内蒙古鄂伦春自治旗地下水水质特征及适用性分析

2022-03-07孙岐发贾立国孙茁桉邢卫国郝国杰李旭光

地质与资源 2022年1期

孙岐发，贾立国，孙茁桉，邢卫国，郝国杰，田辉，李旭光

1.中国地质调查局哈尔滨自然资源综合调查中心，黑龙江哈尔滨 150081；2.中国地质调查局沈阳地质调查中心，辽宁沈阳 110034；3.国家珠宝玉石质量监督检验中心沈阳实验室，辽宁沈阳 110034

0 前言

地下水是水资源的重要组成部分，随着国家经济发展和人口增长，地下水已经成为我国城市和工农业用水的重要水源.天然地下水在参与自然界水循环的过程中，从其周围介质获得各种成分，所以它是一种复杂的天然溶液.人类活动对环境的干扰，使某些地下水不仅含有天然来源的组分，而且含有人类生产的各种有机和无机化合物以及细菌病毒等，导致地下水的化学组成更加复杂，水质可能恶化.供饮用的地下水中某些组分的贫乏或过量都会影响健康.开展人类活动影响下地下水水质特征研究，对于地下水合理开发利用和地下水环境保护具有重要的理论意义和实际应用价值.

地下水特征是水文地质学科的重要研究内容［1-2］.地下水特征由物源的沉积环境及沉积组合特征决定，并受自然和人为因素交互影响［3-6］.当前，国内外学者主要采用数理统计［7-10］、相关性分析［11-16］等技术方法对地下水水质量进行研究.

地下水在运移过程中，与介质发生多种多样的物理化学作用，其中包括溶解/沉淀、酸碱平衡、吸附/解吸及氧化还原作用等［17-20］.依据地质、水文地质条件的不同，这些作用往往控制着一个地区地下水的水质变化.

东北地区针对地下水的相关研究主要集中在平原地区进行［21-25］.鄂伦春地处大兴安岭南麓，针对地下水的研究相对较少，在本地区进行地下水水质特征与适用性分析对少数民族地区居民饮水安全和地方经济发展都具有重要意义.中国地质调查局于2019年在鄂伦春自治区布署了水文地质研究工作.

1 研究区概况

鄂伦春自治旗位于内蒙古自治区呼伦贝尔市东北部，大兴安岭南麓，嫩江西岸，北与黑龙江省呼玛县以伊勒呼里山为界，东与黑龙江省嫩江县隔江相望，南与莫力达瓦达斡尔族自治旗、阿荣旗接壤，西与根河市、牙克石市为邻，东经121°55′～126°10′，北纬48°50′～51°25′之间.全旗总面积59 800 km2，属于寒温带半湿润大陆性季风气候，四季变化显著.境内的河流均发源于大兴安岭南侧和伊呼里山南侧，自西北流向东南，汇入嫩江干流，皆属松花江水系.自西北向东南地貌表现变化规律明显，即由低山区逐渐过渡到丘陵及山间平原，乌鲁布铁镇只包含剥蚀地形、剥蚀堆积地形和堆积地形.区内地层由新元古界至新生界均有分布.大地构造属古亚洲洋构造域中亚造山带东段，并处环太平洋构造域大陆构造-岩浆活动带中.

鄂伦春自治旗缺乏形成大型自流盆地的条件，境内地下水大部分为潜水，局部存在构造型裂隙及破碎带承压水.地下水类型按含水层特点可分为第四系松散岩类孔隙水和基岩裂隙水两大类型，局部有白垩系嫩江组碎屑岩孔隙承压水.前者多分布在东部河谷地带和波状平原区，后两者主要分布于西部山地及丘陵地区.地下水来源以大气降水渗入补给为主，对于下游地区，河水渗漏也是补给来源之一（图1）.

图1 鄂伦春自治旗水文地质图Fig.1 Hydrogeological map of Oroqen Qi

2 研究方法

2.1 地下水水样采集与测试

地下水采样点针对14口水井（Esj01—Esj14），在洗井、抽水实验要结束时，水清澈接近地下原水.采样时间为2019年7—8月，共采集地下水水样17组（其中平行样3组），采样点分布详见图2.Esj01—04、Esj06—09井取的是玄武岩层位的孔洞裂隙水；Esj05井取的是砂岩层位的孔隙裂隙水；Esj10—14井取的是第四系砂砾岩层位的孔隙水.样品严格按《地下水环境监测技术规范（H/164—2004》进行采集、保存和送样.

图2 鄂伦春自治旗地下水取样点位置图Fig.2 Sampling location map of groundwater in Oroqen Qi

样品由国土资源部东北矿产资源监督检测中心测试完成，严格按照HJ776—2015、HJ84—2016、HJ700—2014、GB/T5750—2006、DZ/T0064—1993、HJ828—2017、HJ195—2005规范标准进行.

2.2 地下水质量评价

采用国家《地下水质量标准》（GB/T14848—2017）进行评价，原则上以地下水类型进行评价.本次参加评价的点为14个，参评项目20项，其中全分析一般化学指标采用15项，毒理学指标采用5项（见表1）.

表1 地下水质量评价指标及限值Table 1 Evaluation indexes and limits of groundwater quality

首先进行单项组分评价，划分所属级别，用表2标准分别确定单项组分评价分值Pi.

表2 地下水单项组分质量评价分级表Table 2 Quality evaluation grading of single component of groundwater

采用内梅罗（N.L.Nemerow）指数法计算地下水水质综合指标评价，计算公式为：

式中：P综为综合评价指标；Pi平均为各单项组分值的平均值；Pi最大为各单项组分值的最大值；Pi为各单项组分值；n为参评项目数.

然后根据P综值，按标准中所规定的方法对地下水质量进行分级.依据中国地下水质量状况和人体健康风险，参照生活饮用水及工业、农业等用水质量要求，依据各组分含量高低（pH除外），分为5类（见表3）.

表3 地下水质量综合评价分级表Table 3 Comprehensive evaluation grading of groundwater quality

I类：地下水化学组分含量低，适用于各种用途；

Ⅱ类：地下水化学组分含量较低，适用于各种用途；

Ⅲ类：地下水化学组分含量中等，以GB5749—2006为依据，主要适用于集中式生活饮用水水源及工农业用水；

Ⅳ类：地下水化学组分含量较高，以农业和工业用水质量要求以及一定水平的人体健康风险为依据，适用于农业和部分工业用水，适当处理后可作为生活饮用水；

V类：地下水化学组分含量高，不宜作为生活饮用水水源，其他用水可根据使用目的选用.

3 地下水质量评价结果

本次参加评价的14个点，经过15项全分析一般化学指标和5项毒理学指标共20项评价，地下水检出率、超标率如表4、图3、图4.

图3 地下水检出率测试结果Fig.3 Test results of groundwater detection rate

图4 地下水超标率测试结果Fig.4 Test results of groundwater excessive rate

表4 地下水检出率、超标率测试评价结果Table 4 Evaluation results of groundwater detection and excessive rates

3.1 单指标水质评价

测试结果表明，区域内铁、锰、色度、浑浊度、pH值、硫酸根、氟离子存在超标.其中铁IV类水井数6个，IV类水占比42.86%；V类水井数3个，V类水占比21.43%.色度IV类水井数2个，IV类水占比14.29%；V类水井数7个，V类水占比50%.锰IV类水井数4个，IV类水占比28.57%.混浊度IV类水井数6个，IV类水占比42.86%.pH值IV类水井数1个，IV类水占比7.14%；V类水井数1个，V类水占比7.14%.氟离子V类水井数1个，V类水占比7.14%.硫酸根IV类水井数1个，IV类水占比7.14%.铅、铜、氯离子、砷、汞、溶解性总固体、总硬度、耗氧量、亚硝酸盐氮这9项指标都在Ⅲ类水质范围之内（表5）.

表5 地下水水质单指标评价统计表Table 5 Evaluation statistics of single index of groundwater quality

3.2 地下水质量综合评价

综合评价认为，Esj10、07、08、13井地下水锰超标；Esj09井硫酸根离子超标；Esj13井氟离子超标；Esj05、06、07、08、06、10、12、11、13井铁超标.

Esj08、13、10、07井地下水锰含量达到Ⅳ类水标准；Esj06、08、12、14、09、05井地下水铁含量达到Ⅳ类标准，Esj13、10、07井地下水铁含量达到Ⅴ类标准；Esj13井氟化物含量达到Ⅳ类水质标准；Esj03井硝酸盐含量达到Ⅳ类水质标准，Esj02井硝酸盐含量达到Ⅴ类水质标准；Esj09井氨氮达到Ⅳ类水质标准；Esj11井pH值达到Ⅳ类水质标准，Esj01井pH值达到Ⅴ类水质标准；Esj04、14井色度达到Ⅳ类水质标准，Esj01、08、13、06、09、05、07井色度达到Ⅴ类水质标准；Esj08、10、09、13、07、05浑浊度达到Ⅳ类水质标准（表6）.

表6 地下水水质综合评价统计表Table 6 Comprehensive evaluation of groundwater quality

3.3 生活饮用水评价

以《生活饮用水卫生标准》（GB5749—2006）中的小型集中式供水和分散式供水标准为依据，对14眼井的地下水质量进行评价.评价指标选用毒理指标、一般化学指标和感官指标.

经过3项毒理指标砷、氟化物和硝酸盐分析，Esj13井氟离子达到1.83 mg/L，限值为1.2 mg/L；Esj02、03井硝酸盐分别为60.53和23.24 mg/L，限值为20 mg/L（表7）.建议进一步取样化验.

表7 毒理指标分析结果Table 7 Analysis results of toxicological indexes

一般化学指标分析，14眼井中Esj05、07、10、13井铁、锰超标.铁的限值为0.5 mg/L，锰的限值为0.3 mg/L.化验结果中铁和锰的最大值分别为3.05和0.57 mg/L（表8），可以根据情况进行除铁锰处理后饮用.

表8 感官性状和一般化学指标分析结果Table 8 Analysis results of sensory properties and general chemical indexes

感官性状指标分析显示，Esj11井pH值为6.34，限值为不小于6.5；Esj01、05、13、06、07、08、09井色度值都超出限值20 mg/L的标准，Esj05、13、07、08、09、10井的混浊度都超出了限值3 mg/L的标准.混浊度、色度超标和铁锰含量高有直接关系，为水经过长时间放置后，二价铁被氧化成三价铁颜色发生变化并产生沉淀所致.

其他各井都适用于小型集中式供水和分散式供水水源及工农业用水使用.

3.4 农业灌溉水质评价

根据《农田灌溉水质标准》（GB5084—2005），对14眼水井灌溉用水质量进行评价.灌溉用水分为水田灌溉用水、旱田灌溉用水和疏菜灌溉用水.

通过实验结果分析，只有Esj01的pH值超标，为9.3，不符合灌溉用水要求，灌溉前需要对井水重新进行测试，合格后方可进行灌溉使用.其他各井的指标全部符合农田灌溉水标准，可以作为灌溉水源使用（表9）.

表9 农田灌溉指标分析结果Table 9 Analysis results of irrigation indexes of farmland

4 讨论

4.1 各参数的相关性分析

Pearson相关性系数矩阵是一种在水文地球化学中应用比较广泛的工具，它可以将各类离子或指标之间相关性定量化清楚地表示出来［10-14］.本文采用SPSS19软件计算水质指标的相关系数矩阵，见表10.

铁是地壳中第二大含量丰富的金属，约占地壳质量的5%.铁又是生物体必需的微量元素.地下水铁、锰离子含量高是东北平原普遍存在且较复杂的一个水文地球化学问题，尤其是在地下水径流缓慢的低平原区，情况更为严重.

由表10可以看出，氨氮与TDS（溶解性总固体）之间具有良好的相关性，说明它们之间可能有相同的来源.铁与色度、浑浊度都具有显著相关性，说明色度、浑浊度受铁控制；铁与锰具有显著相关性，说明东北地区地下水铁、锰含量受铁、锰土壤高背景值控制；色度与浑浊度具有显著相关性，说明地下水受二价铁氧化为三价铁引起的沉淀和颜色变化控制.

表10 地下水水化学参数相关性系数矩阵Table 10 Correlation coefficient matrix of groundwater hydrochemical parameters

4.2 地下水各参数变异特征

统计分析可以反映某一地区或某一时间段内地下水成分的概略面貌［5-9］.为了解该地区的地下水水化学特征，对鄂伦春自治旗地下水水样检测数据各个指标用SPSS19软件进行数理统计分析，得到水化学组分统计特征值，如表11.

表11 地下水化学组分统计特征值Table 11 Statistical eigenvalues of groundwater chemical compositions

从表11可以看出，TDS、总硬度（CaCO3）均值较高，说明地下水的硬度较高且矿化度较大.在离子组分方面，SO42－质量浓度的平均值最大，Cl－、NO3－次之，表明其在地下水离子中占据主导，在地下水中的绝对质量浓度较高.

变异系数是变量变幅和稳定性的特征.变量变幅越小，稳定性越强，变异系数就越小，反之亦然.较大的变异系数说明地下水化学组分形成及演化的影响因素复杂.TDS、CaCO3、COD变异系数较小，反映其在该地区的地下水中的质量浓度相对稳定.TDS、CaCO3不仅质量浓度较高，且稳定；而As、SO42－、NH4＋、NO2－的变异系数较大，说明其在不同区域质量浓度值相差较高，易受水文气象条件、地形地貌、含水层介质和人类活动等因素的影响.

4.3 水质讨论

结合巴彦公社幅1∶200 000水文地质普查报告①李景，等.中华人民共和国区域水文地质普查报告：巴彦公社幅M－51－［23］.齐齐哈尔：黑龙江省第一水文地质队，1979.，分析鄂伦春自治旗地下水水质情况，认为本区地下水水质受铁、锰、色度和浑浊度影响较大，地下水中铁、锰超标主要是受东北地区土壤中铁、锰背景值高影响，地下水中铁、锰超标引起色度和浑浊度相应超标.集中及分散饮水过程中，只要对铁、锰适当处理，铁、锰、色度和浑浊度指标都会向好，同时应减少区域内人类活动对地下水的影响，达到对NH4＋、NO2－高含量的控制.