3 评价结果

3.1 单向污染指数法评价结果

将取出的地下水,用表2测定项目与方法检测出相应的(重)金属含量值,再通过式(2)计算得到相应的(重)金属污染起始值,见表4.

用表2测定项目与方法检测出相应的(重)金属含量值,通过式(1)计算得到(重)金属元素的单项污染指数(见表4).

由表4可知,

辽宁某地地下水中(重)金属元

注:— 表示未检测出

素污染情况如下,水源地区域内金属超标有5种;垃圾场区域内金属超标有3种;化工区区域内金属污染超标较为严重有7种.

若Pi>1,则表示该区域受到污染.从图1可以看出,水源地区域内金属元素铁、六价铬、镉、钼、汞均超标,致使水源地地下水污染.其中SY3采样点(井)的金属超标数最多;其中铜、锌、镉和钼元素在各样品中均出现,说明污染已经在区域内普遍存在;六价铬虽然出现超标但仅在一个点位,其余点位均未检出.

图1 水源地(重)金属单项污染指数分布图

从图2可以看出,垃圾场区域地下水中金属元素铁、镉、铍出现超标情况,导致垃圾场地下水污染.其中LJ5采样点(井)有两种金属超标,LJ1中铁的超标情况仅出现在一个点位,其余点位均远低于标准;铜、锌、钼在各点位中均出现但均未超标.

从图3可以看出,化工区地下水中除了金属铜和锌未超标,其余金属均超标.其中CDK13采样点(井)中的六价铬严重超标,但超标仅为一处,其余均未检出;SC8采样点(井)中的铍、汞严重超标,远高于其他区域点位.很明显,化工区地下水中(重)金属超标情况导致该区域地下水污染.

图2 垃圾场(重)金属单项污染指数分布图

图3 化工区(重)金属单项污染指数分布图

3.2 内梅罗综合污染指数法评价结果

利用内梅罗综合污染指数法结算后得到评价等级见表5.由表5可知,水源地地下水中(重)金属的污染情况利用内梅罗综合污染指数法计算后显示,3种金属评价等级为Ⅰ(清洁),6种金属评价等级为Ⅱ(尚清洁),最终评价等级为Ⅱ(尚清洁);垃圾场地下水中(重)金属的污染情况评价显示,2种金属评价等级为Ⅰ(清洁),7种金属评价等级为Ⅱ(尚清洁),最终评价等级为Ⅱ(尚清洁);化工区地下水中(重)金属的污染情况评价显示,6种金属评价等级为Ⅱ(尚清洁),3种金属评价等级为Ⅲ(超标),最终评价等级为Ⅲ(超标).

表5 内梅罗综合污染指数法评价等级

3.3 各金属污染扩散趋势结果

利用surfer 8软件得到各金属污染扩散趋势如图4～图12所示,其中黑圈内(黑点)表示超标区域,白线表示浓度范围.

从图4可以看出,金属铁在化工区和垃圾场均存在超标情况,在化工区超标引起的污染范围扩散明显;图5能明显看出,金属铜广泛存在于三处区域,但是浓度未超标,金属铜浓度扩散趋势明显,不加防范会对地下水造成污染;图6中金属锌存在于三区域内,金属锌浓度呈上升趋势,但浓度均未超标,可能会造成地下水污染;图7可以看出,六价铬在水源地和化工区存在超标情况;图8可以看出,金属镉在三个区域均出现超标;图9中金属钼在水源地和化工区出现超标;图10中,金属汞在水源地和化工区内有超标;图11中,金属钴在化工区出现超标;图12中,金属铍浓度超标出现在垃圾场和化工区.

图4 金属铁污染扩散趋势

图5 金属铜污染扩散趋势

图6 金属锌污染扩散趋势

图7 金属铬(六价)污染扩散趋势

图8 金属镉污染扩散趋势

图9 金属钼污染扩散趋势

图10 金属汞污染扩散趋势

图11 金属钴污染扩散趋势

图12 金属铍污染扩散趋势

4 结果与讨论

通过单项污染指数法和内梅罗综合指数法,对某市三个典型区域地下水中的(重)金属污染情况进行评价分析,从而客观地了解到地下水中的9种(重)金属元素的分布、超标数以及分布,得出三个区域的(重)金属的污染程度,(重)金属的毒性是持久的、可富集的,其对环境的影响不容忽视.

结果表明,对饮用水源地地下水中(重)金属污染评价等级为Ⅱ(尚清洁),其地下水中超标的有铁、六价铬、镉、钼、汞5种(重)金属,其中镉、汞为重金属.通过调查当地文献,以及对该水源地地下水中数据的检测,参考《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006),对该地地下水采用《地下水质量评价标准》(GB 14848—93)中三级标准进行评价,发现铁超标3倍、六价铬超标10倍、镉超标10倍、钼超标249倍、汞超标215倍.水源地各采样点中(重)金属超标出现在不同的点位中,就单项看污染情况较为严重,从整体看存在受污染的风险,建议在水源地周边增加几处监测井,以便随时检测,及时准确的发现污染原因并进行治理;为了防止水源地污染对周边人畜造成危害,可在水源地周边增加水处理设备;加强宣传对水源地的保护,防止水质进一步恶化.

对垃圾填埋场地下水中(重)金属污染评价等级为Ⅱ(尚清洁),其地下水中超标的是铁、镉、铍3种(重)金属.根据对该垃圾场文献的调研评估,采用《地下水质量评价标准》(GB 14848—93)中三级标准对垃圾场地下水进行评价,发现铁超标5倍、镉超标1 007倍、铍超标11 004倍.垃圾场的地下水污染情况尚未明确,还需后续的调查研究.垃圾场的7个采样点中(重)金属部分出现超标情况,但每种超标的金属出现在不同的点位,从整体来看污染情况乐观,但仍需加强对垃圾场周边环境的保护、监管,并预防垃圾渗滤液的泄漏.

对化工园区的地下水中(重)金属污染评价等级为Ⅲ(超标),其地下水中有7种(重)金属超标,致使地下水污染,超标的(重)金属分别是铁、六价铬、镉、钼、汞、钴、铍,其中镉、汞、钴为重金属.对该化工区相关文献进行调查评估后,采用《地下水质量评价标准》(GB 14848—93)中三级标准,对化工区地下水评价发现,铁超标3.5倍、六价铬超标43倍、镉超标115倍、钼超标11倍、汞超标936倍、钴超标18倍、铍超标11 507倍.化工区的金属超标情况比较严重,急需对化工区地下水进行进一步采样分析,提出相应的污染治理措施.对化工园区的地下水加强管理,并采取相应的修复措施是必不可少的,也是刻不容缓的.

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【责任编辑: 赵 炬】

Evaluation of (Heavy) Metals Pollution of Groundwater in Some Place in Liaoning Province of China

XuShenghong,ChengQuanguo

(Key Laboratory of Regional Environment and Eco-Remediation (Ministry of Education), Shenyang University, Shenyang 110044, China)

Based on the single pollution index method and Nemerow pollution index method, 9 kinds of heavy metals pollution in groundwater in three typical sites of Liaoning Province, waterhead area, landfill and chemical industry area, are researched. The results show that, 5 kinds of heavy metals in groundwater of headwater area exceed bid, and it is in grade Ⅱ(still clean) evaluated by using Nemerow pollution index method; 3 kinds of heavy metals in groundwater of landfill exceed bid, and it is in grade Ⅱ(still clean) evaluated by using Nemerow pollution index method, 7 kinds of heavy metals in groundwater of chemical industry area exceed bid, and it is in grade Ⅲ (exceeds bid) evaluated by using Nemerow pollution index method.

groundwater; heavy metals; single pollution index; Nemerow pollution index

2016-09-26

中华环境保护基金会格平绿色行动-辽宁环境科研“123工程”资助项目(CEPF2014-123-2-10).

徐盛洪(1991-),男,辽宁庄河人,沈阳大学硕士研究生; 程全国(1966-),男,辽宁沈阳人,沈阳大学教授,博士生导师.

2095-5456(2016)06-0467-07

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