無居民海島地下水質量評價及影響因素識別研究

龔艷君 雷利元 張 云

(1.遼寧省海洋水產(chǎn)科學研究院，遼寧 大連 116023；2.大連市海域海島開發(fā)與保護研究重點實驗室，遼寧 大連 116023)

海島是我國海洋領土的重要組成部分,是國家主權的象征，海島又是特殊的海洋資源和環(huán)境的復合區(qū)域,是海洋生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,其生物資源、旅游資源、港口資源等十分豐富。我國海島眾多,面積大于500m2的島嶼有6000多個(不包括海南島及臺灣省、香港特別行政區(qū)、澳門特別行政區(qū)諸島),其中約94%的島嶼為無人居住島嶼；面積在500m2以下的島嶼和巖礁近萬個[1]。通常按所在的海島是否存在戶籍居民，將海島分為有居民海島和無居民海島，無居民海島是指不屬于居民戶籍管理的住址登記地的海島[2]。

《中華人民共和國海島保護法》實施后，系統(tǒng)的海島調查仍然不足，僅2009—2012年開展了“全國海域海島地名普查”，主要調查海島名稱、數(shù)量和位置，且目前只公布了部分海島名錄。因此，無居民海島淡水資源、沙灘資源、動植物資源、本地物種、珍稀瀕危物種和典型生境等信息的系統(tǒng)性和精度明顯不足，海島資源稀缺程度、生態(tài)重要程度、生態(tài)脆弱性等更需進一步調查和評估[3]。淡水資源是海島自然資源的重要組成部分，海島特殊的地理區(qū)位和空間隔離特征使得海島生態(tài)系統(tǒng)十分脆弱,部分生態(tài)系統(tǒng)一旦遭受破壞，將對海島生態(tài)環(huán)境造成不可逆的危害。其中,最為顯著的就是海島的地下水資源，海島地下水系統(tǒng)是一個獨立的循環(huán)系統(tǒng)，由于海島面積狹小，補給來源有限，地下淡水體又被海水包圍，因此易受海水入侵的威脅。海島面積狹小的地理特征限制了海島地表水系的發(fā)育,中小型海島普遍缺乏有效的天然地表儲水地貌，因此，海島地下水對于海島生態(tài)系統(tǒng)起到至關重要的作用[4]。

本文以遼寧省無居民海島楊家山島為例,選用單因子指數(shù)法與綜合評價法對該島地下水質量進行評價，探求地下水水質影響因素，提出無居民海島地下水資源保護建議，旨在為無居民海島地下水資源的合理利用和海島生態(tài)環(huán)境保護提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域位于渤海海域，地處遼寧省葫蘆島市興城市沿海。遼寧省管轄海域遼闊，海島數(shù)量眾多，海島資源豐富，主要分布于黃海與渤海海域，大連市的海島數(shù)量最多，其次為葫蘆島市。遼寧省海島數(shù)量為633個，總面積約505.000km2，島岸線長約920.00km，其中，無居民海島589個。

楊家山島位于渤海北部海域、遼東灣西側近岸，為無居民海島，周邊有覺華島、張家山島等海島，距大陸最近距離為8.21km。海島岸線長度為2.05km，陸域面積0.145km2，最高點高程44.40m，海島地勢中部凸起，四周平緩，島岸以基巖為主，低潮時周邊海域巖礁裸露，海島地表土壤層較厚，植被茂密，生長灌木及草本植物，喬木較少[5]。該島有護島人員長期居住，島上地下水是人類飲用水和生活用水的主要來源，同時看護人員在島上種植了農(nóng)作物。為改善無居民海島基礎設施條件，2017年，島上開展了開發(fā)利用活動。

根據(jù)《遼寧省水資源》資料統(tǒng)計，興城市水資源總量為43174萬m3，其中地表水資源量37135萬m3，地下水資源量8400萬m3[6]。海島所在區(qū)域屬于溫帶亞濕潤季風型海洋氣候，季風氣候顯著，降雨多集中7—8月，其降水量為全年降水量的53%，而11月至次年3月，總降水量僅占全年的4%。

2 材料與方法

2.1 樣品采集

2016年8月、2018年6月、2020年8月分別在島上采集地下水樣品，樣品按照采集順序Y-01～Y-04分別編號，主要用途為飲用水和生活用水。本次研究以2016年地下水樣品的分析測試結果為數(shù)據(jù)基礎，2018年與2020年(統(tǒng)稱2016年后)采集的平行數(shù)據(jù)作為補充和對比。

樣品采集、樣品的儲存和管理按照《水質采樣、樣品的存儲和管理技術規(guī)范》(HJ 493—2009)的要求執(zhí)行。地下水質監(jiān)測項目及分析方法按照《地下水質量標準》(GB/T 14848—2017)(2016年調查參考GB/T 14848—93)為依據(jù)。

2.2 評價指標選取及分析方法

以《地下水質量標準》(GB/T 14848—2017)為依據(jù)，并結合《第二次全國海島資源綜合調查技術規(guī)程》中海島地下水監(jiān)測項目，本次選擇氨氮、總硬度、溶解性總固體、硫酸鹽、高錳酸鹽指數(shù)、氯化物、鐵、錳、硝酸鹽、氟化物、砷、六價鉻、鉛、汞14項主要反映生活污染的理化性指標作為分析參數(shù)，見表1。其中，一般化學指標8項、毒理學指標6項，見表2。

表1 地下水質監(jiān)測項目及分析方法

表2 地下水環(huán)境質量評價指標

依據(jù)我國地下水水質現(xiàn)狀、人體健康基準值及地下水質量保護目標，并參照了生活飲用水、工業(yè)、農(nóng)業(yè)用水水質最高要求，將地下水質量劃分為5類。Ⅰ類主要反映地下水化學組分的天然低背景含量，適用于各種用途；Ⅱ類主要反映地下水化學組分的天然背景含量，適用于各種用途；Ⅲ類以人體健康基準值為依據(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類以農(nóng)業(yè)和工業(yè)用水要求為依據(jù)，除適用于農(nóng)業(yè)和部分工業(yè)用水外，適當處理后可作生活飲用水；Ⅴ類不宜飲用，其他用水可根據(jù)使用目的選用。

2.3 評價方法

目前，地下水水質評價方法眾多，應用比較廣泛的方法主要有綜合污染指數(shù)法、模糊數(shù)學綜合評判法、灰色聚類分析法、層次分析法以及人工神經(jīng)網(wǎng)絡法等，但這幾種方法無法很好地與地下水質量類別定義相對應，因此，費宇紅等[7]在2014年提出，采用單因子指數(shù)法和綜合評價法相結合的方法,具有明確的物理意義，能夠更有效地指導水資源管理和利用，本次選擇該方法對楊家山島地下水水質進行評價。

2.3.1 單因子指數(shù)法

地下水環(huán)境質量評價時，對重要的水質指標可作單因子評價，其原理是將評價指標的監(jiān)測結果與《地下水質量標準》(GB/T 14848—2017)中劃分的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ類水標準值進行比較，再選取評價指標中最差的類別作為水體的水質類別[7]，單因子指數(shù)計算公式為

(1)

式中：Pi為第i個水質因子的標準指數(shù)；Ci為第i個水質因子的監(jiān)測濃度值，mg/L；Csi為第i個水質因子的標準濃度值，mg/L。

當Pi≤1時，說明水質較好，監(jiān)測指標未超標；當Pi>1時，說明水質已經(jīng)超標。

2.3.2 綜合評價法

綜合評價法首先進行各單項組分評價，劃分組分所屬質量類別，其次是對各類別按照表3分別確定單項組分評價分值Fi，再按式(2)和式(3)計算綜合評價分值F：

(2)

(3)

地下水單項組分評價標準和綜合水質分級標準見表3。

表3 地下水單項組分評價標準和綜合水質分級標準

3 結果與分析

3.1 單因子指數(shù)評價分析

地下水質量評價中各項指標的限值受地下水質量類別控制。鑒于前述的概念，Ⅲ類地下水的各項指標限值與生活飲用水標準相對應，即限值是健康風險限；Ⅰ類和Ⅱ類地下水的限值對于供水沒有制約意義；Ⅳ和Ⅴ類水，直接飲用對人體健康有潛在危險，不宜作為生活飲用水水源[8]。故本次評價以《地下水質量標準》(GB/T 14848—2017)中Ⅲ類水質指標及限值為標準，并參照其他類水質量指標，對所采集水樣進行水質分析與評價，結果見表4、圖1、圖2。

表4 主要指標檢出情況統(tǒng)計

圖1 指標超標情況統(tǒng)計(2016年)

圖2 指標超標情況統(tǒng)計(2016年后)

由表4、圖1、圖2可知，2016年，Y-01、Y-02、Y-04水質指標中除了鉛超標外，其他指標均符合Ⅲ類水質標準，Y-03水質指標中，總硬度、溶解性總固體、硫酸鹽、高錳酸鹽指數(shù)、氯化物和鉛均有不同程度的超標，已不能作為生活直接飲用水源；2016年后，Y-01～Y-03水質指標中，總硬度、溶解性總固體、硫酸鹽、硝酸鹽、高錳酸鹽指數(shù)、氯化物和鉛都有不同程度的超標。

3.2 綜合評價分析

根據(jù)檢測數(shù)據(jù)，地下水污染綜合評價結果見表5和表6，評價指標中氟化物和六價鉻均符合Ⅰ類水質標準，單項組分評價分值為0，故該表中未體現(xiàn)這兩項。

表5 地下水污染綜合評價結果(2016年)

表6 地下水污染綜合評價結果(2016年后)

由表4和表5可以看出，2016年，評價結果為較好的有3組，占檢測總數(shù)的75%；評價結果為極差的有1組，占檢測總數(shù)的25%。其中Y-03號井水質極差，主要污染因子為氯化物，與飲用水標準對比，最高超標2.02倍；其次是鉛、溶解性總固體、高錳酸鹽指數(shù)、總硬度，最高超標2倍；氨氮、硝酸鹽、硫酸鹽、錳均符合Ⅲ類水質標準，單項組分評價分值為3，鐵單項組分評價分值為0。

由表4和表6可以看出，2016年后，評價結果為較好的有1組，占檢測總數(shù)的25%；評價結果為較差的有1組，占檢測總數(shù)的25%；評價結果為極差的有2組，占檢測總數(shù)的50%。其中Y-01號井水質極差，主要污染因子為總硬度、硝酸鹽和氯化物，與飲用水標準對比，最高超標1.20倍；其次是溶解性總固體、高錳酸鹽指數(shù)和鉛，最高超標4.80倍。Y-03號井水質也為極差，主要污染因子為總硬度、溶解性總固體和氯化物，與飲用水標準對比，最高超標2.84倍；其次是高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、硝酸鹽和硫酸鹽，最高超標0.27倍。

3.3 污染因子來源分析

在單因子指數(shù)評價結果中，存在兩類指標：一類是地下水中原生指標，另一類是人類活動導致的污染指標。其中，“三氮”(硝酸鹽、亞硝酸鹽、氨氮)、毒性重金屬(汞、砷、鎘、六價鉻、鉛)屬于污染指標[9]。由評價結果可知，影響楊家山島地下水質量的主要為原生指標，如高錳酸鹽指數(shù)、氯化物、溶解性總固體、總硬度，來自人類活動影響的污染指標主要有硝酸鹽和鉛、氨氮。

高錳酸鹽指數(shù)是反映水體中有機和無機可氧化物質污染的常用指標，常被作為地表水體受有機物污染和還原性無機物質污染程度的綜合指標。高錳酸鹽指數(shù)越高，說明水體受到有機物污染的程度越嚴重。從評價結果來看，2016年以后超標水質主要來自于Y-01與Y-02水井，這兩眼水井由人工開采，埋藏淺，水質相對容易受到影響，且地下水補給主要是降水補給，通過調查發(fā)現(xiàn)在兩眼水井附近島上居民種植了農(nóng)作物，初步判斷淺層地下水受到地面農(nóng)業(yè)灌溉的影響(施氮肥等)，或受到生活污染源污染的可能性較大，從而造成高錳酸鹽指數(shù)超標。

根據(jù)我國生活飲用水衛(wèi)生標準及農(nóng)田灌溉水質標準的規(guī)定，正常情況下地下水氯離子濃度不超過250mg/L，當?shù)叵滤新入x子濃度超過250mg/L時則認定為該地區(qū)已經(jīng)發(fā)生海水入侵，氯離子濃度大于500mg/L，則認定為該地區(qū)已經(jīng)發(fā)生嚴重入侵[10]。根據(jù)分析評價結果，島上有2眼水井((Y-01、Y-03)發(fā)生了嚴重入侵，1眼水井(Y-02)已經(jīng)發(fā)生海水入侵，還有1眼水井(Y-04)氯離子濃度為241mg/L，與入侵的濃度值很接近。初步判斷該結果與島上地下水的分布位置、地勢和降水有關，Y-01～Y-03水井距海近，氯離子濃度高，而Y-04水井所在位置地勢高，氯離子濃度低。Y-01～Y-03集中分布在海島南側靠近岸邊的位置，埋藏淺，水質與水量均受降水和徑流影響；Y-04位于海島中部地勢較高的位置，通過鉆機開采，水質穩(wěn)定，較淺層地下水水質受降水和徑流影響較小。

硝酸鹽是地下水中最常見的一類污染物，主要與農(nóng)業(yè)施氮肥、垃圾集中處理、工業(yè)廢水排放、動物養(yǎng)殖等活動有關，島上地下水中硝酸鹽超標原因初步判斷為生活污染源。為改善無居民海島基礎設施條件，2017年，楊家山島實施了碼頭、木棧道、沙灘浴場設施建設工程，施工過程中和工程建成后都產(chǎn)生了生活污染源，主要包括施工人員和常住護島人員產(chǎn)生的生活污水、垃圾、人畜糞便等，其中含有大量含氮有機物，可通過化糞池滲入地下或作為農(nóng)肥被施用在農(nóng)田，經(jīng)過復雜的生物化學作用轉化為硝酸鹽，最終污染地下水。

4 結 語

本文依據(jù)無居民海島楊家山島多年的地下水監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用單指標評價方法和綜合評價方法相結合的方法評價了地下水質量現(xiàn)狀，結果表明，2016年，楊家山島地下水質量整體較好，但2016年后局部淺層水質已明顯受到人類活動和海水入侵的干擾，主要污染因子為高錳酸鹽指數(shù)、氯化物、溶解性總固體、總硬度、氨氮、硝酸鹽等。根據(jù)研究結果提出以下建議：

a.加強地下水監(jiān)測工作，針對海島水資源影響因素多、環(huán)境較脆弱的特點，應對海島地下水資源實施長期監(jiān)測，實時掌握水資源的污染狀況，分析污染物質和來源，尤其針對目前水質綜合評價較好的地下水，應禁止在其附近排放污水、堆放廢物等。

b.盡可能對海島現(xiàn)有植被進行保護，增加土壤的持水性能；要盡量減少地下水的過度使用，合理開發(fā)地下水，維護地下水的水力平衡。

c.加強地下水環(huán)境監(jiān)測設備建設，完善監(jiān)測手段，逐步實現(xiàn)對地下水環(huán)境的實時監(jiān)控和數(shù)據(jù)的快速分析，使監(jiān)測資料更準確、更及時地反映地下水質量狀況和發(fā)展趨勢。

d.大多數(shù)的無居民海島還處于尚未開發(fā)的階段，無居民海島的開發(fā)利用將會使部分自然環(huán)境變成人工環(huán)境，因此，要嚴格把控海島開發(fā)利用項目審批，進行任何開發(fā)活動之前應先對海島生態(tài)環(huán)境狀況進行生態(tài)評估，避免人類活動對海島生態(tài)環(huán)境造成影響。