哈尔滨地区浅层地下水质量与污染评价

孔庆轩，董宏志，王燕，杨广申，王立宦，刘彩虹，孙晓庆

（1.黑龙江省地质环境监测总站，黑龙江哈尔滨 150030；2.吉林大学环境与资源学院，吉林长春 130021）

哈尔滨地区浅层地下水质量与污染评价

孔庆轩1，董宏志1，王燕1，杨广申1，王立宦1，刘彩虹2，孙晓庆2

（1.黑龙江省地质环境监测总站，黑龙江哈尔滨 150030；2.吉林大学环境与资源学院，吉林长春 130021）

为查明哈尔滨地区浅层地下水水质现状及污染情况，利用松嫩平原（黑龙江）地下水污染调查评价项目的数据，对浅层地下水主要化学特征进行了描述.在此基础上采用模糊综合评价法进行了地下水质量评价，采用污染指数法进行了地下水污染现状评价.结果表明：研究区浅层地下水水化学类型以HCO3-Ca型为主；受原生环境下水化学条件控制的Fe、Mn指标含量对水质影响较大；地下水污染属于区域性污染，污染范围广、污染程度重，主要污染物为NH4+及NO-3、NO2-，来源于生活污水及农业生产所施用的化肥.根据分析数据，研究区地下水污染以无机污染为特征.

浅层地下水；水化学特征；水质评价；污染评价；松嫩平原；哈尔滨

地下水作为宝贵自然资源的一部分，为全世界大部分人口提供不可或缺的水源.随着哈尔滨市经济的迅速发展，地下水开采量逐年增长，工业废水、生活污水的排放及农业灌溉、施肥等造成有毒有害物质随之渗入地下，威胁到地下水供水安全，已引起各级政府的高度重视.2011年全国31个省的69个城市地下水有机污染物检出率高达48.42%［1］；华北平原浅层地下水直接可以饮用的I类地下水仅占22.2%，潜水硝酸盐氮的超标率达到了5.41%［2］；陕西关中盆地浅层地下水中硝酸盐氮的最高检出值达650 mg/L，超标点比例达32.9%［3］.本文利用松嫩平原（黑龙江）地下水污染调查评价项目哈尔滨地区的野外调查和样品分析数据，对哈尔滨市浅层地下水质量及污染进行评价研究，以期为地下水资源的合理利用和污染防治提供科学依据.

1 区域水文地质概况

本文研究区域为哈尔滨市及所辖市县的平原区，面积1.4×104km2.研究区位于松嫩平原东部，地势总体上南北高，中部松花江河谷低.松花江河谷平原区分布有第四系潜水含水层，岩性为细砂、中粗砂夹小砾石，厚40～60 m.上覆较薄的亚黏土或亚砂土，含水层埋藏浅.在河谷平原区外围的岗阜状高平原上部，分布有厚度近30 m的黄土状亚黏土，其中赋存有联通性弱的裂隙孔隙潜水.局部地区，在黄土状亚黏土下部，零星分布有砂、砂砾石孔隙微承压水，联通性差，水量小，不具大规模供水意义.本文将研究区内的河谷平原潜水及高平原区的黄土状亚黏土裂隙孔隙潜水和砂、砂砾石微承压水统称为浅层水.

浅层地下水补给主要来源于大气降水和周围山区的地下水径流补给，由四周向平原中心汇集，生活污水和工业废水的渗入也是其补给来源之一［4］.排泄以蒸发和人工开采为主.

2 采样点的选择

野外调查及采样工作在2012年进行，采样层位以浅层水为主，共采集样品133组，采样井的深度一般在15～35 m.选择的采样点控制了调查区不同的地貌单元及水文地质单元，具有一定的代表性.

样品测试无机组分有23项，如溶解性总固体、总硬度、“三氮”、TFe、Mn等；有机测试挥发性、半挥发性组分共计37项.

3 地下水质量评价

地下水质量评价方法有模糊综合评判法、灰色系统法、物元分析法、综合指数法以及神经网络方法等多种.模糊综合评价法计算简单，对地下水质量所属类别的判断不是简单地根据单一指标得出结论，而是通过对各项指标的综合归纳，根据隶属度划分水质级别，在水质评价中有很广泛的应用.

模糊综合评价法的模型为B=W·R.B为综合评价结果（模糊判别集）；W为参评指标权重；R为模糊关系矩阵，各污染物的单项指标（Xi）对各水质级别（Ci）的隶属度所构成的矩阵，即为模糊关系矩阵R.

隶属度可用隶属函数表示.

I级水的隶属函数

式中：Xi—第i项指标实测浓度值；Cij—第i项指标j级水水质标准.由此构成一个n×5阶模糊关系矩阵R.

参评指标权重的计算：

由此可得权系数模糊向量W，W=｛W1、W2……Wn｝.

将W和R进行模糊矩阵的复合运算，得到模糊判别集B=（b1，b2，…，bm）.根据最大隶属度确定水质级别，完成水质评价.

4 地下水污染评价

地下水污染评价的方法有综合污染指数法、模糊综合评价法、灰色聚类分析法和人工神经网络分析法等.污染指数评价法以其直观、易理解为广泛采用.采用污染指数评价法进行地下水无机污染组分评价的计算公式如下：

其中：Pki—k水样第i个指标的污染评价指数；Cki—k水样第i个指标的检测值；C0—对于无机组分，代表k水样所在区域指标i的对照值，本文根据研究区的地貌特征、地下水埋藏条件，在每个水文地质单元的各取水层段，采用基本未受污染的地下水检测点各指标含量平均值加减两个标准差计算获得.CIII—《地下水质量标准》（GB/T 14848-2007）中指标i的Ⅲ类指标限值.

利用上式分别计算各水样点单因子污染指数结果Pki，并依据表1中污染分级标准划分污染等级，确定各水样单因子污染等级.

表1 单因子污染指数分级标准Table 1Grading standard by single factor pollution index

对单因子污染评价完成后，将各水样单因子污染等级做比对，规定其中污染等级最高的因子等级划分结果作为该水样点地下水污染综合评价结果.

5 结果讨论

5.1 浅层地下水水化学特征

根据哈尔滨地区浅层地下水样品分析结果，绘制成了地下水水化学类型Piper图（图1）.由图1可以看出，浅层地下水化学类型以1-A型为主，即矿化度（M）小于1.5 g/L的HCO3-Ca型水，其次是4-A型，表示矿化度（M）小于1.5 g/L的HCO3-Na-Ca型水.反映了浅层水文地球化学环境由淋溶迁移至积累，由氧化还原环境到弱还原环境的特征.地下水化学作用由平原边缘的溶滤作用为主，到平原内部以蒸发浓缩和离子交换吸附为主.

图1 浅层地下水化学类型Piper图Fig.1Piper diagram showing chemical types of shallow groundwater

5.2 浅层地下水水质评价

根据调查及样品分析结果，研究区地下水中总铁、锰含量较高.本次评价在因子选择时考虑了两种情形，即包含TFe、Mn因子及不含二者.评价结果见图2.

图2 浅层地下水水质评价等级分区图Fig.2Zonation by quality grade of the shallow groundwater in Harbin region

由图2及评价结果统计分析可以看出，含TFe、Mn的评价结果是浅层地下水水质总体较差，IV、V类水质点126个，占总体的94.74%，I、II类水质点的个数仅为7个.由于研究区地下水受原生环境影响，总铁、锰的含量较高，对地下水质量有着较大的影响，从该评价结果中不易辨别人类活动对地下水质量的影响情况.不含TFe、Mn的评价结果显示，IV、V类水质点88个，占总体的66.17%，IV、V类水的分布面积明显缩小，主要分布于松花江及其支流的河谷平原地带，影响水质的主要污染因子为NH4+、NO3-，该评价结果能够反映人类活动对地下水的污染情况.

由此可见，评价指标选取不同，评价结果也随之发生变化，说明评价指标的甄选对地下水质量评价很重要.

5.3 浅层地下水污染评价结果讨论

利用地下水污染指数法计算了各采样点的污染等级，分级结果见图3.

图3 研究区地下水污染评价图Fig.3Zonation by pollution levels of groundwater in the study area

根据图3及统计分析，研究区浅层地下水污染较重，III类中度污染点14个，占10.53%；IV较重污染点8个，占6.02%；V类严重污染点12个，占9.02%；VI类极重污染点97个，占72.93%.VI、V类重污染点覆盖面积较大，近12 000 km2，几乎遍布于整个研究区.主要污染因子为NH4+、NO3-.IV、V类重污染区的水样点集中分布在养殖场、垃圾填埋场周边地带及农业种植区.说明居民生活及养殖场随意堆放的垃圾及农业区大量施用的农药、化肥是研究区地下水的主要污染源.

区内垃圾场多处于漫滩区，多为村镇利用采土坑或天然洼地随意露天堆放，下伏的潜水含水层水位埋藏浅，含水层上部的包气带为薄层亚黏土或砂，垃圾淋滤液中的污染物极容易渗入含水层污染地下水.

研究区大面积为农业生产区，过量使用化肥是地下水大面积污染的主要原因.化肥中所含的氮对地下水的污染虽受降水量、土壤性质、植被、化肥品种等多种因素制约，但氮肥用量的多少是造成地下水氮污染的前提条件［5］.氮肥施入土壤后，被作物吸收利用的只占其施入量的30%～40%［6］，剩余部分氮肥经各种途径损失于环境中，并对水环境造成污染.据资料及本次调查，2012年研究区化肥使用量为47×104t，氮肥用量占50%以上，表明研究区地下水的氮污染与化肥使用量有直接关系.

研究区地下水的污染组分与污染源的分布及类型有关，污染程度受含水层的埋藏条件及径流条件、污染时间长短的控制.极重污染的地下水点近60%分布于含水层埋藏浅、地下水埋深小于6 m的河谷平原区.该区包气带岩性以粉质黏土、粉细砂为主，含水层防污能力弱，极易受到人类活动的影响而被污染.近20%的污染点分布于含水介质联通性差、污染物不易随径流扩散的黄土状粉质黏土及零星分布的砂、砂砾石层中.地下水被污染后自净能力弱，污染物逐渐聚积，水质污染加重，地下水污染指数多大于10，说明地下水受污染时间已较长.

由以上可见，地下水污染程度既受污染源的分布及强度的控制，同时也受到地下水的埋藏条件、径流条件及污染时间的长短的影响.

6 结论

（1）研究区浅层地下水化学类型主要是矿化度（M）不大于1.5 g/L的HCO3-Ca型水，表现出该区的水文地球化学环境以溶滤作用为主.

（2）浅层地下水水质评价中，含TFe、Mn指标时水质总体较差，IV、V类水质点占总体的94.74%；不含TFe、Mn指标时IV、V类水质点占总体的66.17%.说明TFe、Mn对水质影响较大，也代表了浅层水质量受原生环境条件主导.当评价指标中不含TFe、Mn时更能够反映人类活动对地下水的影响.可见，评价指标选取的不同，会导致不同的评价结果.

（3）地下水污染评价结果表明，研究区地下水污染较重，属于区域性污染，主要污染因子为NH4+、NO3-.主要污染源为养殖场、居民生活垃圾及农业生产所使用的化肥，地下水污染程度受污染源强度、污染时间的控制，同时也受到地下水的埋藏条件和径流条件的影响.

［1］高存荣，王俊桃.我国69个城市地下水有机污染特征研究［J］.地球学报,2011,32（5）:581—591.

［2］张兆吉，费宇红，郭春艳.华北平原区域地下水污染评价［J］.吉林大学学报：地球科学版,2012,42（5）:1456—1462.

［3］李德彬，张琪，宋旭.地下水三氮污染的现状及主要除氮方法［J］.环境与可持续发展,2009（5）:35—37.

［4］尹鹏.哈尔滨市水资源发展态势及可持续利用评价研究［D］.哈尔滨：哈尔滨工程大学,2011.

［5］陈尚龙，达丽红，乔光建.氮污染物在非饱和土壤中迁移过程对地下水水质影响分析［J］.南水北调与水利科技,2010,8（4）:58—61,102.

［6］王全九，邵明安，郑纪勇.土壤中水分运动与溶质迁移［M］.北京：中国水利水电出版社,2007.

ASSESSMENT FOR THE QUALITY AND POLLUTION OF SHALLOW GROUNDWATER IN HARBIN,HEILONGJIANG PROVINCE

KONG Qing-xuan1,DONG Hong-zhi1,WANG Yan1,YANG Guang-shen1,WANG Li-huan1,LIU Cai-hong2,SUN Xiao-qing2
（1.Geo-environmental Monitoring Station of Heilongjiang Province,Harbin 150030,China; 2.College of Environment and Resources,Jilin University,Changchun 130021,China）

With the groundwater quality monitoring data of Songnen Plain in Heilongjiang Province,the chemical characteristics are described to ascertain the current situation of quality and pollution of the shallow groundwater in Harbin region.On this basis,fuzzy comprehensive evaluation method is used to assess groundwater quality.The current status of groundwater pollution is assessed by pollution index method.The results show that the hydrochemistry of the shallow groundwater is dominated by HCO3-Ca type.The Fe and Mn contents,which are controlled by the hydrochemical condition in native environment,strongly impact the water quality.The groundwater is regionally polluted,with wide range and severe degree.The main contaminants are NO-3,NO2-and NH4+,which are derived from domestic sewage and fertilizers in agricultural production.According to the data analysis,the groundwater pollution in the study area is mainly inorganic pollution.

shallow groundwater;hydrochemical characteristics;groundwater quality;pollution assessment;Songnen Plain;Harbin

1671-1947（2015）01-0070-05

P641.8

A

2014－11－24；

2014-12-22.编辑：张哲．

中国地质调查局项目“松嫩平原（黑龙江）地下水污染调查评价”（编号1212011220978）资助.

孔庆轩（1965—），女，高级工程师，主要从事地下水环境研究，通信地址黑龙江省哈尔滨市南岗区汉水路190号金马大厦兆祥宝座1706室，E-mail//172652597@qq.com