流溪河中下游地下水铁的时空分布特征分析

庞 园，曾 慧，张明珠

(广州市水务科学研究所，广东 广州 510220)

流溪河是广州市从化区、花都区和白云区的主要供水水源，其中从化区和白云区的供水水源均位于流溪河及其支流，花都区80%的供水量来自流溪河。近年来，广州市陆续上马了西江引水工程和北江引水工程，工程完工后将在一定程度上缓解白云区和花都区对流溪河的依赖，但代替不了流溪河作为主要供水水源的地位。2005年北江的镉污染事件和2013年广西贺江水污染事件的陆续发生[1]，给位于下游的广州市敲响了警钟。一旦流溪河发生突发性水污染事故或者发生极端性气象灾害、地震、战争等突发事件，将对广州市从化区、花都区和白云区的供水安全造成重大影响。

流溪河两侧阶地是广州市5个重要地下水资源分布区之一[2]，广州市划定的5个地下水分散式开发利用区中有2个位于流溪河阶地，占全市地下水分散式开发利用区面积的60%。流溪河流域地下水作为广州市的战略储备资源，其规划、保护、利用意义重大。前人研究表明[2-9]，广州市部分区域地下水铁含量高于《地下水质量标准》(GB/T 14848—2017)的Ⅲ类水标准，即不适宜作为集中式生活饮用水水源。因此，有必要对流域内地下水铁的分布进行研究，结果可为地下水的污染防控以及保护利用提供基础依据。

1 研究区概况

流溪河流域位于广州市，地处东经 113°10′12″至11°42′00″，北纬23°12′30″至23°57′36″，总面积为 2 300 km2。河流大致为东北—西南向，起源于广州市从化区，经花都区、白云区流入珠江。流域濒临南海，属南亚热带季风气候区，具有温暖多雨、光热充足、温差较小、夏季长、霜期短等气候特征。每年4—9月为雨季，降雨强度自南向北呈递增趋势。流溪河流域属粤北山区与珠江三角洲平原的过渡地带，地势为东北高、西南低，上游为山区，间有小平原，良口以下逐渐进入丘陵平原区。流域地层发育不全，地表深层多为坚硬的花岗岩、页岩、灰岩、石英砂岩和三叠系砾岩、侏罗系角砾岩等。地下水类型主要为基岩裂隙水、碳酸盐岩类溶洞水和松散岩层孔隙水，地下水流向基本与河流流向一致[1,10]。

2 样品采集与测试

于2012—2018年雨季和旱季共采集水样14批次，获取地下水样392组。取样井包括19个地下水监测专用井和9个民井，其中民井深度均在10 m以内，井管材料均为砖、石，地下水监测类型均为松散岩类孔隙水；地下水监测专用井深度为50～97 m，井管材料包括PVC管、砖石和钢管，地下水监测类型均为基岩裂隙水。为使采集的水样更具代表性，每次采样前均用潜水泵抽干井内的水并直至水位恢复原状，对涌水量较大的井则长时间抽水使井内的地下水得到充分循环更新。水样委托广州市二次供水技术咨询服务中心检测，检测方法均根据《地下水质量标准》(GB/T 14848—2017)按《生活饮用水标准检验法》(GB 5750—2006)执行。检测指标包括：铁、pH、耗氧量、硫酸盐和总硬度。14个地下水监测点的分布如图1所示。

图1 流溪河中下游地下水监测点分布示意

3 结果与讨论

3.1 铁的总体分布特征

统计结果显示(见表1),2012—2018年研究区地下水铁的质量浓度为未检出～46.60 mg/L，最大值是《地下水质量标准》(GB/T 14848—2017)Ⅲ类水标准限值(0.3 mg/L)的155.3倍，变异系数达到4.57，表明研究区地下水中铁的质量浓度在时空分布上较为离散，变化较大。质量浓度均值为0.68 mg/L，是Ⅲ类水标准限值的2.3倍，表明铁的质量浓度总体较高。以Ⅲ类水标准限值作为超标标准，研究区地下水铁的超标率为21.17%，表明研究区部分区域地下水已不适宜作为集中式生活饮用水水源。刘畅等2020年研究表明[9]，珠江三角洲地区地下水铁的质量浓度范围为0～68.60 mg/L，均值为1.64 mg/L，超标率为22.93%。珠江三角洲地区地下水铁的最大值、均值和超标率分别是研究区的1.5倍、2.4倍和1.1倍，均高于研究区，这表明流溪河中下游地下水铁的质量浓度总体上低于珠江三角洲地区的平均水平。

表1 流溪河中下游地下水铁的质量浓度统计

3.2 铁的空间分布特征

1) 水平分布特征

利用ArcGIS软件采用Kring法对28个采样点铁的质量浓度均值进行插值，结果见图2。可以看出，研究区下游地下水铁的质量浓度总体上明显高于中游。分别统计研究区中、下游地下水铁的质量浓度特征值，结果见表2。可以看出，研究区下游地下水铁的质量浓度变异系数、均值和超标率分别是中游的1.5倍、2.9倍和1.6倍，表明研究区下游地下水铁的质量浓度在时空分布上较中游更为离散，变化更大，且质量浓度总体上高于中游，超标程度也较中游更为严重。研究区地势呈东北高、西南低的特点，即中游的地势高于下游。结合铁的分布特征可知，随地势由高变低，研究区地下水铁的质量浓度由小变大。

图2 流溪河中下游地下水铁的质量浓度分布示意

表2 不同区域地下水铁的质量浓度统计

2) 垂向分布特征

不同种类地下水铁的质量浓度统计结果见表3，可以看出，研究区基岩裂隙水铁的质量浓度变异系数、均值和超标率分别是松散岩类孔隙水的10.6倍、1.5倍和3.9倍，表明研究区基岩裂隙水铁的质量浓度在时空分布上较松散岩类孔隙水更为离散，变化更大，且质量浓度总体上高于松散岩类孔隙水，超标程度也较松散岩类孔隙水更为严重。鉴于代表松散岩类孔隙水的监测井深度均在10 m以下，代表基岩裂隙水的监测井深度均在50 m以上，可以认为松散岩类孔隙水代表研究区的浅层地下水，基岩裂隙水代表深层地下水。由此可知，随着地下水埋藏深度增加，研究区地下水铁的质量浓度由小变大。

表3 不同种类地下水铁的质量浓度统计

3.3 铁随时间变化特征

1) 季节变化特征

利用ArcGIS软件采用Kring法分别对28个采样点雨季和旱季铁的质量浓度均值进行插值，结果见图3。可以看出，随着季节的更替，研究区地下水铁的分布发生较大的变化，雨季中游地下水铁的质量浓度明显高于旱季。分别统计雨季和旱季地下水铁的质量浓度特征值，结果见表4。对比可知，雨季地下水铁的质量浓度变异系数、均值和超标率分别是旱季的1.9倍、1.2倍和1.7倍，表明研究区雨季地下水铁的质量浓度在时空分布上较旱季更为离散，变化更大，且质量浓度总体上高于旱季，超标程度也较旱季更为严重。根据广州市水资源公报，统计得到研究区2012—2018年雨季和旱季的降雨量均值分别为1 557.5mm和450.4mm，雨季降雨量是旱季的3.5倍。结合铁的分布可知，随着降雨量增大，研究区地下水铁的质量浓度由小变大。

a 雨季

b 旱季

表4 不同季节地下水铁的质量浓度统计

2) 年际变化特征

以雨季和旱季两次监测值的均值代表监测井当年的监测值，采用Spearman秩相关系数法[11]分别计算各监测井年均值的Spearman秩相关系数，计算结果显示28个监测井的Spearman秩相关系数均小于零，表明研究区所有监测井铁的质量浓度均随时间呈下降趋势。以28个监测井的年均值代表研究区当年铁的质量浓度，分别绘制铁的质量浓度和超标率随时间变化曲线。如图4所示，研究区铁的质量浓度总体随时间呈下降趋势，年下降率为0.33 mg/L。如图5所示，研究区铁的超标率总体随时间呈下降趋势，年下降率为10%。根据广州市水资源公报的年降雨量数据，绘制降雨量随时间变化图(如图6所示)，2012—2018年广州市年降雨量变化趋势不明显。综合可知，研究区铁的质量浓度和超标率年际变化特征受降雨影响较小。

图4 流溪河中下游地下水铁的质量浓度随时间变化示意

图5 流溪河中下游地下水铁的超标率随时间变化示意

图6 广州市年降雨量随时间变化示意

4 结语

1) 研究区地下水铁的质量浓度为未检出～46.60 mg/L，均值为0.68 mg/L，超标率为21.17%，部分区域已不适宜作为集中式生活饮用水水源。与珠江三角洲地区整体情况相比，研究区地下水铁的质量浓度处于较低的水平。

2) 研究区下游地下水铁的质量浓度总体上明显高于中游，结合中、下游的地形变化，可知随地势由高变低，研究区地下水铁的质量浓度由小变大。研究区基岩裂隙水铁的质量浓度总体上高于松散岩类孔隙水，结合不同种类地下水埋藏深度，可知随着地下水埋藏深度增加，研究区地下水铁的质量浓度由小变大。

3) 研究区雨季地下水铁的质量浓度总体高于旱季，结合广州市不同季节的降雨量特点，可知随着降雨量增大，研究区地下水铁的质量浓度由小变大。研究区地下水铁的质量浓度随时间呈下降趋势，年下降率为0.33 mg/L。超标率总体随时间呈下降趋势，年下降率为10%。结合研究区的年降雨量变化趋势可知，研究区地下水铁的年际变化趋势受降雨影响不大。