东营市地下水碘化物的空间分布特征及影响分析

韩术鑫，张 冲，栾玲玉，王利红，赵长盛，李 剑

山东省分析测试中心，山东 济南 250014

碘是一种人体所需的重要微量元素，通过参与甲状腺激素的合成，调节新陈代谢及生长发育过程。研究发现，碘的缺乏或过量均对机体的正常代谢产生负面效应，因此如何科学合理地摄取碘是当前亟待解决的关键问题[1-2]。除了食物，饮水是日常生活中人们获取碘的重要途径，世界卫生组织推荐的成人每日饮用水适碘量为80～150 μg/L[3]。我国很多地区取地下水作为饮用水，但地下水碘含量分布极不均匀，山区或丘陵地区缺碘严重，而华北和华中等地的黄泛平原区、山西晋中盆地和大同盆地等区域存在成片状的高碘地下水[4-5]。山东省地处黄河中下游，鲁西北、鲁西南和鲁中地区均分布高碘地下水[6]。济南、滨州、淄博等黄河沿线的高水碘地区均进行了相关的环境与健康调查，受到了广泛关注[7-9]。东营市地处黄河入海口的三角洲地带，属于黄泛平原区和滨海平原区的叠加区域，具有形成富碘地下水的水文地质条件[3]。因此，开展该地区地下水碘化物的调查工作，对探究复杂环境地质条件下高碘地下水的分布规律及对环境和饮用水安全的影响，全面掌握山东省高碘地区地下水的基础调查数据，具有重要意义。

1 研究方法

1.1 调查点位的布设

研究表明，地下水碘的富集与环境地质条件密切相关[10]，因此本次调查以小清河为界的两大环境地质区域进行布点，小清河以南的山前平原区和以北的黄泛平原区分别布设48个和47个调查点位，具体分布区域见图1。调查点位主要选择在人口稠密、工农业较发达的地区，特别侧重化工聚集区周边等环境敏感区域，由于黄泛平原区东北部地处黄河三角洲国家级自然保护区(包括核心区、缓冲区和实验区)，受人为活动干扰较小，故不在此区域布点。监测井均选取浅层地下水井。

图1 东营市地下水碘化物调查点位空间分布图Fig.1 Spatial distribution of survey points of iodide for groundwater in Dongying

1.2 数据质量控制

1.2.1 现场采集质控

按照《地下水环境监测技术规范》(HJ/T 164—2004)的要求，对水井进行洗井抽汲操作，达到相关要求后用贝勒管取样，所有碘化物样品均采用棕色硬质玻璃瓶封存，低温(0～4 ℃)避光保存。每批次样品设置一个全程空白，样品采集现场加入现场空白，确保运输和现场取样等环节符合质控要求。

1.2.2 实验室分析方法与质控

碘化物分析方法采用《生活饮用水标准检验方法 无机非金属指标》(GB 5750.5—2006)，对于质量浓度小于0.1 mg/L的样品采用硫酸铈催化分光光度法测定，大于0.1 mg/L的样品采用淀粉比色法测定。所有样品从现场到实验室均在24 h之内完成分析测试过程。

1.3 评价标准的选择

采用《地下水质量标准》(GB/T 14848—1993)对地下水碘化物进行环境质量评价，按照《碘缺乏病病区划分》(GB 16005—2009)和《水源性高碘地区和地方性高碘甲状腺肿病区的划定》(GB/T 19380—2003)的相关要求对具备饮用水条件的地下水进行健康风险评价。

1.4 数据处理

采用Origin 8.6进行统计分析，2组间比较采用t检验，以P<0.05为差异有统计学意义。运用ArcGIS10.2对数据进行空间插值分析。

2 结果与讨论

2.1 东营市地下水碘化物浓度统计分析

由表1可以看出，东营市地下水碘化物的浓度分布范围极其分散，质量浓度均值达到(0.247±0.263) mg/L，样品质量浓度主要分布在0～0.1 mg/L和0.2～1.0 mg/L 2个区间，分别占样品总量的42.1%和43.2%。极端高值(质量浓度大于1.0 mg/L)只出现一次，东营市地下水碘化物总体污染水平处于地下水环境质量标准Ⅳ类。依据地层构造、成因类型、地层岩性和沉积物来源，以小清河为界，整个东营市可划分成山前平原区和黄泛平原区[11]。从表1可知，山前平原区有75%的数据集中在0～0.1 mg/L(Ⅰ/Ⅱ类)，占整个东营市总量的90%，而黄泛平原区70.2%的数据处于0.2～1.0 mg/L区间(Ⅳ类)，占整个东营市总量的80.5%。t检验确证了2个区域地下水碘化物浓度分布在统计学上存在显著性差异(P<0.05)。

表1 东营市地下水碘化物的浓度分布一览表Table 1 Distribution of concentrations of iodide for groundwater in Dongying

2.2 东营市地下水的空间分布特征与环境质量评价

为了从宏观上更好地反映地下水碘化物的空间分布情况，在调查数据的基础上运用反距离权重法(IDW法)在东营市域内进行空间插值，并按照《地下水环境质量标准》中碘化物的等级进行划分，结果如图2所示。

图2 东营市地下水碘化物质量浓度空间分布图Fig.2 Spatial distribution of concentrations of iodide for groundwater in Dongying

由图2可知，环境地质对地下水碘化物浓度分布具有显著影响，小清河以南的山前平原区地下水碘化物的浓度范围呈现明显的片状分布。该地质单元内地下水环境质量等级由南往北分别处于Ⅰ/Ⅱ类、Ⅲ类和Ⅳ类，水质呈明显恶化趋势。小清河以北的黄泛平原区地下水碘化物主要处于Ⅳ类等级，而局部地区存在Ⅲ类和Ⅴ类水质，呈点状分布。其中在东部沿海局部地区、利津县和垦利县西南部存在质量浓度大于0.5 mg/L的超高碘地下水，污染程度较高。总体上，东营市地下水碘化物污染水平呈现由南向北逐步恶化的变化趋势，Ⅰ/Ⅱ类区域主要位于山前平原区南部，Ⅲ类区域主要出现在山前平原区中部，而Ⅳ类区域主要分布在黄泛平原区以及山前平原区北部近小清河处。

2.3 东营市地下水碘化物的健康风险评价

东营市虽然地下水资源丰富，但是大部分地下水为咸卤水，开发应用价值有限。本次调查的95个样品中只有不足1/3的样品氯化物浓度达到地下水环境质量标准Ⅲ类(小于或等于250 mg/L)要求，具备作为饮用水的基本条件。且这些点位绝大部分位于山前平原区南部，因此，着重对该区域的地下水碘化物开展健康风险评价与分析。山前平原区南部位于石村-颜徐-周庄分界线(第二次海侵古海岸线)以南[11-12]，是东营市唯一富存优质地下淡水资源的地区。依据《碘缺乏病病区划分》(GB 16005—2009)和《水源性高碘地区和地方性高碘甲状腺肿病区的划定》(GB/T 19380—2003)的相关规定，饮用水碘浓度所对应的健康风险等级如表2所示。

表2 饮用水碘含量与健康风险等级的对应关系Table 2 Corresponding relationship between iodidecontents in drinking water and health risk levels

按照对应关系，将广饶县域内地下水的碘化物和氯化物进行空间插值，结果见图3。从图3(b)可知，以地下水氯化物Ⅲ类标准形成的分界线与第二次海侵古海岸线基本吻合，因此以氯化物Ⅲ类标准作为地下水可饮用的基本条件是适当的。从图3(a)可知，在该区域内地下水碘化物对应的健康风险等级主要有3类：缺碘地区主要分布在井罐区东南部的大王镇，与青州市和寿光市相邻；高碘地区主要分布在分界线附近；井罐区其他地区除了存在零星点状分布的缺碘地区，均为适碘地区，但临近分界线的区域具有较高的风险过渡成为高碘地区。

注：1.石村镇辛桥；2.广饶县城规划区；3.稻庄镇政府驻地；4.大王镇政府驻地。A.石村；B.颜徐；C.周庄。图3 广饶县地下水碘化物和氯化物浓度空间分布示意图Fig.3 Spatial distribution of concentrations of iodide and chloride for groundwater in Guangrao

为宏观地反映该区域地下水的缺碘程度，对广饶县相邻4个地区的地下水缺碘情况进行了比较(表3)。受调查样品量的影响，各地区的缺碘程度可能存在一定偏差，但总体趋势依然具有借鉴意义。表3显示，广饶、博兴和寿光的地下水缺碘程度近似，比临淄和青州的情况稍好。该趋势与区域的环境地质状况可能存在一定的联系，临淄和青州地处山前平原的中前部，以丘陵或山间、山前平原为主，而广饶、博兴和寿光处于山前平原的中尾部，且临近沿海地区。总体来看，广饶县可饮用地下水处于中等缺碘水平。

表3 广饶临近地区地下水缺碘情况对比Table 3 Comparison of iodine deficiency ofgroundwater in the vicinity of Guangrao

3 讨论

3.1 东营市地下水碘化物空间分布成因分析

总体来看，东营市地下水碘化物污染水平较高，境内超过90%的国土面积处于地下水环境质量标准Ⅳ类。环境地质单元与污染水平呈现显著一致性，山前平原区主要对应Ⅰ/Ⅱ类、Ⅲ类，黄泛平原区主要对应Ⅳ类。说明地下水所处的环境地质概况对碘化物的分布具有重要影响。郭晓尉[14]等研究发现，山东省内黄河沿岸地区广泛存在地下水高碘地区，例如济南济阳县和商河县、滨州邹平县、淄博高青县分别有29.1%、16.9%和67.1%的区域存在水碘质量浓度高于0.15 mg/L的高碘地区[7-9]。历史上黄河多次改道泛滥形成的古浅水洼地区，由于黄河下游地区地形坡度小，冲湖积相沉积物中大量富碘的黏土和动植物残骸易于积聚在沿线两侧，导致有机质含量增多，碘吸附性增强，在还原环境下随同有机质分解而解析出碘，从而形成地球化学高碘区[3，6，15]。东营市地处黄河入海口的三角洲地带，与内陆黄河沿线地区相比，区域内形成的沉积层厚度和范围更大，因此形成明显的片状地下水高碘区。特别是垦利县和利津县的西南部，该区域环境地质处于济阳坳陷东部的沾化凹陷[16]，由于黄河主河道流经该区域，其裹挟的沉积物在此处积聚强度与周边相比更显著，易于形成地下水碘化物浓度大于0.5 mg/L的重污染区。由于地质坳陷导致的地下水碘富集的现象在沧州的黄骅地区也有相关报道[17]。

另外，东营市处于渤海湾和莱州湾中间，海岸线约占山东省海岸线的1/9，受海(咸)水入侵影响极大[18]。由图4可知，东营市超过90%的地区地下水氯化物处于环境质量标准Ⅴ类，其中80%左右氯化物质量浓度超过5 000 mg/L。对碘化物和氯化物的空间分布进行对比可知，地下水碘化物Ⅳ类区与氯化物Ⅴ类区高度重叠，且碘化物质量浓度高于0.5 mg/L的区域均位于氯化物质量浓度超过5 000 mg/L的地区，说明两者存在正相关性。由于氯化物是海(咸)水入侵的特征因子，故海(咸)水入侵也是地下水碘化物空间分布的重要影响因素。研究表明该地区中更新世以来经历了5次海侵[12]，沉积了富碘海相沉积地层，海水浸没导致沉积物中可溶碘含量明显增大。此外，大气中碘含量分布存在较大差异，越靠近渤海大气含碘量越高，而沿海地区的地下水埋深均较浅，通过降水可直接输入碘化物至地下水中[3]。

3.2 东营市可饮用地下水碘化物的变化趋势及潜在风险

虽然当前广饶南部的地下淡水缺碘水平适中，但潜在的饮用水安全风险却逐年增高。从图3(b)可知，广饶县存在4个地下水漏斗中心区，由西北往东南分别为石村镇辛桥、广饶县城规划区、稻庄镇政府驻地和大王镇政府驻地，更为严峻的是，与之相邻的寿光、青州、临淄和博兴均存在地下水漏斗区[19-22]，形成了巨大的片状漏斗区。该区域地下水的正常走向为西南-东北走向，但是片状漏斗区改变了地下水的动力场，导致海(咸)水入侵逐年加剧。从图3(b)可知，地下水氯化物Ⅲ类区的分界线已经移至石村-颜徐-周庄分界线以南，4个漏斗区中石村镇辛桥和稻庄镇政府驻地已经处于海(咸)水入侵范围之内，大王镇政府驻地的氯化物浓度已经出现了由Ⅳ类向Ⅴ类的转化趋势，如果任漏斗区不断扩大，广饶县城规划区的地下水也会在不远的将来被海(咸)水入侵。分界线以北的山前平原区至小清河处于海(咸)水入侵的锋面位置，氯化物的浓度相较于小清河以北的黄泛平原区要低很多，说明海侵作用对该区域地下水的时间和强度相对较弱，这对研究地下水碘化物的变化趋势提供了重要的环境地质背景。从图3和图4可见，碘化物浓度随着氯化物浓度的增大而逐渐升高。可以预见，随着海侵作用时间的延长和范围的扩张，碘化物的浓度也会逐渐增高，高碘地区甚至高碘病区的范围会不断扩大，可饮用地下水的适碘地区将不断被蚕食直至消失。因此，为保障广饶南部可饮用地下水碘化物处于合理水平，有必要加大对漏斗区的整治力度。目前，广饶县通过控制地下水开采量、兴建淄河水库、“引黄补源”和“南水北调补源”等生态环保工程[11]，在一定程度上缓解了地下水的恶化趋势。但要根本上解决问题，仍需从全局上对整个片状漏斗区进行合理的产业布局和供给侧改革。

图4 东营市地下水氯化物浓度空间分布示意图Fig.4 Spatial distribution of concentrations ofchloride for groundwater in Dongying

4 结论

1)东营市地下水碘化物的浓度分布范围极其分散，质量浓度均值达到(0.247±0.263) mg/L，样品质量浓度主要分布在0～0.1 mg/L和0.2～1.0 mg/L 2个区间。东营市地下水碘化物环境质量呈现由南向北逐步恶化的变化趋势，Ⅰ/Ⅱ类区域主要位于山前平原区南部，Ⅲ类区域主要出现在山前平原区中部，而Ⅳ类区域主要分布在黄泛平原区和山前平原区北部近小清河处。且在利津和垦利县西南部和东部沿海局部地区存在碘化物质量浓度大于0.5 mg/L的重污染区，境内超过90%的国土面积处于地下水环境质量标准Ⅳ类。

2)山前平原区南部是东营市唯一具备可饮用地下水的区域，域内主要为适碘地区，缺碘地区主要分布在东南部的大王镇，高碘地区主要位于第二次海侵古海岸线附近。与周边相邻的4个行政区相比，广饶县可饮用地下水处于中等缺碘水平。

3)东营市地下水所处的环境地质概况对碘化物的分布具有重要影响。东营市地处黄河入海口的三角洲地带，大量沉积物在此区域内集聚，易于形成片状高碘地下水。沾化凹陷可能是导致利津和垦利的西南部形成碘化物重污染区域的内在原因。此外，地下水碘化物Ⅳ类区与氯化物Ⅴ类区在空间分布上高度重叠，说明海(咸)水入侵也是影响其空间分布的重要因素。此外，富碘大气通过降水也可将碘化物引入地下水中。

4)由于广饶县及周边地区形成了巨大的片状地下水漏斗区，潜在的饮用水安全风险不可忽视。海(咸)水入侵已成为影响可饮用地下水适碘地区范围的关键因素，需引起高度关注。

致谢：本次调查受到东营市环保局和各区县环保局的大力支持和密切配合，在此表示衷心感谢！