典型喀斯特山区饮用窖水质量监测及评价

毛龙富，刘 宏，陈瑞永，杨丽瑞，黎子谦，刘 宇

（1.云南大学地球科学学院，昆明650091；2.云南大学国际喀斯特联合研究中心，昆明650223）

水问题是当今世界最严峻的问题之一，中国农村饮用水安全问题仍旧很严重［1］。特殊的喀斯特地表——地下二元地质结构［2］，加之复杂的气候控制下，喀斯特地区地表水资源匮乏、季节性干旱缺水严重［3］、靠雨水补给，家庭集雨水窖是解决喀斯特农村地区人畜饮水的主要途径。但长期受人类活动的不良影响，水质问题成为了困扰集雨饮用水安全的瓶颈［4］，包括水理化［5］、微生物［6］、病毒［7］等水质超标污染；加之农村水安全意识薄弱，对农村集雨家庭水窖的研究具有不可须臾的价值。

目前，雨水集蓄工程是国内外研究热点，在美国、以色列、德国、澳大利亚等发达国家已经应用成熟［8］，东南亚、南亚、中东和非洲等欠发达地区逐步普及；在中国西北黄土丘陵区、华北缺水山丘区、西南喀斯特山区等地区集雨水窖的应用较为广泛，人口约2.6亿［9］。一般采用单项指标评价法、综合指标法、主成分分析法、灰色聚类、灰色关联度法、模糊数学评价法、层次分析法、集对分析法等分析评价人畜饮用水质量［10］。例如，赵文君等［11］采用单项指标评价法、武金慧等［12］采用改进的水质指数法、张国珍等［13］采用主成分分析法对西北干旱区集雨窖水质量进行了评价。结合主成分分析和聚类分析［14］、自组织映射（SOM）算法［15］、Spearman 秩相关系数法［16］、方差分析（ANO‐VA）［17］等方法揭示集雨窖水质量特征及其变化规律，窖水质量受控于内外环境因素［18］，与降雨、窖壁材料、屋顶集流面等有关［19］。

近年来，随着全球气候变暖，频繁出现极端天气、气候事件；在中国，尤其是云南喀斯特地区暖干化、旱灾频发［20］，喀斯特分水岭地区饮用水安全问题令人堪忧，迄今为止，喀斯特区家庭窖水质量评价研究不足。由此，本研究基于监测滇东南喀斯特山区不同家庭背景的7 口典型家庭饮用窖水及1 口公共集雨大水池水水质参数，结合运用单项指数法与综合指数法等方法，旨在探讨喀斯特山区饮用窖水质量状况，对认识和保障广大的喀斯特山区农村饮用水资源安全具有深远的意义。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于滇东南典型喀斯特分水岭区，即红河州泸西县三塘乡境内，介于103°30′～104°04′E，24°15′～24°45′N 之间，平均海拔为2 310 m。属亚热带低纬高原季风气候区，受青藏高原和印度季风、东亚季风的多重影响，年际年内降水变化大，年均降雨量为910.30 mm，年均气温12 ℃；干、湿季显著分明，雨季（5-10月）占年降水量的84.15%，是干季（11-次年4月）的4 倍。通常6-11月为丰水期，12-次年4月为枯水期，4月末-6月初和11月末-次年1月初为过渡期。该地区是典型喀斯特石漠化生态脆弱区，土层浅薄，地表保水力极差、地下水埋藏深，难以取用，水资源十分匮乏，人均用水量远低于云南省农村用水标准水平［21］。埋藏型水窖是该区域主要的人畜饮用水源，水窖应用率达99%以上；还有2 个容量约1 500 m3、3 000 m3公共集雨水池，常年均有水，主要用于建筑、农业、消防等，在极端干旱年备用作人畜饮用水水源。该地区居民长期以窖水为生活饮用水，近年来，人民生活水平日益改善，对水质要求进一步提高，迫在了解当前的窖水水质情况和盼求健康的水窖饮用水。

1.2 样品采集与监测

在2018-09-28（丰水期，小雨）和2019-01-06（丰水期→枯水期过渡期，晴）、2019-04-24（枯水期，晴）、2019-05-23（枯水期→丰水期过渡期，中雨）。选取泸西县境内典型喀斯特分水岭山区三塘乡7 口具有典型代表性的家庭饮用水窖及1 口公共集水池，进行4 次物理、化学、微生物等水质参数监测。所抽选的水窖代表有3 种类型，第一种是家中圈养牲畜的水窖（1 号、2号、3 号），其中1 号、2 号均来自一户经济较好家庭，3 号所处家庭条件较差；第二种是家中无圈养牲畜的水窖（4号、5号），其中4 号所处家庭经济较好，5 号所处家庭条件较差；第三种是筑在室内的水窖（6 号、7 号），其中6 号筑在小商店里、7 号修筑在厨房中。8号代表露天公共集水池。

pH 值、水温、电导率使用美国生产的HACH 牌HQ40d 多参数水质仪现场测定；利用德国MColor-test 的Calcium Test 试剂、Alkalinity Test 试剂分别在现场测定Ca2+、HCO3-浓度；运用500ml 聚乙烯瓶取回水样到临时实验室，当日采用美国HACH DR2800 分光光度计测定NH3-N、Si、Cr6+、Mn、Cu、Fe、硫化物、硝酸盐、亚硝酸盐、余氯、总氯等化学参数。

采用日本生产的Compact Dry TC、Compact Dry CF、Com‐pact Dry SL 和Compact Dry EC 微生物快速测试皿，分别计数测定菌落总数TC、大肠菌群CF 和沙门氏菌SL、大肠杆菌EC1（Compact Dry EC 同时培养大肠杆菌“显蓝或蓝绿色”和其他大肠菌类“显红或粉红色”，因后者重复统计，只计前者记为EC1），单位CFU/mL。用精密移液枪取1 mL水样滴入每个微生物快速测试皿中央，一旦液体样品滴入就会自动均匀扩散入平板，固体培养基转化成凝胶，稍后将各测试皿有序轻放入便携式恒温培养箱以37 ℃培养24～48 h。之后利用高清照相机逐个拍下各个培养皿的菌落，利用计算机统计照片上的各种微生物菌落数。

在水窖6 号中布设HOBO U24-001 电导率水温测量记录仪和HOBO U20-001 水位记录仪，每30min 分别自动监测并保存窖水的电导率/（μS·cm-1）、水温/℃和水位/cm 等参数。在水窖6号附近屋顶上安置MG3-M雨量计，获得逐日降水数据。

1.3 饮用水水质评价法

利用窖水水样检测出的Ca2+、HCO3-、NH3-N、Si、Cr6+、Mn、Cu、Fe、硝酸盐、亚硝酸盐、余氯、总氯、硫化物、TC、CF、SL、EC1等水质指标，进行饮用窖水的水质评价。用DWQI（Drinking Water Quality Index）［22］表示水质综合指数，WQIj表示各分类指标综合指数，WQIq为加权平均综合指数［23］。

1.3.1 单指数法（Index，Ii）

（1）一般分指数。各指标实测浓度值与对应的标准限值的比值，即：

式中：Ci代表指标实测值；Si为《生活饮用水卫生标准》（GB5749-2006）中该指标的限值；其中未对沙门氏菌做出限值标准，因该菌群具有致病性，本研究采用的限值为“不得检出”。当分指数小于0.10或实测值低于检出限值时，一律定义为0.10。

（2）特殊分指标。微生物指标分指数Ii计算公式为：

式中：Ii表示分指数；Ci代表指标实测值；Si为《生活饮用水卫生标准》（GB5749-2006）中该指标的限值。其中计算大肠菌群、大肠杆菌分指数时Si的值取0.3。

对于pH 值，由于有上下两个限值，因而其分指数的计算式为：

式中：Smax为上限值；Smin为下限值。

1.3.2 综合指数法

（1）感官性状和一般化学指标、有机污染指标、细菌指标等水质指数对人体的危害程度较低，均采用内梅罗法。

式中：Ii为各分指数的值；Ii，max为各分指数中的最大值。

（2）毒理学指标采取最差因子判别法进行评价，公式为：

（3）饮用水质综合指数（DWQI）根据各类指标对人体健康的危害程度，对类水质综合指数（WQIj）进行加权综合，各类指标权重值：

式中：kj为各类指标权重值（如表1）。

表1 窖水指标分类和权重系数Tab.1 Water cellar index classification and weight coefficient

1.3.3 评价标准

饮用水水质分为五级［24］：Ⅰ级为优良、放心饮用，DWQI在0～0.50之间；Ⅱ级为较好、达到标准，DWQI在0.51～1.00之间；Ⅲ级为轻度污染、酌情饮用，DWQI在1.01～1.50 之间；Ⅳ级为中度污染、深度处理且检验合格后方能饮用，DWQI在1.51～2.00 之间；Ⅴ级为重度污染、不宜饮用，DWQI大于2。

2 结果与分析

2.1 一般评价结果

在评价生活人畜饮用水质量中，当每项检测指标的测定结果均达到饮用水标准要求时为“合格”，否则为“超标”。窖水Fe、Cr6+、NH3-N、硝酸盐、亚硝酸盐等指标均符合饮用水条件。Mn、Si、TC、CF、SL、EC1等指标超标严重，余氯、总氯在2019-01-06的超标水窖最多（如图1），各指标年超标程度：CF＞SL＞Si＞Mn＞TC=EC1＞余氯=总氯，超标率分别为100%、81.48%、77.78%、51.81%、40.74%、14.81%；少数窖水的pH、色度、浊度等超标。窖水单项指标超标数（4.58）多于公共集水池（3.39），其中微生物和Si超标率高于集水池，其他则相反。

2.2 综合指数评价结果

窖水DWQI的平均值为0.942，集水池DWQI平均值0.885。按照等级分类法对DWQI进行分级，饮用窖水水质较好的II 类占66.07%，符合水质标准要求，村民可以放心饮用；其中窖水水质较差的III 类占33.93%，受到轻度污染，需要处理后方可酌情饮用；无其他级别的水质。2019-01-06窖水的综合水质指数最小（表2），DWQI值为0.859，除1号外均小于1；2019-04-24窖水的综合水质指数最大，其值为1.042，其中1 号、2 号、7 号的DWQI值在全年中最大，此时6 号、8 号的DWQI值在全年中最小。4 号、6 号在全年中综合水质指数较小，即4 号水质最好，6号次之，DWQI值均小于1，达到了良好水平；1 号、7 号水质最差，尤其在枯水期。窖水综合水质在枯水期劣于池水，在丰水期优于池水（如图2）。

表2 生活饮用水不同水质级别Tab.2 Different water quality grades of domestic drinking water

2.3 原因分析

依据国家《生活饮用水卫生标准》（GB5749-2006）对照，喀斯特农村家庭窖水单项指标率超过50%的有CF、SL、Si、Mn，主要以微生物指标、一般化学指标超标为主，其中微生物污染较严重、Si、Mn 等化学指标也污染严重。窖水Si、Mn 含量高可能受控于喀斯特分水岭山区的地质背景；该地区属亚热带高原山地季风气候，由此窖水水质受降水量影响，丰水期的水质最佳，枯水期的水质最差。

窖水水质与集流、储存、取用水等过程有关［25］。在雨水径流过程，溶解或冲刷携带空气和屋顶沉积物（包括粉尘、鸟鼠等动物粪便）流入水窖［26］，如屋顶降雨径流向水窖输送了粪便污染物［27］，而在雨水贮存过程中细菌数量逐渐减少［28］。由此，屋顶、土壤及牲畜粪便成为微生物和Si、亚硝酸等化学成分的源，“久旱逢雨”会发生明显的“冲刷效应”［29］。丰水期降水量丰富，雨水对高浓度污染物具有“稀释作用”，丰水期窖水DWQI值小于枯水期（如图3），其中电导率对降雨产生了显著响应，电导率随着降雨的增加而减小。在1 号、2 号、7 号窖水DWQI值较大，尤其在枯水期窖水综合水质较差，这3 口水窖周围均靠近牛、马、猪等牲畜，牲畜粪便成了微生物污染源。4 号、6 号窖水DWQI值较小，家中无牲畜圈养、注重水窖的卫生。Ca2+、HCO3-有可能源于窖壁的混凝土和白云岩、石灰岩等岩石风化，水窖修筑在喀斯特地区，枯水期雨水补给少，较长时间水岩相互作用下Ca2+、HCO3-等离子浓度高，电导率上升。Mn、Cr6+可能源自水窖沉积的污泥。村民向水窖中投放消毒粉剂，氧化和灭活大量的微生物和沉降Mn、Cr6+等有害物质，衍生出化合氯（NH2Cl、NHCl2、NHCl3等）和游离氯（ClO-、HClO、Cl2），造成窖水二次污染。

3 结 论

（1）窖水单指数超标严重的有Mn、Si、TC、CF、SL、EC1等；部分窖水总氯、余氯在投放消毒粉剂期间会超标，造成二次污染；少量水窖色度、浊度、pH等物理参数超标；窖水微生物年平均超标高于池水。水窖远离牲畜圈舍、周围卫生越干净、无集雨径流补给时的窖水TC、CF、SL、EC1等微生物污染较小；经济较好的家庭窖水总氯、余氯含量相对较高。

（2）喀斯特山区窖水DWQI的平均值为0.942，饮用水质较好的II 类占66.07%，水质较差的III 类为33.93%，需处理后方可酌情饮用。喀斯特地区窖水水质受集雨径流与区域地质背景、人为活动等多重影响，Si、Mn、Cr6+受控于区域地质背景，TC、CF、SL、EC1微生物源自牲畜粪便；Ca2+、HCO3-等离子源自窖壁的混凝土和白云岩、石灰岩等；总氯、余氯主要源自投放消毒粉剂。 □