東營市地下水碘化物的空間分布特征及影響分析

韓術(shù)鑫，張 沖，欒玲玉，王利紅，趙長盛，李 劍

山東省分析測試中心，山東 濟南 250014

碘是一種人體所需的重要微量元素，通過參與甲狀腺激素的合成，調(diào)節(jié)新陳代謝及生長發(fā)育過程。研究發(fā)現(xiàn)，碘的缺乏或過量均對機體的正常代謝產(chǎn)生負面效應，因此如何科學合理地攝取碘是當前亟待解決的關(guān)鍵問題[1-2]。除了食物，飲水是日常生活中人們獲取碘的重要途徑，世界衛(wèi)生組織推薦的成人每日飲用水適碘量為80～150 μg/L[3]。我國很多地區(qū)取地下水作為飲用水，但地下水碘含量分布極不均勻，山區(qū)或丘陵地區(qū)缺碘嚴重，而華北和華中等地的黃泛平原區(qū)、山西晉中盆地和大同盆地等區(qū)域存在成片狀的高碘地下水[4-5]。山東省地處黃河中下游，魯西北、魯西南和魯中地區(qū)均分布高碘地下水[6]。濟南、濱州、淄博等黃河沿線的高水碘地區(qū)均進行了相關(guān)的環(huán)境與健康調(diào)查，受到了廣泛關(guān)注[7-9]。東營市地處黃河入?？诘娜侵薜貛В瑢儆邳S泛平原區(qū)和濱海平原區(qū)的疊加區(qū)域，具有形成富碘地下水的水文地質(zhì)條件[3]。因此，開展該地區(qū)地下水碘化物的調(diào)查工作，對探究復雜環(huán)境地質(zhì)條件下高碘地下水的分布規(guī)律及對環(huán)境和飲用水安全的影響，全面掌握山東省高碘地區(qū)地下水的基礎(chǔ)調(diào)查數(shù)據(jù)，具有重要意義。

1 研究方法

1.1 調(diào)查點位的布設(shè)

研究表明，地下水碘的富集與環(huán)境地質(zhì)條件密切相關(guān)[10]，因此本次調(diào)查以小清河為界的兩大環(huán)境地質(zhì)區(qū)域進行布點，小清河以南的山前平原區(qū)和以北的黃泛平原區(qū)分別布設(shè)48個和47個調(diào)查點位，具體分布區(qū)域見圖1。調(diào)查點位主要選擇在人口稠密、工農(nóng)業(yè)較發(fā)達的地區(qū)，特別側(cè)重化工聚集區(qū)周邊等環(huán)境敏感區(qū)域，由于黃泛平原區(qū)東北部地處黃河三角洲國家級自然保護區(qū)(包括核心區(qū)、緩沖區(qū)和實驗區(qū))，受人為活動干擾較小，故不在此區(qū)域布點。監(jiān)測井均選取淺層地下水井。

圖1 東營市地下水碘化物調(diào)查點位空間分布圖Fig.1 Spatial distribution of survey points of iodide for groundwater in Dongying

1.2 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制

1.2.1 現(xiàn)場采集質(zhì)控

按照《地下水環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(HJ/T 164—2004)的要求，對水井進行洗井抽汲操作，達到相關(guān)要求后用貝勒管取樣，所有碘化物樣品均采用棕色硬質(zhì)玻璃瓶封存，低溫(0～4 ℃)避光保存。每批次樣品設(shè)置一個全程空白，樣品采集現(xiàn)場加入現(xiàn)場空白，確保運輸和現(xiàn)場取樣等環(huán)節(jié)符合質(zhì)控要求。

1.2.2 實驗室分析方法與質(zhì)控

碘化物分析方法采用《生活飲用水標準檢驗方法 無機非金屬指標》(GB 5750.5—2006)，對于質(zhì)量濃度小于0.1 mg/L的樣品采用硫酸鈰催化分光光度法測定，大于0.1 mg/L的樣品采用淀粉比色法測定。所有樣品從現(xiàn)場到實驗室均在24 h之內(nèi)完成分析測試過程。

1.3 評價標準的選擇

采用《地下水質(zhì)量標準》(GB/T 14848—1993)對地下水碘化物進行環(huán)境質(zhì)量評價，按照《碘缺乏病病區(qū)劃分》(GB 16005—2009)和《水源性高碘地區(qū)和地方性高碘甲狀腺腫病區(qū)的劃定》(GB/T 19380—2003)的相關(guān)要求對具備飲用水條件的地下水進行健康風險評價。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Origin 8.6進行統(tǒng)計分析，2組間比較采用t檢驗，以P<0.05為差異有統(tǒng)計學意義。運用ArcGIS10.2對數(shù)據(jù)進行空間插值分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 東營市地下水碘化物濃度統(tǒng)計分析

由表1可以看出，東營市地下水碘化物的濃度分布范圍極其分散，質(zhì)量濃度均值達到(0.247±0.263) mg/L，樣品質(zhì)量濃度主要分布在0～0.1 mg/L和0.2～1.0 mg/L 2個區(qū)間，分別占樣品總量的42.1%和43.2%。極端高值(質(zhì)量濃度大于1.0 mg/L)只出現(xiàn)一次，東營市地下水碘化物總體污染水平處于地下水環(huán)境質(zhì)量標準Ⅳ類。依據(jù)地層構(gòu)造、成因類型、地層巖性和沉積物來源，以小清河為界，整個東營市可劃分成山前平原區(qū)和黃泛平原區(qū)[11]。從表1可知，山前平原區(qū)有75%的數(shù)據(jù)集中在0～0.1 mg/L(Ⅰ/Ⅱ類)，占整個東營市總量的90%，而黃泛平原區(qū)70.2%的數(shù)據(jù)處于0.2～1.0 mg/L區(qū)間(Ⅳ類)，占整個東營市總量的80.5%。t檢驗確證了2個區(qū)域地下水碘化物濃度分布在統(tǒng)計學上存在顯著性差異(P<0.05)。

表1 東營市地下水碘化物的濃度分布一覽表Table 1 Distribution of concentrations of iodide for groundwater in Dongying

2.2 東營市地下水的空間分布特征與環(huán)境質(zhì)量評價

為了從宏觀上更好地反映地下水碘化物的空間分布情況，在調(diào)查數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上運用反距離權(quán)重法(IDW法)在東營市域內(nèi)進行空間插值，并按照《地下水環(huán)境質(zhì)量標準》中碘化物的等級進行劃分，結(jié)果如圖2所示。

圖2 東營市地下水碘化物質(zhì)量濃度空間分布圖Fig.2 Spatial distribution of concentrations of iodide for groundwater in Dongying

由圖2可知，環(huán)境地質(zhì)對地下水碘化物濃度分布具有顯著影響，小清河以南的山前平原區(qū)地下水碘化物的濃度范圍呈現(xiàn)明顯的片狀分布。該地質(zhì)單元內(nèi)地下水環(huán)境質(zhì)量等級由南往北分別處于Ⅰ/Ⅱ類、Ⅲ類和Ⅳ類，水質(zhì)呈明顯惡化趨勢。小清河以北的黃泛平原區(qū)地下水碘化物主要處于Ⅳ類等級，而局部地區(qū)存在Ⅲ類和Ⅴ類水質(zhì)，呈點狀分布。其中在東部沿海局部地區(qū)、利津縣和墾利縣西南部存在質(zhì)量濃度大于0.5 mg/L的超高碘地下水，污染程度較高?？傮w上，東營市地下水碘化物污染水平呈現(xiàn)由南向北逐步惡化的變化趨勢，Ⅰ/Ⅱ類區(qū)域主要位于山前平原區(qū)南部，Ⅲ類區(qū)域主要出現(xiàn)在山前平原區(qū)中部，而Ⅳ類區(qū)域主要分布在黃泛平原區(qū)以及山前平原區(qū)北部近小清河處。

2.3 東營市地下水碘化物的健康風險評價

東營市雖然地下水資源豐富，但是大部分地下水為咸鹵水，開發(fā)應用價值有限。本次調(diào)查的95個樣品中只有不足1/3的樣品氯化物濃度達到地下水環(huán)境質(zhì)量標準Ⅲ類(小于或等于250 mg/L)要求，具備作為飲用水的基本條件。且這些點位絕大部分位于山前平原區(qū)南部，因此，著重對該區(qū)域的地下水碘化物開展健康風險評價與分析。山前平原區(qū)南部位于石村-顏徐-周莊分界線(第二次海侵古海岸線)以南[11-12]，是東營市唯一富存優(yōu)質(zhì)地下淡水資源的地區(qū)。依據(jù)《碘缺乏病病區(qū)劃分》(GB 16005—2009)和《水源性高碘地區(qū)和地方性高碘甲狀腺腫病區(qū)的劃定》(GB/T 19380—2003)的相關(guān)規(guī)定，飲用水碘濃度所對應的健康風險等級如表2所示。

表2 飲用水碘含量與健康風險等級的對應關(guān)系Table 2 Corresponding relationship between iodidecontents in drinking water and health risk levels

按照對應關(guān)系，將廣饒縣域內(nèi)地下水的碘化物和氯化物進行空間插值，結(jié)果見圖3。從圖3(b)可知，以地下水氯化物Ⅲ類標準形成的分界線與第二次海侵古海岸線基本吻合，因此以氯化物Ⅲ類標準作為地下水可飲用的基本條件是適當?shù)摹膱D3(a)可知，在該區(qū)域內(nèi)地下水碘化物對應的健康風險等級主要有3類：缺碘地區(qū)主要分布在井罐區(qū)東南部的大王鎮(zhèn)，與青州市和壽光市相鄰；高碘地區(qū)主要分布在分界線附近；井罐區(qū)其他地區(qū)除了存在零星點狀分布的缺碘地區(qū)，均為適碘地區(qū)，但臨近分界線的區(qū)域具有較高的風險過渡成為高碘地區(qū)。

注：1.石村鎮(zhèn)辛橋；2.廣饒縣城規(guī)劃區(qū)；3.稻莊鎮(zhèn)政府駐地；4.大王鎮(zhèn)政府駐地。A.石村；B.顏徐；C.周莊。圖3 廣饒縣地下水碘化物和氯化物濃度空間分布示意圖Fig.3 Spatial distribution of concentrations of iodide and chloride for groundwater in Guangrao

為宏觀地反映該區(qū)域地下水的缺碘程度，對廣饒縣相鄰4個地區(qū)的地下水缺碘情況進行了比較(表3)。受調(diào)查樣品量的影響，各地區(qū)的缺碘程度可能存在一定偏差，但總體趨勢依然具有借鑒意義。表3顯示，廣饒、博興和壽光的地下水缺碘程度近似，比臨淄和青州的情況稍好。該趨勢與區(qū)域的環(huán)境地質(zhì)狀況可能存在一定的聯(lián)系，臨淄和青州地處山前平原的中前部，以丘陵或山間、山前平原為主，而廣饒、博興和壽光處于山前平原的中尾部，且臨近沿海地區(qū)。總體來看，廣饒縣可飲用地下水處于中等缺碘水平。

表3 廣饒臨近地區(qū)地下水缺碘情況對比Table 3 Comparison of iodine deficiency ofgroundwater in the vicinity of Guangrao

3 討論

3.1 東營市地下水碘化物空間分布成因分析

總體來看，東營市地下水碘化物污染水平較高，境內(nèi)超過90%的國土面積處于地下水環(huán)境質(zhì)量標準Ⅳ類。環(huán)境地質(zhì)單元與污染水平呈現(xiàn)顯著一致性，山前平原區(qū)主要對應Ⅰ/Ⅱ類、Ⅲ類，黃泛平原區(qū)主要對應Ⅳ類。說明地下水所處的環(huán)境地質(zhì)概況對碘化物的分布具有重要影響。郭曉尉[14]等研究發(fā)現(xiàn)，山東省內(nèi)黃河沿岸地區(qū)廣泛存在地下水高碘地區(qū)，例如濟南濟陽縣和商河縣、濱州鄒平縣、淄博高青縣分別有29.1%、16.9%和67.1%的區(qū)域存在水碘質(zhì)量濃度高于0.15 mg/L的高碘地區(qū)[7-9]。歷史上黃河多次改道泛濫形成的古淺水洼地區(qū)，由于黃河下游地區(qū)地形坡度小，沖湖積相沉積物中大量富碘的黏土和動植物殘骸易于積聚在沿線兩側(cè)，導致有機質(zhì)含量增多，碘吸附性增強，在還原環(huán)境下隨同有機質(zhì)分解而解析出碘，從而形成地球化學高碘區(qū)[3，6，15]。東營市地處黃河入?？诘娜侵薜貛?，與內(nèi)陸黃河沿線地區(qū)相比，區(qū)域內(nèi)形成的沉積層厚度和范圍更大，因此形成明顯的片狀地下水高碘區(qū)。特別是墾利縣和利津縣的西南部，該區(qū)域環(huán)境地質(zhì)處于濟陽坳陷東部的沾化凹陷[16]，由于黃河主河道流經(jīng)該區(qū)域，其裹挾的沉積物在此處積聚強度與周邊相比更顯著，易于形成地下水碘化物濃度大于0.5 mg/L的重污染區(qū)。由于地質(zhì)坳陷導致的地下水碘富集的現(xiàn)象在滄州的黃驊地區(qū)也有相關(guān)報道[17]。

另外，東營市處于渤海灣和萊州灣中間，海岸線約占山東省海岸線的1/9，受海(咸)水入侵影響極大[18]。由圖4可知，東營市超過90%的地區(qū)地下水氯化物處于環(huán)境質(zhì)量標準Ⅴ類，其中80%左右氯化物質(zhì)量濃度超過5 000 mg/L。對碘化物和氯化物的空間分布進行對比可知，地下水碘化物Ⅳ類區(qū)與氯化物Ⅴ類區(qū)高度重疊，且碘化物質(zhì)量濃度高于0.5 mg/L的區(qū)域均位于氯化物質(zhì)量濃度超過5 000 mg/L的地區(qū)，說明兩者存在正相關(guān)性。由于氯化物是海(咸)水入侵的特征因子，故海(咸)水入侵也是地下水碘化物空間分布的重要影響因素。研究表明該地區(qū)中更新世以來經(jīng)歷了5次海侵[12]，沉積了富碘海相沉積地層，海水浸沒導致沉積物中可溶碘含量明顯增大。此外，大氣中碘含量分布存在較大差異，越靠近渤海大氣含碘量越高，而沿海地區(qū)的地下水埋深均較淺，通過降水可直接輸入碘化物至地下水中[3]。

3.2 東營市可飲用地下水碘化物的變化趨勢及潛在風險

雖然當前廣饒南部的地下淡水缺碘水平適中，但潛在的飲用水安全風險卻逐年增高。從圖3(b)可知，廣饒縣存在4個地下水漏斗中心區(qū)，由西北往東南分別為石村鎮(zhèn)辛橋、廣饒縣城規(guī)劃區(qū)、稻莊鎮(zhèn)政府駐地和大王鎮(zhèn)政府駐地，更為嚴峻的是，與之相鄰的壽光、青州、臨淄和博興均存在地下水漏斗區(qū)[19-22]，形成了巨大的片狀漏斗區(qū)。該區(qū)域地下水的正常走向為西南-東北走向，但是片狀漏斗區(qū)改變了地下水的動力場，導致海(咸)水入侵逐年加劇。從圖3(b)可知，地下水氯化物Ⅲ類區(qū)的分界線已經(jīng)移至石村-顏徐-周莊分界線以南，4個漏斗區(qū)中石村鎮(zhèn)辛橋和稻莊鎮(zhèn)政府駐地已經(jīng)處于海(咸)水入侵范圍之內(nèi)，大王鎮(zhèn)政府駐地的氯化物濃度已經(jīng)出現(xiàn)了由Ⅳ類向Ⅴ類的轉(zhuǎn)化趨勢，如果任漏斗區(qū)不斷擴大，廣饒縣城規(guī)劃區(qū)的地下水也會在不遠的將來被海(咸)水入侵。分界線以北的山前平原區(qū)至小清河處于海(咸)水入侵的鋒面位置，氯化物的濃度相較于小清河以北的黃泛平原區(qū)要低很多，說明海侵作用對該區(qū)域地下水的時間和強度相對較弱，這對研究地下水碘化物的變化趨勢提供了重要的環(huán)境地質(zhì)背景。從圖3和圖4可見，碘化物濃度隨著氯化物濃度的增大而逐漸升高。可以預見，隨著海侵作用時間的延長和范圍的擴張，碘化物的濃度也會逐漸增高，高碘地區(qū)甚至高碘病區(qū)的范圍會不斷擴大，可飲用地下水的適碘地區(qū)將不斷被蠶食直至消失。因此，為保障廣饒南部可飲用地下水碘化物處于合理水平，有必要加大對漏斗區(qū)的整治力度。目前，廣饒縣通過控制地下水開采量、興建淄河水庫、“引黃補源”和“南水北調(diào)補源”等生態(tài)環(huán)保工程[11]，在一定程度上緩解了地下水的惡化趨勢。但要根本上解決問題，仍需從全局上對整個片狀漏斗區(qū)進行合理的產(chǎn)業(yè)布局和供給側(cè)改革。

圖4 東營市地下水氯化物濃度空間分布示意圖Fig.4 Spatial distribution of concentrations ofchloride for groundwater in Dongying

4 結(jié)論

1)東營市地下水碘化物的濃度分布范圍極其分散，質(zhì)量濃度均值達到(0.247±0.263) mg/L，樣品質(zhì)量濃度主要分布在0～0.1 mg/L和0.2～1.0 mg/L 2個區(qū)間。東營市地下水碘化物環(huán)境質(zhì)量呈現(xiàn)由南向北逐步惡化的變化趨勢，Ⅰ/Ⅱ類區(qū)域主要位于山前平原區(qū)南部，Ⅲ類區(qū)域主要出現(xiàn)在山前平原區(qū)中部，而Ⅳ類區(qū)域主要分布在黃泛平原區(qū)和山前平原區(qū)北部近小清河處。且在利津和墾利縣西南部和東部沿海局部地區(qū)存在碘化物質(zhì)量濃度大于0.5 mg/L的重污染區(qū)，境內(nèi)超過90%的國土面積處于地下水環(huán)境質(zhì)量標準Ⅳ類。

2)山前平原區(qū)南部是東營市唯一具備可飲用地下水的區(qū)域，域內(nèi)主要為適碘地區(qū)，缺碘地區(qū)主要分布在東南部的大王鎮(zhèn)，高碘地區(qū)主要位于第二次海侵古海岸線附近。與周邊相鄰的4個行政區(qū)相比，廣饒縣可飲用地下水處于中等缺碘水平。

3)東營市地下水所處的環(huán)境地質(zhì)概況對碘化物的分布具有重要影響。東營市地處黃河入?？诘娜侵薜貛В罅砍练e物在此區(qū)域內(nèi)集聚，易于形成片狀高碘地下水。沾化凹陷可能是導致利津和墾利的西南部形成碘化物重污染區(qū)域的內(nèi)在原因。此外，地下水碘化物Ⅳ類區(qū)與氯化物Ⅴ類區(qū)在空間分布上高度重疊，說明海(咸)水入侵也是影響其空間分布的重要因素。此外，富碘大氣通過降水也可將碘化物引入地下水中。

4)由于廣饒縣及周邊地區(qū)形成了巨大的片狀地下水漏斗區(qū)，潛在的飲用水安全風險不可忽視。海(咸)水入侵已成為影響可飲用地下水適碘地區(qū)范圍的關(guān)鍵因素，需引起高度關(guān)注。

致謝：本次調(diào)查受到東營市環(huán)保局和各區(qū)縣環(huán)保局的大力支持和密切配合，在此表示衷心感謝！