徐州沛縣地下水應(yīng)急水源地溶解性總固體(TDS)本底值調(diào)查研究

何建國，王 莉，章 梅，王彥君，劉 莉

(1.江蘇地質(zhì)礦產(chǎn)設(shè)計研究院(中國煤炭地質(zhì)總局檢測中心)，江蘇 徐州 221006；2.中國礦業(yè)大學(xué)，江蘇 徐州 221006；3.江蘇省徐州環(huán)境監(jiān)測中心，江蘇 徐州 221006)

當(dāng)前，對于我國平原區(qū)大部分淺層地下水，由于埋藏淺，防污性能弱，在現(xiàn)代大規(guī)模農(nóng)業(yè)、工業(yè)等人類社會活動的影響作用下，自然狀態(tài)下的地下水水中各個化學(xué)組分已發(fā)生變化。但對于深層地下水而言，由于其埋藏深，有較厚的隔水層，防污性能較強(qiáng)，受到人類活動而導(dǎo)致地下水污染的可能性較小[1-3]。在我國部分區(qū)域深層地下水，由于受到區(qū)域地質(zhì)、水文地質(zhì)條件以及賦存于地下水與巖土相互作用等多種因素影響[4]，導(dǎo)致地下水組分中一種或多種元素本底偏高，而當(dāng)?shù)毓芾聿块T在依據(jù)《地下水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[5]評價該區(qū)域地下水水質(zhì)時，通常片面認(rèn)定該區(qū)域地下水水質(zhì)是人為活動影響導(dǎo)致的污染，忽視了水文地質(zhì)條件及地下水水化學(xué)演化對地下水水質(zhì)本底產(chǎn)生的影響[6-7]，制約了當(dāng)?shù)厣鐣?jīng)濟(jì)發(fā)展，因此地下水環(huán)境本底的確定，對于識別環(huán)境污染和評價污染程度及人類活動影響程度具有重要意義[8-10]。

地下水本底值也稱地下水環(huán)境背景值，是指在未受人類活動影響的情況下,地下水所含化學(xué)成分的濃度值，該值反映了天然狀態(tài)下地下水環(huán)境自身原有化學(xué)成分的特性值[11-13]。我國以往的地下水本底(背景)值研究更多的單純從數(shù)理統(tǒng)計角度出發(fā)，從數(shù)據(jù)本身的分布特征分析識別本底(背景)值，忽視地下水水質(zhì)是否受到人為活動影響、地下水水質(zhì)及水化學(xué)特征是否為值本底的真實反映，而使得本底值的可靠程度偏低。

沛縣地下水應(yīng)急水源位于沛縣縣城，當(dāng)?shù)丨h(huán)境監(jiān)測部門在對該水源地水井例行監(jiān)測過程中發(fā)現(xiàn)該水源地溶解性總固體(TDS)超過國家地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)III類水限值(1 000 mg·L-1)，為了查明其本底值及范圍，筆者以沛縣地下水應(yīng)急水源地為研究對象，通過水質(zhì)監(jiān)測、水文地質(zhì)鉆探、試驗測試和數(shù)理統(tǒng)計等多種手段對沛縣水源地周邊環(huán)境現(xiàn)狀、水文地質(zhì)條件、區(qū)域地下水演化等多方面進(jìn)行了詳細(xì)論證，分析地下水溶解性總固體(TDS)是否為含水層環(huán)境本底值真實反映，并采用數(shù)理統(tǒng)計計算溶解性總固體(TDS)地下水本底值及范圍。

1 研究區(qū)水文地質(zhì)條件概述

沛縣位于江蘇省西北部，沛縣地下水飲用水源保護(hù)區(qū)位于沛縣縣城，保護(hù)區(qū)總面積10.28 km2，水源地主采下更新統(tǒng)承壓含水層，為更好研究水源地溶解性總固體(TDS)變化特征，依據(jù)水源地及監(jiān)測點的分布情況，將沛縣整個縣城作為一個水文地質(zhì)單元進(jìn)行研究分析，面積約100 km2。區(qū)域地下含水層按照含水層之間的水力聯(lián)系和富水程度從上而下可分為五個含水層，即全新統(tǒng)潛水含水層、上更新統(tǒng)承壓含水層(第I承壓含水層)、中更新統(tǒng)承壓含水層(第II承壓含水層)、下更新統(tǒng)承壓含水層(第Ⅲ承壓含水層)和新近系承壓含水層。其中下更新統(tǒng)承壓含水層含水巖組分布廣，富水性較好，是區(qū)域供水主要含水層。

2 水樣及巖土樣的采集與測試

本次對水文地質(zhì)單元內(nèi)現(xiàn)有9口水井第Ⅲ承壓含水層連續(xù)3個月水質(zhì)動態(tài)監(jiān)測，并在水源地上游施工1口水文地質(zhì)勘探孔采取了第Ⅲ承壓含水層水樣以及其含水層砂層和隔水層樣品。水質(zhì)測試分析方法和標(biāo)準(zhǔn)主要依據(jù)為GB/T5750《生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)檢驗方法》和GB T14848-2017《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》，土樣測試方法主要依據(jù) GB/T50123-2019《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(圖1)。

圖1 研究區(qū)位置及采樣點分布圖

3 本底值研究方法

本次在劃定水文地質(zhì)研究單元的基礎(chǔ)上，通過以下兩個步驟來確定沛縣地下水應(yīng)急水源地溶解性總固體(TDS)本底值，首先主要是查明研究區(qū)內(nèi)環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀，開展水文地質(zhì)鉆探及地下水水質(zhì)動態(tài)監(jiān)測，對水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)及歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并結(jié)合區(qū)域地下水含水層水文地質(zhì)條件，分析地下水含水層中溶解性總固體(TDS)是否為含水層本底的真實反映；第二步采用數(shù)理統(tǒng)計判定溶解性總固體(TDS)本底值及其范圍。

3.1 環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀調(diào)查

為查明研究區(qū)內(nèi)環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀，本次收集了研究區(qū)內(nèi)的第二次污染源普查的主要產(chǎn)生污染源的11家工業(yè)污染源、7家污水處理企業(yè)和畜禽養(yǎng)殖企業(yè)的污染源排放監(jiān)測數(shù)據(jù)(研究區(qū)內(nèi)無固廢處置單位)，并利用研究區(qū)內(nèi)現(xiàn)有9個水井開展連續(xù)3個月的水質(zhì)動態(tài)監(jiān)測。從對區(qū)內(nèi)污染源排污口的的監(jiān)測數(shù)據(jù)及現(xiàn)場調(diào)查來看，區(qū)內(nèi)工業(yè)生產(chǎn)、治污環(huán)節(jié)未對溶解性總固體造成影響，工業(yè)污水經(jīng)處理后，通過市政管網(wǎng)進(jìn)入污水處理廠進(jìn)一步處理，未發(fā)現(xiàn)明顯下滲及排放通道，對地下水環(huán)境無影響；污水處理廠依據(jù)《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918-2002)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)限值，達(dá)標(biāo)排放；畜禽養(yǎng)殖企業(yè)基本處于停產(chǎn)未養(yǎng)殖狀態(tài)，無污染物排放，對地下水環(huán)境無影響。在對現(xiàn)有水井的第Ⅲ含水層水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果中也未發(fā)現(xiàn)特征污染物，可以排除人類活動行為對沛縣地下水水源地的影響。

3.2 水文地質(zhì)條件對地下水含水層的影響

沛縣第III承壓含水層的埋深較深，含水層頂板埋深在72～150 m，底板埋深在75～176 m之間，含水層之間有巨厚的粘土隔水層，且區(qū)域隔水層連續(xù)、穩(wěn)定，含水層受地表人為影響的因素較小。本次采集了3個隔水層6組粘土樣進(jìn)行滲透系數(shù)測試，從表中可以看出各隔水層間亞黏土的垂直滲透系數(shù)為和水平滲透系數(shù)遠(yuǎn)低于1×10-6cm/s，隔水層防污性能強(qiáng)，可以有效保證對污染物的隔絕，防污性能較好。

表1 地下水隔水層防污性能

3.3 區(qū)域地下水水質(zhì)對比分析

本次收集了沛縣區(qū)域地下水第III含水層的1958年以來的歷史水質(zhì)數(shù)據(jù)和以及水化學(xué)特征資料，并與研究區(qū)水質(zhì)資料資料進(jìn)行對比分析，從表中可以看出沛縣區(qū)域第III含水層溶解性總固體(TDS)歷史數(shù)據(jù)最大值為1964年在沛縣縣城東關(guān)監(jiān)測的數(shù)據(jù)，其值為2230 mg·L-1，最小值為1978年在沛縣梁集鄉(xiāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)，其值為830 mg·L-1，大部分?jǐn)?shù)值介于1 000～1 800 mg·L-1，其水化學(xué)特征為HCO3·Cl-Na·Ca、Na·Mg 或HCO3·SO·Cl4-Na·Mg；研究區(qū)第III含水層監(jiān)測數(shù)據(jù)均值在675.80～1 626.00 mg·L-1，水質(zhì)特征為HCO3-Ca·Na或Cl·SO4-Na·Ca·Mg型水，對比分析來看，研究區(qū)監(jiān)測的溶解性總固體與區(qū)域水質(zhì)歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)相吻合，水質(zhì)類型也基本相近，研究區(qū)水質(zhì)與區(qū)域水質(zhì)基本吻合，是含水層本底的真實反映。

3.4 地下水環(huán)境本底值調(diào)查

3.4.1 異常值的剔除

對于小樣本(n<100)的異常值判斷，筆者采用格魯布斯檢驗法剔除異常指標(biāo)，本次采集了9個監(jiān)測水井的水質(zhì)數(shù)據(jù)，水樣分析數(shù)據(jù)及各指標(biāo)經(jīng) Grubbs 準(zhǔn)則檢驗后的異常數(shù)據(jù)見表3 。

表2 水源地監(jiān)測數(shù)據(jù)與區(qū)域地下水溶解性總固體歷史數(shù)據(jù)對比結(jié)果表 mg·L-1

表3 Grubbs檢驗法異常值剔除結(jié)果

3.4.2 檢驗分布類型

本次選用K-S檢驗以及Q-Q圖、P-P圖對各環(huán)境統(tǒng)計單元的各元素含量概率分布類型進(jìn)行綜合判定(信度選為0.05)。分別以兩個檢驗方法判定的一致結(jié)果作為確定分布類型的依據(jù)。地下水中有關(guān)組分的含量，或符合正態(tài)分布，或符合對數(shù)正態(tài)分布，否則，均作偏態(tài)分布處理，不再考慮其它分布類型。研究區(qū)各指標(biāo)分布類型如表4所示，Mg2+、NO3--N呈對數(shù)正態(tài)分布，Na++K、Ca2+、Cl-、SO42-、氯化物呈正態(tài)分布，HCO3-+CO32-和溶解性總固體(TDS)呈偏態(tài)分布(見圖2)。

圖2 部分水質(zhì)組分P-P和Q-Q圖

表4 K-S檢驗結(jié)果

3.4.3 地下水環(huán)境本底值及成因分析

采用數(shù)理統(tǒng)計方法，對研究區(qū)Mg2+、NO3--N、Na++K+、Ca2+、Cl-、SO42-、氯化物等7項指標(biāo)的算數(shù)平均中值、標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)和本底值區(qū)間進(jìn)行計算;對HCO3-+CO32-、溶解性總固體(TDS)2項指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)差、中位值和變異系數(shù)進(jìn)行了計算，并按照5%～95%區(qū)間范圍計算了本底值區(qū)間范圍，見表5、表6。從表中可以看出Mg2+、Na++K+、Ca2+、Cl-、SO4-和氯化物等組分變異系數(shù)相對較小，表面其在地下水中含量相對穩(wěn)定，其中，Na++K+、SO42-、Cl-、氯化物和HCO3。-+CO32-的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差都比較大，表明其在地下水中的絕對含量較大，是地下水中的主要陰、陽離子，是引起地下水溶解性總固體偏高的主要變量。

表5 正態(tài)及對數(shù)正態(tài)分布組分地下水環(huán)境本底值

表6 偏態(tài)分布組分地下水環(huán)境本底值

4 結(jié)語

通過對工作區(qū)污染源現(xiàn)狀調(diào)查，地水文地質(zhì)條件分析及區(qū)域地下水歷史水質(zhì)特征分析，排除了人類活動行為導(dǎo)致地表污染物遷移到地下導(dǎo)致水源地第III含水層溶解性總固體超標(biāo)，并得出以下結(jié)論。

(1)工作區(qū)內(nèi)工業(yè)企業(yè)、污水處理廠和畜禽養(yǎng)殖對地下水環(huán)境基本無影響，現(xiàn)有水井第Ⅲ含水層水質(zhì)監(jiān)測中也未發(fā)現(xiàn)特征污染物，此外研究區(qū)地下水位埋深大，且有巨厚、連續(xù)、穩(wěn)定的隔水層，地下水防污性能較好，排除了地下水源地受污染的可能性。

(2)通過對沛縣地下水水源地溶解性總固體歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)與沛縣水源地地下水階段性水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)對比分析來看，研究區(qū)溶解性總固(TDS)與區(qū)域水質(zhì)基本吻合，未受外界影響而發(fā)生變化，是含水層水質(zhì)本底的真實反映。

(3)通過對研究區(qū)地下水組分含量的分析，采用數(shù)理統(tǒng)計方法得出了研究區(qū)溶解性總固(TDS)、HCO3-+CO32-、Na++K+、Ca2+、Cl-、SO42-和氯化物、Mg2+和NO3--N離子的地下水環(huán)境的本底值及范圍。

(4)研究區(qū)內(nèi)溶解性總固體(TDS)超標(biāo)的主要原因是魯西南地區(qū)高溶解性總固體地下水的補(bǔ)給以及區(qū)域地下徑流不暢的水動力條件等多方面造成的。