哈爾濱地區(qū)淺層地下水質(zhì)量與污染評價(jià)

孔慶軒，董宏志，王燕，楊廣申，王立宦，劉彩虹，孫曉慶

（1.黑龍江省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站，黑龍江哈爾濱 150030；2.吉林大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，吉林長春 130021）

哈爾濱地區(qū)淺層地下水質(zhì)量與污染評價(jià)

孔慶軒1，董宏志1，王燕1，楊廣申1，王立宦1，劉彩虹2，孫曉慶2

（1.黑龍江省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站，黑龍江哈爾濱 150030；2.吉林大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，吉林長春 130021）

為查明哈爾濱地區(qū)淺層地下水水質(zhì)現(xiàn)狀及污染情況，利用松嫩平原（黑龍江）地下水污染調(diào)查評價(jià)項(xiàng)目的數(shù)據(jù)，對淺層地下水主要化學(xué)特征進(jìn)行了描述.在此基礎(chǔ)上采用模糊綜合評價(jià)法進(jìn)行了地下水質(zhì)量評價(jià)，采用污染指數(shù)法進(jìn)行了地下水污染現(xiàn)狀評價(jià).結(jié)果表明：研究區(qū)淺層地下水水化學(xué)類型以HCO3-Ca型為主；受原生環(huán)境下水化學(xué)條件控制的Fe、Mn指標(biāo)含量對水質(zhì)影響較大；地下水污染屬于區(qū)域性污染，污染范圍廣、污染程度重，主要污染物為NH4+及NO-3、NO2-，來源于生活污水及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所施用的化肥.根據(jù)分析數(shù)據(jù)，研究區(qū)地下水污染以無機(jī)污染為特征.

淺層地下水；水化學(xué)特征；水質(zhì)評價(jià)；污染評價(jià)；松嫩平原；哈爾濱

地下水作為寶貴自然資源的一部分，為全世界大部分人口提供不可或缺的水源.隨著哈爾濱市經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，地下水開采量逐年增長，工業(yè)廢水、生活污水的排放及農(nóng)業(yè)灌溉、施肥等造成有毒有害物質(zhì)隨之滲入地下，威脅到地下水供水安全，已引起各級政府的高度重視.2011年全國31個省的69個城市地下水有機(jī)污染物檢出率高達(dá)48.42%［1］；華北平原淺層地下水直接可以飲用的I類地下水僅占22.2%，潛水硝酸鹽氮的超標(biāo)率達(dá)到了5.41%［2］；陜西關(guān)中盆地淺層地下水中硝酸鹽氮的最高檢出值達(dá)650 mg/L，超標(biāo)點(diǎn)比例達(dá)32.9%［3］.本文利用松嫩平原（黑龍江）地下水污染調(diào)查評價(jià)項(xiàng)目哈爾濱地區(qū)的野外調(diào)查和樣品分析數(shù)據(jù)，對哈爾濱市淺層地下水質(zhì)量及污染進(jìn)行評價(jià)研究，以期為地下水資源的合理利用和污染防治提供科學(xué)依據(jù).

1 區(qū)域水文地質(zhì)概況

本文研究區(qū)域?yàn)楣枮I市及所轄市縣的平原區(qū)，面積1.4×104km2.研究區(qū)位于松嫩平原東部，地勢總體上南北高，中部松花江河谷低.松花江河谷平原區(qū)分布有第四系潛水含水層，巖性為細(xì)砂、中粗砂夾小礫石，厚40～60 m.上覆較薄的亞黏土或亞砂土，含水層埋藏淺.在河谷平原區(qū)外圍的崗阜狀高平原上部，分布有厚度近30 m的黃土狀亞黏土，其中賦存有聯(lián)通性弱的裂隙孔隙潛水.局部地區(qū)，在黃土狀亞黏土下部，零星分布有砂、砂礫石孔隙微承壓水，聯(lián)通性差，水量小，不具大規(guī)模供水意義.本文將研究區(qū)內(nèi)的河谷平原潛水及高平原區(qū)的黃土狀亞黏土裂隙孔隙潛水和砂、砂礫石微承壓水統(tǒng)稱為淺層水.

淺層地下水補(bǔ)給主要來源于大氣降水和周圍山區(qū)的地下水徑流補(bǔ)給，由四周向平原中心匯集，生活污水和工業(yè)廢水的滲入也是其補(bǔ)給來源之一［4］.排泄以蒸發(fā)和人工開采為主.

2 采樣點(diǎn)的選擇

野外調(diào)查及采樣工作在2012年進(jìn)行，采樣層位以淺層水為主，共采集樣品133組，采樣井的深度一般在15～35 m.選擇的采樣點(diǎn)控制了調(diào)查區(qū)不同的地貌單元及水文地質(zhì)單元，具有一定的代表性.

樣品測試無機(jī)組分有23項(xiàng)，如溶解性總固體、總硬度、“三氮”、TFe、Mn等；有機(jī)測試揮發(fā)性、半揮發(fā)性組分共計(jì)37項(xiàng).

3 地下水質(zhì)量評價(jià)

地下水質(zhì)量評價(jià)方法有模糊綜合評判法、灰色系統(tǒng)法、物元分析法、綜合指數(shù)法以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法等多種.模糊綜合評價(jià)法計(jì)算簡單，對地下水質(zhì)量所屬類別的判斷不是簡單地根據(jù)單一指標(biāo)得出結(jié)論，而是通過對各項(xiàng)指標(biāo)的綜合歸納，根據(jù)隸屬度劃分水質(zhì)級別，在水質(zhì)評價(jià)中有很廣泛的應(yīng)用.

模糊綜合評價(jià)法的模型為B=W·R.B為綜合評價(jià)結(jié)果（模糊判別集）；W為參評指標(biāo)權(quán)重；R為模糊關(guān)系矩陣，各污染物的單項(xiàng)指標(biāo)（Xi）對各水質(zhì)級別（Ci）的隸屬度所構(gòu)成的矩陣，即為模糊關(guān)系矩陣R.

隸屬度可用隸屬函數(shù)表示.

I級水的隸屬函數(shù)

式中：Xi—第i項(xiàng)指標(biāo)實(shí)測濃度值；Cij—第i項(xiàng)指標(biāo)j級水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn).由此構(gòu)成一個n×5階模糊關(guān)系矩陣R.

參評指標(biāo)權(quán)重的計(jì)算：

由此可得權(quán)系數(shù)模糊向量W，W=｛W1、W2……Wn｝.

將W和R進(jìn)行模糊矩陣的復(fù)合運(yùn)算，得到模糊判別集B=（b1，b2，…，bm）.根據(jù)最大隸屬度確定水質(zhì)級別，完成水質(zhì)評價(jià).

4 地下水污染評價(jià)

地下水污染評價(jià)的方法有綜合污染指數(shù)法、模糊綜合評價(jià)法、灰色聚類分析法和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析法等.污染指數(shù)評價(jià)法以其直觀、易理解為廣泛采用.采用污染指數(shù)評價(jià)法進(jìn)行地下水無機(jī)污染組分評價(jià)的計(jì)算公式如下：

其中：Pki—k水樣第i個指標(biāo)的污染評價(jià)指數(shù)；Cki—k水樣第i個指標(biāo)的檢測值；C0—對于無機(jī)組分，代表k水樣所在區(qū)域指標(biāo)i的對照值，本文根據(jù)研究區(qū)的地貌特征、地下水埋藏條件，在每個水文地質(zhì)單元的各取水層段，采用基本未受污染的地下水檢測點(diǎn)各指標(biāo)含量平均值加減兩個標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算獲得.CIII—《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 14848-2007）中指標(biāo)i的Ⅲ類指標(biāo)限值.

利用上式分別計(jì)算各水樣點(diǎn)單因子污染指數(shù)結(jié)果Pki，并依據(jù)表1中污染分級標(biāo)準(zhǔn)劃分污染等級，確定各水樣單因子污染等級.

表1 單因子污染指數(shù)分級標(biāo)準(zhǔn)Table 1Grading standard by single factor pollution index

對單因子污染評價(jià)完成后，將各水樣單因子污染等級做比對，規(guī)定其中污染等級最高的因子等級劃分結(jié)果作為該水樣點(diǎn)地下水污染綜合評價(jià)結(jié)果.

5 結(jié)果討論

5.1 淺層地下水水化學(xué)特征

根據(jù)哈爾濱地區(qū)淺層地下水樣品分析結(jié)果，繪制成了地下水水化學(xué)類型Piper圖（圖1）.由圖1可以看出，淺層地下水化學(xué)類型以1-A型為主，即礦化度（M）小于1.5 g/L的HCO3-Ca型水，其次是4-A型，表示礦化度（M）小于1.5 g/L的HCO3-Na-Ca型水.反映了淺層水文地球化學(xué)環(huán)境由淋溶遷移至積累，由氧化還原環(huán)境到弱還原環(huán)境的特征.地下水化學(xué)作用由平原邊緣的溶濾作用為主，到平原內(nèi)部以蒸發(fā)濃縮和離子交換吸附為主.

圖1 淺層地下水化學(xué)類型Piper圖Fig.1Piper diagram showing chemical types of shallow groundwater

5.2 淺層地下水水質(zhì)評價(jià)

根據(jù)調(diào)查及樣品分析結(jié)果，研究區(qū)地下水中總鐵、錳含量較高.本次評價(jià)在因子選擇時考慮了兩種情形，即包含TFe、Mn因子及不含二者.評價(jià)結(jié)果見圖2.

圖2 淺層地下水水質(zhì)評價(jià)等級分區(qū)圖Fig.2Zonation by quality grade of the shallow groundwater in Harbin region

由圖2及評價(jià)結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析可以看出，含TFe、Mn的評價(jià)結(jié)果是淺層地下水水質(zhì)總體較差，IV、V類水質(zhì)點(diǎn)126個，占總體的94.74%，I、II類水質(zhì)點(diǎn)的個數(shù)僅為7個.由于研究區(qū)地下水受原生環(huán)境影響，總鐵、錳的含量較高，對地下水質(zhì)量有著較大的影響，從該評價(jià)結(jié)果中不易辨別人類活動對地下水質(zhì)量的影響情況.不含TFe、Mn的評價(jià)結(jié)果顯示，IV、V類水質(zhì)點(diǎn)88個，占總體的66.17%，IV、V類水的分布面積明顯縮小，主要分布于松花江及其支流的河谷平原地帶，影響水質(zhì)的主要污染因子為NH4+、NO3-，該評價(jià)結(jié)果能夠反映人類活動對地下水的污染情況.

由此可見，評價(jià)指標(biāo)選取不同，評價(jià)結(jié)果也隨之發(fā)生變化，說明評價(jià)指標(biāo)的甄選對地下水質(zhì)量評價(jià)很重要.

5.3 淺層地下水污染評價(jià)結(jié)果討論

利用地下水污染指數(shù)法計(jì)算了各采樣點(diǎn)的污染等級，分級結(jié)果見圖3.

圖3 研究區(qū)地下水污染評價(jià)圖Fig.3Zonation by pollution levels of groundwater in the study area

根據(jù)圖3及統(tǒng)計(jì)分析，研究區(qū)淺層地下水污染較重，III類中度污染點(diǎn)14個，占10.53%；IV較重污染點(diǎn)8個，占6.02%；V類嚴(yán)重污染點(diǎn)12個，占9.02%；VI類極重污染點(diǎn)97個，占72.93%.VI、V類重污染點(diǎn)覆蓋面積較大，近12 000 km2，幾乎遍布于整個研究區(qū).主要污染因子為NH4+、NO3-.IV、V類重污染區(qū)的水樣點(diǎn)集中分布在養(yǎng)殖場、垃圾填埋場周邊地帶及農(nóng)業(yè)種植區(qū).說明居民生活及養(yǎng)殖場隨意堆放的垃圾及農(nóng)業(yè)區(qū)大量施用的農(nóng)藥、化肥是研究區(qū)地下水的主要污染源.

區(qū)內(nèi)垃圾場多處于漫灘區(qū)，多為村鎮(zhèn)利用采土坑或天然洼地隨意露天堆放，下伏的潛水含水層水位埋藏淺，含水層上部的包氣帶為薄層亞黏土或砂，垃圾淋濾液中的污染物極容易滲入含水層污染地下水.

研究區(qū)大面積為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)，過量使用化肥是地下水大面積污染的主要原因.化肥中所含的氮對地下水的污染雖受降水量、土壤性質(zhì)、植被、化肥品種等多種因素制約，但氮肥用量的多少是造成地下水氮污染的前提條件［5］.氮肥施入土壤后，被作物吸收利用的只占其施入量的30%～40%［6］，剩余部分氮肥經(jīng)各種途徑損失于環(huán)境中，并對水環(huán)境造成污染.據(jù)資料及本次調(diào)查，2012年研究區(qū)化肥使用量為47×104t，氮肥用量占50%以上，表明研究區(qū)地下水的氮污染與化肥使用量有直接關(guān)系.

研究區(qū)地下水的污染組分與污染源的分布及類型有關(guān)，污染程度受含水層的埋藏條件及徑流條件、污染時間長短的控制.極重污染的地下水點(diǎn)近60%分布于含水層埋藏淺、地下水埋深小于6 m的河谷平原區(qū).該區(qū)包氣帶巖性以粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂為主，含水層防污能力弱，極易受到人類活動的影響而被污染.近20%的污染點(diǎn)分布于含水介質(zhì)聯(lián)通性差、污染物不易隨徑流擴(kuò)散的黃土狀粉質(zhì)黏土及零星分布的砂、砂礫石層中.地下水被污染后自凈能力弱，污染物逐漸聚積，水質(zhì)污染加重，地下水污染指數(shù)多大于10，說明地下水受污染時間已較長.

由以上可見，地下水污染程度既受污染源的分布及強(qiáng)度的控制，同時也受到地下水的埋藏條件、徑流條件及污染時間的長短的影響.

6 結(jié)論

（1）研究區(qū)淺層地下水化學(xué)類型主要是礦化度（M）不大于1.5 g/L的HCO3-Ca型水，表現(xiàn)出該區(qū)的水文地球化學(xué)環(huán)境以溶濾作用為主.

（2）淺層地下水水質(zhì)評價(jià)中，含TFe、Mn指標(biāo)時水質(zhì)總體較差，IV、V類水質(zhì)點(diǎn)占總體的94.74%；不含TFe、Mn指標(biāo)時IV、V類水質(zhì)點(diǎn)占總體的66.17%.說明TFe、Mn對水質(zhì)影響較大，也代表了淺層水質(zhì)量受原生環(huán)境條件主導(dǎo).當(dāng)評價(jià)指標(biāo)中不含TFe、Mn時更能夠反映人類活動對地下水的影響.可見，評價(jià)指標(biāo)選取的不同，會導(dǎo)致不同的評價(jià)結(jié)果.

（3）地下水污染評價(jià)結(jié)果表明，研究區(qū)地下水污染較重，屬于區(qū)域性污染，主要污染因子為NH4+、NO3-.主要污染源為養(yǎng)殖場、居民生活垃圾及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所使用的化肥，地下水污染程度受污染源強(qiáng)度、污染時間的控制，同時也受到地下水的埋藏條件和徑流條件的影響.

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ASSESSMENT FOR THE QUALITY AND POLLUTION OF SHALLOW GROUNDWATER IN HARBIN,HEILONGJIANG PROVINCE

KONG Qing-xuan1,DONG Hong-zhi1,WANG Yan1,YANG Guang-shen1,WANG Li-huan1,LIU Cai-hong2,SUN Xiao-qing2
（1.Geo-environmental Monitoring Station of Heilongjiang Province,Harbin 150030,China; 2.College of Environment and Resources,Jilin University,Changchun 130021,China）

With the groundwater quality monitoring data of Songnen Plain in Heilongjiang Province,the chemical characteristics are described to ascertain the current situation of quality and pollution of the shallow groundwater in Harbin region.On this basis,fuzzy comprehensive evaluation method is used to assess groundwater quality.The current status of groundwater pollution is assessed by pollution index method.The results show that the hydrochemistry of the shallow groundwater is dominated by HCO3-Ca type.The Fe and Mn contents,which are controlled by the hydrochemical condition in native environment,strongly impact the water quality.The groundwater is regionally polluted,with wide range and severe degree.The main contaminants are NO-3,NO2-and NH4+,which are derived from domestic sewage and fertilizers in agricultural production.According to the data analysis,the groundwater pollution in the study area is mainly inorganic pollution.

shallow groundwater;hydrochemical characteristics;groundwater quality;pollution assessment;Songnen Plain;Harbin

1671-1947（2015）01-0070-05

P641.8

A

2014－11－24；

2014-12-22.編輯：張哲．

中國地質(zhì)調(diào)查局項(xiàng)目“松嫩平原（黑龍江）地下水污染調(diào)查評價(jià)”（編號1212011220978）資助.

孔慶軒（1965—），女，高級工程師，主要從事地下水環(huán)境研究，通信地址黑龍江省哈爾濱市南崗區(qū)漢水路190號金馬大廈兆祥寶座1706室，E-mail//172652597@qq.com