海南省琼中县地下水质量评价研究

时间：2024-05-22

齐信，王安涛，黎清华，王晓晗，张再天

（1.中国地质调查局武汉地质调查中心，武汉 430205；2.中国地质大学工程学院，武汉 430074；3.厦门大学环境与生态学院，厦门361102）

地下水是生产、生活所不可缺少的重要资源，在保障居民生活饮用供水、工业和农业生产以及经济社会发展用水等方面发挥了重要作用。近几十年来，由于国民经济的快速发展，需水量不断增加，各类工业废水排放、农业耕作中化肥与农药的使用以及居民生活污水的无序排放，不仅造成所在区域河流、湖泊、水库等地表水的污染情况日益加剧，也造成了地下水的水质污染。同时，地下水常常存在有害元素超标现象，直接饮用对身体健康有很大影响。因此，在地下水开发利用之前，系统地开展地下水环境调查评价极为必要[1]，以便据此制定区域地下水开发利用和保护管理规划，有效保护地下水资源，实现地下水资源的可持续开发利用[2]。

琼中县位于海南岛中部，是自然资源部定点扶贫六县之一。安全饮水是制约琼中县社会经济发展的重要因素之一。按照自然资源部、中国地质调查局脱贫攻坚总体工作部署，中国地质调查局武汉地质调查中心精准对接琼中县需求，在琼中县集中连片贫困缺水区部署水文地质调查工作，基本查明了琼中县地下水质量状况，为当地水资源的安全利用、合理开采和科学规划提供科学依据。

1 研究区概况

1.1 地质背景

琼中县地形地貌较复杂，西南高、东北低，地势自西南向东北倾斜。根据地貌成因和形态特征，将研究区划分为四种地貌类型，分别为侵蚀构造中山区、侵蚀构造低山区、构造剥蚀丘陵区、构造剥蚀台地区。

区内地层有长城纪俄文岭组（Che）和戈枕村组（Chg）变质岩与志留纪陀列组（S1t）、白垩纪鹿母湾组（K1l）和六罗村组（K1ll）沉积岩，分布面积约占县域面积的14%；区内侵入岩广泛分布，二叠纪（γP）、三叠纪（γT）、侏罗纪（γJ）、白垩纪（γK）等多期次侵入岩出露面积约占县域面积的86%（图1）。

琼中县地处北东向与北西向两组构造交汇部位附近，受到区内的东西、北东、北西和南北向四组地质构造控制（图1）。野外调查见北西向断裂多截切北东向断裂，构造形迹及力学性质表现为张性、张扭性等特征，是该区的主要控水断裂[3]。

1.2 水文地质特征

琼中县雨量充沛，5～10月为雨季，11月至翌年4月为旱季，年平均降雨量2300 mm，全年降雨量79%集中在雨季。县境内降雨量空间上分布不均，由东南向西北逐步递减。降雨季节性差异导致该县多地区出现季节性缺水。

琼中县地下水总体赋存条件较差，根据含水层介质特征、地下水贮存条件、水力特征把地下水类型划分为松散岩类孔隙-裂隙水和基岩裂隙水。又根据含水层成因、地质条件不同，将基岩裂隙水分为层状岩类（网状、层状）裂隙水、块状岩类（网状、脉状）裂隙水及红层（局部、层间）裂隙水三个亚类。

琼中县地下水流系统明显受宏观地貌格局的控制，不同地貌单元常形成不同的地下水系统。该区为中低山-丘陵地貌区，是海南省三大河流—南渡江、万泉河、昌化江的发源地，地下水流系统与地表水流系统分布一致。因此，在划分地下水系统时，充分考虑了宏观地貌单元的特征。依据系统内地表水与地下水的水力联系及其归属，将本区地下水系统划分为南渡江、万泉河、昌化江三个地下水流系统（图1）。

2 样品测试与地下水评价方法

2.1 样品采集与测试

地下水样品按照南渡江、万泉河、昌化江三个不同的地下水流系统分区采集。工作区共施工水文地质钻孔29个，调查民井107口，共采集地下水样品136组（图1），其中南渡江地下水流系统面积471.64 km²，采集样品31组；万泉河地下水流系统面积1873.72 km²，采集样品94组；昌化江地下水流系统面积359.81 km²，采集样品11组。水样测试由国土资源部长沙矿产资源监督检测中心(湖南省地质测试研究院）完成，主要采用的检测设备为AFS-8230原子荧光光度计、XGY-1011A原子荧光光度计、X Serice ICP-MS电感耦合等离子体质普仪、ICAP-7600电感耦合等离子体发射光谱仪器、ICS-900离子色谱仪等。样品的采集、运输严格按照《水质采样技术指导》（HJ494-2009）规范[4]执行。按照《地下水质量标准》（GB/T 14848-2017）[5]，对琼中县地下水水质状况进行分析评价，并依据我国地下水质量状况和人体健康风险，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，划分为五类（表1）。

图1 海南省琼中县地质简图与地下水采样点分布图Fig.1 Geological sketch and distribution of groundwater sampling points in Qiongzhong County, Hainan Province

表1 琼中县地下水质量分类Table 1 Quality classification of groundwater in Qiongzhong County

2.2 评价指标

地下水质量评价指标繁多，类型不一。参照《地下水质量标准》（GB/T 14848－2017）[5]和《饮用水天然矿泉水检验方法》（GB/T 8538－2008）[6]，确定参评指标为56项，按照其性质分别划分为感官性指标（4项）、一般化学指标（29项）、微生物指标（4项）、毒理学指标（17项）和放射性指标（2项）五类（表2）。

表2 地下水评价指标分类Table 2 Classification for groundwater evaluation indexes

2.3 评价方法

目前地下水质量评价方法较多，有单因子评价法[7]、聚类分析法[8]、内梅罗指数法[9-10]、地下水质量可拓评价方法[11]、模糊综合评价方法[12-15]、人工神经网络法[16]、地下水质量指标分类综合评价方法[17-18]等。地下水质量评价没有统一的标准方法，必须结合研究区的区域地质特点和评价目的选择合适的评价方法。

本次开展琼中县地下水质量现状评价，旨在为当地水资源的安全利用、合理开采和科学规划提供科学依据，因此，既要充分考虑单因子影响要素，又要达到开展综合评价的目的，且具有可操作性。据此，选用地下水质量单因子评价法和地下水质量综合评价法，综合评价研究区地下水质量特征。本次地下水质量现状评价共分为两部分，第一部分采用地下水质量单因子评价法，参照《地下水质量标准》（GB/T 14848－2017）[5]要求，按照取“优”原则，即样品测试结果限值同时满足 I 类、 II 类和 III 类水质，则将该组样品水质划分为 I 类；第二部分采用地下水质量综合评价法，即在地下水质量单因子评价基础上，利用多组因子综合叠加分析，按照取“差”原则，综合所有测试指标中最差分类来确定。针对综合评价结果，用不同的色块表示不同等级地下水分布，最终给出地下水质量综合评价结果。

3 地下水质量评价结果

3.1 地下水质量单因子评价结果

3.1.1 感官性指标评价

感官性指标包括色度、嗅和味、浑浊度、肉眼可见物4项指标（表2）。参照《地下水质量标准》（GB/T14848－2017）[5]，对本次采集的136组地下水样品进行感官性指标评价，结果见图2和表3。可以看出，琼中县的地下水水质主要以 I 类水为主，约占总数的95.96%；其次为III类和IV类水，约占总数的4.04%。

图2 琼中县地下水感官性状指标评价分类图Fig.2 Evaluation classification diagram of groundwater organoleptic indicators in Qiongzhong County

3.1.2 一般化学指标评价

按照《地下水质量标准》（GB/T 14848－2017）[5]，选取酸碱度、总硬度、溶解性总固体、硫酸盐、氯化物、铁、锰、铜、锌、铝、挥发酚、耗氧量、氨氮、钠等指标对本次采集的136组地下水样品进行一般化学指标评价（图3、表3）。可以看出，琼中县的地下水水质主要以 I 类水为主，约占总数的85.92%；其次为II类、III类、IV类和V类水，占比分别为5.36%、5.36%、2.05%、5.93%、0.68%，主要是局部区域地下水铁、锰、铝等元素含量超标。

图3 琼中县地下水一般化学指标评价分类图Fig.3 Evaluation classification diagram of groundwater general chemical indicators in Qiongzhong County

3.1.3 微生物指标评价

微生物指标包括总大肠菌群、菌落总数、大肠埃希氏菌、耐热大肠菌群4项指标（表2）。对琼中县86组地下水样进行了微生物指标评价，从图4可以看出：总大肠菌群、大肠埃希氏菌、耐热大肠菌群均未检出，菌落总数检测值范围为19～450 CFU/mL。按照菌落总数划分，琼中县的地下水水质主要以I类水为主（表3），约占总数的96.51%，其次为IV类水，约占总数的3.49%。

图4 琼中县地下水微生物指标评价分类图Fig.4 Evaluation classification diagram of groundwater general microbiological indicators in Qiongzhong County

表3 琼中县地下水质量单因子评价结果Table 3 The single factor evaluation results of groundwater quality in Qiongzhong County

3.1.4 毒理学指标评价

参照《地下水质量标准》（GB/T 14848－2017）[5]指标及限值，选择硝酸盐、亚硝酸盐、氰化物、氟化物、碘化物、汞、砷、硒、六价铬、镉、铅、钴、镍、银、钡、钒、锑等为毒理学指标，对本次采集的136组地下水样品进行评价，结果见图5和表3，琼中县的地下水水质主要以I类水为主，所占比例高达84.08%，其余为II类、III类、IV类和V类水，占比分别为 14.49%、5.36%、2.05%、0.95%、1.34%，主要是局部区域地下水硝酸盐、六价铬离子、钡元素等含量超标（表3），反映出琼中县局部区域地下水已受到污染。

图5 琼中县地下水毒理学指标评价分类图Fig.5 Evaluation classification diagram of groundwater toxicological indicators in Qiongzhong County

3.1.5 放射性指标评价

参照《地下水质量标准》（GB/T 14848－2017）[5]指标及限值，选择总α放射性、总β放射性为放射性指标（表2）。对琼中县12组地下水样进行了放射性指标评价，结果见图6和表3，总α放射性指标显示琼中县的地下水均为I类水；总β放射性指标显示琼中县的地下水I类水8组，II类水4组。据此，琼中县地下水放射性指标I类水占比66.67%，II类水占比33.33%。

图6 琼中县地下水放射性指标评价分类图Fig.6 Evaluation classification diagram of groundwater radioactivity indicators in Qiongzhong County

3.2 地下水质量综合评价

地下水质量综合评价是集成单因子评价，将感官性指标、一般化学指标、微生物指标、毒理学指标、放射性指标五类评价指标进行叠加分析，进行两两比较，总体上按照“取差”原则划分。当感官性指标、一般化学指标、微生物指标、毒理学指标、放射性指标均属于I类水时，最终地下水质量综合评价归属于I类水；当感官性指标、一般化学指标、微生物指标、毒理学指标、放射性指标有一项指标属于V类水时，最终地下水质量综合评价归属于相对应的V类水。按照地下水可饮用特征，最终划分为三个等级，第一等级：综合评价结果为I～III类水，是可供直接饮用的地下水；第二等级：综合评价结果为IV类水，适当处理后可供饮用的地下水；第三等级：综合评价结果为V类水，不宜作饮用的地下水。

根据上述地下水质量综合分级判断标准，对琼中县地下水质量进行综合评价，评价结果见图7和图8。从图上可以看出：I～III类水分布较广，面积为2156.47 km²，占比约80%；IV类水在各乡镇零星分布，面积为422.64 km²，占比约16%，V类水相对较少，主要分布在什运乡南部、营根镇和长征镇的东南部区域，面积为124.45 km²，占比约4%；地下水质量总体较好，80%区域可供直接饮用；16%区域的地下水适当处理后可供直接饮用；4%区域内的地下水不宜饮用，且这些区域地下水质量受人为因素影响较小，主要是自然因素导致的指标背景值偏高，这与矿产资源分布具有一定的相关性。2006-2013年，中国地质调查局武汉地质调查中心实施的“中南地区矿产资源潜力评价”项目，查明琼中县分布7种矿产种类、19处矿床或矿点，其中13处矿床或矿点分布在IV～V类地下水分布范围内（图7），统计分析揭示68%的矿床或矿点分布在20%的县域面积范围内，地下水质量分区与矿产资源分布具有较高的相关性，地下水质量较差区域多为铅矿、多金属矿点分布区。琼中县虽未进行矿产资源开发利用，但成矿元素与地下水的水-岩作用相对强烈，部分成矿元素溶解于地下水中，导致该元素含量高，如铁、锰、铝等含量超标。

图7 琼中县地下水质量分区与矿产资源分布关系图Fig.7 The relationship map between the groundwater quality zoning and the distribution of mineral resources in Qiongzhong County

图8 琼中县地下水质量综合评价分类占比图Fig.8 Proportion chart of comprehensive evaluation results of groundwater quality in Qiongzhong County

通过走访调研与对比分析，琼中县地下水质量综合评价分区结果与实际情况较为一致，具有较高的可信度。因此，运用地下水质量单因子评价法和地下水质量综合评价法开展地下水质量综合评价，能够真实评价多因子、多要素、复杂条件、综合影响下的地下水质量问题，具有一定的可信度，该方法具有推广意义。