新疆阿克苏地区地下水优先控制污染物的确定

涂 治，周金龙*，孙 英，曾妍妍，雷 米

(1.新疆农业大学水利与土木工程学院，新疆 乌鲁木齐 830052;2.新疆水文水资源工程技术研究中心，新疆 乌鲁木齐 830052;3.新疆水利工程安全与水灾害防治重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830052)

新疆阿克苏地区位于亚欧大陆中心，是塔里木河流域生态走廊的重要水源地，也是丝绸之路经济带的重要节点[1]，该地区气候干燥、蒸发强烈，是典型的内陆干旱地区。随着社会经济的迅速发展，工农业废水和生活污水大量排放，致使大量有机物、重金属等污染物出现在阿克苏地区环境介质中[2-4]。由于地下水污染的区域性和隐蔽性[5]，需要采取及时有效的监测措施，但对地下水中种类繁多的污染物同时并逐一开展监测，将会耗费巨大的社会资源，而且以现有的技术条件也难以达到监测要求，因此应对地下水中出现频率高、潜在危害大、持久性较长的污染物优先加以关注。

优先控制污染物最早由美国国家环境保护局(EPA)开展研究[6]，随后欧盟、加拿大和日本等国家和国际组织也陆续开展了优先控制污染物的研究[7-10]。我国在1990年针对水体提出了优先控制污染物黑名单[11]，但此类研究多针对地表水，而针对地下水优先控制污染物的筛选研究较少，所以急需开展各地区地下水优先控制污染物的筛选工作，并建立地下水优先控制污染物名录。

目前国内外常用的污染物筛选方法有风险商(RQ)法、模糊数学法、综合评分法、层次分析法、化学危害排序识别法、潜在危害指数法等[12-16]。综合对比上述各种污染物筛选方法，将潜在危害指数法与综合评分法相结合的筛选方法相对成熟、简便[17]，且对于干旱地区地下水优先控制污染物的筛选有着较好的应用效果[18]。因此，本文选用综合评分法结合潜在危害指数法来筛选阿克苏地区地下水中的优先控制污染物。

1 研究区概况

阿克苏地区地处塔里木盆地西北缘，地理坐标为78°01′E～84°05′E、39°27′N～42°38′N。该地区整体地势北高南低，由西向东倾斜，地貌类型划分为山前倾斜平原、塔里木河冲积平原和风积平原，构造上属于天山古生代褶皱带及塔里木台块北缘。研究区出露的地层以第四系为主，地层岩性为卵石、砂砾石、砂和亚砂土，具有由北向南逐步变细的特点；区内寒武系-奥陶系地层较为发育，寒武系地层主要为白云岩、膏岩，奥陶系地层主要为白云岩。研究区含水层由山前倾斜平原单一结构潜水(地下水埋深为0～100 m)，向冲积平原上部潜水-下部承压水的双层或多层结构(地下水埋深为0～200 m)过渡，地下水开采层主要为埋深小于50 m的浅层含水层，部分塔里木河沿岸机井开采层小于10 m[19]。

阿克苏地区水文地质条件如图1所示。渭干河流域-阿克苏河流域山前砾质带潜水较窄，且地下水较贫乏。阿克苏河流域冲积砾石、砂砾中潜水单井涌水量在温宿以西为100～1 000 m3/d，在温宿以南大于5 000 m3/d，在温宿以北为溢出带；阿克苏河流域细土平原区在山前平原的上更新统洪积砂黏土夹细砂中，潜水、承压水单井涌水量为10～100 m3/d；阿克苏河流域冲积砂砾和细砂中,潜水的单井涌水量为1 000～4 000 m3/d,承压含水层西部为卵砾、东部为中粗砂，承压水单井涌水量为1 090～7 000 m3/d。渭干河流域冲洪积扇平原区顶部砾质带中，潜水单井涌水量为1 000～1 200 m3/d；承压水分布于平原区，在全新、上更新统含砾粗中砂、粉砂中，承压水单井涌水量为1 000 m3/d，到扇缘承压水单井涌水量为100～500 m3/d，上部潜水单井涌水量为100～200 m3/d。研究区南部叶尔羌河流域、喀什噶尔河流域、和田河流域平原的细砂夹薄层黏砂土中，地下水富水性较弱；南部塔里木河冲积平原区全新统冲积粉细砂中，潜水单井涌水量为100～500 m3/d，局部有承压水分布。

图1 新疆阿克苏地区水文地质图Fig.1 Hydrogeological map of Aksu Prefecture,Xinjiang

阿克苏地区山前一带潜水含水层主要接受垂直方向上地表水入渗补给；中下游河流冲积平原区河网、沟渠密布，水平方向主要接受上游含水层地下水的侧向补给，垂直方向上主要接受河水、沟渠水等入渗补给。研究区地下水总体径流方向为由西北流向东南，地下水的排泄方式主要为垂向上的人工开采和潜水蒸发蒸腾。

2 地下水水样采集与测试

研究区共采集到地下水水样175组，取样点的控制面积为13.2×104km2，取样点分布见图2。本研究严格按照《地下水监测规范》(SL 183—2005)中规定的内陆盆地平原区超采区地下水水质监测井密度为1.0～1.6眼/103km2的要求设置地下水采样点，并按照《区域地下水污染调查评价规范》(DZ/T 0288—2015)中规定的要求进行水样的采集、保存、送样。水样检测由中国地质科学院水文地质环境地质研究所完成，检测项目包括：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、邻二氯苯、氯苯、间二氯苯、对二氯苯、总六六六、总滴滴涕、间二甲苯、对二甲苯、邻二甲苯、1,2,4-三氯苯39种有机物和Pb、Cd、Fe、Mn、Zn、Cu、Hg、As、Cr(Ⅵ)9种重金属。使用Tracedsq GCMS-QP 2010气相色谱-质谱联用仪对水样中有机物进行测定；使用iCAP 6300等离子体发射光谱仪对水样中重金属进行测定。取样时采集现场空白样、空白加标样和平行样，以保证数据的可靠性。

图2 研究区地下水取样点分布图Fig.2 Distribution of groundwater sampling points in the study area

依照《地下水质量标准》(GB/T 14848—2017)，地下水中污染物浓度高于检测下限的为检出，检出浓度大于标准中Ⅲ类水限值的即为超标。检测结果为：研究区地下水中共检测出5种有机物和8种重金属，其中5种有机物和6种重金属浓度超标，见表1。

表1 阿克苏地区地下水中污染物检出结果Table 1 Detection parameters of pollutants in groundwater of Aksu Prefecture

3 研究方法

3.1 潜在危害指数法

3.1.1 AMEG的计算

周围环境目标值(Ambient Multimedia Environmental Goals,AMEG)，是美国环保局(EPA)通过试验计算出的化学物质在生存环境中可存在的最大浓度，进行试验的生物与这种浓度的化合物终生接触都是安全无害的[20]。

使用毒理学参数可估算出一般或急性污染物的AMEGAH，其计算公式如下：

AMEGAH=0.107×LD50

(1)

式中：AMEGAH为急性污染物在水中允许的最大浓度(μg/m3)；LD50为能杀死一半试验总体的有害、有毒物质的剂量，一般取大鼠经口给毒的半数致死量(mg/kg)。

“三致”污染物或潜在“三致”污染物的AMEGAC计算公式如下：

(2)

式中：AMEGAC为“三致”污染物或潜在“三致”污染物在水中允许的最大浓度(μg/m3)；V阈为阈限值(mg/m3)，表示有毒物质在研究空间中的允许接触限值，本文主要选取《工作场所有害因素职业接触限值 第1部分：化学有害因素》(GB/Z 2.1—2007)中时间加权平均允许浓度(PC-TWA)开展计算。

3.1.2 潜在危害指数的计算

潜在危害指数(N)是根据有毒物质基本的毒理学数据，按下式计算得到：

N=2aa′A+4bB

(3)

式中：N为潜在危害指数；A为AMEGAH所对应的分级数值；B为AMEGAC所对应的分级数值；a、a′、b为常数。

A、B值的确定见表2。若污染物无“三致”效应，B值取0；若污染物既无“三致”效应又不能计算A值时，A值取1；当污染物有“三致”效应但不能计算B值时，B值取1。

表2 AMEG与A、B取值的对应关系Table 2 Relationship between AMEG and assignment of A and B

a、a′、b的选取原则如下：有B值时取a=1，无B值时取a=2；当污染物有蓄积或慢性毒性时取a′=1.25，当污染物只有急性毒性时取a′=1；有A值时取b=1，无A值时取b=1.5。

3.2 综合评分法

综合评分法是通过评分的方式，将待选污染物的综合分数按大小进行排序，从而达到筛选污染物的目的[21]。本文结合潜在危害指数法与综合评分法，选择9项评价指标进行综合评分。对于可定量的指标，经定量计算后赋值，其中生物累积性可用正辛醇/水分配系数的对数值(lgPo/w)来表示[12]；对于难以定量的指标，根据定性数量化来赋值。指标名称、权重、赋分沿用国内相关文献，见表3[18]。污染物的综合评分值的计算公式如下：

表3 综合评分法确定的指标权重及其赋值Table 3 Index weights and values of comprehensive evaluation method

污染物的综合评分值=f×25%+N×12%+D×10%+E×10%+G×6%+H×10%+I×7%+J×12%+K×8%

(4)

4 结果与讨论

4.1 潜在危害指数的计算

本文根据毒理学理论、检测报告、规范等[22-24]来确定阿克苏地区地下水中污染物急性、慢性毒理学数据以及是否属于“三致”污染物或潜在“三致”污染物。在研究区地下水中检出的13种污染物中，有10种污染物具有“三致”或潜在“三致”的毒性，相关的毒理学数据和潜在危害指数(N)计算结果见表4。

表4 阿克苏地区地下水中污染物的毒理学数据和潜在危害指数计算结果Table 4 Toxicological data and calculation results of potential damage index of pollutants in groundwater in Aksu Prefecture

由表4可知，阿克苏地区地下水中污染物的潜在危害指数在6.5～23.5之间，其中污染物Cr(Ⅵ)、As、Pb、Cd、苯并[a]芘的潜在危害指数较大，说明其危害程度较大。

4.2 综合评分值的计算

结合阿克苏地区地下水中各种污染物的生态学及毒理学数据，对各种污染物进行综合评分与相应计算，其计算结果见表5。

由表5可知，阿克苏地区地下水中各种污染物的综合评分值均介于24.4～51.8之间，其中污染物As的综合评分值最高。再选用聚类分析方法中的k-means法通过SPSS软件进行分类[25]，最终将研究区地下水中污染物的综合评分结果聚类后可分为3类：Ⅰ类污染物有As、苯并[a]芘、Pb、Cd；Ⅱ类污染物有三氯甲烷、Mn、Cr(Ⅵ)、四氯化碳；Ⅲ类污染物有乙苯、二甲苯、Fe、Cu、Zn。其中，Ⅰ类污染物的综合评分值普遍较高，说明其综合危害程度大，将Ⅰ类污染物As、苯并[a]芘、Pb、Cd初步认定为阿克苏地区地下水的优先控制污染物。

表5 阿克苏地区地下水中污染物在各指标项得分及综合评分结果Table 5 Score of each pollutant in groundwater of Aksu prefecture and results of comprehen-sive evaluation method

4.3 地下水优先控制污染物的空间分布特征

阿克苏地区4种地下水优先控制污染物的空间分布，见图3。

图3 阿克苏地区4种地下水优先控制污染物的空间分布图Fig.3 Distribution of four groundwater priority pollutants in Aksu Prefecture

由图3可见：阿克苏地区地下水中As在各县市分布广泛且北部山前地下水补给区As浓度远小于南部地下水排泄区，呈现出由北向南聚集的趋势，西部地下水中As浓度高于东部；地下水中苯并[a]芘超标区呈岛状分布在研究区中西部的温宿县、阿克苏市、阿瓦提县、沙雅县等县市，总体分布呈西多东少，其浓度高值区集中于人口密度较大、工业活动频繁的区域，可能受人类活动的影响较大；地下水中Pb分布在研究区西部和东部的温宿县、阿克苏市、阿瓦提县、沙雅县和库车县，其中阿克苏市地下水中Pb浓度高于周边其他县市，沙雅县、库车县地下水中Pb浓度远高于其他县市，可能受到了一定的污染；地下水中Cd分布在研究区西部和东部的温宿县、阿克苏市、拜城县、阿瓦提县和库车县，其中研究区西部地下水中Cd浓度分布较为均衡且均未超标，东部区域沙雅县、库车县地下水有Cd超标区出现，其地下水中Cd浓度略高于周围县市。

4.4 污染来源解析

主成分分析法是较常用的污染物来源分析方法，由于研究区地下水优先控制污染物的KMO检验值为0.611，Bartlett球形检验显著性水平小于0.01，表明数据间具有一定的相关性[26]，因此本文运用SPSS软件对研究区地下水优先控制污染物进行了主成分分析，提取出3个主成分，累计贡献率达87.2%，主成分载荷见表6。由于土地利用类型与地下水水质关系密切[27]，因此结合研究区土地利用类型图(见图4)，通过地下水优先控制污染物在各土地利用类型的浓度分布数据，绘制了阿克苏地区地下水优先控制污染物在不同土地利用类型中分布的散点图(见图5)，并利用Kendall秩次相关检验法[28]，对采样点半径500 m圆形范围内的地下水优先控制污染物浓度与土地利用类型面积占比进行了Kendall秩次相关检验分析[29]，其检验结果见表7。

表6 阿克苏地区地下水优先控制污染物的主成分载荷Table 6 Principal component analysis of priority control pollutants in groundwater in Aksu Prefecture

图4 阿克苏地区土地利用类型图Fig.4 Land use types in Aksu Prefecture

图5 阿克苏地区地下水优先控制污染物在不同土地利用类型中分布的散点图Fig.5 Land use scatter diagram of groundwater priority pollutants in Aksu Prefecture

表7 阿克苏地区地下水优先控制污染物浓度与土地利用类型面积占比的Kendall秩次相关检验值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具有较高的正因子载荷，表明As、Cd的来源相似。由图5和表7可知：阿克苏地区地下水中As在各种土地利用类型中均有检出点，As检出浓度分布较为均匀，其浓度与建设用地面积占比显著负相关；地下水中Cd的检出点在耕地和建设用地，Cd检出浓度较低且与其余土地利用类型面积占比的相关性低。已有研究表明，水体悬浮物和水中沉积物对Cd表现出较强的富集能力，自然富集是Cd出现在自然介质中的主要原因[22]；封闭的地质构造和造山带与河流等沉积环境相结合的水文地质条件将有利于研究区地下水中As的富集[30]。因此，可以认为F1是自然富集因素。F2中Pb具有很高的正因子载荷，研究区地下水中Pb在草地、耕地、林地、未利用土地中均有检出点，其中Pb在耕地的检出点最多，检出浓度普遍高于其他土地利用类型，且与耕地面积占比显著正相关，表明Pb受农业活动的影响较大。此外，研究区农业施肥偏重且主要使用磷肥和钾肥[31]，已有研究表明磷肥的施用、污水灌溉、农药是Pb污染的重要污染源[22]。所以，可以认为F2是农业活动因素。F3中苯并[a]芘具有很高的正因子载荷，研究区地下水中苯并[a]芘的检出点分布在耕地、林地、建设用地及未利用土地，其中建设用地的检出点多且整体检出浓度明显高于其他土地利用类型，其浓度与建设用地面积占比显著正相关，与林地面积占比显著负相关，表明苯并[a]芘受人类活动的影响较大。而工业活动、机动车尾气排放、煤炉取暖、民用燃炉做饭、生活垃圾渗透液及焚烧是造成苯并[a]芘污染的主要因素[32]。因此，可以认为F3是人类生活因素。

5 结 论

本文使用综合评分法来筛选阿克苏地区地下水优先控制污染物，考虑了表征污染物健康风险状况的各类风险指标得分，并结合污染物的潜在危害效应进行了量化计算，选取9项评价指标对阿克苏地区地下水优先控制污染物进行了筛选，克服了采用单一方法筛选的局限性，并较为全面地考虑了多种因素。同时，本研究筛选出的阿克苏地区地下水4种优先控制污染物均在中国优先控制污染物和美国EPA优先控制污染物名单中，说明该评价结果较为可靠。

本文运用潜在危害指数法并结合综合评分法，对阿克苏地区地下水优先控制污染物进行了筛选，结果表明：阿克苏地区地下水优先控制污染物为苯并[a]芘、As、Pb、Cd，其中苯并[a]芘的污染主要由人类生活因素造成，As和Cd的污染主要由自然富集因素造成，Pb的污染主要由农业活动因素造成。本文的研究结果对于阿克苏地区采取有针对性的地下水污染管控措施具有重要的意义，也可为制定地下水环境保护政策提供依据。