地震对城乡地表水水质长期影响分析——以四川省宝兴县为例

王 静,魏雅钦,鲁艺玲，张 超

(1.成都大学建筑与土木工程学院，成都 610106;2.成都市环境工程评审中心，成都 610091)

前 言

世界上有三大地震带，中国正位于环太平洋地震带与欧亚地震带之间[1]，断裂带十分发育，地震频发，是一个震灾严重的国家[2]。地震不可预测、不可控制、破坏性强、涉及范围广，一旦发生可能会使地表严重变形，地表水循环和地表径流发生改变，山体岩石崩塌，巨石、碎石滚入河道，破坏河床河岸带植被，影响河体流量和流速，改变水环境和河流生态的结构[3]。地震使地质前应力发生变化，导致一定时间内水体循环的混乱，地壳深部元素可能进入地表水系，水体中化学元素含量变化，放射性核素增加，从而改变水体的化学性质，对当地居民身体健康和生物多样性造成影响。如，地震引起地下水位上升和地下孔隙压力变化，可能导致地下水与放射性废料混合从而污染地下水[4]；日本沿海地区地震引发海啸，导致水体铵、磷浓度降低，叶绿素、海底溶解氧浓度升高，放射性元素释放造海洋污染[5]。此外，地震引发的灾害，如大规模建筑物倒塌、工厂泄露有毒有害物质、生物体死亡，土灰残体和腐烂尸体聚集产生大量腐殖质有机物、灾后安置产生的生活废水不能达标排放、生活垃圾未能及时处置、防治卫生流行病喷洒的消毒剂和灭菌剂，其残留物沉降至地表，都会随径流进入水体，对地表水水质造成影响[6～8]。如，日本震后地表水体镉金属元素超过饮用水水平[9]，地震导致地表水的总体质量下降，重金属浓度增加[10-11]。2008年汶川大地震对岷江水环境有严重影响，流域水质呈恶化趋势，水体普遍由Ⅰ、Ⅱ级水质降为Ⅲ、Ⅳ级水质[12]。

2013年4月20号，四川省芦山县(北纬30.3度，东经103.0度)发生7.0级地震，震中烈度为Ⅸ度，震源深度13千米，与地表距离近，持续时间较长，破坏性巨大，影响强烈。宝兴县是本次地震的重灾县之一，距离震中约28km(图1)。贯穿宝兴县城的宝兴河所在路段S210线发生了强烈的地质灾害，大量垮塌物涌入宝兴河及其支流。宝兴县位于横断山生物多样性热点区域，全县86%幅员面积规划为大熊猫国家森林公园；而宝兴河是长江上游水源头之一，是长江水源生态屏障建设的重点区域和川西“绿色屏障”的重要组成部分[13]，水质的优劣直接影响下游水生态环境。因此，研究地震前后宝兴县城乡地表水质的变化趋势及其对当地生态系统的影响和危害，并积极探索地震灾区受损生态系统的修复技术和治理路径，这对震后灾区生态经济、重建发展具有重要的意义，也对研究地震发生后的地区地表水水质变化及其影响提供参考。

图1 赵家坝监测断面位置Fig.1 Monitoring section position of Zhaojiaba

1 研究方法

从四川省宝兴县环境监测站获得从2012～2019年地震前后宝兴县城区赵家坝断面地表水水质监测数据，该断面为宝兴县地表水污染控制监测点，位于宝兴河的下游处流经宝兴河的地表水水汇聚此处，作为宝兴县城地表水质参考具有代表性。2012年以前，该断面水质监测数据为每年三次，且监测项目仅5项，为pH、高锰酸盐指数、溶解氧、五日生化需氧量和氨氮，且检测周期为每季度一次，数据不完整。自2012始，监测项目改为24项(表1)，即地表水环境质量标准基本项目(GB3838-2002)，每月监测一次，监测时间为每月中旬左右。所有监测项目均符合地表水质监测技术规范HJ/T 91—2002。因此，本研究采用2012～2019年监测数据进行2013年地震前后水质分析。其中，因受2013年4月芦山地震影响，2013年4～9月监测数据缺失。

用EXCEL软件建立宝兴县城区赵家坝断面地表水水质监测数据库，对其进行整理、归纳、分析。本研究涉及2012～2019年间大约7年的数据，数据量多，且变化幅度小，因此选用均值法对数据进行整理，然后运用地表水质评价方法中的单因子评价法、污染指数法(单项污染指数、综合污染指数和有机污染综合指数)和水质指数模式优化法对地震前后地表水质进行分析。其中单因子评价法和综合污染指数法已被实际应用于评价河流断面水质情况中，如嘉陵江南充段水质监测分析[14]，江安河水质监测分析[15]。

单因子评价法是将所有水质指标多次监测值或平均值进行统计，选取需要评价的因子与其对应水质分类标准值进行比较。如评价指标中有一因子超标，那么该水体则按最差因子进行整体水质评价。该评价法是一种比较严格、苛刻的评价法，但也是现水质评价中最常用的方法[16]。但单因子评价法仅反映水质中最差的因子，不能反应水体的综合水质，因此用污染指数法补充评价。

单项污染指数是计算污染指数的基础。综合污染指数中评价指标越多越能真实反映水体综合质量，但同时也加大了监测工作量和成本经费。因此选择评价参数要考虑水体污染特征、水质特点和环境监测工作实际情况，结合过去水质污染类型选取有代表性的参数。鉴于此，对本地区选取的评价参数有pH、溶解氧、高锰酸盐指数、BOD5、氨氮、粪大肠杆菌、T-P、T-N、氟化物、石油类、硫化物等11项指标。此外，有机污染综合指数主要是针对水体有机污染的一种综合评价方法。它根据溶解氧、氨氮、高锰酸盐指数、五日生化需氧量这四项指标的等标污染指数的和来判断水质有机污染状况[17]。

污染指数法只能反映水质变化的趋势，其结果是相对值，只能用于水质定性评价，不能定量判定水质类别，因此，补充采用水质指数模式优化法对水质指数进行计算。即先根据各项目的污染特性将水体所有指标分为三类，第一类为毒性指标，第二类为易净化指标，第三类为一般化学指标，每一类指标的含量分为1、2、3、4、5级。然后计算所有指标的单项指数，通过单项指数计算每类指标分类指数，最后根据分类指数计算最终水源地水质指数，根据指数值可判定水体受污染现状[18]。

2 结果与分析

2.1 2012～2019年间水质监测项目平均值

2012～2019年四川省宝兴县赵家坝断面地表水水质监测项目年平均值见表1。

表1 2012～2019年水质监测项目平均值Tab.1 Average values of water quality monitoring indexes from 2012 to 2019 (mg/L)

2.2 单因子评价法评价结果

由于监测数据较多且变化幅度较小，因此选择用平均值法对2012～2019年间的监测值进行评价，将表1中的统计结果运用单因子评价法对每年每一因子所对应的水质类别进行逐一评价，标价标准见“地表水环境质量标准基本项目标准限值”表(GB 3838-2002)，再将每一年评价的最差因子水质类别作为当年的最终评价结(表2)。

表2 单因子评价结果Tab.2 Single factor evaluation results

续表2

单因子评价结果表明：地震前宝兴县水质为Ⅱ类水，在震后第一年和第二年内水质分类没有变化，也为Ⅱ类；但在震后第三年水质变为Ⅲ类，其主要超标因子为T-N，其余指标分类同上年相同；在震后第四年，水质回归为Ⅱ类水；第五第六年水质又变为Ⅲ类水质，超标因子还是T-N。可见在震后T-N是主导水质类别发生变化的唯一因子。震后T-N的增加主要使水质从Ⅱ类变为Ⅲ类，而NH3-N，T-P等指标也一直处于二类标准，其余指标均为一类标准。由此可知，该断面污染物最主要为三大类，即T-N、T-P和NH3-N。

2.3 污染指数法评价结果

地震前，用单因子评价法评价断面水质为Ⅱ类，鉴于单因子评价法存在的苛刻、片面等弊端，采用污染指数法(单项污染指数、综合污染指数和有机污染综合指数)来补充评价震后水体。

2.3.1 单项污染指数评价结果

单项污染指数评价结果(图2)表明，T-N指标在震后有三年超过Ⅱ类水质标准，其余指标均符合Ⅱ类水质标准。但是每个指标污染指数在震后都出现增长趋势，其中pH在震后第一年(2014)出现了急剧增加，在震后第二年(2015)之后又恢复到近与震前相近的平缓状。溶解氧、BOD5和T-P、这三项指标在地震三年后(2016年)都分别出现了峰值，峰值持续2～3(2016～2018)年后，在2019年又回归到震前水平，受地震影响最大。石油类在震后两年内增长明显，接着减少直至未能检测到。粪大肠菌群则是在震后第二年才被检测出，但指标数值小，污染指数相对较小。其次NH3-N、高锰酸盐指数、氟化物和硫化物这四项指标变化幅度较小，处于平缓状，而都在近两年污染指数有所降低趋势。由此可见，在此次地震中，水质受影响明显的是溶解氧、BOD5、T-P、T-N和石油类这五项指标，在震后都有上升趋势。其中溶解氧、BOD5、T-P和石油类、这四项指标在震后都有明显急剧上升到峰值再下降的趋势，且都在震后第5～6年内恢复到震前水平。

图2 单项污染指数年变化Fig.2 Annual variation of single pollution index

2.3.2 水综合污染指数评价结果

水综合污染指数(图3)表示相对于Ⅱ级水质的污染程度，根据指数值的分级标准，在2012.4～2018.9这六年间，污染指数均小于0.7，相对于Ⅱ类水质属于轻度污染，在2019年水质指数大于0.7，则处于中度污染。震后，综合污染指数处于增加趋势，增幅最大出现在震后第一年，为上年的126.17%，此后第二年增长幅度降低，自第三年逐年始递增。

图3 水质综合污染指数年变化Fig.3 Annual variation of comprehensive water pollution index

2.3.3 有机污染综合指数法评价结果

有机污染指数(图4)表明，在2012～2019年间，有机污染指数值均小于2，说明水体有机污染要优于Ⅱ类水。但是，2013年地震后有机污染指数值不断增大，在2015年成为第一个极值点，2016年有机污染数值短暂减缓后在2017年又上升达到峰值，这说明震后水体有机污染不断加大，此时应有一定的有机污染物进入水体，此污染持续了4年左右，自2018年，有机污染值恢复震前水平并优于震前。

图4 水体有机污染指数年变化Fig.4 Annual variation of organic pollution index in the water body

2.4 水质指数模式优化法评价结果

从2012～2019年间三类污染物水质分类指数(图5)中可以看出，第一类有毒污染物(砷、汞、镉、铬(六价)、铅、氰化物)在震后第三年才被检测出，指数值较小，说明可能受地震影响，但影响不大，此类污染物大多为金属污染物，集中在砷、镉、铅这三类。第二类易净化污染物(pH值、溶解氧、高锰酸盐指数、BOD5、NH3-N、粪大肠杆菌群)的水质指数最高，且在震后的四年间一直处于上升状态，直到第五年，指数逐年下降并近震前水平。第三类其他指标污染物(T-P、T-N、铜、锌、氟化物、硒、挥发酚、石油类、阴离子表面活性剂、硫化物)指数值在2013年地震后也在升高，但水质指数较小且增长趋势较平缓，增长趋势持续大约三年后，水质指数开始下降且逐渐接近震前指数。

图5 水质分类指数年变化Fig.5 Annual variation of water quality classification index

因为水源地水质指数值是取三类指数的最高值WQI=(IL)max，从图5可以看出三类指数中最高值为Ⅱ类易净化污染物，所以第二类易净化污染物水质指数即为水源地水质指数。从这类指数我们可以看到明显的峰值，并且，在2013年受地震影响后地表综合水质变差，水源地水质指数在震后处于上升状，上升趋势持续到震后第四年，在这几年间水源地水质持续变差。震后第五、六年水源地水质指数降低并逐渐恢复到震前水平，说明随着时间推移，在水体自净作用和人工治理下水质状况得到改善。可见，此次地震对地表水质的污染持续了四年左右。

3 讨论和建议

3.1 地震对宝兴县城乡地表水水质的影响

从单因子评价法可以得知，宝兴县城区赵家坝断面污染物最主要为T-N、T-P和氨氮；地震前后单项污染指数变化趋势表明，地表水水质受地震明显影响的指标为pH值、溶解氧、BOD5、T-P、T-N、石油类和粪大肠杆菌(7项)，其指数值在震后都有上升趋势。其中pH值在震后一年大幅度增加，在第二年减少趋同于震前水平，溶解氧、BOD5、T-P和石油类(4项)指标在震后都有明显急剧上升到峰值再下降的趋势，且都在震后第5-6年内恢复到震前水平。说明通过水体自净和人工治理，这几项指标得到改善。其中受地震影响不大的指标有：高锰酸盐指数、氨氮、氟化物和硫化物这四项，在震后没有明显增加趋势，且在近两年均有下降趋势；震后，宝兴县综合污染指数处于增加趋势，最大增加幅度出现在震后第一年，此后增加幅度降低。这种情况说明，受地震影响，水质污染程度在第一年最大，另一方面也说明，随时间推移，地震对水质的污染程度有所减缓；有机污染指数变化说明震后水体有机污染不断加大，此时有一定的有机污染物进入水体，此污染持续了4年左右；水质指数模式优化法中的水质分类指数变化趋势说明，此次地震对地表水质的污染持续了4年左右，此后，随着时间推移，在水体自净作用和人工治理下水质状况得到改善。

3.2 宝兴县城乡地表水水质受到地震影响的原因

宝兴县是典型的山区，99.7%是山地[19]，宝兴河两岸多为高山，大型地震往往导致河流两岸岩体大规模崩塌和滑坡，出现大量且面积广的山地灾害，通过极端的水土流失形式把岩石和土壤中的化学物质带入水体中，对水体造成污染。山地灾害对水体富营养化程度的影响较大。宝兴县土质以棕壤、黄棕壤和暗棕壤、高山草甸土、石灰岩土为主，这几种壤有机质含量均较高，T-N和T-P均大于1g/kg，暗棕壤甚至高达200g/kg[20]。因此，当地震造成富含有机质的土壤大量进入水体，T-N、T-P出现明显的增加。

地震重灾区上游在灾后防疫处置过程中使用大量的消毒剂、杀虫剂，如漂白液、敌敌畏、溴氰菊酯等，在震后可能随降雨形成径流进入下游水源地[21]。所有灭虫药物， 如菊酯类灭虫剂和敌敌畏等可在环境中长期滞留， 多数消毒剂可污染环境，含N、P的杀虫剂使用后对藻类生长有促进作用，拟除虫菊酯类杀虫剂也有促进藻类生长作用，其中以溴氰菊酯最为明显[22]，进而加剧水质富营养化。

震后溶解氧大幅下降，水体检测出粪大肠菌群，石油类、BOD5、T-N、T-P增加，有机污染物指数增加与震后无法及时有效处理死亡动物尸体、临时安置点生活垃圾、污水和粪便不加处理通过地表径流直接排入，同时灾区各水库为降低风险放水减小库容量有关。其中，以临时安置点产生的污染物影响最大，震后宝兴县城大部分房屋成为危房，加上受余震影响，大量居民从室内搬到室外生活，安置点位于县城中学体育场，毗邻宝兴河，室外安置点缺乏生活污水集中收集和处理设施，因此，在震后一个半月左右居民生活废水不加处理通过地表径流直接排入宝兴河中。

3.3 震后防止地表水污染的对策和建议

防止地震灾后地表水被污染的重点工作之一为妥善、科学地做好死亡动物尸体(包括家养禽畜和野生动物)无害化处理。即，对于存在大量死亡动物尸体的区域进行重点消毒，统计数量，进行密封，运输车辆做好防渗措施，并进行统一填埋，必要时可焚烧后填埋。集中填埋的地点的选择，要从生物、化学、物理污染和传染病源全方位考虑进行选择，优先选择地形为高岗，远离当地水源且干燥不积水的地方。其二为科学选择和喷施消毒剂。震后可与卫生部门专业工作人员研讨消毒剂选择、用量和消毒手段。尽量选用环保、污染小且扩散方式适合地震发生区域环境的消毒剂。对消毒人员要进行专业消杀工作培训，加强专业素养，并安合理时间进行区域消毒工作，可在重灾区由内向外开展消毒工作，跟派专家对环境卫生情况进行全面跟踪和检测。其三为改进污水处理工艺。若地震造成当地生活用水水厂或污水处理厂进水泥沙含量大量增加，水体的浊度急剧上升，建议适量加大絮凝剂用量，或单独使用絮凝剂PAC，延长絮凝阶段处理时间，以保证最大絮凝效果。针对地震灾后水体中T-P、T-N、石油类和有机污染物增长明显的情况，可利用生物吸附(Biological Absorption，AB)-多级缺氧/好氧(Anaerobic/Oxic，A/O)-活性焦滤池组合工艺进行处理。实验表明该工艺能高效脱氮除磷，并且实现高标准出水，具有节约能源、环保安全等优势[23]。其四应严格按照《地震灾区过渡性安置区生活垃圾处理处置技术指南》对安置点产生的生活污水和垃圾进行规范处理。加强安置点居民环境卫生教育，城管局与环保局加强合作，对安置点环境卫生开展有效督察，减少居民灾后乱排乱放现象。

4 结 论

2013年4月20日，四川省芦山县发生7.0级地震，距离震中约28km的宝兴县也本次地震的重灾县之一。本文对2012～2019年前后宝兴县城区赵家坝断面地表水水质监测数据进行整理分析，采用地表水质评价方法中的单因子评价法、污染指数法(单项污染指数、综合污染指数和有机污染综合指数)和水质指数模式优化法对地震前后该断面地表水质进行分析。结果表明：该断面污染物最主要为三大类，即T-N、T-P和氨氮。震后第三年水质变为Ⅲ类，其主要超标因子为T-N;水质指标受地震影响明显的是溶解氧、BOD5、T-P、T-N和石油类，其中溶解氧、BOD5、T-P和石油类、这四项指标在震后都有明显急剧上升到峰值再下降的趋势，且都在震后第5～6年内恢复到震前水平。震后水体有机污染不断加大，且持续了四年左右；受地震影响后地表综合水质变差，第二类易净化污染物(pH值、溶解氧、高锰酸盐指数、BOD5、NH3-N、粪大肠杆菌群)为水源地水质指数，水源地水质指数在震后处于上升状，上升趋势持续到震后第四年，震后第五、六年水源地水质指数降低并逐渐恢复到震前水平。总体来看，此次地震对地表水质的污染持续了四年左右，此后，随着时间推移，在水体自净作用和人工治理下水质状况得到改善。

地震导致宝兴河两岸岩体大规模崩塌和滑坡，大量岩石和土壤中的化学物质进入河流中，地震灾后防疫处置过程中使用大量的消毒剂、震后压埋的生物体尸体腐烂后有机质通过雨水或地下水进入河流、室外居民临时安置点生活垃圾、生活污水和粪便不加处理通过地表径流直接排入水体中是导致宝兴河水质变差的主要原因。针对以上原因，提出以下建议：(1)妥善、科学地做好震后死亡生物的尸体无害化处理工作；(2)尽量选用环保、污染小且扩散方式适合地震发生区域环境的消毒剂进行专业消杀工作，(3)改进震后当地生活用水水厂或污水处理厂污水处理工艺，加大对T-P、T-N、石油类和有机污染物处理的力度，(4)对临时安置点产生的生活污水和垃圾进行规范处理，减少居民灾后乱排乱放现象。