內(nèi)蒙古鄂倫春自治旗地下水水質(zhì)特征及適用性分析

孫岐發(fā)，賈立國，孫茁桉，邢衛(wèi)國，郝國杰，田 輝，李旭光

1.中國地質(zhì)調(diào)查局哈爾濱自然資源綜合調(diào)查中心，黑龍江 哈爾濱 150081；2.中國地質(zhì)調(diào)查局 沈陽地質(zhì)調(diào)查中心，遼寧 沈陽 110034；3.國家珠寶玉石質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心沈陽實驗室，遼寧沈陽 110034

0 前言

地下水是水資源的重要組成部分，隨著國家經(jīng)濟發(fā)展和人口增長，地下水已經(jīng)成為我國城市和工農(nóng)業(yè)用水的重要水源.天然地下水在參與自然界水循環(huán)的過程中，從其周圍介質(zhì)獲得各種成分，所以它是一種復雜的天然溶液.人類活動對環(huán)境的干擾，使某些地下水不僅含有天然來源的組分，而且含有人類生產(chǎn)的各種有機和無機化合物以及細菌病毒等，導致地下水的化學組成更加復雜，水質(zhì)可能惡化.供飲用的地下水中某些組分的貧乏或過量都會影響健康.開展人類活動影響下地下水水質(zhì)特征研究，對于地下水合理開發(fā)利用和地下水環(huán)境保護具有重要的理論意義和實際應用價值.

地下水特征是水文地質(zhì)學科的重要研究內(nèi)容［1-2］.地下水特征由物源的沉積環(huán)境及沉積組合特征決定，并受自然和人為因素交互影響［3-6］.當前，國內(nèi)外學者主要采用數(shù)理統(tǒng)計［7-10］、相關性分析［11-16］等技術方法對地下水水質(zhì)量進行研究.

地下水在運移過程中，與介質(zhì)發(fā)生多種多樣的物理化學作用，其中包括溶解/沉淀、酸堿平衡、吸附/解吸及氧化還原作用等［17-20］.依據(jù)地質(zhì)、水文地質(zhì)條件的不同，這些作用往往控制著一個地區(qū)地下水的水質(zhì)變化.

東北地區(qū)針對地下水的相關研究主要集中在平原地區(qū)進行［21-25］.鄂倫春地處大興安嶺南麓，針對地下水的研究相對較少，在本地區(qū)進行地下水水質(zhì)特征與適用性分析對少數(shù)民族地區(qū)居民飲水安全和地方經(jīng)濟發(fā)展都具有重要意義.中國地質(zhì)調(diào)查局于2019年在鄂倫春自治區(qū)布署了水文地質(zhì)研究工作.

1 研究區(qū)概況

鄂倫春自治旗位于內(nèi)蒙古自治區(qū)呼倫貝爾市東北部，大興安嶺南麓，嫩江西岸，北與黑龍江省呼瑪縣以伊勒呼里山為界，東與黑龍江省嫩江縣隔江相望，南與莫力達瓦達斡爾族自治旗、阿榮旗接壤，西與根河市、牙克石市為鄰，東經(jīng)121°55′～126°10′，北緯48°50′～51°25′之間.全旗總面積59 800 km2，屬于寒溫帶半濕潤大陸性季風氣候，四季變化顯著.境內(nèi)的河流均發(fā)源于大興安嶺南側和伊呼里山南側，自西北流向東南，匯入嫩江干流，皆屬松花江水系.自西北向東南地貌表現(xiàn)變化規(guī)律明顯，即由低山區(qū)逐漸過渡到丘陵及山間平原，烏魯布鐵鎮(zhèn)只包含剝蝕地形、剝蝕堆積地形和堆積地形.區(qū)內(nèi)地層由新元古界至新生界均有分布.大地構造屬古亞洲洋構造域中亞造山帶東段，并處環(huán)太平洋構造域大陸構造-巖漿活動帶中.

鄂倫春自治旗缺乏形成大型自流盆地的條件，境內(nèi)地下水大部分為潛水，局部存在構造型裂隙及破碎帶承壓水.地下水類型按含水層特點可分為第四系松散巖類孔隙水和基巖裂隙水兩大類型，局部有白堊系嫩江組碎屑巖孔隙承壓水.前者多分布在東部河谷地帶和波狀平原區(qū)，后兩者主要分布于西部山地及丘陵地區(qū).地下水來源以大氣降水滲入補給為主，對于下游地區(qū)，河水滲漏也是補給來源之一（圖1）.

圖1 鄂倫春自治旗水文地質(zhì)圖Fig.1 Hydrogeological map of Oroqen Qi

2 研究方法

2.1 地下水水樣采集與測試

地下水采樣點針對14口水井（Esj01—Esj14），在洗井、抽水實驗要結束時，水清澈接近地下原水.采樣時間為2019年7—8月，共采集地下水水樣17組（其中平行樣3組），采樣點分布詳見圖2.Esj01—04、Esj06—09井取的是玄武巖層位的孔洞裂隙水；Esj05井取的是砂巖層位的孔隙裂隙水；Esj10—14井取的是第四系砂礫巖層位的孔隙水.樣品嚴格按《地下水環(huán)境監(jiān)測技術規(guī)范（H/164—2004》進行采集、保存和送樣.

圖2 鄂倫春自治旗地下水取樣點位置圖Fig.2 Sampling location map of groundwater in Oroqen Qi

樣品由國土資源部東北礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測中心測試完成，嚴格按照HJ776—2015、HJ84—2016、HJ700—2014、GB/T5750—2006、DZ/T0064—1993、HJ828—2017、HJ195—2005規(guī)范標準進行.

2.2 地下水質(zhì)量評價

采用國家《地下水質(zhì)量標準》（GB/T14848—2017）進行評價，原則上以地下水類型進行評價.本次參加評價的點為14個，參評項目20項，其中全分析一般化學指標采用15項，毒理學指標采用5項（見表1）.

表1 地下水質(zhì)量評價指標及限值Table 1 Evaluation indexes and limits of groundwater quality

首先進行單項組分評價，劃分所屬級別，用表2標準分別確定單項組分評價分值Pi.

表2 地下水單項組分質(zhì)量評價分級表Table 2 Quality evaluation grading of single component of groundwater

采用內(nèi)梅羅（N.L.Nemerow）指數(shù)法計算地下水水質(zhì)綜合指標評價，計算公式為：

式中：P綜為綜合評價指標；Pi平均為各單項組分值的平均值；Pi最大為各單項組分值的最大值；Pi為各單項組分值；n為參評項目數(shù).

然后根據(jù)P綜值，按標準中所規(guī)定的方法對地下水質(zhì)量進行分級.依據(jù)中國地下水質(zhì)量狀況和人體健康風險，參照生活飲用水及工業(yè)、農(nóng)業(yè)等用水質(zhì)量要求，依據(jù)各組分含量高低（pH除外），分為5類（見表3）.

表3 地下水質(zhì)量綜合評價分級表Table 3 Comprehensive evaluation grading of groundwater quality

I類：地下水化學組分含量低，適用于各種用途；

Ⅱ類：地下水化學組分含量較低，適用于各種用途；

Ⅲ類：地下水化學組分含量中等，以GB5749—2006為依據(jù)，主要適用于集中式生活飲用水水源及工農(nóng)業(yè)用水；

Ⅳ類：地下水化學組分含量較高，以農(nóng)業(yè)和工業(yè)用水質(zhì)量要求以及一定水平的人體健康風險為依據(jù)，適用于農(nóng)業(yè)和部分工業(yè)用水，適當處理后可作為生活飲用水；

V類：地下水化學組分含量高，不宜作為生活飲用水水源，其他用水可根據(jù)使用目的選用.

3 地下水質(zhì)量評價結果

本次參加評價的14個點，經(jīng)過15項全分析一般化學指標和5項毒理學指標共20項評價，地下水檢出率、超標率如表4、圖3、圖4.

圖3 地下水檢出率測試結果Fig.3 Test results of groundwater detection rate

圖4 地下水超標率測試結果Fig.4 Test results of groundwater excessive rate

表4 地下水檢出率、超標率測試評價結果Table 4 Evaluation results of groundwater detection and excessive rates

3.1 單指標水質(zhì)評價

測試結果表明，區(qū)域內(nèi)鐵、錳、色度、渾濁度、pH值、硫酸根、氟離子存在超標.其中鐵IV類水井數(shù)6個，IV類水占比42.86%；V類水井數(shù)3個，V類水占比21.43%.色度IV類水井數(shù)2個，IV類水占比14.29%；V類水井數(shù)7個，V類水占比50%.錳IV類水井數(shù)4個，IV類水占比28.57%.混濁度IV類水井數(shù)6個，IV類水占比42.86%.pH值IV類水井數(shù)1個，IV類水占比7.14%；V類水井數(shù)1個，V類水占比7.14%.氟離子V類水井數(shù)1個，V類水占比7.14%.硫酸根IV類水井數(shù)1個，IV類水占比7.14%.鉛、銅、氯離子、砷、汞、溶解性總固體、總硬度、耗氧量、亞硝酸鹽氮這9項指標都在Ⅲ類水質(zhì)范圍之內(nèi)（表5）.

表5 地下水水質(zhì)單指標評價統(tǒng)計表Table 5 Evaluation statistics of single index of groundwater quality

3.2 地下水質(zhì)量綜合評價

綜合評價認為，Esj10、07、08、13井地下水錳超標；Esj09井硫酸根離子超標；Esj13井氟離子超標；Esj05、06、07、08、06、10、12、11、13井鐵超標.

Esj08、13、10、07井地下水錳含量達到Ⅳ類水標準；Esj06、08、12、14、09、05井地下水鐵含量達到Ⅳ類標準，Esj13、10、07井地下水鐵含量達到Ⅴ類標準；Esj13井氟化物含量達到Ⅳ類水質(zhì)標準；Esj03井硝酸鹽含量達到Ⅳ類水質(zhì)標準，Esj02井硝酸鹽含量達到Ⅴ類水質(zhì)標準；Esj09井氨氮達到Ⅳ類水質(zhì)標準；Esj11井pH值達到Ⅳ類水質(zhì)標準，Esj01井pH值達到Ⅴ類水質(zhì)標準；Esj04、14井色度達到Ⅳ類水質(zhì)標準，Esj01、08、13、06、09、05、07井色度達到Ⅴ類水質(zhì)標準；Esj08、10、09、13、07、05渾濁度達到Ⅳ類水質(zhì)標準（表6）.

表6 地下水水質(zhì)綜合評價統(tǒng)計表Table 6 Comprehensive evaluation of groundwater quality

3.3 生活飲用水評價

以《生活飲用水衛(wèi)生標準》（GB5749—2006）中的小型集中式供水和分散式供水標準為依據(jù)，對14眼井的地下水質(zhì)量進行評價.評價指標選用毒理指標、一般化學指標和感官指標.

經(jīng)過3項毒理指標砷、氟化物和硝酸鹽分析，Esj13井氟離子達到1.83 mg/L，限值為1.2 mg/L；Esj02、03井硝酸鹽分別為60.53和23.24 mg/L，限值為20 mg/L（表7）.建議進一步取樣化驗.

表7 毒理指標分析結果Table 7 Analysis results of toxicological indexes

一般化學指標分析，14眼井中Esj05、07、10、13井鐵、錳超標.鐵的限值為0.5 mg/L，錳的限值為0.3 mg/L.化驗結果中鐵和錳的最大值分別為3.05和0.57 mg/L（表8），可以根據(jù)情況進行除鐵錳處理后飲用.

表8 感官性狀和一般化學指標分析結果Table 8 Analysis results of sensory properties and general chemical indexes

感官性狀指標分析顯示，Esj11井pH值為6.34，限值為不小于6.5；Esj01、05、13、06、07、08、09井色度值都超出限值20 mg/L的標準，Esj05、13、07、08、09、10井的混濁度都超出了限值3 mg/L的標準.混濁度、色度超標和鐵錳含量高有直接關系，為水經(jīng)過長時間放置后，二價鐵被氧化成三價鐵顏色發(fā)生變化并產(chǎn)生沉淀所致.

其他各井都適用于小型集中式供水和分散式供水水源及工農(nóng)業(yè)用水使用.

3.4 農(nóng)業(yè)灌溉水質(zhì)評價

根據(jù)《農(nóng)田灌溉水質(zhì)標準》（GB5084—2005），對14眼水井灌溉用水質(zhì)量進行評價.灌溉用水分為水田灌溉用水、旱田灌溉用水和疏菜灌溉用水.

通過實驗結果分析，只有Esj01的pH值超標，為9.3，不符合灌溉用水要求，灌溉前需要對井水重新進行測試，合格后方可進行灌溉使用.其他各井的指標全部符合農(nóng)田灌溉水標準，可以作為灌溉水源使用（表9）.

表9 農(nóng)田灌溉指標分析結果Table 9 Analysis results of irrigation indexes of farmland

4 討論

4.1 各參數(shù)的相關性分析

Pearson相關性系數(shù)矩陣是一種在水文地球化學中應用比較廣泛的工具，它可以將各類離子或指標之間相關性定量化清楚地表示出來［10-14］.本文采用SPSS19軟件計算水質(zhì)指標的相關系數(shù)矩陣，見表10.

鐵是地殼中第二大含量豐富的金屬，約占地殼質(zhì)量的5%.鐵又是生物體必需的微量元素.地下水鐵、錳離子含量高是東北平原普遍存在且較復雜的一個水文地球化學問題，尤其是在地下水徑流緩慢的低平原區(qū)，情況更為嚴重.

由表10可以看出，氨氮與TDS（溶解性總固體）之間具有良好的相關性，說明它們之間可能有相同的來源.鐵與色度、渾濁度都具有顯著相關性，說明色度、渾濁度受鐵控制；鐵與錳具有顯著相關性，說明東北地區(qū)地下水鐵、錳含量受鐵、錳土壤高背景值控制；色度與渾濁度具有顯著相關性，說明地下水受二價鐵氧化為三價鐵引起的沉淀和顏色變化控制.

表10 地下水水化學參數(shù)相關性系數(shù)矩陣Table 10 Correlation coefficient matrix of groundwater hydrochemical parameters

4.2 地下水各參數(shù)變異特征

統(tǒng)計分析可以反映某一地區(qū)或某一時間段內(nèi)地下水成分的概略面貌［5-9］.為了解該地區(qū)的地下水水化學特征，對鄂倫春自治旗地下水水樣檢測數(shù)據(jù)各個指標用SPSS19軟件進行數(shù)理統(tǒng)計分析，得到水化學組分統(tǒng)計特征值，如表11.

表11 地下水化學組分統(tǒng)計特征值Table 11 Statistical eigenvalues of groundwater chemical compositions

從表11可以看出，TDS、總硬度（CaCO3）均值較高，說明地下水的硬度較高且礦化度較大.在離子組分方面，SO42－質(zhì)量濃度的平均值最大，Cl－、NO3－次之，表明其在地下水離子中占據(jù)主導，在地下水中的絕對質(zhì)量濃度較高.

變異系數(shù)是變量變幅和穩(wěn)定性的特征.變量變幅越小，穩(wěn)定性越強，變異系數(shù)就越小，反之亦然.較大的變異系數(shù)說明地下水化學組分形成及演化的影響因素復雜.TDS、CaCO3、COD變異系數(shù)較小，反映其在該地區(qū)的地下水中的質(zhì)量濃度相對穩(wěn)定.TDS、CaCO3不僅質(zhì)量濃度較高，且穩(wěn)定；而As、SO42－、NH4＋、NO2－的變異系數(shù)較大，說明其在不同區(qū)域質(zhì)量濃度值相差較高，易受水文氣象條件、地形地貌、含水層介質(zhì)和人類活動等因素的影響.

4.3 水質(zhì)討論

結合巴彥公社幅1∶200 000水文地質(zhì)普查報告①李景，等.中華人民共和國區(qū)域水文地質(zhì)普查報告：巴彥公社幅M－51－［23］.齊齊哈爾：黑龍江省第一水文地質(zhì)隊，1979.，分析鄂倫春自治旗地下水水質(zhì)情況，認為本區(qū)地下水水質(zhì)受鐵、錳、色度和渾濁度影響較大，地下水中鐵、錳超標主要是受東北地區(qū)土壤中鐵、錳背景值高影響，地下水中鐵、錳超標引起色度和渾濁度相應超標.集中及分散飲水過程中，只要對鐵、錳適當處理，鐵、錳、色度和渾濁度指標都會向好，同時應減少區(qū)域內(nèi)人類活動對地下水的影響，達到對NH4＋、NO2－高含量的控制.

5 結語

1）區(qū)域內(nèi)鐵、錳、色度、渾濁度、pH值、硫酸根、氟離子存在超標現(xiàn)象，使得部分井位地下水水質(zhì)達到Ⅳ類水標準.

2）東北地區(qū)地下水中鐵、錳含量受鐵、錳土壤高背景值控制，鐵與色度、渾濁度都具有顯著相關性.只要對地下水中的鐵、錳作適當處理，水的色度和渾濁度就會得到改善.

3）地下水中As、SO42－、NH4＋、NO2－在不同區(qū)域的質(zhì)量濃度值相差較大，易受水文氣象條件、地形地貌、含水層介質(zhì)和人類活動等因素的影響，應加強對人類生活污染的控制.