湖南郴州柿竹園礦區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)地下飲用水源重金屬水質(zhì)評(píng)價(jià)

徐冰冰，許秋瑾*，梁存珍，李麗，蔣麗佳

1.環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院,北京 100012 2.中國(guó)石油化工學(xué)院環(huán)境工程系，北京 102617 3.江南大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院，江蘇 無(wú)錫 214431

湖南郴州柿竹園礦區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)地下飲用水源重金屬水質(zhì)評(píng)價(jià)

徐冰冰1，許秋瑾1*，梁存珍2，李麗3，蔣麗佳1

1.環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院,北京 100012 2.中國(guó)石油化工學(xué)院環(huán)境工程系，北京 102617 3.江南大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院，江蘇 無(wú)錫 214431

采用單因子評(píng)價(jià)法和內(nèi)梅羅指數(shù)法對(duì)湖南郴州柿竹園礦區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)地下飲用水源豐、枯水期重金屬進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，F(xiàn)e、Mn、Ba、Zn、Cu、As、Pb、Ni、Cr、Cd和Hg等重金屬在礦區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)地下水中普遍存在，其中Mn、Fe和As為該地區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)地下水中的主要重金屬污染物，其檢出濃度分別超過(guò)GB 5749—2006《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》限值的14.72、1.73和1.61倍。枯水期柿竹園礦區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)地下水水質(zhì)相對(duì)豐水期差，該地區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)地下飲用水源水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果為較差、良好和優(yōu)良的在枯水期分別占飲用水源取樣點(diǎn)總數(shù)的5％、10％和85％；在豐水期分別占飲用水源取樣點(diǎn)總數(shù)的5％、5％和90％。

地下飲用水源；水質(zhì)評(píng)價(jià)；重金屬；礦區(qū)

水是人類(lèi)社會(huì)賴(lài)以生存和發(fā)展的重要自然資源。水環(huán)境質(zhì)量的優(yōu)劣與國(guó)民經(jīng)濟(jì)和百姓健康休戚相關(guān)。飲用水作為水體的重要功能之一，一直備受關(guān)注[1-3]?，F(xiàn)階段，我國(guó)工業(yè)化與城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快，大量污染物隨工業(yè)廢水和生活污水直接排放，通過(guò)土壤滲透、地表徑流和大氣沉降等形式不可避免地進(jìn)入到地表和地下水體之中，直接威脅著飲用水源的水質(zhì)安全。鄉(xiāng)鎮(zhèn)飲用水源由于量小、分散，水體緩沖和自?xún)裟芰^弱，飲用水處理設(shè)施遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于城市等原因，飲用水的安全問(wèn)題表現(xiàn)得更為突出[4-6]。特別是，經(jīng)簡(jiǎn)單工藝處理、直接飲用的地表水和淺層地下水的鄉(xiāng)鎮(zhèn)飲用水質(zhì)量和衛(wèi)生狀況難以保障。已有文獻(xiàn)[7]報(bào)道，飲用水污染與癌癥發(fā)病率、腹瀉發(fā)病率及死亡率之間都存在一定程度的相關(guān)性。因此，加強(qiáng)鄉(xiāng)鎮(zhèn)飲用水源的水質(zhì)監(jiān)測(cè)力度，合理開(kāi)展鄉(xiāng)鎮(zhèn)飲用水源有毒污染物水質(zhì)評(píng)價(jià)，對(duì)于有效保障鄉(xiāng)鎮(zhèn)飲用水安全，保護(hù)居民健康具有重要意義。

對(duì)水質(zhì)進(jìn)行合理、客觀、準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)是開(kāi)展鄉(xiāng)鎮(zhèn)飲用水源污染防治與保護(hù)的根本依據(jù)。水質(zhì)評(píng)價(jià)是根據(jù)評(píng)價(jià)目的，合理選擇相應(yīng)的水質(zhì)參數(shù)、水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)和評(píng)價(jià)方法，從而對(duì)水體的質(zhì)量、利用價(jià)值及水的處理要求做出客觀評(píng)定[8]。目前，多采用以水質(zhì)物理化學(xué)參數(shù)的實(shí)測(cè)值為依據(jù)，通過(guò)單項(xiàng)參數(shù)評(píng)價(jià)或多項(xiàng)參數(shù)綜合評(píng)價(jià)的方法開(kāi)展水質(zhì)評(píng)價(jià)研究。水質(zhì)評(píng)價(jià)方法主要有單因子評(píng)價(jià)法[9]、綜合指數(shù)法[10-12]、模糊數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)法[13-14]、灰色系統(tǒng)評(píng)價(jià)法[15-16]、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)法[17]和多元統(tǒng)計(jì)法[18-21]等。對(duì)于鄉(xiāng)鎮(zhèn)飲用水源水質(zhì)評(píng)價(jià)而言，由于鄉(xiāng)鎮(zhèn)技術(shù)人員的操作能力以及相應(yīng)配套設(shè)備還處于相對(duì)較低水平，因此，選擇簡(jiǎn)單、易操作，評(píng)價(jià)結(jié)果較為可靠的水質(zhì)評(píng)價(jià)方法更便于在鄉(xiāng)鎮(zhèn)地區(qū)推廣。

湖南郴州柿竹園礦區(qū)是世界聞名的多金屬礦床地，被中外地質(zhì)專(zhuān)家譽(yù)為“世界有色金屬博物館”[22]。地下水是該礦區(qū)的重要水源之一。礦區(qū)內(nèi)建有多家采礦廠、選礦廠和冶煉廠，存在礦物開(kāi)采伴生的尾礦庫(kù)和尾砂壩等，這些都可能給地下水帶來(lái)重金屬污染，危害礦區(qū)周邊鄉(xiāng)鎮(zhèn)居民的健康。筆者以湖南郴州柿竹園礦區(qū)為例，采用單因子評(píng)價(jià)法和內(nèi)梅羅指數(shù)法對(duì)礦區(qū)內(nèi)鄉(xiāng)鎮(zhèn)地下飲用水源枯、豐水期重金屬污染進(jìn)行評(píng)價(jià)，以期為評(píng)價(jià)鄉(xiāng)鎮(zhèn)飲用水源提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。

1 材料與方法

1.1 水樣采集與分析

湖南郴州柿竹園礦區(qū)內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)和尾礦等污染源共計(jì)18個(gè)(A～R)，其中A、B、F、G、H、O、P、Q、R為選礦廠，E為采礦廠，I、J、L、N為冶煉廠，M為建材公司，C、D、K為尾礦庫(kù)。污染源周邊共設(shè)20個(gè)取樣點(diǎn)，取樣點(diǎn)1#～4#在白露塘鎮(zhèn)；5#～16#在塘溪鄉(xiāng)；17#～20#在橋口鎮(zhèn)。柿竹園污染源與取樣點(diǎn)布置如圖1所示。

圖1 研究區(qū)及取樣點(diǎn)示意Fig.1 Study area and sampling sites

采用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS，Agilent 7500)對(duì)礦區(qū)地下水中11種重金屬元素(Cr、Mn、Fe、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Ba、Hg和Pb)進(jìn)行定性定量分析。儀器運(yùn)行條件：高頻發(fā)射功率為1 500 W，Ar載氣流速為0.65 Lmin，Ar補(bǔ)充氣流速為0.45 Lmin，Ar冷卻氣流速為14.0 Lmin，霧化室溫度為2 ℃，真空室壓力為2.1×10-7Pa。各重金屬元素檢測(cè)值的標(biāo)準(zhǔn)方差均小于5％。

1.2 水質(zhì)評(píng)價(jià)方法

以湖南郴州柿竹園礦區(qū)地下水飲用水源為評(píng)價(jià)對(duì)象，針對(duì)地下飲用水源重金屬污染物開(kāi)展水質(zhì)評(píng)價(jià)研究，水質(zhì)評(píng)價(jià)采用GB 5749—2006《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》[23]，評(píng)價(jià)方法為單因子評(píng)價(jià)法[24]和內(nèi)梅羅指數(shù)法[25]。

1.2.1 單因子評(píng)價(jià)法[24]

將每個(gè)評(píng)價(jià)因子與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，確定各評(píng)價(jià)因子的水質(zhì)類(lèi)別，以最差水質(zhì)作為水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果(式1)。該方法計(jì)算簡(jiǎn)單、易操作，但由于該方法以最差水質(zhì)的單個(gè)因子水質(zhì)狀況表示整個(gè)水體的水質(zhì)，評(píng)價(jià)結(jié)果過(guò)于悲觀。因此，在重金屬水質(zhì)評(píng)價(jià)中采用單因子指數(shù)法作為主要污染物篩選的依據(jù)。

Ii=CiCOi

(1)

式中，Ii為相對(duì)污染程度值；Ci為實(shí)測(cè)濃度；COi為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值。若Iigt;1.00，表明水質(zhì)不符合功能區(qū)要求，受到污染；若Iilt;1.00，則表明水質(zhì)符合功能區(qū)要求，尚未污染。

1.2.2 內(nèi)梅羅指數(shù)法[25]

內(nèi)梅羅指數(shù)法不僅考慮單因子評(píng)價(jià)法中參加評(píng)價(jià)的各種污染物的污染指數(shù)，還考慮大量污染物的污染指數(shù)，加大了最大污染物的權(quán)重，更加合理地反映了水環(huán)境的污染性質(zhì)和程度。因此，選用內(nèi)梅羅指數(shù)法對(duì)柿竹園礦區(qū)地下飲用水源重金屬污染物進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。其評(píng)價(jià)公式為：

(2)

式中，S為水環(huán)境質(zhì)量綜合污染指數(shù)；Ij,max為單因子j的最大污染指數(shù)；k為污染因子個(gè)數(shù)；Ij為單因子j的污染指數(shù)。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果將水質(zhì)分為五級(jí)：Slt;0.80，優(yōu)良；0.81≤Slt;2.50，良好；2.50≤Slt;4.25，較好；4.25≤Slt;7.20，較差；Sgt;7.20，極差。

2 結(jié)果與討論

2.1 礦區(qū)地下飲用水源重金屬暴露特征

重金屬是地下水中常見(jiàn)的重要污染物。重金屬Hg、Cd、Pb、Cr和As由于具有極強(qiáng)的毒性以及生物蓄積性受到較為廣泛的關(guān)注[26-27]。對(duì)于人體必需的Fe、Cu和Zn等元素而言，當(dāng)其處于較高暴露水平時(shí)也會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生一定的危害作用。因此，著重對(duì)柿竹園礦區(qū)20個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)地下飲用水源中Hg、Cd、Pb、Cr、As、Fe、Cu、Zn、Ni、Ba和Mn共11種重金屬元素在枯、豐水期的濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，結(jié)果如圖2所示。

圖2 柿竹園礦區(qū)地下水枯水期和豐水期重金屬濃度特征Fig.2 Concentrations and distribution heavy metals in the dry and wet seasons

由圖2可知，11種重金屬元素在地下水中均有檢出。其中，F(xiàn)e、Mn、Ba和Zn濃度相對(duì)較高，Cu、As、Pb、Ni、Cr、Cd和Hg的濃度相對(duì)較低?？菟?，柿竹園礦區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)地下飲用水源各重金屬平均濃度由高到低依次為：Fe(109.3 μgL)gt;Ba(101.7 μgL)gt;Zn(73.1 μgL)gt;Mn(55.8 μgL)gt;Cu(2.7 μgL)gt;As(1.9 μgL)gt;Pb(1.8 μgL)gt;Ni(1.3 μgL)gt;Cr(0.6 μgL)gt;Cd(0.1 μgL)gt;Hg(0.08 μgL)。與枯水期相比，豐水期11種重金屬元素的濃度略有差異，柿竹園礦區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)地下飲用水源各重金屬平均濃度由高到低依次為：Ba(99.1 μgL)gt;Fe(91.2 μgL)，Mn(83.7 μgL)gt;Zn(38.2 μgL)gt;As(2.5 μgL)gt;Cu(2.1 μgL)gt;Ni(1.3 μgL)gt;Pb(0.8 μgL)gt;Cr(0.8 μgL)gt;Cd(0.1 μgL)gt;Hg(0.03 μgL)。

柿竹園礦區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)地下飲用水源中，Mn在豐水期的濃度略大于枯水期，說(shuō)明除了地下水的流動(dòng)使含錳礦石溶解之外，在人為因素影響下，地下水中錳很可能還來(lái)源于礦區(qū)采礦、冶金、化工等工業(yè)廢水的排放，應(yīng)加強(qiáng)進(jìn)一步的監(jiān)測(cè)。Ni、Cd、Cr和As在枯、豐水期的濃度水平相當(dāng)，而其他6種重金屬元素在豐水期的濃度略小于枯水期，這10種重金屬的暴露水平并沒(méi)有因?yàn)樨S水期水量的增大而增大，說(shuō)明這些重金屬元素主要源于礦物的溶濾作用，以自然來(lái)源為主。由此可見(jiàn)，在研究區(qū)域內(nèi)鄉(xiāng)鎮(zhèn)地下飲用水源中重金屬主要為天然來(lái)源，其中礦物溶濾和地下徑流為主要遷移途徑；人為源對(duì)地下水重金屬污染的程度不高。

2.2 礦區(qū)地下飲用水源重金屬污染單因子評(píng)價(jià)

采用單因子指數(shù)法對(duì)柿竹園礦區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)地下飲用水源主要重金屬污染物進(jìn)行篩選，結(jié)果如表1和表2所示。

表1 柿竹園礦區(qū)枯水期地下水重金屬水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果

枯水期時(shí)(表1)，單因子評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，柿竹園礦區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)地下飲用水源20個(gè)取樣點(diǎn)中僅有7#、11#和12#存在重金屬污染，不能滿足GB 5749—2006的要求，不宜直接飲用。其中，7#取樣點(diǎn)中Fe和As的相對(duì)污染程度值分別為1.73和1.61；11#和12#取樣點(diǎn)中Mn的相對(duì)污染程度值分別為7.23和2.33。表明7#、11#和12#取樣點(diǎn)水質(zhì)不符合功能區(qū)要求，受到污染。其他17個(gè)取樣點(diǎn)重金屬的相對(duì)污染程度值均小于1.00，表明這些飲用水源中各重金屬元素均未超出GB 5749—2006規(guī)定的限值，符合飲用水源功能區(qū)要求，未被污染。

豐水期時(shí)(表2)，單因子評(píng)價(jià)結(jié)果與枯水期略有不同。柿竹園礦區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)地下水源中僅有3#、4#和11#取樣點(diǎn)存在重金屬污染，不能滿足GB 5749—2006的要求，不宜直接飲用。其中，3#和4#取樣點(diǎn)中As的相對(duì)污染程度值分別為1.61和1.04，說(shuō)明這兩個(gè)取樣點(diǎn)存在不同程度的As污染；11#取樣點(diǎn)中Mn的相對(duì)污染程度值為14.72，表明該水源受Mn污染嚴(yán)重。其他17個(gè)取樣點(diǎn)重金屬的相對(duì)污染程度值均小于1.00，表明飲用水源中各重金屬元素均未超出GB 5749—2006規(guī)定的限值，符合飲用水源功能區(qū)要求，未被污染。

表2 柿竹園礦區(qū)豐水期地下水重金屬水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果

2.3 礦區(qū)地下水飲用水源重金屬綜合水質(zhì)評(píng)價(jià)

采用內(nèi)梅羅指數(shù)法對(duì)柿竹園礦區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)地下飲用水源重金屬綜合水質(zhì)進(jìn)行了評(píng)價(jià)(表1和表2)。結(jié)果表明，枯水期時(shí)(表1)，柿竹園礦區(qū)11#取樣點(diǎn)的水環(huán)境質(zhì)量綜合污染指數(shù)為5.14，說(shuō)明該點(diǎn)地下飲用水源水質(zhì)較差；7#和12#取樣點(diǎn)的水環(huán)境質(zhì)量綜合污染指數(shù)分別為1.27和1.66，表明其水質(zhì)良好；其他17個(gè)取樣點(diǎn)的水環(huán)境質(zhì)量綜合污染指數(shù)均小于0.80，表明這些取樣點(diǎn)地下飲用水源水質(zhì)優(yōu)良。經(jīng)統(tǒng)計(jì)可知，柿竹園礦區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)地下飲用水源水質(zhì)較差、良好和優(yōu)良的飲用水源取樣點(diǎn)數(shù)分別占取樣點(diǎn)總數(shù)的5％、10％和85％。

豐水期時(shí)(表2)，柿竹園礦區(qū)11#取樣點(diǎn)的水環(huán)境質(zhì)量綜合污染指數(shù)為10.46，說(shuō)明該點(diǎn)地下飲用水源水質(zhì)已經(jīng)處于極差狀態(tài)；3#取樣點(diǎn)的水環(huán)境質(zhì)量綜合污染指數(shù)為1.15，表明其水質(zhì)良好；其他18個(gè)取樣點(diǎn)的水環(huán)境質(zhì)量綜合污染指數(shù)均小于0.80，表明這些取樣點(diǎn)地下飲用水源的水質(zhì)優(yōu)良。其中水質(zhì)極差、良好和優(yōu)良的飲用水源取樣點(diǎn)數(shù)分別占取樣點(diǎn)總數(shù)的5％、5％和90％。

3 結(jié)論

(1)柿竹園礦區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)地下水源中普遍存在Fe、Mn、Ba、Zn、Cu、As、Pb、Ni、Cr、Cd和Hg，其中Mn的來(lái)源受人為影響相對(duì)較大，其他金屬元素主要來(lái)源于礦物溶濾等自然來(lái)源。

(2)單因子評(píng)價(jià)法分析結(jié)果表明，柿竹園礦區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)地下飲用水源中主要重金屬污染物為Mn、Fe和As。柿竹園礦區(qū)內(nèi)3#、4#、7#、11#和12#取樣點(diǎn)在枯、豐水期分別受到Fe、As和Mn的污染，已不能滿足《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》的要求，不宜直接飲用。

(3)內(nèi)梅羅指數(shù)法分析結(jié)果表明，柿竹園礦區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)地下飲用水源重金屬污染豐水期水質(zhì)優(yōu)于枯水期。礦區(qū)內(nèi)11#取樣點(diǎn)地下飲用水源枯、豐水期水質(zhì)分別為較差和極差狀況，受重金屬污染較重，應(yīng)重點(diǎn)防控；3#、7#、12#取樣點(diǎn)地下飲用水源水質(zhì)良好；其他取樣點(diǎn)地下飲用水源水質(zhì)優(yōu)良。

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WaterQualityAssessmentforHeavyMetalsinRuralGroundwaterSourcesaroundShizhuyuanPolymetallicMineinChenzhou,HunanProvince

XU Bing-bing1, XU Qiu-jin1, LIANG Cun-zhen2, LI Li3, JIANG Li-jia1

1.State Key Laboratory of the Environmental Criteria and Risk Assessment, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China 2.Department of Environmental Engineering, Beijing Institute of Petrochemical Technology, Beijing 102617, China 3.School of Environmental and Civil Engineering, Jiangnan University, Wuxi 214122, China

Water quality assessment for heavy metals in rural groundwater sources around Shizhuyuan Polymetallic Mine in Chenzhou, Hunan province in wet and dry seasons was carried out by using Single-factor Assessment Method and Nemerow Index Methods. The results showed that Fe, Mn, Ba , Zn , Cu , As, Pb , Ni, Cr , Cd and Hg were ubiquitous in rural groundwater sources. Mn, Fe and As were the main heavy metal pollutants in rural groundwater sources around Shizhuyuan mine area, with the detection concentrations exceedingSanitaryStandardforDrinkingWater(GB 5749-2006) by 14.72, 1.73 and 1.61 times, respectively. The rural groundwater quality was poorer in dry season than that in wet season. The water quality in poor, good and excellent status in dry season accounted for 5％, 10％ and 85％ of the total rural groundwater sources, respectively, while in wet season it accounted for 5％, 5％ and 90％, respectively.

groundwater source; water quality assessment; heavy metal; mining area

1674-991X(2013)02-0113-06

2012-06-18

國(guó)家環(huán)境保護(hù)公益性行業(yè)科研專(zhuān)項(xiàng)(200909054)

徐冰冰(1980—)，女，副研究員，博士，主要從事水污染控制技術(shù)研究，xbb_hit@126.com

*責(zé)任作者:許秋瑾(1970—)，女，研究員，博士，長(zhǎng)期從事湖泊生態(tài)及污染防治技術(shù)研究，xu_qiujin@yahoo.com.cn

X523

A

10.3969j.issn.1674-991X.2013.02.019