杨丽芝, 曲万隆, 佟照辉, 刘春华, 刘中业

1)山东省地质调查院, 山东济南 250013; 2)青岛地质工程勘察院, 山东青岛 266071;

3)山东省地质测绘院, 山东济南 250014

改革开放以来, 鲁北平原经济持续快速稳定发展, 城市化进程加快, 生活污水和工业废水超标排放问题、农药化肥大量使用问题以及由此而引发的水污染问题日趋严重。同时, 鲁北平原东部黄河三角洲有我国第二大石油工业基地——胜利油田, 随着油气资源的大规模开发利用, 特别是石油化工、精细化工等高污染企业的增多(孙剑锋等, 2011), 大量的污染物通过不同途径进入地下水体, 使得浅层地下水污染越来越突出(代杰瑞等, 2011), 严重威胁着三角洲湿地生态系统安全(李政红等, 2010)。本次地下水污染调查发现, 鲁北平原浅层地下水中有机物检出种类多达13种(杨丽芝等, 2011), 个别含量很高,严重威胁着地下水质量及当地居民生活饮用水安全。本文通过对鲁北平原污染源调查、地下水样品采集与有机污染组分测试, 掌握了鲁北平原浅层地下水有机污染特征及污染来源, 为该区生态环境保护和污染治理提供了科学依据。

鲁北平原地处黄河下游, 位于山东省的西北部, 南部以黄河为界, 东临渤海, 西及西北与河南省和河北省相接。区内辖聊城市、德州市全部,滨州市大部, 东营市、济南市小部分地区, 面积约3.2万 km2。研究区地势平坦开阔, 以黄河冲积平原为主, 东北部为黄河三角洲和滨海平原。气候属于暖温带大陆型季风气候区, 多年平均气温 11.7～14℃, 多年平均降水量 598 mm(1956—2012年)。区内主要河流有马颊河、徒骇河、德惠新河等。

自中生代末期以来, 鲁北平原接受了巨厚的新近纪—第四纪松散沉积物。区内地下水系统主要由新近系上部明化镇组和第四系组成(张宗祜等, 1997;刘春华等, 2014), 自上而下可划分为4个孔隙含水岩组。本次研究的浅层地下水, 即为第Ⅰ含水岩组,厚度一般为 40 m 左右, 属于潜水, 水位埋深 3～20 m, 是农业和部分生活用水的主要开采层, 其生态意义重大, 地下水更新能力较强(杨丽芝等, 2009),也是最容易受到污染的含水层。浅部含水层是整个地下水系统的保护屏障, 因此, 保护浅层含水层,是保护整个地下水系统的关键。

1 污染源调查与样品采集、测试

1.1 污染源调查

地下水污染源按成因类型一般分为生活污染源、工业污染源和农业污染源, 本区与地下水有机污染有关的污染源主要是工业污染源。

1.1.1 点状工业污染源

据不完全统计, 区内共有工业生产企业 759家,以石油为主要原料的石油化工、纺织、冶炼化工、精细化工、造纸、食品加工是本区主要产业支柱, 占全部企业数的66%, 其中保龄宝生物、滨化集团、山东晨鸣纸业集团股份有限公司等3家企业为2008年度中国 500强企业。污染源分布在总体上呈现出以下规律: 在工作区西部造纸、化肥化工比较发达, 这与西部种植业发达, 化肥的需求量大有关; 东部以石油化工为主, 这与东部地处石油开采区有关, 如山东滨化集团有限公司, 利津利华益集团股份有限公司、东营华联石油化工有限责任公司、山东中海石化有限公司均分布在工作区的东部, 年原油加工能力可达680×104t。同时还有皮革、纸浆、制药、热电等高污染企业遍地开花(图1)。污染企业大都分布在距市区较近的工业园区, 部分污废水由集中的管道进入当地的污水处理厂, 部分甚至大部分污废水由明渠暗道排入地下(杨丽芝等, 2011)。东部胜利油田采油区采油井众多, 采油过程中会造成原油散落, 原油输送过程中因管道腐蚀、打孔盗油等因素造成管道破裂、原油泄漏事件时有发生。由于上述工业污染源区第四系多为粉细砂, 包气带厚度小,气带厚度小, 地下水防污性能差(钟佐燊, 2005;Gogu et al., 2000; Rupert, 2001), 工业废水、固体废料的排放对地下水构成极大的威胁。

1.1.2 河流线状污染源

研究区共有36家污水处理厂, 但运行情况均不容乐观, 大多数污水处理厂仅对污水进行了简单处理就排放到附近沟渠内, 达不到排放标准。而且地表水排放标准中没有有机物指标标准, 对有机物不采取任何措施。据本次调查和采样测试评价结果: 研究区主干河流徒骇河、马颊河、德惠新河、漳卫新河、潮河等水质绝大部分时间均劣于Ⅴ类, 检出乙苯、甲苯、二甲苯、二氯甲烷、三氯乙烯、三氯甲烷、六氯苯、邻二氯苯、氯苯等多种有机物, 地表水成为区内地下水的线状污染源(见表1)。

图1 工业污染源分类图Fig.1 Classification of origins of pollutants

表1 主要河流及其污染物来源一览表Table 1 Statistics of dominating rivers and origins of pollutants

1.2 采样与测试分析方法

本项研究于 2006—2009年期间, 密集型采集浅层地下水样品共 1084组、选择性采集地表水样42组(图2)。所有样品均进行有机污染组分测试, 测试项目达37项。地下水样品直接从井口采集, 采集前清洗井孔, 排出全孔储存水。水库和较大河流地表水样采样深度在水深0.5 m以下, 排水沟渠及河流支流水深不足1 m时, 控制在实际水深的1/2处采样。现场采用便携式、笔式测试仪测试气温、水温、pH值、电导率、溶解氧、氧化还原电位和浑浊度。地下水提水泵和出水套管材料为PTFE和不锈钢, 提水泵类型为正压泵。采样时进水流率控制在为 0.2～0.5 L/min, 不产生气泡和气体流失现象, 专用的VOA样瓶和SVOA样瓶密封, 4℃专用冷藏箱内保存和运输(饶竹等, 2009)。样品有机测试由中国地质科学院地下水科学与工程重点开放实验室完成。采样过程中按5%采集平行样品, 并全程设置加标样和空白样跟踪监控采样质量。

2 有机污染特征分析

2.1 浅层地下水有机物检出与超标

1084组浅层地下水样品有机物检出的共涉及400组样品, 其中有机指标检出1项的277组, 检出2项的90组, 检出3项的12组, 检出4项及以上的21组; 总有机指标检出率为36.9%。有机指标共检出 13类, 检出指标包括邻二氯苯(24.63%)、甲苯(9.23%)、乙苯(2.49%)、二甲苯(2.03%)、苯(1.75%)、二氯甲烷(7.1%)、1,2-二氯乙烷(2.31%)、三氯乙烯(1.01%)、三氯甲烷(氯仿)(1.01%), 个别样品检出溴仿、1,1,2-三氯乙烷、1,2-二氯丙烷和四氯乙烯。

尽管浅层地下水有机物检出率较高, 但含量相对较低, 仅局部地段存在有机物超标现象。在1084个样品中, 仅 3个样品有机物含量超过生活饮用水卫生标准(GB5749—2006)(王昭等, 2009), 超标项目分别为苯、1,2-二氯乙烷。其中1个样品1,2-二氯乙烷, 超标倍数为1.2倍; 2个样品苯超标, 超标倍数为20倍、5倍(见表2和图3)。

2.2 浅层地下水有机污染评价

本次采用“单因子污染评价方法”, 进行单指标评价。该方法以环境背景值和《地下水质量标准》中Ⅲ类水的水质标准为参考对照, 通过如下公式计算各参评指标污染指数:

式中,Pki-k水样第i个指标的污染指数;Cki-k水样第i个指标的测试结果;C0-有机指标, 其背景值都取为检出限;CIII-《地下水质量标准》中指标i的Ⅲ类指标限值。

污染指数同表3中污染分级标准对照划分污染等级, 得出各水样单因子污染等级划分结果。

图2 鲁北平原浅层地下水取样点分布图Fig.2 Sampling sites of shallow groundwater in Lubei plain

表2 浅层地下水有机指标检出率、超标率统计表Table 2 Statistics of detection rates and standard-exceeding rate of organic pollutants in shallow groundwater

图3 浅层地下水有机指标检出率、超标率统计图Fig.3 Statistic diagram of detection rates and standard-exceeding rate of organic pollutants in shallow groundwater

表3 单因子污染指数分级标准Table 3 Classification criteria of single-factor organic pollutants

对单因子污染评价完成并依次划分好等级后,将各水样单因子污染等级做比对, 规定其中污染等级最高因子的等级划分结果作为该水样点的地下水污染综合评价结果, 即Pk=Max(Pki)。鲁北平原浅层地下水污染评价结果见图4。

2.3 浅层地下水有机污染特征

从有机污染程度分析, 重污染(污染程度Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ级)所占比例较低, 为0.4%, 反映在样品数量上: 重污染1个, 严重污染2个, 极重污染1个。中度污染所占比例为0.8%, 样品个数为8个。轻污染的地下水样品个数及区域占 35.8%, 未污染的地下水样品个数及区域占 63%。根据测试结果分析, 甲苯、1,2－二氯乙烷是引起浅层地下水严重和极重污染的主要因子, 邻二氯苯是引起浅层地下水轻微污染的主要因子。

从区域分布特点分析: 研究区中东部挥发性有机指标污染情况较严重, 济阳—临邑—陵县往东呈聚集性分布有相对较多污染点, 以轻污染为主, 临邑—商河一带分布多个严重污染区; 工作区西部则零星分布有少量轻污染点和中污染点。

从有机物总量分析, 中东部地区形成两个明显的污染区。一个以商河县贾庄镇为中心形成一条东西直径32 km、南北直径28 km的椭圆形有机污染区, 面积近900 km2, 并形成明显的污染晕, 污染区地下水有机污染物总量大于 1 μg/L, 最高大于603.24 μg/L, 两个有机中度污染水井和两个重度污染(超标)水井即位于该污染区。另一个以利津和河口区为中心形成一条东西长110 km、南北宽35 km的长条形有机污染区, 面积近3820 km2。污染区地下水有机污染物总量大于 1 μg/L, 最高大于32.54 μg/L, 均属轻度污染, 目前没有发现超标水点(图5)。中东部是胜利油田主要陆上采油区, 地下水以垂直运动为主, 地下水埋深一般在 1～5 m, 包气带岩性多为粉土。尤其是黄河三角洲地区, 包气带土质疏松, 环境脆弱(武强等, 2006), 地下水埋深1～3 m, 防污性能差。石油原油洒落及石油化工等工矿企业污废水的排放, 无任何屏障直接进入地下水,对地下水造成了不同程度的污染。

3 浅层地下水有机污染影响因素分析

浅层孔隙地下水有机指标检出项目较多, 共 13类, 检出指标包括卤代烃类(检出率11.4%)、单环芳香烃类(检出率11.9%)、氯代苯(邻二氯苯, 检出率24.9%)等。除邻二氯苯外, 检出率最高的为甲苯和二氯甲烷。甲苯和二氯甲烷来源非常广泛, 纺织、炼油、油漆和油墨制造、橡胶加工、造纸、制药、铸造、有色金属、钢铁等行业均能产生甲苯和二氯甲烷。

有机指标检出2项及以上的样品多分布在济阳—临邑—宁津一线往东, 在济阳、临邑、商河采油区及排污沟渠两侧地下水样品中有机指标检出项目尤其多, 一般检出 4～5项, 主要是邻二氯苯和卤代烃或者邻二氯苯和单环芳香烃共同检出。

图4 浅层地下水污染评价图Fig.4 Map evaluating the degree of pollution in shallow groundwater

图5 浅层地下水中有机物总量图Fig.5 Total organic pollutants map of shallow groundwater

浅层地下水卤代烃的检出主要集中在济阳县大部、商河县及惠民县沿黄局部、利津县城区周边;芳香烃的检出主要集中在商河—惠民—阳信局部、无棣东北沿海局部、高唐城区南部局部、莘县—阳谷局部以及齐河到德州段京沪铁路沿线; 邻二氯苯的检出主要分布在武城县北部大部及济阳—临邑—陵县—宁津一线往东全区, 西部仅零星散布个别点检出。

总体来讲, 检出的有机污染物种类主要与石油及石油化工污染源有关; 污染物分布区域也在中东部地区, 这也与石油开采、存储及石油化工污染源的分布相关。商河污染区的范围大致和临盘采油区的位置一致或相近, 重污染点和有机物超标点也主要分布在该区域, 利津至河口污染区分布在河口采油区内(图5)。采油区不仅污染源密集, 而且地下水系统的防污性能较差(王金婷等, 2011), 因此认为,鲁北平原浅层地下水有机污染分布及程度均受污染源的分布及种类控制。

污染区主要分布在研究区的中东部地区, 这与油田采油区的位置及石油化工企业的分布有较好的相关性。尤其是在临盘采油区, 形成了一个相对集中的较重污染区, 检测出了多个严重污染点和有机物超标点。这与采油井密度大、采油历史长久, 且少量老油井采用小油罐储存并用机动车运输原油有关。同时, 采油区石油化工企业多, 尤其是一些个体粗加工的小型石油化工企业, 对土壤及浅层地下水污染相当严重。

4 结论

鲁北平原浅层地下水在部分地区已受到有机物污染, 有机物检出项目共有13种, 主要为卤代烃类、单环芳香烃类和氯代苯类, 总检出率为 37%,单项检出率最高的为邻二氯苯, 检出率 24.9%。检出的有机物含量较低, 一般未超过饮用水标准的最低限量, 超标率为0.3%, 超标有机物为苯、1,2-二氯乙烷。污染程度较低, 一般为轻污染, 仅局部地段出现中度污染和重度污染。

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