大连市地下水水质超标原因分析

2020-11-09

水资源开发与管理 2020年10期

(辽宁省大连水文局，辽宁大连 116023)

大连市地下水资源主要用于农村地区的生活、农业用水，地下水的质量直接影响到饮水安全。近年来，由于自然和人为双重因素，大连市地下水污染超标现象日益严重、普遍且复杂，因此，有必要及时、全面掌握大连市地下水水质现状和超标情况，深入分析超标原因，为解决地下水污染和农村饮用水安全问题打下坚实基础。

1 数据来源与指标选用

依据《地下水环境监测技术规范》(HJ-T 164—2004)于2019年9月对大连市41处地下水监测井进行样品采集，其中39处为国控地下水监测井，2处为省控地下水监测井。参照2017年最新实施的《地下水质量标准》(GB/T 14848—2017)对采集的水样进行全指标检测分析，检测项目包括一般化学性指标、毒理学指标、微生物指标等共计93项。

2 研究方法

2.1 评价方法

水质评价采用单因子法和内梅罗综合指数法，保证评价结果的科学性和综合性。

单因子评价法是目前最简单也是应用最多的水质评价方法，以其中最差的水质指标的水质类别作为最终的评价结果。该方法能够对某一水体进行严格客观的评价，确定其是否满足水质类别要求，并能够明确超标污染物情况和贡献度。本文采用单因子评价法确定水质类别，超出Ⅲ类标准值视为超标，并明确超标污染物情况。

表1 内梅罗综合指数法赋值结果

2.2 计算公式

根据各组分评价值Fi，采用内梅罗综合指数公式来计算各监测点的综合指数，即

(1)

(2)

通过F值，确定水质综合污染等级，见表2。

表2 水质污染等级划分

3 评价结果分析

3.1 单因子评价

由表3可知，大连市41处地下水监测点水质全部超标，其中3处监测点为Ⅳ类，其余均为Ⅴ类。超标项目主要有总硬度、溶解性总固体、总大肠菌群、菌落总数、硝酸盐、氨氮、铁、锰、铝、碘化物、耗氧量。而硫酸盐、氯化物、钠、氟化物、砷、二硝基甲苯等项目虽有检出，但未超标。其余大部分项目均未检出。

表3 大连市41处地下水监测数据统计特征值

3.2 内梅罗综合指数评价

内梅罗综合指数评价结果见表4，由表4可知，大连市41处地下水监测点中，“中等”级别两个，占比4.9%；其余均为“差”，占比95.1%。内梅罗综合指数评价与单因子评价结果基本一致，说明大连市地下水超标情况极为普遍，污染程度严重。

3.3 污染现状分析

由表3分析超标项目在41处地下水监测点的超标比例，分别为：总大肠菌群97.6%、菌落总数92.7%、铁48.8%、锰36.6%、铝29.3%、溶解性总固体29.3%、硝酸盐26.8%、总硬度24.4%、碘化物12.2%、氨氮9.8%。超标污染物主要为微生物指标、

表4 污染评价结果

金属元素、含氮化合物、总硬度以及溶解性总固体，其中微生物指标污染最为严重，涉及大部分地下水，其余污染物均出现不同程度的超标。

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分析超标项目在41处地下水监测点的超标倍数：总大肠菌群超标2～832倍，菌落总数超标3～6.4倍，铁超标0.1～37.0倍，锰超标0.2～35.0倍，铝超标0.2～33.0倍，溶解性总固体超标0.2～2.8倍，硝酸盐超标0.5～2.7倍，总硬度超标0.2～1.0倍，碘化物超标0.3～24.0倍，氨氮超标1.3～18.0倍。总大肠菌群超标最为严重，平均超标400倍，其次是金属元素，而铁、锰、铝的平均超标倍数分别为8.4倍、5.3倍、3.8倍。氨氮和碘化物超标倍数分别为6.4倍和5.8倍。总体看来，大连市地下水不仅超标现象普遍，且超标程度较高。

4 超标原因分析

从监测评价结果看，大连市地下水污染主要为微生物指标的总大肠菌群和菌落总数，金属元素中的铁、锰、铝，含氮化合物中的硝酸盐和氨氮，总硬度与溶解性总固体，以及碘化物。污染最为严重的是微生物指标，其次是金属元素、含氮化合物、总硬度和溶解性总固体以及碘化物。

4.1 微生物指标

微生物指标超标主要是由于生活污染和畜禽养殖污染。大连市地下水井主要分布在农村地区，生活污染物排放缺乏管理和限制。生活垃圾和排泄物的随意排放，化粪池、污水坑的直接渗滤，都会使大量细菌病毒进入地下水，造成地下水污染。研究表明，微生物能够在土壤下包气带中快速迁移200～300m，细菌和病毒在岩层和黏土层中能够快速渗入到周边地下水中，且长时间在地下水环境中存活[2-3]。同时，有些农村地区利用生活污水灌溉，更会造成大规模地下水环境破坏，尤其是微生物污染的蔓延。

养殖业污染也是造成地下水微生物超标的重要因素。随着社会经济发展，大连市畜禽养殖的规模不断扩大，粪便和污水量与日俱增。再加上城市化建设，养殖场多集中至农村地区，加以缺乏应有的排放管理和环保处置措施，导致携带大量细菌病毒的污染物肆意排放，通过淋溶渗滤进入地下水，造成微生物污染。

4.2 金属指标

铁、锰、铝元素是自然界中存在较多的金属元素，大量存在于土壤中的岩石层和矿层。由于环境污染影响，土壤酸性较低，加上酸雨的冲刷，土壤内部的金属元素会通过氧化还原反应转化为能溶于水的离子形式渗入地下水，并在地下水中蓄积，造成浓度超标[4]。再加上地下水环境溶解氧水平较低，容易形成兼性厌氧条件，更有利于Fe(OH)3、MnO2以及Al2O3等难溶性金属氧化物中的金属元素还原为溶解性的Fe2+、Mn2+和Al3+[5]。

大连市地下水铁、锰、铝的超标主要是由于所处地质环境中含有较为丰富的金属元素，它们通过氧化还原作用和特殊的地质构造进入地下水。同时地下水中较高浓度的微生物含量，加快了其兼性厌氧环境，进一步加剧了金属元素的还原。同时三面沿海的特殊地理条件，更利于金属元素的还原和积累，使得超标现象更为严重。

4.3 含氮化合物

大连市地下水中硝酸盐超标较为普遍，超标率接近1/3。氨氮超标程度较高，亚硝酸盐虽无明显超标情况，但本底值较高。含氮化合物的超标主要来源于农业和畜禽养殖业，田间化肥、养殖废料以及生活污水排放，使得大量氮素进入土壤内部，在微生物的作用下,部分氨氮经硝化作用转化为硝酸盐氮。由于硝酸盐氮易溶于水，不易被土壤胶体吸附[6]，因此随降水和淋溶作用进入地下，导致地下水中硝酸盐和氨氮的污染。大连市的农业面源污染一直较为严重，地表水的氮素含量较高，使大量氮素由降水淋溶、渗滤作用以及地表水补给进入地下水环境。

4.4 总硬度与溶解性总固体

大连市地下水中总硬度和溶解性总固体的超标主要有以下3个原因：

a.海水入侵破坏地下水环境水盐平衡，改变含水层水动力条件。

b.工业废水、生活垃圾以及农业、养殖业废料进入土壤内部，促使岩层中碳酸镁和碳酸钙中的金属元素转化为易溶的钙、镁离子，由固相向水相迁移，造成地下水化学组分改变。

c.源于农业和生活污染。生活垃圾和化肥农药随淋溶、渗滤进入土壤内部，使沉积物中难溶的钙镁盐类中的金属元素经离子交换转化为易溶钙镁离子进入地下水，同时改变地下水的物理化学组分，使总硬度和溶解性总固体超标。

4.5 碘化物

大连市地下水碘化物出现部分超标，超标倍数差别较大，且呈现点源分布，说明碘化物超标与自然环境有关。

大连为沿海地区，碘化物含量丰富，能够随降水淋溶和海水迁移进入地下水，再加上沿海地带地质环境较为复杂，入海口区域存在大量富含有机质的沉积物聚集，易形成高碘地下水环境。以往研究发现，海水入侵也是形成碘化物超标的重要原因[7]，但根据碘化物与氯化物含量的相关性分析(R2=0.11)，两者并无明显相关关系，同时氯化物在地下水中含量不高。由此可断定碘化物超标主要是由于沿海地区特殊的气候、地质条件以及易富碘环境，使得部分区域碘化物大量富集，呈现点状式超标。