福建泉港區(qū)淺層地下水水化學特征及水質綜合評價

黃耀裔，李子蓉，張云峰

(泉州師范學院 資源與環(huán)境科學學院，福建 泉州 362000)

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福建泉港區(qū)淺層地下水水化學特征及水質綜合評價

黃耀裔，李子蓉，張云峰

(泉州師范學院 資源與環(huán)境科學學院，福建 泉州 362000)

福建泉港區(qū)作為現(xiàn)代化港口城市，研究淺層地下水化學特征，進行地下水水質綜合評價有利于水資源可持續(xù)利用。對福建省泉港區(qū)淺層地下水水化學特征等指標進行統(tǒng)計分析，運用數(shù)理統(tǒng)計方法對淺層地下水水化學特征和水質進行綜合評價分析可知，該區(qū)水中Na+、K+、Mg2+、Cl-、NO2-、NO3-指標變異系數(shù)大于100%，是受外界影響的敏感因子，TDS、總硬度、Ca2+等其他指標CV%較小，受外界影響較小。根據(jù)Durov圖，該區(qū)水化學類型以Cl-·HCO3-+Na+·Ca2+型為主。最后參照《地下水質量標準》做水質綜合評價，結果表明該區(qū)水質整體較差，處于(Ⅳ、Ⅴ類水平)占86.4%，超標因子主要為NO3-、NO2-及部分重金屬為主，超標因子與該地區(qū)的石化工業(yè)污水排放、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生活污水亂排有關。

淺層地下水；水化學特征；綜合評價；泉港區(qū)

淺層地下水是地球水循環(huán)中的重要環(huán)節(jié)之一[1]，由于淺層地下水是社會經(jīng)濟發(fā)展及生活生產(chǎn)必須的重要水資源之一，全球超過15億人口主要依靠地下水作為飲用水源[2]。因此對于淺層地下水水化學特征[3]、水質成分[4]、水質綜合評價[5]、水質污染防治[6]等成為目前人們關心的問題和學者研究的關注點。

泉港區(qū)位于福建省泉州市的北部，東經(jīng)118°25′E～119°45′E，北緯24°59′N～25°45′N，東臨湄洲灣，與惠安縣凈峰鎮(zhèn)、東橋鎮(zhèn)隔海相望，東北與莆田市秀嶼區(qū)隔灣相望，西北與仙游縣毗鄰，西南與洛江區(qū)、惠安縣紫山鎮(zhèn)接壤，南與輞川鎮(zhèn)相連。氣候屬南亞熱帶海洋性季風氣候，暖熱濕潤，日溫差小，年平均氣溫19.8℃，降雨量集中，季風明顯，年平均降雨量1 000～1 400 mm左右。地質類型主要以全新統(tǒng)人工堆積層(Q4ml)、沖洪積層(Q4al+pl)及殘坡積層(Q4el+dl)、下伏燕山早期花崗巖及其風化層(γ52)為主。泉港區(qū)作為現(xiàn)代化石化港口城市，福建省主要石化工業(yè)基地，目前石化園區(qū)綜合實力位居中國化工園區(qū)第5位，其2015年該區(qū)石化產(chǎn)值672.45億元。但隨著泉港區(qū)石化產(chǎn)業(yè)發(fā)展的同時對水環(huán)境也衍生出不少問題，據(jù)《泉港區(qū)環(huán)境質量分析報告》(2015年)，區(qū)內(nèi)部分地表水按《地表水環(huán)境質量標準》(GB3838-2002)[7]劃分處于Ⅲ和Ⅳ類，將該地表水作為給淺層地下水補給水時勢必造成影響。因此研究淺層地下水水化學特征和對水質綜合評價有助于可持續(xù)開發(fā)利用和管理。為了了解泉港區(qū)淺層地下水現(xiàn)狀，筆者運用數(shù)理統(tǒng)計方法分析淺層地下水的水化學特征并對水質進行綜合評價，為泉港區(qū)調(diào)整農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生活、石化工業(yè)空間布局、合理開發(fā)利用和保護地下水資源提供決策參考。

1 樣點采集與測試

水樣采集以能夠基本了解和客觀反映該區(qū)水質特征為原則，共采集豐水期44個水樣測試點。測試項目包含pH值、溶解性總固體(TDS)、總硬度、高錳酸鹽指數(shù)、電導率(EC)、鈉離子(Na+)、鉀離子(K+) 、鈣離子(Ca2+)、鎂離子(Mg2+)、氯離子(Cl-)、硫酸鹽(SO42-)、碳酸氫根(HCO3-)、可溶性SiO2、亞硝酸鹽(NO2-)、硝酸鹽(NO3-)、氟化物(F-)及部分重金屬等，測試參照《生活飲用水標準檢驗方法》(GB5750)和《水和廢水監(jiān)測分析方法》(第三版)的方法。指標測試手段與方法：pH值、EC參數(shù)在現(xiàn)場奧利龍AQ3700便攜式分析儀測、溶解性總固體(重量法)、總硬度(乙二胺四乙酸二鈉滴定法)、硫酸鹽硫酸鋇比濁法)、氯化物(硝酸銀滴定法)、亞硝酸鹽(N-(1·蔡基)一乙二胺比色法)、硝酸鹽(酚二磺酸分光光度法)、氟化物(氟試劑分光光度法)、重金屬部分采用原子熒光測定。

2 淺層地下水水化學分析

2.1 水化學類型確定

對研究區(qū)成分含量特征進行描述性統(tǒng)計特征值分析(見表1)，其中pH值介于5.68～7.62，平均值為7.02，整體處于中性，屬弱酸-中性水，說明該區(qū)淺層地下水酸堿度正常。溶解性總固體含量的范圍為49.32～1 629.00 mg/L，平均含量362.44 mg/L，整體屬于低礦化度水。陽離子平均含量：Na+(42.68 mg/L)>Ca2+(33.95 mg/L)>K+(0.57 mg/L)>Mg2+(9.32 mg/L)，以Ca2+和Na為主；陰離子平均含量：HCO3-(120.09 mg/L)>Cl-(60.92 mg/L)>SO42-(31.33 mg/L)>可溶性SiO2(20.89 mg/L)，以HCO3-和Cl-為主。因此區(qū)內(nèi)以含有HCO3-類型為主。經(jīng)數(shù)理統(tǒng)計分析其陰陽離子含量隨著TDS的增減而隨之增減。從變異角度分析，其中pH值、TDS、總硬度、EC、Ca2+、HCO3-、SO42-、可溶性SiO2這幾項指標變異系數(shù)相對較小(小于100%)，說明這些指標在淺層地下水中的處于相對穩(wěn)定狀態(tài)。而Na+、K+、Mg2+、Cl-、NO2-、NO3-的變異系數(shù)較大，是隨環(huán)境因素變化的敏感因子。根據(jù)O·A·阿列金的水中pH值與碳酸衍生物各種存在形式間的比例的關系表，在中性和堿性水中，HCO3-離子占主導地位，并且HCO3-在低礦化度和中礦化度水中占主導地位，此外Na+與Cl-變異系數(shù)均較大，同時泉港區(qū)臨海，因此海水入侵也影響著該區(qū)的水化學類型。

表1 研究區(qū)離子含量特征統(tǒng)計表

圖1 地下水水化學Durov圖

由于地下水處于流動狀態(tài)并參與水文地球化學循環(huán)。地下水系統(tǒng)中的陽離子(Na+、K+、Ca2+、Mg2+)、陰離子(Cl-、SO42-、HCO3-)大組分離子的含量比例通常被用來研究某些水文地球化學問題[9]。通過RockWare Aq.QA軟件繪制的Durov圖可直觀反映水化學特征以及與礦化度和pH值之間的關系(圖1)：K++Na+占陽離子總量的40%～80%，Ca2+占20%～60%，Cl-占陰離子總量的10%～90%，HCO3-占60%～90%；SO42-占20%～40%，據(jù)離子組分含量該區(qū)水化學類有：Cl--Na+、HCO3--Ca2+、HCO3--Na+、Cl--Ca2+、HCO3--K++Na+、Cl--K++Na+·Ca2+等，但主要以Cl-·HCO3-+Na+·Ca2+型為主。

2.2 水化學成分相關性分析

數(shù)理統(tǒng)計的相關性分析是可揭示各指標間的相似相異性及來源的一致性和差異性，指標間的相關關系顯著。由表2可知，TDS與總硬度、EC、Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Cl-、HCO3-、SO42-、NO3-、F-均顯示出極顯著正相關關系(γ=0.01，且均通過顯著性雙尾檢驗)，而與pH值、可溶性SiO2不存在相關關系，其中TDS與EC的相關系數(shù)達到0.98；TDS與總硬度的相關系數(shù)達到0.95；TDS與陽離子相關系數(shù)為：Na+(0.95)>Mg2+(0.94)>Ca2+(0.92)>K+(0.61)；TDS與陰離子相關系數(shù)為：Cl-(0.91)>SO42-(0.87)>HCO3-(0.80)，說明TDS與這些離子均存在高度顯著性相關。總硬度與Ca2+達到0.98的極顯著相關，與Mg2+達到0.93的極顯著相關，與硬度通常是以Ca2+和Mg2+的綜合來測定的相吻合。說明水化學成分之間彼此相互影響。

3 水質評價

3.1 評價指標選取

根據(jù)《地下水質量標準》(GB/T14848-93)[6]列出的檢測項目，選取總硬度(以CaCO3計)、溶解性總固體(TDS)、高錳酸鹽指數(shù)、硫酸鹽(SO42-)、氯化物(Cl-)、硝酸鹽(以N計)、亞硝酸鹽(以N計)、氟化物(F)、錳(Mn)、鐵(Fe)、汞(Hg)作為評價指標項目，各個監(jiān)測指標項目分類見表1。

表2 泉港區(qū)淺層地下水元素相關系數(shù)(n=44)

注：** 在0 .01 水平(雙側)上顯著相關；* 在 0.05 水平(雙側)上顯著相關。

表3 地下水單項指標質量分類

3.2 綜合評分法[10]

根據(jù)《地下水質量標準》，首先地下水單項指標的質量分類(表3)結合單項組分評價分值確定單項指標結果得分值。

(1)

式(1)中Si，j表示研究區(qū)淺層地下水各組分得分值；i代表淺層地下水待評價的樣點數(shù)；j代表淺層地下水待評價的指標數(shù)。

再利用內(nèi)梅羅指數(shù)法進行綜合：

(2)

式(2)中Smax表示研究區(qū)淺層地下水單項組分評價分值Si,j中的最大值；Si,j，i，j解釋同上。

由式(2)計算得到的綜合得分值Si后，據(jù)式(3)確定淺層地下水綜合評價結果，若S愈大，則表明受污染程度愈嚴重，反之受污染愈輕。

(3)

根據(jù)式(1)～(3)對泉港區(qū)淺層地下水進行綜合評價，綜合評價結果見表4，對該區(qū)所有采集的樣點的評價結果，處于Ⅰ類和Ⅱ類(良好水平，反映地下水化學組分的天然背景含量)的有6個采樣點，占13.6%；處于Ⅳ類(較差水平，以農(nóng)業(yè)和工業(yè)用水要求為依據(jù))占63.6%，處于Ⅴ類(極差水平，不宜飲用，其他用水可根據(jù)使用目的選用)占22.8%，總體處于水質較差程度的達到86.4%，說明福建省泉港區(qū)的淺層地下水水質狀況不容樂觀，不建議作為直接的生活飲用水源。

表4 泉港區(qū)地下水綜合評價結果

4 結語

福建泉港區(qū)淺層地下水離子濃度(陽離子：Na++K+和Ca2+，陰離子：Cl-和HCO3-)為主，根據(jù)Durov圖，水化學類型主要是Cl-·HCO3-+Na+·Ca2+型。pH值、溶解性總固體、總硬度、電導率、Ca2+、HCO3-、SO42-、可溶性SiO2這幾項指標變異系數(shù)相對較小(小于100%)，說明這些指標在淺層地下水中的處于相對穩(wěn)定狀態(tài)。而Na+、K+、Mg2+、Cl-、NO2-、NO3-的變異系數(shù)較大，也就是淺層地下水的離子濃度在空間上變化較大，是隨環(huán)境因素變化的敏感因子，從而影響淺層地下水的質量。根據(jù)綜合評價，泉港區(qū)淺層地下水水質狀況較差，處于良好水平的占13.6%，處于Ⅳ類較差水平的占63.6%，處于Ⅴ類極差水平的占22.8%，總體處于差程度的高達到86.4%，建議泉港區(qū)石化工業(yè)走綠色工業(yè)發(fā)展道路加強工礦企業(yè)特別是小企業(yè)的污染治理，走綠色工業(yè)道路；加強農(nóng)村生活污水、垃圾等的管理，減少水體污染物負荷；泉港區(qū)有關部門應該根據(jù)《全國地下水污染防治規(guī)劃(2011-2020)》，多點監(jiān)控污染較嚴重區(qū)，健全城市污水處理系統(tǒng)，建立一套長期有效的地下水水源地保護區(qū)機制，實現(xiàn)地下水資源的可持續(xù)利用。

[1]趙燁．環(huán)境地學[M]．北京：高等教育出版社.2007，112-119．

[2]Alley W M，Healy R W，LaBaugh J W，et al ．Flow and storage in groundwater systems[J]．Science，2002，296(5575)：1985-7990．

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Chemical characteristics and water quality evaluation of shallow groundwater in Quangang area of Fujian

HUANG Yao-yi, LI Zi-rong, ZHANG Yun-feng

(College of resources and environmental science, Quanzhou Normal University, Quanzhou, Fujian,362000,China)

Quangang Fujian as a modern port city, study the chemical characteristics of shallow groundwater and comprehensively evaluates groundwater quality, which is conducive to the sustainable use of water resources. We statistically analyzed the chemical characteristics of shallow groundwater in Quangang area of Fujian province and synthetically evaluated and analyzed chemical characteristics and water quality of shallow groundwater by means of mathematical statistics. we know that in the Water area Na+,K+,Mg2+,Cl-,NO2-,NO3-that coefficient of variation was greater than 100% is sensitive factors affected by the outside world. TDS, total hardness, Ca2+index and so on that less affected by the outside world CV% is smaller. According to drove diagram, chemistry types of in Water is based on Cl-·HCO3-+Na+·Ca2+. Finally, we marked a comprehensive evaluation of water quality with referencing to 《groundwater quality standard》.The results show that the water quality is poor, in (IV, V class level) accounted for 86.4%,the main factors that excessive factors associated about the region's petrochemical industrial wastewater discharge, agricultural production, domestic sewage disorderly row, mainly were NO3-, NO2-and heavy metals.

shallow groundwater; hydro chemical characteristics; comprehensive evaluation; QuanGang district

2017-02-22

泉州市科技局項目(2015Z139)；福建省泉州師范學院院士專家工作站資助(YA0202)

黃耀裔(1983-)，男，福建晉江人，實驗師，主要從事環(huán)境信息系統(tǒng)應用與環(huán)境污染防治研究。

P641.12

A

1004-1184(2017)03-0011-04