新疆阿克蘇地區(qū)地下水優(yōu)先控制污染物的確定

涂 治，周金龍*，孫 英，曾妍妍，雷 米

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052;2.新疆水文水資源工程技術(shù)研究中心，新疆 烏魯木齊 830052;3.新疆水利工程安全與水災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 烏魯木齊 830052)

新疆阿克蘇地區(qū)位于亞歐大陸中心，是塔里木河流域生態(tài)走廊的重要水源地，也是絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶的重要節(jié)點(diǎn)[1]，該地區(qū)氣候干燥、蒸發(fā)強(qiáng)烈，是典型的內(nèi)陸干旱地區(qū)。隨著社會經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，工農(nóng)業(yè)廢水和生活污水大量排放，致使大量有機(jī)物、重金屬等污染物出現(xiàn)在阿克蘇地區(qū)環(huán)境介質(zhì)中[2-4]。由于地下水污染的區(qū)域性和隱蔽性[5]，需要采取及時有效的監(jiān)測措施，但對地下水中種類繁多的污染物同時并逐一開展監(jiān)測，將會耗費(fèi)巨大的社會資源，而且以現(xiàn)有的技術(shù)條件也難以達(dá)到監(jiān)測要求，因此應(yīng)對地下水中出現(xiàn)頻率高、潛在危害大、持久性較長的污染物優(yōu)先加以關(guān)注。

優(yōu)先控制污染物最早由美國國家環(huán)境保護(hù)局(EPA)開展研究[6]，隨后歐盟、加拿大和日本等國家和國際組織也陸續(xù)開展了優(yōu)先控制污染物的研究[7-10]。我國在1990年針對水體提出了優(yōu)先控制污染物黑名單[11]，但此類研究多針對地表水，而針對地下水優(yōu)先控制污染物的篩選研究較少，所以急需開展各地區(qū)地下水優(yōu)先控制污染物的篩選工作，并建立地下水優(yōu)先控制污染物名錄。

目前國內(nèi)外常用的污染物篩選方法有風(fēng)險(xiǎn)商(RQ)法、模糊數(shù)學(xué)法、綜合評分法、層次分析法、化學(xué)危害排序識別法、潛在危害指數(shù)法等[12-16]。綜合對比上述各種污染物篩選方法，將潛在危害指數(shù)法與綜合評分法相結(jié)合的篩選方法相對成熟、簡便[17]，且對于干旱地區(qū)地下水優(yōu)先控制污染物的篩選有著較好的應(yīng)用效果[18]。因此，本文選用綜合評分法結(jié)合潛在危害指數(shù)法來篩選阿克蘇地區(qū)地下水中的優(yōu)先控制污染物。

1 研究區(qū)概況

阿克蘇地區(qū)地處塔里木盆地西北緣，地理坐標(biāo)為78°01′E～84°05′E、39°27′N～42°38′N。該地區(qū)整體地勢北高南低，由西向東傾斜，地貌類型劃分為山前傾斜平原、塔里木河沖積平原和風(fēng)積平原，構(gòu)造上屬于天山古生代褶皺帶及塔里木臺塊北緣。研究區(qū)出露的地層以第四系為主，地層巖性為卵石、砂礫石、砂和亞砂土，具有由北向南逐步變細(xì)的特點(diǎn)；區(qū)內(nèi)寒武系-奧陶系地層較為發(fā)育，寒武系地層主要為白云巖、膏巖，奧陶系地層主要為白云巖。研究區(qū)含水層由山前傾斜平原單一結(jié)構(gòu)潛水(地下水埋深為0～100 m)，向沖積平原上部潛水-下部承壓水的雙層或多層結(jié)構(gòu)(地下水埋深為0～200 m)過渡，地下水開采層主要為埋深小于50 m的淺層含水層，部分塔里木河沿岸機(jī)井開采層小于10 m[19]。

阿克蘇地區(qū)水文地質(zhì)條件如圖1所示。渭干河流域-阿克蘇河流域山前礫質(zhì)帶潛水較窄，且地下水較貧乏。阿克蘇河流域沖積礫石、砂礫中潛水單井涌水量在溫宿以西為100～1 000 m3/d，在溫宿以南大于5 000 m3/d，在溫宿以北為溢出帶；阿克蘇河流域細(xì)土平原區(qū)在山前平原的上更新統(tǒng)洪積砂黏土夾細(xì)砂中，潛水、承壓水單井涌水量為10～100 m3/d；阿克蘇河流域沖積砂礫和細(xì)砂中,潛水的單井涌水量為1 000～4 000 m3/d,承壓含水層西部為卵礫、東部為中粗砂，承壓水單井涌水量為1 090～7 000 m3/d。渭干河流域沖洪積扇平原區(qū)頂部礫質(zhì)帶中，潛水單井涌水量為1 000～1 200 m3/d；承壓水分布于平原區(qū)，在全新、上更新統(tǒng)含礫粗中砂、粉砂中，承壓水單井涌水量為1 000 m3/d，到扇緣承壓水單井涌水量為100～500 m3/d，上部潛水單井涌水量為100～200 m3/d。研究區(qū)南部葉爾羌河流域、喀什噶爾河流域、和田河流域平原的細(xì)砂夾薄層黏砂土中，地下水富水性較弱；南部塔里木河沖積平原區(qū)全新統(tǒng)沖積粉細(xì)砂中，潛水單井涌水量為100～500 m3/d，局部有承壓水分布。

圖1 新疆阿克蘇地區(qū)水文地質(zhì)圖Fig.1 Hydrogeological map of Aksu Prefecture,Xinjiang

阿克蘇地區(qū)山前一帶潛水含水層主要接受垂直方向上地表水入滲補(bǔ)給；中下游河流沖積平原區(qū)河網(wǎng)、溝渠密布，水平方向主要接受上游含水層地下水的側(cè)向補(bǔ)給，垂直方向上主要接受河水、溝渠水等入滲補(bǔ)給。研究區(qū)地下水總體徑流方向?yàn)橛晌鞅绷飨驏|南，地下水的排泄方式主要為垂向上的人工開采和潛水蒸發(fā)蒸騰。

2 地下水水樣采集與測試

研究區(qū)共采集到地下水水樣175組，取樣點(diǎn)的控制面積為13.2×104km2，取樣點(diǎn)分布見圖2。本研究嚴(yán)格按照《地下水監(jiān)測規(guī)范》(SL 183—2005)中規(guī)定的內(nèi)陸盆地平原區(qū)超采區(qū)地下水水質(zhì)監(jiān)測井密度為1.0～1.6眼/103km2的要求設(shè)置地下水采樣點(diǎn)，并按照《區(qū)域地下水污染調(diào)查評價(jià)規(guī)范》(DZ/T 0288—2015)中規(guī)定的要求進(jìn)行水樣的采集、保存、送樣。水樣檢測由中國地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所完成，檢測項(xiàng)目包括：苯、甲苯、氯乙烯、二氯甲烷、1,2-二氯乙烷、三氯甲烷、三氯乙烯、四氯乙烯、1,1,1-三氯乙烷、四氯化碳、1,1-二氯乙烯、溴仿、1,2-二氯丙烷、1,1,2-三氯乙烷、乙苯、苯并[a]芘、α-BHC、β-BHC、γ-BHC、δ-BHC、p,p′-DDE、p,p′-DDD、o,p′-DDT、p,p′-DDT、六氯苯、溴二氯甲烷、一氯二溴甲烷、1,2-二氯乙烯、苯乙烯、鄰二氯苯、氯苯、間二氯苯、對二氯苯、總六六六、總滴滴涕、間二甲苯、對二甲苯、鄰二甲苯、1,2,4-三氯苯39種有機(jī)物和Pb、Cd、Fe、Mn、Zn、Cu、Hg、As、Cr(Ⅵ)9種重金屬。使用Tracedsq GCMS-QP 2010氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀對水樣中有機(jī)物進(jìn)行測定；使用iCAP 6300等離子體發(fā)射光譜儀對水樣中重金屬進(jìn)行測定。取樣時采集現(xiàn)場空白樣、空白加標(biāo)樣和平行樣，以保證數(shù)據(jù)的可靠性。

圖2 研究區(qū)地下水取樣點(diǎn)分布圖Fig.2 Distribution of groundwater sampling points in the study area

依照《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 14848—2017)，地下水中污染物濃度高于檢測下限的為檢出，檢出濃度大于標(biāo)準(zhǔn)中Ⅲ類水限值的即為超標(biāo)。檢測結(jié)果為：研究區(qū)地下水中共檢測出5種有機(jī)物和8種重金屬，其中5種有機(jī)物和6種重金屬濃度超標(biāo)，見表1。

表1 阿克蘇地區(qū)地下水中污染物檢出結(jié)果Table 1 Detection parameters of pollutants in groundwater of Aksu Prefecture

3 研究方法

3.1 潛在危害指數(shù)法

3.1.1 AMEG的計(jì)算

周圍環(huán)境目標(biāo)值(Ambient Multimedia Environmental Goals,AMEG)，是美國環(huán)保局(EPA)通過試驗(yàn)計(jì)算出的化學(xué)物質(zhì)在生存環(huán)境中可存在的最大濃度，進(jìn)行試驗(yàn)的生物與這種濃度的化合物終生接觸都是安全無害的[20]。

使用毒理學(xué)參數(shù)可估算出一般或急性污染物的AMEGAH，其計(jì)算公式如下：

AMEGAH=0.107×LD50

(1)

式中：AMEGAH為急性污染物在水中允許的最大濃度(μg/m3)；LD50為能殺死一半試驗(yàn)總體的有害、有毒物質(zhì)的劑量，一般取大鼠經(jīng)口給毒的半數(shù)致死量(mg/kg)。

“三致”污染物或潛在“三致”污染物的AMEGAC計(jì)算公式如下：

(2)

式中：AMEGAC為“三致”污染物或潛在“三致”污染物在水中允許的最大濃度(μg/m3)；V閾為閾限值(mg/m3)，表示有毒物質(zhì)在研究空間中的允許接觸限值，本文主要選取《工作場所有害因素職業(yè)接觸限值 第1部分：化學(xué)有害因素》(GB/Z 2.1—2007)中時間加權(quán)平均允許濃度(PC-TWA)開展計(jì)算。

3.1.2 潛在危害指數(shù)的計(jì)算

潛在危害指數(shù)(N)是根據(jù)有毒物質(zhì)基本的毒理學(xué)數(shù)據(jù)，按下式計(jì)算得到：

N=2aa′A+4bB

(3)

式中：N為潛在危害指數(shù)；A為AMEGAH所對應(yīng)的分級數(shù)值；B為AMEGAC所對應(yīng)的分級數(shù)值；a、a′、b為常數(shù)。

A、B值的確定見表2。若污染物無“三致”效應(yīng)，B值取0；若污染物既無“三致”效應(yīng)又不能計(jì)算A值時，A值取1；當(dāng)污染物有“三致”效應(yīng)但不能計(jì)算B值時，B值取1。

表2 AMEG與A、B取值的對應(yīng)關(guān)系Table 2 Relationship between AMEG and assignment of A and B

a、a′、b的選取原則如下：有B值時取a=1，無B值時取a=2；當(dāng)污染物有蓄積或慢性毒性時取a′=1.25，當(dāng)污染物只有急性毒性時取a′=1；有A值時取b=1，無A值時取b=1.5。

3.2 綜合評分法

綜合評分法是通過評分的方式，將待選污染物的綜合分?jǐn)?shù)按大小進(jìn)行排序，從而達(dá)到篩選污染物的目的[21]。本文結(jié)合潛在危害指數(shù)法與綜合評分法，選擇9項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行綜合評分。對于可定量的指標(biāo)，經(jīng)定量計(jì)算后賦值，其中生物累積性可用正辛醇/水分配系數(shù)的對數(shù)值(lgPo/w)來表示[12]；對于難以定量的指標(biāo)，根據(jù)定性數(shù)量化來賦值。指標(biāo)名稱、權(quán)重、賦分沿用國內(nèi)相關(guān)文獻(xiàn)，見表3[18]。污染物的綜合評分值的計(jì)算公式如下：

表3 綜合評分法確定的指標(biāo)權(quán)重及其賦值Table 3 Index weights and values of comprehensive evaluation method

污染物的綜合評分值=f×25%+N×12%+D×10%+E×10%+G×6%+H×10%+I×7%+J×12%+K×8%

(4)

4 結(jié)果與討論

4.1 潛在危害指數(shù)的計(jì)算

本文根據(jù)毒理學(xué)理論、檢測報(bào)告、規(guī)范等[22-24]來確定阿克蘇地區(qū)地下水中污染物急性、慢性毒理學(xué)數(shù)據(jù)以及是否屬于“三致”污染物或潛在“三致”污染物。在研究區(qū)地下水中檢出的13種污染物中，有10種污染物具有“三致”或潛在“三致”的毒性，相關(guān)的毒理學(xué)數(shù)據(jù)和潛在危害指數(shù)(N)計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 阿克蘇地區(qū)地下水中污染物的毒理學(xué)數(shù)據(jù)和潛在危害指數(shù)計(jì)算結(jié)果Table 4 Toxicological data and calculation results of potential damage index of pollutants in groundwater in Aksu Prefecture

由表4可知，阿克蘇地區(qū)地下水中污染物的潛在危害指數(shù)在6.5～23.5之間，其中污染物Cr(Ⅵ)、As、Pb、Cd、苯并[a]芘的潛在危害指數(shù)較大，說明其危害程度較大。

4.2 綜合評分值的計(jì)算

結(jié)合阿克蘇地區(qū)地下水中各種污染物的生態(tài)學(xué)及毒理學(xué)數(shù)據(jù)，對各種污染物進(jìn)行綜合評分與相應(yīng)計(jì)算，其計(jì)算結(jié)果見表5。

由表5可知，阿克蘇地區(qū)地下水中各種污染物的綜合評分值均介于24.4～51.8之間，其中污染物As的綜合評分值最高。再選用聚類分析方法中的k-means法通過SPSS軟件進(jìn)行分類[25]，最終將研究區(qū)地下水中污染物的綜合評分結(jié)果聚類后可分為3類：Ⅰ類污染物有As、苯并[a]芘、Pb、Cd；Ⅱ類污染物有三氯甲烷、Mn、Cr(Ⅵ)、四氯化碳；Ⅲ類污染物有乙苯、二甲苯、Fe、Cu、Zn。其中，Ⅰ類污染物的綜合評分值普遍較高，說明其綜合危害程度大，將Ⅰ類污染物As、苯并[a]芘、Pb、Cd初步認(rèn)定為阿克蘇地區(qū)地下水的優(yōu)先控制污染物。

表5 阿克蘇地區(qū)地下水中污染物在各指標(biāo)項(xiàng)得分及綜合評分結(jié)果Table 5 Score of each pollutant in groundwater of Aksu prefecture and results of comprehen-sive evaluation method

4.3 地下水優(yōu)先控制污染物的空間分布特征

阿克蘇地區(qū)4種地下水優(yōu)先控制污染物的空間分布，見圖3。

圖3 阿克蘇地區(qū)4種地下水優(yōu)先控制污染物的空間分布圖Fig.3 Distribution of four groundwater priority pollutants in Aksu Prefecture

由圖3可見：阿克蘇地區(qū)地下水中As在各縣市分布廣泛且北部山前地下水補(bǔ)給區(qū)As濃度遠(yuǎn)小于南部地下水排泄區(qū)，呈現(xiàn)出由北向南聚集的趨勢，西部地下水中As濃度高于東部；地下水中苯并[a]芘超標(biāo)區(qū)呈島狀分布在研究區(qū)中西部的溫宿縣、阿克蘇市、阿瓦提縣、沙雅縣等縣市，總體分布呈西多東少，其濃度高值區(qū)集中于人口密度較大、工業(yè)活動頻繁的區(qū)域，可能受人類活動的影響較大；地下水中Pb分布在研究區(qū)西部和東部的溫宿縣、阿克蘇市、阿瓦提縣、沙雅縣和庫車縣，其中阿克蘇市地下水中Pb濃度高于周邊其他縣市，沙雅縣、庫車縣地下水中Pb濃度遠(yuǎn)高于其他縣市，可能受到了一定的污染；地下水中Cd分布在研究區(qū)西部和東部的溫宿縣、阿克蘇市、拜城縣、阿瓦提縣和庫車縣，其中研究區(qū)西部地下水中Cd濃度分布較為均衡且均未超標(biāo)，東部區(qū)域沙雅縣、庫車縣地下水有Cd超標(biāo)區(qū)出現(xiàn)，其地下水中Cd濃度略高于周圍縣市。

4.4 污染來源解析

主成分分析法是較常用的污染物來源分析方法，由于研究區(qū)地下水優(yōu)先控制污染物的KMO檢驗(yàn)值為0.611，Bartlett球形檢驗(yàn)顯著性水平小于0.01，表明數(shù)據(jù)間具有一定的相關(guān)性[26]，因此本文運(yùn)用SPSS軟件對研究區(qū)地下水優(yōu)先控制污染物進(jìn)行了主成分分析，提取出3個主成分，累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)87.2%，主成分載荷見表6。由于土地利用類型與地下水水質(zhì)關(guān)系密切[27]，因此結(jié)合研究區(qū)土地利用類型圖(見圖4)，通過地下水優(yōu)先控制污染物在各土地利用類型的濃度分布數(shù)據(jù)，繪制了阿克蘇地區(qū)地下水優(yōu)先控制污染物在不同土地利用類型中分布的散點(diǎn)圖(見圖5)，并利用Kendall秩次相關(guān)檢驗(yàn)法[28]，對采樣點(diǎn)半徑500 m圓形范圍內(nèi)的地下水優(yōu)先控制污染物濃度與土地利用類型面積占比進(jìn)行了Kendall秩次相關(guān)檢驗(yàn)分析[29]，其檢驗(yàn)結(jié)果見表7。

表6 阿克蘇地區(qū)地下水優(yōu)先控制污染物的主成分載荷Table 6 Principal component analysis of priority control pollutants in groundwater in Aksu Prefecture

圖4 阿克蘇地區(qū)土地利用類型圖Fig.4 Land use types in Aksu Prefecture

圖5 阿克蘇地區(qū)地下水優(yōu)先控制污染物在不同土地利用類型中分布的散點(diǎn)圖Fig.5 Land use scatter diagram of groundwater priority pollutants in Aksu Prefecture

表7 阿克蘇地區(qū)地下水優(yōu)先控制污染物濃度與土地利用類型面積占比的Kendall秩次相關(guān)檢驗(yàn)值Table 7 Kendall’s correlation coefficient of the percent of land use and priority control pollutants concentration in Aksu Prefecture

由表6可知：F1中As、Cd具有較高的正因子載荷，表明As、Cd的來源相似。由圖5和表7可知：阿克蘇地區(qū)地下水中As在各種土地利用類型中均有檢出點(diǎn)，As檢出濃度分布較為均勻，其濃度與建設(shè)用地面積占比顯著負(fù)相關(guān)；地下水中Cd的檢出點(diǎn)在耕地和建設(shè)用地，Cd檢出濃度較低且與其余土地利用類型面積占比的相關(guān)性低。已有研究表明，水體懸浮物和水中沉積物對Cd表現(xiàn)出較強(qiáng)的富集能力，自然富集是Cd出現(xiàn)在自然介質(zhì)中的主要原因[22]；封閉的地質(zhì)構(gòu)造和造山帶與河流等沉積環(huán)境相結(jié)合的水文地質(zhì)條件將有利于研究區(qū)地下水中As的富集[30]。因此，可以認(rèn)為F1是自然富集因素。F2中Pb具有很高的正因子載荷，研究區(qū)地下水中Pb在草地、耕地、林地、未利用土地中均有檢出點(diǎn)，其中Pb在耕地的檢出點(diǎn)最多，檢出濃度普遍高于其他土地利用類型，且與耕地面積占比顯著正相關(guān)，表明Pb受農(nóng)業(yè)活動的影響較大。此外，研究區(qū)農(nóng)業(yè)施肥偏重且主要使用磷肥和鉀肥[31]，已有研究表明磷肥的施用、污水灌溉、農(nóng)藥是Pb污染的重要污染源[22]。所以，可以認(rèn)為F2是農(nóng)業(yè)活動因素。F3中苯并[a]芘具有很高的正因子載荷，研究區(qū)地下水中苯并[a]芘的檢出點(diǎn)分布在耕地、林地、建設(shè)用地及未利用土地，其中建設(shè)用地的檢出點(diǎn)多且整體檢出濃度明顯高于其他土地利用類型，其濃度與建設(shè)用地面積占比顯著正相關(guān)，與林地面積占比顯著負(fù)相關(guān)，表明苯并[a]芘受人類活動的影響較大。而工業(yè)活動、機(jī)動車尾氣排放、煤爐取暖、民用燃爐做飯、生活垃圾滲透液及焚燒是造成苯并[a]芘污染的主要因素[32]。因此，可以認(rèn)為F3是人類生活因素。

5 結(jié) 論

本文使用綜合評分法來篩選阿克蘇地區(qū)地下水優(yōu)先控制污染物，考慮了表征污染物健康風(fēng)險(xiǎn)狀況的各類風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)得分，并結(jié)合污染物的潛在危害效應(yīng)進(jìn)行了量化計(jì)算，選取9項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)對阿克蘇地區(qū)地下水優(yōu)先控制污染物進(jìn)行了篩選，克服了采用單一方法篩選的局限性，并較為全面地考慮了多種因素。同時，本研究篩選出的阿克蘇地區(qū)地下水4種優(yōu)先控制污染物均在中國優(yōu)先控制污染物和美國EPA優(yōu)先控制污染物名單中，說明該評價(jià)結(jié)果較為可靠。

本文運(yùn)用潛在危害指數(shù)法并結(jié)合綜合評分法，對阿克蘇地區(qū)地下水優(yōu)先控制污染物進(jìn)行了篩選，結(jié)果表明：阿克蘇地區(qū)地下水優(yōu)先控制污染物為苯并[a]芘、As、Pb、Cd，其中苯并[a]芘的污染主要由人類生活因素造成，As和Cd的污染主要由自然富集因素造成，Pb的污染主要由農(nóng)業(yè)活動因素造成。本文的研究結(jié)果對于阿克蘇地區(qū)采取有針對性的地下水污染管控措施具有重要的意義，也可為制定地下水環(huán)境保護(hù)政策提供依據(jù)。