上海市地下水应急供水水质特征及变化

傅旭升

(上海市供水管理事务中心，上海 200081)

不合理开采、过量废水排放、垃圾填埋和农耕污染等因素，正在严重威胁地下水水质安全。根据2020年《中国生态环境状况公报》[1]，全国10 242个浅层地下水水质监测点中，按照《地下水质量标准》(GB/T 14848—2017)评价，I类～Ⅲ类水质监测点仅占22.7%，Ⅳ类占33.7%，V类占43.6%，地下水普遍存在锰、总硬度和溶解性总固体等超标问题。

上海作为全国经济发展的龙头，城市发展中地下水曾作为全市工农业的主要用水[2]，由于埋深浅、污水过量排放[3-4]，上海地下水水质已遭受一定程度的污染[5]，特别是部分工业区附近[6-7]。上海域内曾对地下水资源过度开发利用，引发地面沉降现象，严重制约经济社会的可持续发展[8]。近30年来，上海市的用水格局发生变化，虽然以地表水为水源的自来水能保障城市供应，但目前承压地下水，特别是第Ⅳ、第Ⅴ含水层地下水仍是上海市重要的应急水源[9]，需要在突发事件时向社会提供用水，提高城市韧性，保障城市供水安全。

2020年，上海市13个国家级地下水监测点中，水质为Ⅲ类、Ⅳ类、Ⅴ类的数量分别为6、5、2个，分别占46.1%、38.5%、15.4%。其中影响潜水综合质量评价的指标主要为铁、硫酸盐和亚硝酸盐，铁在潜水中为高背景环境，硫酸盐和亚硝酸盐则可能受人类活动影响；影响承压水综合质量评价的指标主要为铁和锰[10]。总体来说，上海地下水水质变化特征以及地下水作为生活饮用水的适宜性需要引起进一步关注。

本文选取2017年—2021年上海市地下开采井和回灌井两类深井水质监测数据，涵盖了日常在用井、民防应急供水井、自来水人工回灌井等具有应急供水功能的深井。通过单指标评价法和综合评价法，分析了上海目前地下水水质特征和近5年水质变化趋势，明确了影响上海市地下水水质的主要指标。对标《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006)[11]，对地下水质量进行生活饮用水适宜性评价。研究结果对提高上海应急供水水质有一定支撑作用，能进一步保障供水安全。

1 数据与分析方法

1.1 检测点深井信息

(1)监测范围：地下水回灌井和部分开采井。基于实际管理情况逐年增加深井检测数，2017年、2018年、2019年、2020年、2021年深井检测数分别为48、69、86、83、103口。2021年的103口深井中包括49口开采井和54口回灌井，相关参数如表1和表2所示。

(2)监测参数：《地下水质量标准》(GB/T 14848—2017)[12]常规指标。

(3)深井类型与分布：开采井和回灌井如表1～表3和图1所示。

注：由于中心区域点位较为密集接近，图中部分点位存在重叠

表1 49口开采井参数

表2 54口回灌井参数

表3 各含水层深井检测数量

1.2 现场采样

水样采集前1 d，联系深井所在单位打开深井水泵进行排水，第2 d采样前再打开水泵排水30 min以上，在充分抽汲后进行采样，以保证水样采自于目的含水层。

1.3 地下水质量评价

依据我国地下水质量状况和对人体健康风险，参照生活饮用水、工业、农业等用水质量要求，依据各组分含量高低(pH除外)将水质分为5类。本文重点关注以应急供水为目标，适用于集中式生活饮用水水源及供农业用水的Ⅲ类标准。

本项目地下水质量评价参考《地下水质量标准》(GB/T 14848—2017)Ⅲ类限值，评价内容分为水质指标超标率评价、地下水水质特征因子评价、地下水质量综合评价和生活饮用水适宜性评价。分析方法主要是方差分析。

(1)水质指标超标率评价

将样品各指标实测值与GB/T 14848—2017 Ⅲ类限值进行对比，计算样品中超标项目样本数占总样本数的比率，综合分析指标累计超标分担率[13]。

(2)地下水水质特征因子评价[13]

以水质指标累计超标分担率超过90%为基准，评价地下水水质的主要特征因子。

(3)地下水质量综合评价

以单指标评价结果最差的类别确定，并指出最差类别的指标。

(4)生活饮用水适宜性评价[14-15]

将样品各指标实测值与GB/T 14848—2017 Ⅲ类限值进行对比，分析不同超标情况的样本占比，并指出将超标指标降至Ⅲ类限值内的工艺。

(5)方差分析

采用SPSS 22.0进行单因素方差分析，显著性差异标记原则：“ns”表示差异不显著(P>0.05)，“*”表示差异显著(P≤0.05)，“**”表示差异十分显著(P≤0.01)，“***”表示差异极其显著P≤0.001，“****”表示差异极度显著(P≤0.000 1)。

2 结果与讨论

2.1 地下水水质特征因子及变化规律

本研究对2017年—2021年中GB/T 14848—2017规定的39项常规指标进行分析。结果表明，pH值基本稳定在7.1～8.5，阴离子表面活性剂、亚硝酸盐、硝酸盐、氟化物、硒、镉、铅、三氯甲烷、甲苯、总α放射性和总β放射性检出浓度均在国标限值的一半以下，铜、锌、挥发性酚、硫化物、总大肠菌、氰化物、汞、六价铬、四氯化碳和苯均未检出或微检出，上述水质指标检测浓度低且无明显变化规律。

表4为2017年—2021年地下水样品中水质指标监测情况，以GB/T 14848—2017 Ⅲ类限值作为判断标准，检测值超过Ⅲ类限值则视为超标，计算超标分担率和累计超标分担率[13]。以累计超标分担率超过90%的指标作为水质特征因子，结果表明影响上海市地下水水质的特征因子为肉眼可见物、浑浊度、锰、氨氮、铁、砷、色度、耗氧量、钠、菌落总数和氯化物11项指标。

表4 2017年—2021年地下水样品水质指标监测结果

图2为整个监测周期内水质特征因子的变化规律。由图2(a)可知2017年—2021年的水质超标率情况，2018年地下水水质显著优于整体水平。由图2(b)可知，2021年水质特征因子中除锰和耗氧量外，其余水质特征因子超标率均有明显上升，特别是肉眼可见物、浑浊度、氨氮、铁、砷、色度和菌落总数，后续上海地下水管理应该重点关注这些指标，提高管理措施的针对性。

图2 上海市地下水主要特征因子变化规律

2.2 地下水水质主要影响因素

为了探究地下水水质的影响因素，以水质指标超标率为评判标准，按照使用类型、所处层次和开采年份对深井进行分类，探究不同类型深井之间的水质差异。

2.2.1 深井使用类型

图3为2017年—2021年不同使用类型深井水质超标率对比结果。在整个监测期间，回灌井水质超标率整体极其显著低于开采井(P≤0.001),表明人工回灌可以起到改善地下水水质、保障应急水源可利用性的作用。建议在地下水管理工作中，制定科学合理的人工回灌计划，进一步保障地下水水质。

图3 2017年—2021年不同使用类型深井水质超标率

2.2.2 深井层次

以2018年水质超标率为参考，分析整个采样期间不同层次深井水质超标率。总的来看，Ⅱ层和Ⅲ层的深井水质指标超标率要高于Ⅳ层和Ⅴ层。深井所处层次越深，水质受到地表污染影响的可能性越低，因此，水质超标率会下降。值得注意的是，图4表明2019年—2021年，Ⅲ、Ⅳ层和Ⅴ层深井水质超标率相比2018年均有上升，2021年Ⅲ、Ⅳ层水质超标率已有极度显著性差异(P≤0.000 1)。

图4 不同层次深井水质指标超标率变化趋势

2.2.3 凿井年度

按照凿井年度，将深井分为2000年以前、2000年—2010年和2010年以后3种类型，利用方差分析判断不同类型深井间水质指标超标率差异。图5表明这3种不同凿井年度深井整体超标率无显著性差异，凿井年度对深井整体水质的影响有限。

图5 不同凿井年度深井水质指标超标率变化趋势

2.3 生活饮用水适宜性评价

以GB/T 14848—2017 Ⅲ类限值作为参考，对2017年—2021年的检测样品进行单指标评价，样品水质指标超标情况如表5所示。2017年—2020年30.42%的样品无超标项，44.75%的样品超标项目在3个以内，24.83%的样品超标项目在3个及以上，2021年则变成了8.74%、19.42%和71.84%，表明检测区域地下水作为生活饮用水水源的适宜性下降。

2017年—2021年主要水质特征因子数据统计结果如表6所示。结合表4可知，影响上海市地下水作为生活饮用水的适宜性的指标包括：肉眼可见物、浑浊度、锰、氨氮、铁、砷、色度、耗氧量、钠、菌落总数和氯化物。这些指标中，砷是毒性指标，菌落总数是微生物指标可以通过烧沸去除，其他均是感官和一般性状指标，因此，绝大部分地下水进行简单处理后可保障供水安全。

3 结论及建议

3.1 结论

(1)影响上海市地下水水质的特征因子为肉眼可见物、浑浊度、锰、氨氮、铁、砷、色度、耗氧量、钠、菌落总数和氯化物11项指标。

(2)使用类型和所处层次对地下水水质有显著影响。回灌井水质超标率整体显著低于开采井(P≤0.001)，Ⅳ层和Ⅴ层深井的水质指标超标率要低于Ⅱ层和Ⅲ层，而凿井年份对地下水水质影响不显著。

(3)应急状态下，绝大部分深层地下水经简单处理可以满足应生活饮用水水质要求。

3.2 建议

(1)从特征因子超标率(表4和图2)、水质指标超标情况(表5)和数据统计结果(表6)可以看出，2021年检测区域地下水水质整体有明显下降，需要引起重视并加强地下水管理措施，如定期进行设备设施维护和定频回扬、排查深井污染源和持续进行水质监测。

表5 2017年—2021年深井监测点水质指标超标结果

表6 2017年—2021年主要水质特征因子数据统计

(2)考虑到人工回灌对地下水水质的积极作用，建议在地下水管理工作中，制定科学合理的人工回灌计划，确保水质应急状态下用得上、用得好。

(3)2021年个别站点出现了地下水水质异常情况(氯化物质量浓度为4 830 mg/L或钠质量浓度为1 530 mg/L)，需要进行持续水质监测，同时还需要进行周边环境排查，尽早确认水质异常原因并采取必要的处置和治理，保障地下水安全。

(4)本研究检测点虽在应急供水设施管理监督上有一定的代表性，但在全市深层地下水监测工作中还需进一步健全和完善地下水监测网，实现深井全覆盖检测，建立完整的地下水水质预报、预警体系，为本市地下水的科学管理和合理利用提供参考依据。