四湖地区水质评价与空间分析

傅娇凤 ，陈世俭，张 婷，2

（1.中国科学院 测量与地球物理研究所，武汉 430077；2.中国科学院大学，北京 100049）

地下水作为重要的自然资源，与人们的生产生活息息相关.随着人口增长、社会经济的发展，水资源短缺和环境污染日益严重.国内外对对地下水水质的研究主要集中在5个方面：（1）对地下水水质评价方法的探索［1－3］；（2）将不同的技术引入地下水水质研究中，如同位素示踪法［4－5］和GIS技术的应用［6－7］；（3）随着地下水水质恶化的普遍和加剧，地下水水质质评价项目不断增加，研究区域也从水量型缺水的北方到水质型缺水的南方地区，从城市到近郊到农村地区［8－9］；（4）从不同的角度探索地下水水质的演化原因［10－11］；（5）由于地下水常作为饮用水源，随着对地下水研究的进展，许多学者从毒理学方面探索地下水水质对人类健康的影响［12］.

位于湖北江汉平原的四湖地区地下水埋藏较浅，采用便利，在未形成集中式供水的农村地区，地下水往往成为主要的生活水源甚至是饮用水源.但是四湖地区地下水水质自然禀赋并不好.根据有关资料，四湖地区所在的荆州市农村地区，72.7%的地下水水源地未能达到Ⅲ类水质要求［13］，饮水不安全人数占70%［14］.四湖地区有关地下水方面的工作报道主要集中在有关水资源状况、地下水位动态规律、四水转换及其对环境的影响等方面，而涉及到用水安全以及居民健康有关的水质工作很少.因此对四湖地区地下水进行水质分析十分必要.其分析结果可以为当地地下水用水安全提供依据；了解造成地下水污染主要指标的空间分布和超标情况，为合理治理地表水和地下水提供一些建议.

1 研究区域和评价方法

1.1 研究区域和采样点分布

四湖地区地跨湖北省的荆州、荆门、潜江3市，处于江汉平原腹地，是位于长江、汉水及其支流东荆河之间的河间洼地，因境内曾有长湖、三湖、白露湖和洪湖四大湖泊而得名（现仅存长湖和洪湖）.本次调查采样点主要分布在长江沿岸、内荆河沿线和东荆河沿岸，涉及洪湖、监利、江陵和潜江4县市.本次调查共设置23个采样点，3个地表水样分别来自洪湖出水口、长江和内荆河，标记为S1、S2、S3；6个潜水水样标记为P1～P6，14个承压水水样标记为C01～C14，采样点分布见图1.

1.2 水质检测方法

采样现场用美国哈希水质仪（DS5系列）测定了水样溶解性总固体（TDS）和pH值.根据不同测定指标的样品保存要求，每个采样点取两组水样：一组经过加酸处理，一组未经任何处理.将水样带回实验室分析氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮、总氮、总磷、氯化物、铁、锰、硬度、高锰酸盐指数等共10项水质化学指标.具体的测定方法如下：亚硝酸盐氮用N－（1—萘基）——乙二胺光度法测定，硝酸盐氮用紫外分光光度法测定，总氮用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法测定，总磷用钼酸铵分光光度法测定，铁用林菲罗琳分光光度法测定，锰用高碘酸钾分光光度法测定，总硬度用乙二胺四乙酸二钠滴定法测定，氨氮用纳氏试剂分光光度法测定，氯离子用硝酸银滴定法测定，化学需氧量用高锰酸钾酸性滴定法测定.

图1 四湖地区采样点分布图Fig.1 Map of the sampled points in Sihu Area

1.3 评价方法

长江、洪湖、内荆河3个地表水样按GB3838－2002《地表水环境质量标准》进行单因子评价.地下水选用GB／T14848－9《地下水质量标准》推荐的F值法进行水质评价.根据《地下水质量标准》，将水质划分为5类，代码和类别代号相同，不同类别标准值相同时，水质从优不从劣，得到单项组分评价，划分组分所属类别，对各类别按照表1分别确定单项组分评价分值Fi.

表1 地下水质量评分表Tab.1 Ratings for groundwater quality

按式（1）和式（2）计算综合平分值F：

式中，为各单项组分评分指F的平均值；Fmax为单项组分值Fi的最大值；n为项数

最后，根据F值按表2 规定划分地下水质量级别.

表2 地下水质量级别表Tab.2 Levels of groundwater quality

2 水质评价结果和空间分析

2.1 地下水F值评价

利用国际F值法得到2012年6月份20个地下水的水质综合评价，见表3.评价结果表明四湖地区地下水水质较差，大部分为极差，从整体上看，潜水水质略好于承压水水质.

表3 2012年6月份水质质量分级Tab.3 Grading for the groundwater quality of June 2012

2.2 地表水各项水质指标

洪湖出水口、长江、内荆河3个地表水样，整体上长江水质比洪湖水质好，洪湖水质比内荆河水质好.洪湖、长江总氮含量均超标一倍多，内荆河总氮含量超标将近3倍.从三氮浓度来看，长江的氨氮、亚硝酸盐氮含量都比洪湖和内荆河低，内荆河和洪湖出水口氨氮含量为地表水Ⅴ类，长江水样氨氮符合地表水Ⅱ类水质要求，而长江的硝酸盐氮含量明显高于洪湖和内荆河.洪湖和内荆河的高锰酸盐指数超过了6mg／L，表明受有机污染物和还原性无机物质污染比较严重.洪湖的总磷、总氮超标情况都比较严重，总磷超标将近4倍，容易发生水体富营养化.具体指标浓度见表4.

表4 四湖地区地表水水质参数统计值的比较／（mg·L－1）Tab.4 Comparison of the water quality parameters of surface water in Sihu Area／（mg·L－1）

2.3 水质空间分布和分析

本次调查表明，地下水氨氮、铁、锰和总氮超标率高，高锰酸盐指数为Ⅳ类水质的样点所占比例大.地下水超标比率锰高达95%，铁为45%，氨氮为80%，亚硝酸盐氮为30%，总氮含量超过1.0mg／L的占70%.TDS仅1 个样点略有超标，硝酸盐氮和氯化物含量均能达到地下水Ⅲ类水质要求.

2.3.1 地下水氨氮的空间分布 潜水中氨氮的浓度分布为0.14～0.39mg／L，承压水氨氮浓度离散程度高，为0.1 mg／L～8.77 mg／L，氨氮含量有明显的区域差异性.14个承压水样中仅两个样点能达到地下水氨氮Ⅲ类水质要求，有两个样点超标40多倍.在所有超标的样点中，含量超过0.5mg／L的占50%，且全部为承压水.氨氮浓度在0.5～3mg／L的样点主要分布在四湖地区的东南部，见图2.

图2 四湖地区地下水氨氮浓度空间分布Fig.2 The distribution of the Ammonia Nitrogen of groundwater in Sihu Area

2.3.2 四湖地区总氮浓度空间分布 在本次地下水水质调查中，总氮浓度超过1.0 mg／L 的占70%，潜水样点至少超标4倍以上，其浓度分布在6.03～27.67mg／L之间.约60%的承压水样总氮含量低于2.0mg／L，承压水总氮含量明显低于潜水.四湖地区总氮浓度空间分布见图3.

图3 四湖地区总氮浓度空间分布Fig.3 Distribution of Total Nitrogen in Sihu Area

长江沿岸的4 个潜水井总氮含量均高于20mg／L，氨氮含量稍低，亚硝酸盐氮较高，硝酸盐氮比承压水井高，总氮含量超出长江水样10余倍.各潜水井三氮和总氮浓度见表5.

表5 长江沿岸潜水井三氮和总氮浓度／（mg·L－1）Tab.5 The contents of Ammonia，Nitrate and Nitrite Nitrogen of the unconfined－water wells along the Yangtze River／（mg·L－1）

2.3.3 地下水铁和锰浓度分布 四湖地区铁锰超标严重，铁超标比例为45%，锰超标比例高达95%.承压水中锰浓度为0.15～2.35 mg／L，潜水为0.01～1.96 mg／L.四湖地区75%的地下水锰含量仅能达到水质Ⅳ类要求.锰浓度在1.0～3.0mg／L的样点主要分布在洪湖以东，长江和内荆河之间.35%的样点锰浓度在0.1～0.5mg／L，40%的样点锰浓度分布在0.5～1.0mg／L.承压水铁含量超标严重，铁含量超过1.0mg／L 的样点全部为承压水井，铁含量最高的样点超标20多倍.铁浓度较高的样点主要分布在四湖地区的东南部，见图4.

图4 地下水铁浓度空间分布Fig.4 Distribution of the iron in groundwater in Sihu Area

3 结果分析和讨论

四湖地区铁锰超标严重主要是水文地质地质因素造成的，根据曾昭华的研究［15－16］，地下水铁元素含量与含水介质的铁元素含量具有较好的相关性，江汉平原东部地区含水介质和上部土层均含有大量铁锰结核.在20个地下水采样点的数据中，铁的最高值达6.4m／L，锰的最高值达2.3 mg／L，地表水中铁含量均在0.2～0.3mg／L，锰含量低于0.5mg／L.铁、锰含量较高会造成地下水出现异味、苦涩，洗衣服时出现衣斑等现象并影响人们的身体健康.根据唐克旺等人的研究，长江流域地下水pH值大部分为7.0左右，湖北等地浅层地下水由于受到地表水污染，pH值呈中碱性［17］.根据现场检测四湖地区地下水pH值大部分为7.5～8.0，洪湖出水口、长江、内荆河pH值分别达到8.19、8.46和8.20.

广大四湖农村地区，缺乏完整的生活污水收集处理系统，生活污水随意排放；村民环保意识相对淡薄，生活垃圾的清运、处理设施落后，相当部分生活垃圾在水塘沟渠、道旁、地头随意倾倒堆积，成为污染源.据相关文献的研究，目前约96%的村庄居民的生活污水未经任何处理，直接排放到河流、湖泊或泼洒到地面上，严重地影响了地表水体的水质［18－19］.根据陈能汪等对福建省九龙江流域农村生活污水污染定量调查结果表明，全流域年均农村生活污水排放总氮、总磷分别占该流域农业非点源污染排放量的28%、25%［20］.尹发能研究表明四湖流域中部地区，种植业污染，畜禽养殖污染和生活污染较为突出，污染综合特征明显.该区是四湖流域粮食主产区，化肥和农药施用量大，地表径流江化肥和农药直接带入水体，对水质影响很大［21］.4～6月份正是四湖地区水稻生长季节，大量农药、化肥的使用以及农田灌溉，增加了该地污染物来源，降雨易将残留的农药化肥通过下渗、越流补给等带入地下水中.位于潜江蔬菜种植区的承压水井C11，氨氮、总氮、CODMn的含量都很高，位于四湖总干渠附近的承压水井C13F值达到7.50，为极差.位于长江沿岸和内荆河附近的采样点污染物指标明显偏高.采样点P1、P2、P3和P6沿长江北岸分布，三氮及总氮含量见表5.P2 作为饮用水，而P1主要作为生活用水，但二者的亚硝氮含量超标严重，作为饮用水的样点P2亚硝氮含量超标将近30倍，亚硝酸盐氮与体内蛋白质结合形成亚硝胺，长期饮用容易致癌.根据水位观测资料，2012年从5月份开始，长江水位高于四湖地区地下水水位，长江补给地下水，而四湖地区长江切穿了隔水板顶层，可将污染的地表水直接补给地下水.地下水更新周期较长，污染物容易在含水层中长时间积累.

4 结论

从地表水水质来看，长江水质最好，其次是洪湖出水口，内荆河水质最差；地表水总氮超标严重，洪湖出水口和内荆河氨氮、高锰酸盐指数和总磷均超标；使用F值法综合评价四湖地区地下水，大部分采样点的F值分布在7.20～8.25之间，水质为极差.潜水水质略好于承压水，承压水主要超标指标为氨氮、铁和高锰酸盐，潜水主要超标指标为亚硝酸盐氮、总氮浓度，长期饮用亚硝酸盐氮超标的井水，将影响当地居民身体健康；四湖地区铁锰超标严重，其主要原因为该地含水介质中含有大量的铁锰结核；四湖地区人口密集，农业发达，种植业造成的面源污染和生活污水等人为污染不仅污染了地表水，对地下水亦有长期的影响.需要对农业生产中的农田废水排放进行有效管理，合理施肥.对生活垃圾和生活废水亟待完善措施进行无害化处理，以减少对地表水的污染和对地下水水质的影响.

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