黄耀裔，李子蓉，张云峰
(泉州师范学院 资源与环境科学学院，福建 泉州 362000)
[摘 要] 福建泉港区作为现代化港口城市，研究浅层地下水化学特征，进行地下水水质综合评价有利于水资源可持续利用。对福建省泉港区浅层地下水水化学特征等指标进行统计分析，运用数理统计方法对浅层地下水水化学特征和水质进行综合评价分析可知，该区水中Na+、K+、Mg2+、Cl-、NO2-、NO3-指标变异系数大于100%，是受外界影响的敏感因子，TDS、总硬度、Ca2+等其他指标CV%较小，受外界影响较小。根据Durov图，该区水化学类型以Cl-·HCO3-+Na+·Ca2+型为主。最后参照《地下水质量标准》做水质综合评价，结果表明该区水质整体较差，处于(Ⅳ、Ⅴ类水平)占86.4%，超标因子主要为NO3-、NO2-及部分重金属为主，超标因子与该地区的石化工业污水排放、农业生产、生活污水乱排有关。
[关键词] 浅层地下水；水化学特征；综合评价；泉港区
浅层地下水是地球水循环中的重要环节之一[1]，由于浅层地下水是社会经济发展及生活生产必须的重要水资源之一，全球超过15亿人口主要依靠地下水作为饮用水源[2]。因此对于浅层地下水水化学特征[3]、水质成分[4]、水质综合评价[5]、水质污染防治[6]等成为目前人们关心的问题和学者研究的关注点。
泉港区位于福建省泉州市的北部，东经118°25′E～119°45′E，北纬24°59′N～25°45′N，东临湄洲湾，与惠安县净峰镇、东桥镇隔海相望，东北与莆田市秀屿区隔湾相望，西北与仙游县毗邻，西南与洛江区、惠安县紫山镇接壤，南与辋川镇相连。气候属南亚热带海洋性季风气候，暖热湿润，日温差小，年平均气温19.8℃，降雨量集中，季风明显，年平均降雨量1 000～1 400 mm左右。地质类型主要以全新统人工堆积层(Q4ml)、冲洪积层(Q4al+pl)及残坡积层(Q4el+dl)、下伏燕山早期花岗岩及其风化层(γ52)为主。泉港区作为现代化石化港口城市，福建省主要石化工业基地，目前石化园区综合实力位居中国化工园区第5位，其2015年该区石化产值672.45亿元。但随着泉港区石化产业发展的同时对水环境也衍生出不少问题，据《泉港区环境质量分析报告》(2015年)，区内部分地表水按《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)[7]划分处于Ⅲ和Ⅳ类，将该地表水作为给浅层地下水补给水时势必造成影响。因此研究浅层地下水水化学特征和对水质综合评价有助于可持续开发利用和管理。为了了解泉港区浅层地下水现状，笔者运用数理统计方法分析浅层地下水的水化学特征并对水质进行综合评价，为泉港区调整农业生产生活、石化工业空间布局、合理开发利用和保护地下水资源提供决策参考。
水样采集以能够基本了解和客观反映该区水质特征为原则，共采集丰水期44个水样测试点。测试项目包含pH值、溶解性总固体(TDS)、总硬度、高锰酸盐指数、电导率(EC)、钠离子(Na+)、钾离子(K+) 、钙离子(Ca2+)、镁离子(Mg2+)、氯离子(Cl-)、硫酸盐(SO42-)、碳酸氢根(HCO3-)、可溶性SiO2、亚硝酸盐(NO2-)、硝酸盐(NO3-)、氟化物(F-)及部分重金属等，测试参照《生活饮用水标准检验方法》(GB5750)和《水和废水监测分析方法》(第三版)的方法。指标测试手段与方法：pH值、EC参数在现场奥利龙AQ3700便携式分析仪测、溶解性总固体(重量法)、总硬度(乙二胺四乙酸二钠滴定法)、硫酸盐硫酸钡比浊法)、氯化物(硝酸银滴定法)、亚硝酸盐(N-(1·蔡基)一乙二胺比色法)、硝酸盐(酚二磺酸分光光度法)、氟化物(氟试剂分光光度法)、重金属部分采用原子荧光测定。
2.1 水化学类型确定
对研究区成分含量特征进行描述性统计特征值分析(见表1)，其中pH值介于5.68～7.62，平均值为7.02，整体处于中性，属弱酸-中性水，说明该区浅层地下水酸碱度正常。溶解性总固体含量的范围为49.32～1 629.00 mg/L，平均含量362.44 mg/L，整体属于低矿化度水。阳离子平均含量：Na+(42.68 mg/L)>Ca2+(33.95 mg/L)>K+ (0.57 mg/L)>Mg2+(9.32 mg/L)，以Ca2+和Na为主；阴离子平均含量：HCO3-(120.09 mg/L)>Cl-(60.92 mg/L)>SO42-(31.33 mg/L)>可溶性SiO2(20.89 mg/L)，以HCO3-和Cl-为主。因此区内以含有HCO3-类型为主。经数理统计分析其阴阳离子含量随着TDS的增减而随之增减。从变异角度分析，其中pH值、TDS、总硬度、EC、Ca2+、HCO3-、SO42-、可溶性SiO2这几项指标变异系数相对较小(小于100%)，说明这些指标在浅层地下水中的处于相对稳定状态。而Na+、K+、Mg2+、Cl-、NO2-、NO3-的变异系数较大，是随环境因素变化的敏感因子。根据O·A·阿列金的水中pH值与碳酸衍生物各种存在形式间的比例的关系表，在中性和碱性水中，HCO3-离子占主导地位，并且HCO3-在低矿化度和中矿化度水中占主导地位，此外Na+与Cl-变异系数均较大，同时泉港区临海，因此海水入侵也影响着该区的水化学类型。
表1 研究区离子含量特征统计表
类型指标最大值最小值平均值标准差变异系数%(±5%)总体参数阳离子阴离子pH7.625.687.020.426.10溶解性总固体(TDS)/(mg/L)1629.0049.32309.42292.4294.51总硬度/(mg/L)538.6011.11124.20113.9591.75电导率(EC)/(μmho/cm)2232.8458.55415.15411.1599.04钠离子(Na+)/(mg/L)216.504.3842.6854.32127.26钾离子(K+)/(mg/L)86.290.2510.5715.11142.95钙离子(Ca2+)/(mg/L)132.400.5333.9529.0585.57镁离子(Mg2+)/(mg/L)51.690.609.3210.98117.85碳酸氢根离子(HCO3-)/(mg/L)374.5014.10120.0995.2579.32硫酸根离子(SO42-)/(mg/L)146.300.2031.3311.7356.14氯离子(Cl-)/(mg/L)609.706.8260.92101.72166.90可溶性(SiO2)/(mg/L)58.280.1020.8911.7356.14亚硝酸根(NO2-)/(mg/L)1.970.0020.130.35271.92硝酸根(NO3-)/(mg/L)224.100.0435.8945.09125.63氟离子(F-)/(mg/L)1.060.030.230.2189.75
图1 地下水水化学Durov图
由于地下水处于流动状态并参与水文地球化学循环。地下水系统中的阳离子(Na+、K+ 、Ca2+、Mg2+)、阴离子(Cl-、SO42-、HCO3-)大组分离子的含量比例通常被用来研究某些水文地球化学问题[9]。通过RockWare Aq.QA软件绘制的Durov图可直观反映水化学特征以及与矿化度和pH值之间的关系(图1)：K++Na+占阳离子总量的40%～80%，Ca2+占20%～60%，Cl-占阴离子总量的10%～90%，HCO3-占60%～90%；SO42-占20%～40%，据离子组分含量该区水化学类有：Cl--Na+、HCO3--Ca2+、HCO3--Na+、Cl--Ca2+、HCO3--K++Na+、Cl--K++Na+·Ca2+等，但主要以Cl-·HCO3-+Na+·Ca2+型为主。
2.2 水化学成分相关性分析
数理统计的相关性分析是可揭示各指标间的相似相异性及来源的一致性和差异性，指标间的相关关系显著。由表2可知，TDS与总硬度、EC、Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Cl-、HCO3-、SO42-、NO3-、F-均显示出极显著正相关关系(γ=0.01，且均通过显著性双尾检验)，而与pH值、可溶性SiO2不存在相关关系，其中TDS与EC的相关系数达到0.98；TDS与总硬度的相关系数达到0.95；TDS与阳离子相关系数为：Na+(0.95)>Mg2+(0.94)>Ca2+(0.92)>K+(0.61)；TDS与阴离子相关系数为：Cl-(0.91)>SO42-(0.87)>HCO3-(0.80)，说明TDS与这些离子均存在高度显著性相关。总硬度与Ca2+达到0.98的极显著相关，与Mg2+达到0.93的极显著相关，与硬度通常是以Ca2+和Mg2+的综合来测定的相吻合。说明水化学成分之间彼此相互影响。
3.1 评价指标选取
根据《地下水质量标准》(GB/T14848-93)[6]列出的检测项目，选取总硬度(以CaCO3计)、溶解性总固体(TDS)、高锰酸盐指数、硫酸盐(SO42-)、氯化物(Cl-)、硝酸盐(以N计)、亚硝酸盐(以N计)、氟化物(F)、锰(Mn)、铁(Fe)、汞(Hg)作为评价指标项目，各个监测指标项目分类见表1。
表2 泉港区浅层地下水元素相关系数(n=44)
指标pHTDS总硬度ECNa+K+Ca2+Mg2+HCO3-SO42-Cl-SiO2NO3-F-pH1.00TDS-0.011.00总硬度0.110.95**1.00EC0.040.98**0.96**1.00Na+-0.040.95**0.85**0.93**1.00K+-0.120.61**0.54**0.63**0.57**1.00Ca2+0.120.92**0.98**0.94**0.81**0.53**1.00Mg2+0.050.94**0.93**0.93**0.89**0.55**0.88**1.00HCO3--0.200.80**0.86**0.86**0.75**0.56**0.87**0.80**1.00SO42--0.030.87**0.89**0.88**0.75**0.59**0.88**0.85**0.78**1.00Cl--0.030.91**0.83**0.91**0.96**0.59**0.80**0.86**0.69**0.75**1.00SiO2-0.240.290.240.210.280-.130.210.220.100.050.261.00NO3--0.36*0.62**0.51**0.52**0.59**0.34*0.46**0.57**0.200.47**0.57**0.31*1.00F-0.250.54**0.60**0.60**0.48**0.34*0.61**0.57**0.78**0.57**0.41**0.010.0031.00
注：** 在0 .01 水平(双侧)上显著相关；* 在 0.05 水平(双侧)上显著相关。
表3 地下水单项指标质量分类
项目序号类别/标准值/项目Ⅰ类Ⅱ类Ⅲ类Ⅳ类V类1总硬度(以CaCO3计)mg/L≤150≤300≤450≤550>5502溶解性总固体mg/L≤300≤500≤1000≤2000>20003高锰酸盐指数mg/L≤1.0≤2.0≤3.0≤10>104硫酸盐(SO42-)mg/L≤50≤150≤250≤350>3505氯化物(Cl-)mg/L≤50≤150≤250≤350>3506铁(Fe)mg/L≤0.1≤0.2≤0.3≤l.5>1.57硝酸盐(以N计〕mg/L≤2.0≤5.0≤20≤30>308亚硝酸盐(以N计)mg/L≤0.001≤0.01≤0.02≤0.1>0.19氟化物(F)mg/L≤1.0≤1.0≤1.0≤2.0>2.010锰(Mn)mg/L≤0.05≤0.05≤0.1≤1.0>1.011汞(Hg)mg/L≤0.000005≤0.0005≤0.001≤0.001>0.001
3.2 综合评分法[10]
根据《地下水质量标准》，首先地下水单项指标的质量分类(表3)结合单项组分评价分值确定单项指标结果得分值。
(1)
式(1)中Si，j表示研究区浅层地下水各组分得分值；i代表浅层地下水待评价的样点数；j代表浅层地下水待评价的指标数。
再利用内梅罗指数法进行综合：
Si=
(2)
式(2)中Smax表示研究区浅层地下水单项组分评价分值Si,j中的最大值；Si,j，i，j解释同上。
由式(2)计算得到的综合得分值Si后，据式(3)确定浅层地下水综合评价结果，若S愈大，则表明受污染程度愈严重，反之受污染愈轻。
(3)
根据式(1)～(3)对泉港区浅层地下水进行综合评价，综合评价结果见表4，对该区所有采集的样点的评价结果，处于Ⅰ类和Ⅱ类(良好水平，反映地下水化学组分的天然背景含量)的有6个采样点，占13.6%；处于Ⅳ类(较差水平，以农业和工业用水要求为依据)占63.6%，处于Ⅴ类(极差水平，不宜饮用，其他用水可根据使用目的选用)占22.8%，总体处于水质较差程度的达到86.4%，说明福建省泉港区的浅层地下水水质状况不容乐观，不建议作为直接的生活饮用水源。
表4 泉港区地下水综合评价结果
序号综合评分值/S综合评价等级序号综合评分值/S综合评价等级序号综合评分值/S综合评价等级17.14Ⅳ类167.13Ⅳ类312.13Ⅳ类22.17Ⅱ类177.16Ⅳ类327.20Ⅴ类37.23Ⅴ类187.11Ⅳ类334.28Ⅳ类44.31Ⅳ类194.38Ⅳ类344.36Ⅳ类54.31Ⅳ类207.11Ⅳ类354.36Ⅳ类64.28Ⅳ类210.75Ⅰ类360.00Ⅰ类70.72Ⅰ类227.18Ⅳ类377.28Ⅳ类87.13Ⅳ类237.24Ⅴ类382.21Ⅱ类94.29Ⅳ类247.34Ⅴ类397.20Ⅳ类107.16Ⅳ类257.18Ⅳ类402.19Ⅱ类114.29Ⅳ类267.16Ⅳ类417.20Ⅴ类124.27Ⅳ274.50Ⅳ427.65Ⅴ137.14Ⅳ287.20Ⅴ437.32Ⅴ147.12Ⅳ297.23Ⅴ447.23Ⅴ154.31Ⅳ300.71Ⅳ
福建泉港区浅层地下水离子浓度(阳离子：Na++K+和Ca2+，阴离子：Cl-和HCO3-)为主，根据Durov图，水化学类型主要是Cl-·HCO3-+Na+·Ca2+型。pH值、溶解性总固体、总硬度、电导率、Ca2+、HCO3-、SO42-、可溶性SiO2这几项指标变异系数相对较小(小于100%)，说明这些指标在浅层地下水中的处于相对稳定状态。而Na+、K+、Mg2+、Cl-、NO2-、NO3-的变异系数较大，也就是浅层地下水的离子浓度在空间上变化较大，是随环境因素变化的敏感因子，从而影响浅层地下水的质量。根据综合评价，泉港区浅层地下水水质状况较差，处于良好水平的占13.6%，处于Ⅳ类较差水平的占63.6%，处于Ⅴ类极差水平的占22.8%，总体处于差程度的高达到86.4%，建议泉港区石化工业走绿色工业发展道路加强工矿企业特别是小企业的污染治理，走绿色工业道路；加强农村生活污水、垃圾等的管理，减少水体污染物负荷；泉港区有关部门应该根据《全国地下水污染防治规划(2011-2020)》，多点监控污染较严重区，健全城市污水处理系统，建立一套长期有效的地下水水源地保护区机制，实现地下水资源的可持续利用。
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Chemical characteristics and water quality evaluation of shallow groundwater in Quangang area of Fujian
HUANG Yao-yi, LI Zi-rong, ZHANG Yun-feng
(College of resources and environmental science, Quanzhou Normal University, Quanzhou, Fujian,362000,China)
Abstract：Quangang Fujian as a modern port city, study the chemical characteristics of shallow groundwater and comprehensively evaluates groundwater quality, which is conducive to the sustainable use of water resources. We statistically analyzed the chemical characteristics of shallow groundwater in Quangang area of Fujian province and synthetically evaluated and analyzed chemical characteristics and water quality of shallow groundwater by means of mathematical statistics. we know that in the Water area Na+,K+,Mg2+,Cl-,NO2-,NO3- that coefficient of variation was greater than 100% is sensitive factors affected by the outside world. TDS, total hardness, Ca2+ index and so on that less affected by the outside world CV% is smaller. According to drove diagram, chemistry types of in Water is based on Cl-·HCO3-+Na+·Ca2+. Finally, we marked a comprehensive evaluation of water quality with referencing to 《groundwater quality standard》.The results show that the water quality is poor, in (IV, V class level) accounted for 86.4%,the main factors that excessive factors associated about the region's petrochemical industrial wastewater discharge, agricultural production, domestic sewage disorderly row, mainly were NO3-, NO2- and heavy metals.
Key words：shallow groundwater; hydro chemical characteristics; comprehensive evaluation; QuanGang district
[收稿日期] 2017-02-22
[基金项目] 泉州市科技局项目(2015Z139)；福建省泉州师范学院院士专家工作站资助(YA0202)
[作者简介] 黄耀裔(1983-)，男，福建晋江人，实验师，主要从事环境信息系统应用与环境污染防治研究。
[中图分类号] P641.12
[文献标识码]A
[文章编号]1004-1184(2017)03-0011-04
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