论文部分内容阅读
摘要 以地质调查项目为依托，对淮河流域内4 000余组浅层地下水样品测试结果进行评价分析。评价依据为地下水污染调查评价技术要求和地下水质量标准。结果显示，淮河流域浅层地下水中As检出较多，超标严重，超标率9.76%，Hg、Cr6+检出率和超标率稍低。分析认为，Hg、As有原生成因，也有人为活动影响成因，Cr6+主要由人为活动造成。在评价研究基础上，针流域内农村居民饮用水和农业灌溉用水两种用途，提出了开发利用地下水的建议，为区域农业生产、农村经济发展规划提供了依据。
关键词 淮河流域；重金属；分布特征；农业用水；建议
中图分类号S181.3文献标识码A文章编号0517-6611（2014）30-10698-03
基金项目中国地质大调查项目（1212010634500，1212011121146）。
作者简介龚建师（1981- ），男，河南邓州人，助理研究员，从事水工环地质调查及研究工作。
自然状态下的重金属以原生微量元素状态存在，一般对人类健康没有危害。随着社会经济的迅猛发展，人类活动强度加速，化学产品日益剧增，经过各种途径进入地下水环境的重金属越来越多，对水体造成严重污染。一方面危害水-土生态系统，对农作物产生各种有害作用；另一方面通过饮用水、皮肤接触、食物链途径直接或间接地影响人类健康。在这些重金属（类金属）污染物中，尤以汞、镉、铬、铅、砷的毒性最大。
近年来国内外对于地下水污染的调查研究规模在加大，程度在加深。国土资源部、中国地质调查局自2006年以来在淮河流域启动“淮河流域平原地区地下水污染调查评价”和“淮北（安徽）地区水文地质调查项目”，对区域地下水质量现状和污染程度进行评价。该研究以上述地质大调查项目为依托，以和人类活动关系密切的淮河流域浅层地下水为目标研究层位，对地下水中的重金属Hg、As、Cr6+赋存现状、分布特征进行评价[1-2]。在此基础上对流域内农业用地下水开发利用提出建议，为区内农业生产、经济规划提供参考依据。
1研究区概况
1.1地理概况淮河流域包括淮河水系与沂沭泗河水系，总面积约26.9万km2。其中，淮河水系面积约18.9万km2，沂沭泗河水系面积约8万km2，流域主要覆盖河南、安徽、江苏、山东4省。
流域总的地形为由西北向东南倾斜，淮南山丘区、沂沭泗山丘区分别向北和向南倾斜。流域内有山区、丘陵、广阔的平原及湖泊洼地，其面积分别占流域面积的百分比为：山区占13%，丘陵占19%，平原占52%，湖泊洼地占16%。
1.2土壤类型淮河流域山区、丘陵区主要分布为棕壤、褐土（成土母质为各类岩石风化物、洪积冲积物及人工堆垫物）和水稻土。淮河中上游平原地区主要为黄潮土（系由河流沉积物和近代黄泛沉积物发育而成）、砂疆黑土和棕潮土等，并在其间零星分布着小面积的盐化潮土和盐碱土；淮河下游平原水网区为水稻土，系由第四纪湖相沉积层组成；苏鲁两省滨海平原新垦地多为滨海盐土，含盐量较高。
1.3地下水类型及特征淮河流域地下水主要分为松散岩类孔隙水、碳酸盐岩类裂隙岩溶水和基岩裂隙水3种类型。其中分布最广的为松散岩类孔隙水，其次为岩溶水和基岩裂隙水，但有供水意义的主要为孔隙水和岩溶水。
平原区松散岩类孔隙水在区内分布最为广泛，按其埋藏深度可分为浅层地下水和深层地下水。在流域内平原区地表下30～55 m之间，区域上广泛分布有一层14～20 m厚的粘性土层。因此，传统上大致以地表下50 m为界限，将埋深小于和大于50 m的松散岩类孔隙含水层组分别划分为浅层含水系统和深层含水系统。流域内农村个体自打井、集体开掘井基本都位于50 m以浅，所以淮河流域内具有农业供水意义的地下水含水系统就是50 m以浅的浅层含水系统。淮河流域上游地区地下水基本是由西北流向东南，南部西部则由西向东流。北部岗状平原区浅层孔隙地下水水位埋深一般大于6 m；北部低缓平原区大部分为2～4 m；南部地下水位埋深大部分小于2 m。浅层孔隙地下水水位主要受降水和蒸发及地表水影响，水位变幅一般为1.5～2.5 m。
2样品采集及测试方法
2.1样品采集在淮河流域采集地下水样品并进行无机组分测试的共5 934组，其中浅层地下水样（埋深小于50 m）4 653组，该研究中参评样数4 592组。样品采集时间主要集中于每年的枯水期和平水期。
2.2测试分析方法样品由国土资源部华东矿产监督检测中心、国土资源部南京矿产检验检测中心、国土资源部合肥矿产资源监督检测中心分析。
2.3评价方法评价方法参照地质调查局地下水污染调查评价技术要求（2011版）进行。评价过程中，由于方法检出是定性的，且各实验室不同，综合考虑《地下水质量标准》（GB/T 14848-2007）和《地下水污染调查评价规范》（DD2008-01），样点测试指标按单点单指标评价制图，不做区域性等值线评价制图，更直观反映调查测试实际情况。单指标评价结果以I、II、III、 IV、V 类划分，I～III类水为优良级别，IV、V类水为劣质水，对生物可以造成健康危害。采样点分布具体见图1。
3.1总体评价结果根据测试分析结果，对区域浅层地下水中3种元素进行评价，具体表述为检出率和超标率。检出率计算公式为：检出率（%）= 检出点总数/样品总数。超标率公式为：超标率（%）=超标点总数（超过III类水上限）/样品总数。
由表1可见，浅层水中重金属均有检出，其中As检出率远高于Hg和Cr6+。3种元素含量超过III类水评价限的相对较少，最高者为As，超标率为9.76%，最低者为Cr6+，仅为0.2%。
3.2Hg分布特征研究区内浅层地下水中Hg检出率较低，尤其豫西山地前缘、鲁南山地前缘、大别山北缘地带未有Hg检出。在检出的少量含Hg地下水中，有2.09%的样点超标。超标点主要集中在徐州、淮北、商丘东、济宁一带，在淮南、周口东、泰安南、蚌埠西一带也有少量超标，呈零星分布状态（图2）。样点集中区为淮河流域境内典型的煤炭工业基地。 3.3As分布特征As在研究区内检出率较高，超过40%的样点都有As检出。超标样点也较多，超标率达到9.76%（图3）。超标样点总体呈分散分布，在两大区块少有集聚。一个集聚区为江苏里下河以东地区，另一个集聚区为豫东皖中地区。里下河以东地区相对于淮河中上游地区来说，是个独特水文地质单元，其在含水系统形成过程中有废黄河三角洲、淮河三角洲、海岸带变迁等多重沉积因素；豫东皖中地区为区内人口密集、城镇密集地区，工农业活动对环境造成的负荷较重。
3.4Cr6+分布特征研究区内Cr6+检出极少，在4 070组参评样品中，179组有检出，仅8组超过III类水上限，超标率002%。样点不均匀零散分布于淮河流域，其中安徽、山东境内没有超标点（图4）。
3.5重金属来源分析Hg、As有自然来源和人为来源。自然生成的Hg、As主要来源于火山活动、地质沉淀所产生的矿物化学过程。自然产生的Hg赋存于大气、矿物、土壤、水中，As赋存于矿物、土壤、水中，就富集程度而言，As一般是大于Hg的。Cr6+有别于As和Hg，其来源基本全部是人为活动造成的。3种重金属的人为来源主要由工农业生产及城镇居民生活污染所造成。
3.5.1工业来源。工业能源大都以煤、石油类为主，它们是环境中汞、铬、砷等重金属污染的主要来源。在采矿、选矿、冶炼、锻造、加工、运输等工业生产过程中会产生大量的重金属污染。排放的废水、废渣等直接进入水体及土壤中，废气中的重金属经沉降也进入土壤等环境中，从而使得环境中重金属浓度严重超标。淮河流域平顶山、商丘、徐州、淮北、淮南、济宁是全国著名的煤炭基地，采掘业发达。
3.5.2农业来源。在农业生产中，污水灌溉、农药、劣质化肥等的不合理使用是重金属污染的重要途径。以磷肥为例，生产磷肥的磷矿石成分复杂，含有重金属如铬等，因此如不合理地使用，劣质化肥中的重金属杂质会直接导致土壤和地下水被污染。淮河流域位于黄淮海平原中南部，是全国重要的商品粮基地，农业生产活动频繁[3]。
3.5.3城镇生活来源。城市日益变成重金属污染的重要来源之一，污染过程主要包括污水处理中产生污泥的堆放、垃圾渗滤液的泄漏以及汽车交通等。污水处理厂产生的污泥中含有大量的重金属，如不经处理直接排放或者灌溉，会对土壤环境造成二次污染。城市垃圾在焚烧过程中产生的飞灰及堆放填埋过程中产生的渗滤液中的重金属通常也会严重超标。淮河流域以为平原为主，人口众多，城镇密度较大，且经济欠发达，污染随意排放现象严重，污水处理程度不够[4-5]。
4Hg、As、Cr6+危害及农业用水建议
4.1危害Hg、As、Cr6+的自然危害就是构成环境污染。进入水中难溶，构成水污染；进入土壤构成土壤污染；进入大气构成大气污染；被生物吸收构成生态污染。且重金属污染难分解、难处理。Hg、As、Cr6+的人体危害是通过人体直接接触或者食物链影响人体健康。具体危害如下。
4.1.1Hg。食入后直接沉入肝脏，对大脑视力神经破坏极大。天然水每升水中含0.01 mg，就会强烈中毒。含有微量的汞饮用水，长期食用会引起蓄积性中毒。
4.1.2As。会使皮肤色素沉着，导致异常角质化。
4.1.3Cr6+。会造成四肢麻木，精神异常。
4.2农业用水建议
4.2.1农村饮用水用水建议。淮河流域广大农村地区现在仍以村民自打井为主要供水方式，浅层地下水为该供水系统的主要供水水源。针对该部分供水需求，可以从以下几方面规避减少地下水中重金属的影响。
4.2.1.1切断污染源，减少重金属污染物质进入地下水循环系统。可以通过宣传教育、立法执法方式，禁止农村居民在水井汇水范围内进行地表污水排放、固体废物随意堆置等行为，减少污染源对地下水的污染。
4.2.1.2改变供水方式。寻找洁净浅层地下水水源地，进行村镇一级的集中供水，对供水水源及供水设施进行统一管理，可以提高防污效果；同时集中供水可以增加单井开采量，增大地下水循环速率，提高地下水含水系统环境自净能力。
4.2.1.3改变取水层位。可以进行区域深层地下水资源评价，在资源保障情况下，适当采取深层地下水。深层地下水为承压水，是相对封闭系统，受人为污染较小。
4.2.2农业灌溉用水建议。淮河流域为国家主要商品粮基地，农业灌溉对水量需求较大。近年来区内地表水污染严重，地下水在农灌中发挥的作用越来越大。对于农灌开采地下水，可以从以下方面减少重金属污染的影响[6]。
4.2.2.1进行作物产区规划。对于土壤和地下水中重金属超标严重区域，尽量避免种植重金属宜富集粮食作物和蔬菜。如莴苣、芦蒿等植物，易吸收Cr6+，那么在Cr6+污染区就尽量不种植该类蔬菜。
4.2.2.2适当调整灌溉井结构。目前淮河流域农灌井大部分地区以大口井为主，该类水井易受地表污染物进入。可进行统一规划，施工一些小口径水文地质钻孔（水井），并根据水文地质条件，进行孔内隔水、滤水，防止污染物进入。
4.2.2.3建立农灌井监测网。随着地下水灌溉量的增加，对地下水水位、水质的监测工作有必要纳入统一管理。通过监测网的建设，可以实时掌握浅层地下水的水质变化，为农用水管理、规划提供科学数据。
参考文献
[1] 叶念军，龚建师，葛伟亚，等.中国地质调查局南京地质调查中心.淮河流域平原地区地下水污染调查评价综合研究及专题研究报告[R].2012.
[2] 叶念军，龚建师，杨则东，等.淮北（安徽）地区水文地质调查报告[R].中国地质调查局南京地质调查中心，2013.
[3]马孟莉，卢丙越，刘艳红，等.镉对云南省主栽水稻品种幼苗生长的影响[J].江苏农业科学，2014，42（3）：50-52.
[4] 祝云龙，孙小舟，胡亚辉.大通湖及东洞庭湖蒌蒿中重金属元素的含量特征[J].江苏农业科学，2014，42（2）：248-250.
[5] 刘桓嘉，刘永丽，张宏忠，等.城市污泥堆肥土地利用及环境风险综述[J].江苏农业科学，2014，42（2）：324-326.
关键词 淮河流域；重金属；分布特征；农业用水；建议
中图分类号S181.3文献标识码A文章编号0517-6611（2014）30-10698-03
基金项目中国地质大调查项目（1212010634500，1212011121146）。
作者简介龚建师（1981- ），男，河南邓州人，助理研究员，从事水工环地质调查及研究工作。
自然状态下的重金属以原生微量元素状态存在，一般对人类健康没有危害。随着社会经济的迅猛发展，人类活动强度加速，化学产品日益剧增，经过各种途径进入地下水环境的重金属越来越多，对水体造成严重污染。一方面危害水-土生态系统，对农作物产生各种有害作用；另一方面通过饮用水、皮肤接触、食物链途径直接或间接地影响人类健康。在这些重金属（类金属）污染物中，尤以汞、镉、铬、铅、砷的毒性最大。
近年来国内外对于地下水污染的调查研究规模在加大，程度在加深。国土资源部、中国地质调查局自2006年以来在淮河流域启动“淮河流域平原地区地下水污染调查评价”和“淮北（安徽）地区水文地质调查项目”，对区域地下水质量现状和污染程度进行评价。该研究以上述地质大调查项目为依托，以和人类活动关系密切的淮河流域浅层地下水为目标研究层位，对地下水中的重金属Hg、As、Cr6+赋存现状、分布特征进行评价[1-2]。在此基础上对流域内农业用地下水开发利用提出建议，为区内农业生产、经济规划提供参考依据。
1研究区概况
1.1地理概况淮河流域包括淮河水系与沂沭泗河水系，总面积约26.9万km2。其中，淮河水系面积约18.9万km2，沂沭泗河水系面积约8万km2，流域主要覆盖河南、安徽、江苏、山东4省。
流域总的地形为由西北向东南倾斜，淮南山丘区、沂沭泗山丘区分别向北和向南倾斜。流域内有山区、丘陵、广阔的平原及湖泊洼地，其面积分别占流域面积的百分比为：山区占13%，丘陵占19%，平原占52%，湖泊洼地占16%。
1.2土壤类型淮河流域山区、丘陵区主要分布为棕壤、褐土（成土母质为各类岩石风化物、洪积冲积物及人工堆垫物）和水稻土。淮河中上游平原地区主要为黄潮土（系由河流沉积物和近代黄泛沉积物发育而成）、砂疆黑土和棕潮土等，并在其间零星分布着小面积的盐化潮土和盐碱土；淮河下游平原水网区为水稻土，系由第四纪湖相沉积层组成；苏鲁两省滨海平原新垦地多为滨海盐土，含盐量较高。
1.3地下水类型及特征淮河流域地下水主要分为松散岩类孔隙水、碳酸盐岩类裂隙岩溶水和基岩裂隙水3种类型。其中分布最广的为松散岩类孔隙水，其次为岩溶水和基岩裂隙水，但有供水意义的主要为孔隙水和岩溶水。
平原区松散岩类孔隙水在区内分布最为广泛，按其埋藏深度可分为浅层地下水和深层地下水。在流域内平原区地表下30～55 m之间，区域上广泛分布有一层14～20 m厚的粘性土层。因此，传统上大致以地表下50 m为界限，将埋深小于和大于50 m的松散岩类孔隙含水层组分别划分为浅层含水系统和深层含水系统。流域内农村个体自打井、集体开掘井基本都位于50 m以浅，所以淮河流域内具有农业供水意义的地下水含水系统就是50 m以浅的浅层含水系统。淮河流域上游地区地下水基本是由西北流向东南，南部西部则由西向东流。北部岗状平原区浅层孔隙地下水水位埋深一般大于6 m；北部低缓平原区大部分为2～4 m；南部地下水位埋深大部分小于2 m。浅层孔隙地下水水位主要受降水和蒸发及地表水影响，水位变幅一般为1.5～2.5 m。
2样品采集及测试方法
2.1样品采集在淮河流域采集地下水样品并进行无机组分测试的共5 934组，其中浅层地下水样（埋深小于50 m）4 653组，该研究中参评样数4 592组。样品采集时间主要集中于每年的枯水期和平水期。
2.2测试分析方法样品由国土资源部华东矿产监督检测中心、国土资源部南京矿产检验检测中心、国土资源部合肥矿产资源监督检测中心分析。
2.3评价方法评价方法参照地质调查局地下水污染调查评价技术要求（2011版）进行。评价过程中，由于方法检出是定性的，且各实验室不同，综合考虑《地下水质量标准》（GB/T 14848-2007）和《地下水污染调查评价规范》（DD2008-01），样点测试指标按单点单指标评价制图，不做区域性等值线评价制图，更直观反映调查测试实际情况。单指标评价结果以I、II、III、 IV、V 类划分，I～III类水为优良级别，IV、V类水为劣质水，对生物可以造成健康危害。采样点分布具体见图1。
3.1总体评价结果根据测试分析结果，对区域浅层地下水中3种元素进行评价，具体表述为检出率和超标率。检出率计算公式为：检出率（%）= 检出点总数/样品总数。超标率公式为：超标率（%）=超标点总数（超过III类水上限）/样品总数。
由表1可见，浅层水中重金属均有检出，其中As检出率远高于Hg和Cr6+。3种元素含量超过III类水评价限的相对较少，最高者为As，超标率为9.76%，最低者为Cr6+，仅为0.2%。
3.2Hg分布特征研究区内浅层地下水中Hg检出率较低，尤其豫西山地前缘、鲁南山地前缘、大别山北缘地带未有Hg检出。在检出的少量含Hg地下水中，有2.09%的样点超标。超标点主要集中在徐州、淮北、商丘东、济宁一带，在淮南、周口东、泰安南、蚌埠西一带也有少量超标，呈零星分布状态（图2）。样点集中区为淮河流域境内典型的煤炭工业基地。 3.3As分布特征As在研究区内检出率较高，超过40%的样点都有As检出。超标样点也较多，超标率达到9.76%（图3）。超标样点总体呈分散分布，在两大区块少有集聚。一个集聚区为江苏里下河以东地区，另一个集聚区为豫东皖中地区。里下河以东地区相对于淮河中上游地区来说，是个独特水文地质单元，其在含水系统形成过程中有废黄河三角洲、淮河三角洲、海岸带变迁等多重沉积因素；豫东皖中地区为区内人口密集、城镇密集地区，工农业活动对环境造成的负荷较重。
3.4Cr6+分布特征研究区内Cr6+检出极少，在4 070组参评样品中，179组有检出，仅8组超过III类水上限，超标率002%。样点不均匀零散分布于淮河流域，其中安徽、山东境内没有超标点（图4）。
3.5重金属来源分析Hg、As有自然来源和人为来源。自然生成的Hg、As主要来源于火山活动、地质沉淀所产生的矿物化学过程。自然产生的Hg赋存于大气、矿物、土壤、水中，As赋存于矿物、土壤、水中，就富集程度而言，As一般是大于Hg的。Cr6+有别于As和Hg，其来源基本全部是人为活动造成的。3种重金属的人为来源主要由工农业生产及城镇居民生活污染所造成。
3.5.1工业来源。工业能源大都以煤、石油类为主，它们是环境中汞、铬、砷等重金属污染的主要来源。在采矿、选矿、冶炼、锻造、加工、运输等工业生产过程中会产生大量的重金属污染。排放的废水、废渣等直接进入水体及土壤中，废气中的重金属经沉降也进入土壤等环境中，从而使得环境中重金属浓度严重超标。淮河流域平顶山、商丘、徐州、淮北、淮南、济宁是全国著名的煤炭基地，采掘业发达。
3.5.2农业来源。在农业生产中，污水灌溉、农药、劣质化肥等的不合理使用是重金属污染的重要途径。以磷肥为例，生产磷肥的磷矿石成分复杂，含有重金属如铬等，因此如不合理地使用，劣质化肥中的重金属杂质会直接导致土壤和地下水被污染。淮河流域位于黄淮海平原中南部，是全国重要的商品粮基地，农业生产活动频繁[3]。
3.5.3城镇生活来源。城市日益变成重金属污染的重要来源之一，污染过程主要包括污水处理中产生污泥的堆放、垃圾渗滤液的泄漏以及汽车交通等。污水处理厂产生的污泥中含有大量的重金属，如不经处理直接排放或者灌溉，会对土壤环境造成二次污染。城市垃圾在焚烧过程中产生的飞灰及堆放填埋过程中产生的渗滤液中的重金属通常也会严重超标。淮河流域以为平原为主，人口众多，城镇密度较大，且经济欠发达，污染随意排放现象严重，污水处理程度不够[4-5]。
4Hg、As、Cr6+危害及农业用水建议
4.1危害Hg、As、Cr6+的自然危害就是构成环境污染。进入水中难溶，构成水污染；进入土壤构成土壤污染；进入大气构成大气污染；被生物吸收构成生态污染。且重金属污染难分解、难处理。Hg、As、Cr6+的人体危害是通过人体直接接触或者食物链影响人体健康。具体危害如下。
4.1.1Hg。食入后直接沉入肝脏，对大脑视力神经破坏极大。天然水每升水中含0.01 mg，就会强烈中毒。含有微量的汞饮用水，长期食用会引起蓄积性中毒。
4.1.2As。会使皮肤色素沉着，导致异常角质化。
4.1.3Cr6+。会造成四肢麻木，精神异常。
4.2农业用水建议
4.2.1农村饮用水用水建议。淮河流域广大农村地区现在仍以村民自打井为主要供水方式，浅层地下水为该供水系统的主要供水水源。针对该部分供水需求，可以从以下几方面规避减少地下水中重金属的影响。
4.2.1.1切断污染源，减少重金属污染物质进入地下水循环系统。可以通过宣传教育、立法执法方式，禁止农村居民在水井汇水范围内进行地表污水排放、固体废物随意堆置等行为，减少污染源对地下水的污染。
4.2.1.2改变供水方式。寻找洁净浅层地下水水源地，进行村镇一级的集中供水，对供水水源及供水设施进行统一管理，可以提高防污效果；同时集中供水可以增加单井开采量，增大地下水循环速率，提高地下水含水系统环境自净能力。
4.2.1.3改变取水层位。可以进行区域深层地下水资源评价，在资源保障情况下，适当采取深层地下水。深层地下水为承压水，是相对封闭系统，受人为污染较小。
4.2.2农业灌溉用水建议。淮河流域为国家主要商品粮基地，农业灌溉对水量需求较大。近年来区内地表水污染严重，地下水在农灌中发挥的作用越来越大。对于农灌开采地下水，可以从以下方面减少重金属污染的影响[6]。
4.2.2.1进行作物产区规划。对于土壤和地下水中重金属超标严重区域，尽量避免种植重金属宜富集粮食作物和蔬菜。如莴苣、芦蒿等植物，易吸收Cr6+，那么在Cr6+污染区就尽量不种植该类蔬菜。
4.2.2.2适当调整灌溉井结构。目前淮河流域农灌井大部分地区以大口井为主，该类水井易受地表污染物进入。可进行统一规划，施工一些小口径水文地质钻孔（水井），并根据水文地质条件，进行孔内隔水、滤水，防止污染物进入。
4.2.2.3建立农灌井监测网。随着地下水灌溉量的增加，对地下水水位、水质的监测工作有必要纳入统一管理。通过监测网的建设，可以实时掌握浅层地下水的水质变化，为农用水管理、规划提供科学数据。
参考文献
[1] 叶念军，龚建师，葛伟亚，等.中国地质调查局南京地质调查中心.淮河流域平原地区地下水污染调查评价综合研究及专题研究报告[R].2012.
[2] 叶念军，龚建师，杨则东，等.淮北（安徽）地区水文地质调查报告[R].中国地质调查局南京地质调查中心，2013.
[3]马孟莉，卢丙越，刘艳红，等.镉对云南省主栽水稻品种幼苗生长的影响[J].江苏农业科学，2014，42（3）：50-52.
[4] 祝云龙，孙小舟，胡亚辉.大通湖及东洞庭湖蒌蒿中重金属元素的含量特征[J].江苏农业科学，2014，42（2）：248-250.
[5] 刘桓嘉，刘永丽，张宏忠，等.城市污泥堆肥土地利用及环境风险综述[J].江苏农业科学，2014，42（2）：324-326.