济南市深层地下水化学特征及变化规律

任庆莲，郑瑞文，徐 超

（1.济南市清源水务集团有限公司，山东 济南 250011；2.山东建筑大学市政与环境工程学院，山东 济南 250101）

岩溶地下水是济南市生活饮用水的主要来源之一，自20 世纪50 年代至今，高峰期开采量超过80 万m3/d。近年来，济南市地下水受地表水或土壤水的下渗，农业面源污染及工业企业废水下渗影响，主要污染物有硝酸盐、卤代烷烃、总硬度、溶解性总固体等。《生活饮用水卫生标准》（GB5749-2022）对硝酸盐等指标的限值进行更改[1]，硝酸盐限值由20 mg/L 降低至10 mg/L，济南市多个地下水水源地硝酸盐含量出现超过限值的情况，生活饮用水硝酸盐含量过高容易导致蓝婴症、高铁血红蛋白症等疾病。济南市地下水前期研究主要集中在浅层地下水、泉水、地下水人工补源等方面，深层承压水化学特征和时空变化规律研究较少。

为优化济南市地下水水资源配制，判断地下水水源水化学特征、时空变化规律及形成机制，通过对济南市13 个水源地地下水进行采样，测定其各指标含量，统计2017—2022 年监测数据，对各水源地地下水水质进行评价，以期为济南市地下水资源保护和开发提供参考依据。

1 采样与评价方法

1.1 研究区概况

研究区位于黄河以南，济南市区北部，西南至长清区归德镇1#曹楼水源地，东北至历城区王舍人街道13#白泉水源地（见图1）。研究区域气候干燥，年降水量约670 mm。研究区域地下水主要为承压水，水源井深度为300~500 m 不等。

图1 采样点分布示意图

1.2 采样与检测

对济南市13 个地下水水源地长期采样监测，在2017—2022 年每年采样1~2 次，采样点位置如图1 示。参照《地下水质量标准》（GB/T 14848-2017）对各采样点水质进行常规指标检测，其中硝酸盐（以N 计）、氯化物、硫酸盐检测采用《水质无机阴离子的测定离子色谱法》（HJ 84-2016）测定，三氯甲烷、四氯化碳采用《水质挥发性卤代烃的测定顶空气相色谱法》（HJ 620-2011）测定，pH、总硬度和溶解性总固体等其他指标采用《生活饮用水标准检验方法》（GB/T 5750-2006）。济南市年降水量和年度废水排放总量参照济南市气象局和济南市生态环境局公告。

1.3 统计分析和质量评价

采用SPSS 26.0 软件进行数据整理和方差分析，通过Pearson 线性相关系数分析水质参数变化趋势。通过ArcGIS 10.6 和Origin 2021 软件作图。地下水质量评价采用综合评价法，首先进行单项组分评价，划分组分所属质量类别，按各类别分别确定单项组分评价分值Fi（I、II、III、IV、V 类水，Fi分值分别为0、1、3、6、10），按式（1）和式（2）计算综合评价分值F。根据F 值，按（优良：F＜0.80；良好：0.80≤F＜2.50；较好：2.50≤F＜4.25；较差：4.25≤F＜7.20；极差：F≥7.20）规定划分地下水质量级别。

2 结果分析

2.1 济南市深层地下水化学特征

对济南市13 个地下水水源地水化学组分进行统计分析和质量评价，结果见表1。地下水质量级别达到优良的有6#EMS，质量级别达到良好的依 次 有 7#DY、2#JZ、5#GC、3#QZL、11#XJ、4#LZ、8#LS、1#CL、12#LZ、9#JFQ，质量级别为较差的有10#HN、13#BQ。

表1 2017—2022 年济南市深层地下水化学组分特征

由图1 可以看出，空间分布上地下水质量呈现中间高两边低的特点。5#~7#位于济南市西郊玉符河水系末端，毗邻黄河和玉清湖水库，地下水质量最高，综合评价分值F 为0.714~2.125。1#~4#位于长清—孝里，水源地周边土地利用类型为农业用地，地下水质量次之，综合评价分值F 为2.126~2.137，主要污染物为溶解性总固体、硝酸盐等。8#~13#位于济南市主城区和东郊，水源地周边土地利用类型为建筑和工业用地，地下水质量略低，综合评价分值F 为2.132~4.273，主要污染物为总硬度、溶解性总固体、硝酸盐和氯代烷烃等。

2.2 地下水主要化学组分变化趋势

统计分析2017—2022 年济南市13 个地下水水源地各化学组分特征，变化趋势较显著的有硝酸盐、总硬度、溶解性总固体，3 种组分都呈升高趋势，具体平均变化率硝酸盐＞溶解性总固体＞总硬度。1#CL、8#LS、9#JFQ、10#HN、11#XJ 采样点硝酸盐指标升高显著（p＜0.05），2022 年较2017 年升高约29%~101%，1#CL、9#JFQ、10#HN、11#XJ、12#LZ 硝酸盐浓度超10 mg·L-1。2#JZ、5#GC、6#EMS、7#DY 硝酸盐变化不显著，浓度常年保持在5 mg·L-1以下。大部分采样点溶解性总固体指标呈升高趋势，1#CL、8#LS、12#LZ、13#BQ 采样点变化趋势不显著。5#~7#采样点溶解性总固体指标较其他采样点低，在276~556 mg/L 之间。1#~4#、10#采样点总硬度指标显著升高（p＜0.05），其他采样点总硬度指标变化不显著。5#~7#采样点总硬度指标较其他采样点低，在225~341 mg/L之间详见图2。

图2 济南市深层地下水主要水质指标变化趋势

3 讨 论

3.1 降水和废水排放总量对硝酸盐浓度的影响

地下水硝酸盐浓度与土地利用性质显著相关，土地性质为农业用地过度使用化肥，建筑用地和工业用地产生的污水等，通过排放、灌溉、降水等方式下渗到地下水中，影响地下水化学演替，地下水中硝酸盐含量可以一定程度反映其受污染的程度。济南市13 个地下水水源地中大部分地下水年均硝酸盐浓度与济南市年废水排放总量呈显著正相关关系（p＜0.01），Pearson 相关系数为0.419~0.957。

结果表明废水排放总量对济南市地下水硝酸盐浓度有显著增进作用。降水量则通过土壤溶滤、地表径流下渗等间接影响地下水硝酸盐浓度，降水可能会加剧地下水硝酸盐污染程度，济南市13 个地下水水源地中大部分地下水年均硝酸盐浓度与济南市年降水量呈显著正相关关系（p＜0.05），Pearson 相关系数为0.249~0.636。

结果表明，降水携带不同土地利用类型下土壤表层中的氮素下渗至含水层，增加了地下水中硝酸盐污染，威胁地下水水源地供水安全，城市雨污分流工程的建设对水环境的改善具有现实意义。

3.2 济南市地下水水质改善措施

新版《生活饮用水卫生标准》（GB 5749-2022）中硝酸盐标准限值为10 mg/L，《地下水质量标准》（GB/T 14848-2017）硝酸盐III 类标准为20 mg/L。如图2 所示，2022 年监测数据显示1#CL、9#JFQ、10#HN、11#XJ、12#LZ 硝酸盐浓度超10 mg/L，其他采样点硝酸盐浓度均小于10 mg/L，所有采样点硝酸盐指标都符合《地下水质量标准》（GB/T 14848-2017）III 类标准20 mg/L 的限值要求，但新版《生活饮用水卫生标准》中硝酸盐标准限值为10 mg/L，对后续生活饮用水制水企业净水工艺造成一定的压力，作为地下水水源地为改善这一地下水水质状况可采取以下措施：

一是禁止各地下水水源地保护区内进行农作物和经济林种植，严格控制化肥、农药等非点源污染，不得存在畜禽养殖活动。

二是通过玉符河人工补源工程、黄河水自然下渗、玉清湖水库自然下渗补给地下水，多年检测结果显示玉符河水系末端，毗邻黄河和玉清湖水库的5#~7#采样点硝酸盐浓度常年在5 mg/L以下，总硬度、溶解性总固体等其他关键指标都优于其他地下水水源地，水质状况良好。其他学者的研究也发现河道入渗补给可能会改善地下水水质[2]。

三是定期对各地下水水源地水质进行监测，根据供水要求和水质状况，停用或改扩建部分地下水水源地。

四是后期尝试原水稀释的方法，将硝酸盐超过10 mg/L 地下水与硝酸盐低于5 mg/L 的优质地下水、黄河水、南水北调水、玉清湖水库水、鹊山水库水混合后供水，消减硝酸盐含量。

8#~13#采样点位于济南市主城区和东郊，水源地周边土地利用类型为建筑和工业用地，如表1 所示，主城区和东郊地下水存在氯代烷烃污染，三氯甲烷组分年均含量在0.48~3.68 μg/L 之间，四氯化碳组分年均含量在0.28~1.91 μg/L 之间。薛舜等学者的研究表明采用BBD 法优化固定填料床曝气去除水中三氯甲烷和四氯化碳，去除率可达到89.8%和100%[3]。建议主城区和东郊地下水水源前处理增加曝气装置降低氯代烷烃等挥发性有机物含量。同时建议对水源地周边制药和化工企业进行污染物排放长期监测。

4 结 论

1）济南市13 个地下水水源地中地下水质量级别达到优良的有6#EMS，质量级别达到良好的依 次 有 7#DY、2#JZ、5#GC、3#QZL、11#XJ、4#LZ、8#LS、1#CL、12#LZ、9#JFQ，质量级别为较差的有10#HN、13#BQ。可以看出，空间分布上济南市地下水质量呈现中间高两边低的特点，济南西郊5#~7#水源地水质状况最好。

2）济南市13 个地下水水源地中大部分地下水硝酸盐年均浓度与济南市年废水排放总量呈显著正相关关系（p＜0.01），与年降水量呈显著正相关关系（p＜0.05）。

3）针对1#CL、9#JFQ、10#HN、11#XJ、12#LZ 硝酸盐浓度超10 mg/L 的情况，可采取水源地保护、人工补源、水源地改扩建、原水稀释等措施，改善地下水硝酸盐污染状况。8#~13#采样点存在氯代烷烃污染，可增加曝气装置去除水中三氯甲烷和四氯化碳等挥发性有机物。