徐州沛县地下水应急水源地溶解性总固体(TDS)本底值调查研究

2021-07-05何建国王彦君

地下水 2021年3期

何建国，王莉，章梅，王彦君，刘莉

(1.江苏地质矿产设计研究院(中国煤炭地质总局检测中心)，江苏徐州 221006；2.中国矿业大学，江苏徐州 221006；3.江苏省徐州环境监测中心，江苏徐州 221006)

当前，对于我国平原区大部分浅层地下水，由于埋藏浅，防污性能弱，在现代大规模农业、工业等人类社会活动的影响作用下，自然状态下的地下水水中各个化学组分已发生变化。但对于深层地下水而言，由于其埋藏深，有较厚的隔水层，防污性能较强，受到人类活动而导致地下水污染的可能性较小[1-3]。在我国部分区域深层地下水，由于受到区域地质、水文地质条件以及赋存于地下水与岩土相互作用等多种因素影响[4]，导致地下水组分中一种或多种元素本底偏高，而当地管理部门在依据《地下水环境质量标准》[5]评价该区域地下水水质时，通常片面认定该区域地下水水质是人为活动影响导致的污染，忽视了水文地质条件及地下水水化学演化对地下水水质本底产生的影响[6-7]，制约了当地社会经济发展，因此地下水环境本底的确定，对于识别环境污染和评价污染程度及人类活动影响程度具有重要意义[8-10]。

地下水本底值也称地下水环境背景值，是指在未受人类活动影响的情况下,地下水所含化学成分的浓度值，该值反映了天然状态下地下水环境自身原有化学成分的特性值[11-13]。我国以往的地下水本底(背景)值研究更多的单纯从数理统计角度出发，从数据本身的分布特征分析识别本底(背景)值，忽视地下水水质是否受到人为活动影响、地下水水质及水化学特征是否为值本底的真实反映，而使得本底值的可靠程度偏低。

沛县地下水应急水源位于沛县县城，当地环境监测部门在对该水源地水井例行监测过程中发现该水源地溶解性总固体(TDS)超过国家地下水质量标准III类水限值(1 000 mg·L-1)，为了查明其本底值及范围，笔者以沛县地下水应急水源地为研究对象，通过水质监测、水文地质钻探、试验测试和数理统计等多种手段对沛县水源地周边环境现状、水文地质条件、区域地下水演化等多方面进行了详细论证，分析地下水溶解性总固体(TDS)是否为含水层环境本底值真实反映，并采用数理统计计算溶解性总固体(TDS)地下水本底值及范围。

1 研究区水文地质条件概述

沛县位于江苏省西北部，沛县地下水饮用水源保护区位于沛县县城，保护区总面积10.28 km2，水源地主采下更新统承压含水层，为更好研究水源地溶解性总固体(TDS)变化特征，依据水源地及监测点的分布情况，将沛县整个县城作为一个水文地质单元进行研究分析，面积约100 km2。区域地下含水层按照含水层之间的水力联系和富水程度从上而下可分为五个含水层，即全新统潜水含水层、上更新统承压含水层(第I承压含水层)、中更新统承压含水层(第II承压含水层)、下更新统承压含水层(第Ⅲ承压含水层)和新近系承压含水层。其中下更新统承压含水层含水岩组分布广，富水性较好，是区域供水主要含水层。

2 水样及岩土样的采集与测试

本次对水文地质单元内现有9口水井第Ⅲ承压含水层连续3个月水质动态监测，并在水源地上游施工1口水文地质勘探孔采取了第Ⅲ承压含水层水样以及其含水层砂层和隔水层样品。水质测试分析方法和标准主要依据为GB/T5750《生活饮用水标准检验方法》和GB T14848-2017《地下水质量标准》，土样测试方法主要依据 GB/T50123-2019《土工试验方法标准》(图1)。

图1 研究区位置及采样点分布图

3 本底值研究方法

本次在划定水文地质研究单元的基础上，通过以下两个步骤来确定沛县地下水应急水源地溶解性总固体(TDS)本底值，首先主要是查明研究区内环境质量现状，开展水文地质钻探及地下水水质动态监测，对水质监测数据及历史数据进行分析，并结合区域地下水含水层水文地质条件，分析地下水含水层中溶解性总固体(TDS)是否为含水层本底的真实反映；第二步采用数理统计判定溶解性总固体(TDS)本底值及其范围。

3.1 环境质量现状调查

为查明研究区内环境质量现状，本次收集了研究区内的第二次污染源普查的主要产生污染源的11家工业污染源、7家污水处理企业和畜禽养殖企业的污染源排放监测数据(研究区内无固废处置单位)，并利用研究区内现有9个水井开展连续3个月的水质动态监测。从对区内污染源排污口的的监测数据及现场调查来看，区内工业生产、治污环节未对溶解性总固体造成影响，工业污水经处理后，通过市政管网进入污水处理厂进一步处理，未发现明显下渗及排放通道，对地下水环境无影响；污水处理厂依据《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)相关标准限值，达标排放；畜禽养殖企业基本处于停产未养殖状态，无污染物排放，对地下水环境无影响。在对现有水井的第Ⅲ含水层水质监测结果中也未发现特征污染物，可以排除人类活动行为对沛县地下水水源地的影响。

3.2 水文地质条件对地下水含水层的影响

沛县第III承压含水层的埋深较深，含水层顶板埋深在72～150 m，底板埋深在75～176 m之间，含水层之间有巨厚的粘土隔水层，且区域隔水层连续、稳定，含水层受地表人为影响的因素较小。本次采集了3个隔水层6组粘土样进行渗透系数测试，从表中可以看出各隔水层间亚黏土的垂直渗透系数为和水平渗透系数远低于1×10-6cm/s，隔水层防污性能强，可以有效保证对污染物的隔绝，防污性能较好。

表1 地下水隔水层防污性能

3.3 区域地下水水质对比分析

本次收集了沛县区域地下水第III含水层的1958年以来的历史水质数据和以及水化学特征资料，并与研究区水质资料资料进行对比分析，从表中可以看出沛县区域第III含水层溶解性总固体(TDS)历史数据最大值为1964年在沛县县城东关监测的数据，其值为2230 mg·L-1，最小值为1978年在沛县梁集乡监测数据，其值为830 mg·L-1，大部分数值介于1 000～1 800 mg·L-1，其水化学特征为HCO3·Cl-Na·Ca、Na·Mg 或HCO3·SO·Cl4-Na·Mg；研究区第III含水层监测数据均值在675.80～1 626.00 mg·L-1，水质特征为HCO3-Ca·Na或Cl·SO4-Na·Ca·Mg型水，对比分析来看，研究区监测的溶解性总固体与区域水质历史监测数据相吻合，水质类型也基本相近，研究区水质与区域水质基本吻合，是含水层本底的真实反映。

3.4 地下水环境本底值调查

3.4.1 异常值的剔除

对于小样本(n<100)的异常值判断，笔者采用格鲁布斯检验法剔除异常指标，本次采集了9个监测水井的水质数据，水样分析数据及各指标经 Grubbs 准则检验后的异常数据见表3 。

表2 水源地监测数据与区域地下水溶解性总固体历史数据对比结果表 mg·L-1

表3 Grubbs检验法异常值剔除结果

3.4.2 检验分布类型

本次选用K-S检验以及Q-Q图、P-P图对各环境统计单元的各元素含量概率分布类型进行综合判定(信度选为0.05)。分别以两个检验方法判定的一致结果作为确定分布类型的依据。地下水中有关组分的含量，或符合正态分布，或符合对数正态分布，否则，均作偏态分布处理，不再考虑其它分布类型。研究区各指标分布类型如表4所示，Mg2+、NO3--N呈对数正态分布，Na++K、Ca2+、Cl-、SO42-、氯化物呈正态分布，HCO3-+CO32-和溶解性总固体(TDS)呈偏态分布(见图2)。

图2 部分水质组分P-P和Q-Q图

表4 K-S检验结果

3.4.3 地下水环境本底值及成因分析

采用数理统计方法，对研究区Mg2+、NO3--N、Na++K+、Ca2+、Cl-、SO42-、氯化物等7项指标的算数平均中值、标准差、变异系数和本底值区间进行计算;对HCO3-+CO32-、溶解性总固体(TDS)2项指标的标准差、中位值和变异系数进行了计算，并按照5%～95%区间范围计算了本底值区间范围，见表5、表6。从表中可以看出Mg2+、Na++K+、Ca2+、Cl-、SO4-和氯化物等组分变异系数相对较小，表面其在地下水中含量相对稳定，其中，Na++K+、SO42-、Cl-、氯化物和HCO3。-+CO32-的平均值和标准差都比较大，表明其在地下水中的绝对含量较大，是地下水中的主要阴、阳离子，是引起地下水溶解性总固体偏高的主要变量。