贵州织金县农村缺水地区分散供水水质分析与评价

摘要：西部农村缺水地区饮用水安全问题一直备受关注。针对贵州西部喀斯特农村缺水地区饮用水水质污染问题，以生活饮用水卫生标准（GB5749-2006）为标准，选取我国地氟病发病率最高的特殊地区——贵州织金县7个具有代表性的饮用水取水点为研究对象，采用主成分分析法对相关11项水质理化指标和3项微生物指标进行综合评价。结果显示，织金县农村缺水地区7个监测点中的水质主要受有机物和微生物污染，所有屋面雨水和中坝村岩溶水中CODMn和NH+4—N含量均超过饮用水标准限值。其中，官寨乡屋面雨水中CODMn最高超标7倍，荷花村屋面雨水中NH+4—N最高超标约3倍。在Fe、Mn离子浓度方面，官寨乡屋面雨水和岩溶水中Fe含量分别比饮用水限值超标2.5倍和5倍，荷花村岩溶水井3个月中Mn检出量分别比饮用水限值超标5倍、2倍和2.6倍。在微生物指标方面，7个监测点水样中菌落总数、总大肠菌群、耐热大肠菌群均呈现不同程度的超标，微生物指标合格率仅为28.6%。且随着枯水期时间增长，水质随着水流量的减小而逐渐恶化。因此，贵州西部农村缺水地区普遍用作饮用水的屋面雨水和岩溶水存在较大的健康风险，需要加强水质净化和消毒，方能达到安全饮用标准。

关键词：

西部农村缺水地区；分散供水；屋面雨水；岩溶水；水质评价；主成分分析法

中图分类号：X522

文献标识码： A

农村饮用水安全是反映农村社会经济发展和居民生活质量的重要指标，是影响居民健康水平的重要因素[1]。在农村饮用水各项检测指标中，分散式供水的超低消毒率造成了微生物的严重超标[2]，农村缺水地区的饮用水安全存在较大的风险。因此近年来，我国高度重视农村的饮用水安全问题，尤其是广大西部地区农村的饮用水安全[3]。

位于贵州省西北部的织金县是我国地氟病发病率最高的特殊地区[4-5]，该区域地貌以岩溶峰丛洼（谷）地最为发育，受构造和地貌的控制，浅层岩溶水被分割成相对独立的富水块段，岩溶水文地质系统小而分散[6]，属季节性和地形性水资源缺乏地区[7]，其供水以岩溶地下水和屋面雨水为主。目前，关于织金县农村缺水地区饮用水的水质安全鲜有关注。因此，针对织金县农村分散供水安全性的评价显得尤为重要。目前，关于饮用水的评价方法主要有综合指数法[8]、灰色聚类法[9]、模糊数学评价法[10]和神经网络法[11]等，但均存在多因子问题。主成分分析是一种通过降维技术能够在最大限度地保留原始数据信息的基础上，对高维变量进行综合和简化的多元统计分析方法[12]，并且能客观地确定各指标的权重[13]。

本文针对贵州西部喀斯特农村缺水地区饮用水水质污染问题，以生活饮用水卫生标准（GB5749-2006）为标准，选取贵州织金县7个具有代表性的饮用水取水点为研究对象，分析水样的pH、电导率（EC）、溶解性总固体（TDS）、水质硬度（以CaCO3计）、高锰酸盐指数（CODMn）、氨氮（NH+4—N）、硝酸盐（NO3—N）、氟化物（F-）、氯化物（Cl-）、硫化物（SO2-4）、亚硝酸盐氮（NO2—N）、铁（Fe）、锰（Mn）等理化指标及菌落总数、总大肠菌群、耐热大肠菌群、大肠埃希氏菌等微生物学指标，最后通过主成分分析法对织金县农村缺水地区分散供水水质进行评价，旨在为贵州西部缺水地区农村饮用水水质安全提供理论依据，也为缺水地区农村分散供水科学治理提供参考。

1研究区域概况

织金县位于贵州省中部偏西，岩溶发育。最低海拔860 m，最高海拔2262 m；年降雨量1436 mm，属亚热带季风气候，年平均气温14 ℃。由于地形差异较大，居民饮用水以分散供水方式为主。饮用水主要来源于封闭式水柜或者半封闭式水窖收集的未经任何处理的表层岩溶水、屋面收集的雨水以及桶装水，且有季节性缺水现象。通过社会实践调查，选取了荷花村、中坝村和官寨乡3个分散的典型区域。其中，荷花村氟骨病患者占全村总人数的80%，50岁以上的人群氟骨症发病率高达90%[4-5]，当地居民大都以煤为燃料，拌煤粘土的氟含量均值为1284 μg /g[14]；中坝村村内有煤矿开采区域，其饮用水主要采集于矿山周边的岩溶水；官寨乡拥有著名的风景区织金洞，其旅游业较为发达，游客众多。3个区域的饮用水可以代表燃煤区、煤矿开采区和旅游区的饮用水状况，分析和评价3个区域的农村飲用水安全状况，可以对后期的整个织金县或者贵州省的饮用水安全评价提供前期工作基础和参考意见。

2样品采集与实验方法

2.1样品采集

在3个分散典型自然村落区域内，每个区域选择2～3个采样点（表层岩溶水和屋面雨水为代表），共7个采样点（表1）。在枯水期内，于2015年11月、2015年12月、2016年1月对各采样点进行每月一次的样品采集，共3次。

2.2实验方法

pH、EC、TDS通过哈希HI98129型笔式pH计现场测定。其它指标以生活饮用水卫生标准（GB5749-2006）为标准，添加HNO3或H2SO4等保护剂，通过采样瓶密封运回实验室分析；用于检测微生物的水样用灭菌处理的棕色玻璃瓶采集，采用冰袋冷藏运回实验室分析。水质硬度（以CaCO3计）采用乙二胺四乙二酸滴定法；CODMn采用酸性高锰酸钾滴定法；NH+4—N采用纳式试剂分光光度法；NO3—N、F-、Cl-、SO2-4均采用离子色谱法、NO2—N采用重氮偶合分光光度法；Fe、Mn等指标采用原子吸收分光光度法；菌落总数采用平皿计数法；总大肠菌群、耐热大肠菌群、大肠埃希氏菌均采用多管发酵法。

3结果与分析

3.1饮用水理化指标分析

7个采样点中的屋面雨水均呈浅黄色，且含有少量肉眼可见物，而岩溶水均相对清澈。通过对pH、EC、TDS， 水质硬度（以CaCO3计）、CODMn、NH+4—N、NO3—N、NO2—N、F-、Cl-、SO2-4、Fe、Mn等理化指标测定。结果显示，不同采样点的屋面雨水中CODMn、NH+4—N含量均超标（图1），这主要可能因为屋面雨水收集过程中一直处于开敞式，空气中的飘尘、降尘等因风力和自身重力作用对屋面雨水影响较大，且官寨乡作为旅游区，交通相对便利，道路扬尘等因素致使CODMn、NH+4—N含量相对于其他区域偏高。所有监测点CODMn、 NH+4—N含量总体呈现随降雨量减小而升高趋势，可能是枯水季节降雨量减小导致稀释作用减小。另一方面，降雨量的减小致使岩溶水储存量减少，在通过管道输送过程中流速减慢，与环境污染物的接触时间增加而增加可溶性污染物的浓度。以煤炭为主要能源的织金县，金属离子（Fe、Mn）是煤炭中的代表性金属离子，对研究区域饮用水中浓度金属离子（Fe、Mn）检测发现，Fe仅在官寨乡的岩溶水和屋面雨水的1月份监测中出现超标，含量分别为075 mg/L和150 mg/L，超标25倍和5倍。主要原因可能是官寨乡监测点位于织金洞风景区周边，在1月份期间由于天气寒冷，煤炭在周边的餐饮服务业使用量多于其他地区，致使煤炭中的重金属Fe对官寨乡的岩溶自来水和屋面雨水产生污染。Mn仅在构造简易的荷花村路边水窖岩溶水中有检出，可能是周边的污染物进入路边未做任何防护措施的半封闭水窖，致使3个月含量分别为0.50 mg/L、0.20 mg/L、0.26 mg/L，分别超标5倍、2倍、2.6倍。其它理化指标在监测的采样点中均未超标。

3.2饮用水微生物指标分析

实验选取的7个代表性采样点的生活饮用水微生物指标受水源类型、水流量、周边环境等多因素影响。荷花村路边水窖水、中坝村水窖水和官寨乡屋面雨水3个月菌落总数检测中均未发现超标现象，其他监测点菌落总数均有不同程度的超标。总大肠菌群和耐热大肠菌群在路边水窖水和中坝村屋面雨水中均未检测出，而荷花村水窖水和官寨乡屋面雨水的3个月检测中全部检出，这可能与荷花村水窖长期处于封闭状态及水泥混凝土结构有关，细菌在水泥混凝土的储水池底部和侧壁滋生普遍，且岩溶水输送管道较长，细菌附着于管壁随新鲜的岩溶水一同注入储水池，这与张燕的研究结果基本相同[15]。官寨乡监测点处于织金洞风景区周边，交通发达，车辆行驶中的飘尘和降尘污染为微生物生长提供环境，其余检测点有不同程度的检出。3个月中，微生物指标合格率为28.6%；合格率最高的微生物指标是大肠埃希氏菌，合格率为100%；最低的是总大肠菌群，合格率为42.9%。

3.3主成分分析

主成分分析法也称主分量分析法，利用降维思想 ，将多维因子纳入同一系统中进行量化研究且理论较完善的多元统计分析方法[16]。本研究通过SPSS软件分析得到，Bartlett的球形度检验 χ2=296.476，P<0.01，KMO统计量为0.626 >0.6，综合以上檢验结果， 数据可用主成分分析法分析。

主成分个数的提取原则为特征值大于1的前m个主成分，在某种程度上，特征值可以被看成是表示影响力度大小的指标。如果特征值小于1，说明该主成分的解释力度比直接引入一个原始变量的平均解释力度小，所以确定用前4项主成分来对14项指标进行评价（表3），累积方差贡献率为8258%，虽然损失了17.42%的信息，但评价指标由14项简化为4项，极大地简化了分析程序。

有研究表明[17]，负载绝对值>0.75、0.5～075、0.3～0.5时，分别表示水质参数与主成分之间强、中、弱的关系。各主成分的因子载荷（表4）所示，第一主成分主要和EC、TDS、SO2-4、CODMn、硬度（以CaCO3计）高度相关，累计贡献率达到了41%，反映水质离子浓度和有机物；第二主成分和第四主成分主要和总大肠菌群、耐热大肠菌群、菌落总数相关，体现饮用水中微生物指标的影响；第三主成分主要和pH中度相关。

3.4采样点水质综合评价

根据主成分综合得分（表5）可以看出，在7个监测的采样点中，屋面雨水水质优于岩溶水水质。这主要是因为累计贡献率达到了41%的第一主成分和EC、TDS、SO2-4、CODMn、水质硬度（以CaCO3计）高度相关，反映水质离子浓度和有机物，屋面雨水主要是CODMn、NH+4含量超标，水质其他离子浓度均小于岩溶水水质离子浓度。在评价过程中，CODMn的因子载荷为负值，影响在平均水平之下，且NH+4—N不在4个主成分评价之中，所以在第一主成分累计贡献率为41%时，屋面雨水的水质优于岩溶水水质。单项的水质指标不能从整体上综合代表水质状况众多的水质指标间信息相互关联相互重叠，但能直接体现其与评价标准的关系，能直观反映其可能产生的健康效应[18]。在岩溶水评价中，荷花村岩溶水最好，单项水质理化指标监测结果均优于其他区域岩溶水，且在第一主成分中累计贡献率较大，虽然荷花村岩溶水在总大肠菌群和耐热大肠菌群3次均有检出，但在评价过程中，微生物指标属于第二和第四主成分，所占贡献率相对较小。

在时间分布上进行评价，2015年11月-2016年1月份期间，随着降雨量逐渐减小，综合得分总

体呈现逐渐增大趋势，表明7个采样点的水质变差。众多研究通过主成分分析法表明农村饮用水水质丰水期优于枯水期的水质[19-20]，本研究结果与他们研究结果一致。随枯水期时间增长，降雨量和储水量减小，水体污染物浓度升高，且增加了饮用水与污染物的接触时间，致使可溶性污染物浓度增加，表现出水质变差的结果。

4结论

（1）织金县农村缺水地区7个监测点中的屋面雨水和中坝村岩溶水的CODMn和NH+4—N含量均超过饮用水标准。其中，官寨乡的屋面雨水中CODMn最高超标7倍；荷花村的屋面雨水中NH+4—N最高超标约3倍；另外，官寨乡的屋面雨水和岩溶自来水中Fe含量分别比饮用水限值超标2.5倍和5倍；荷花村路边岩溶水井3个月中Mn检出量分别比饮用水限值超标5倍、2倍和2.6倍；其它理化指标均未超标，且作为地氟病重灾区，氟化物在检测过程中仍远低于饮用水标准限值。

（2）织金县农村缺水地区7个监测点中枯水期三个月中菌落总数、总大肠菌群、耐热大肠菌群均呈现不同程度的超标，大肠埃希氏菌未检出，微生物指标合格率仅为28.6%。

（3）主成分分析表明，织金县农村缺水地区的饮用水水质主要污染物为有机物和微生物。且在枯水期3个月的水质检测和评价过程中显示，随着枯水期时间增长，水质随着降雨量的减小而逐渐变差。

综上所述，贵州织金县农村缺水地区的饮用水主要受有机物和微生物污染，对当地居民的健康存在一定的风险，农村缺水地区饮用水安全问题不仅需要持续关注，而且需要加强管理和建设，在具备条件的情况下，需强化处理措施净化水质。此外，作为地氟病重灾区的该区域，氟化物的检测结果远低于饮用水标准限值，导致地氟病的途径及机制仍需要进一步研究。

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（责任编辑：周晓南）

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