李亚松 , 张兆吉, 费宇红 , 钱 永 ,王 昭, 陈京生, 张凤娥

1)中国地质科学院水文地质环境地质研究所, 河北石家庄 050061;

2)河北省地下水污染机理与修复重点实验室, 河北石家庄 050061

地下水不仅是供给我们日常用水的主要来源,同时也是复杂的生态环境系统中敏感的组成因子之一, 地下水的变化往往会影响生态环境系统的天然平衡状态。地下水对于北方地区有着至关重要的作用, 如京津唐地区地下水对总供水的贡献率可达62%(聂振龙等, 2011), 地下水一旦遭到污染, 将会对人体健康造成直接或间接的危害(王晓燕等,2002)。人类活动增强、降水量减少均可导致浅层地下水补给减少(王金哲等, 2010), 水资源的质量优劣就尤为重要。

早期的地下水污染主要来源于常规组分、病原微生物和毒性重金属, 但是近30年以来, 伴随着工业的迅猛发展和大量有机试剂和产品的使用, 水体有毒有机物污染成为了新的研究热点(蒋金花,2003), 地下水中的有机污染物对人体健康产生了不同程度的危害(石建省等, 2000; 李政红等, 2010;高存荣等, 2011)。目前, 全世界已经在水体中测定出 2221种有机化学污染物 , 我国地下水中的单环芳烃、卤代烃和有机氯农药污染已有所显露(郭秀红等, 2006), 有机污染所带来的危害不容忽视。

滹沱河平原地区地下水资源研究较为深入, 早在“六五”国家重点科技攻关项目第38项“华北地区水资源评价和开发利用研究”中, 就对区域地下水质量状况进行了评价, 并计算了相关参数, 但是仅限于常规无机组分。大规模的地下水样品采集和测试分析工作, 尤其是有机组分研究尚属空白。滹沱河平原地处华北平原西部(图 1), 处于山前补给区的第一个过流区, 其地下水质量状况对于整个华北平原中部地区有着至关重要的意义。因此滹沱河冲积平原地下水污染调查评价示范工作的开展对于该区地下水质量和污染研究有重要的理论价值和现实意义。

图1 研究区位置图Fig.1 Location of the study area

1 数据来源与研究方法

1.1 研究区概况

研究区属于典型的山前冲洪积平原, 地势西北高, 东南低, 属于暖温带半湿润半干旱大陆型季风气候区, 多年平均气温 13.3℃, 降雨量年内和年际变化不均, 多集中在6—8月份, 多年平均降雨量为531.4 mm。

研究区东部与北北东走向的河道带冲积平原相接, 北部和南部为冲积扇两翼, 含水层发育渐差,呈扇间洼地相堆积, 第四系松散堆积物厚度由山前的200 m增至东部的600 m。含水层岩性西部多为厚层砂砾石, 部分为砾卵石, 向东逐渐变细, 以中粗砂主。在东部及扇缘交错地带, 中细砂及粉细砂分布较多, 部分地带则以中细砂及粉细砂为主。地下水总体流向是西北向东南流, 地下水主要补给方式为大气降水、河渠水入渗和灌溉回归等, 主要排泄方式为人工开采。

自20世纪80年代以来, 农业生产的发展、人口的增长以及工矿企业不断增多, 对水资源的需求量越来越大, 随着人口增长地下水开采量逐年加大,地下水水位埋深随之逐年降低(图 2), 地下水的持续过量开采已经在局部地区形成了水位降落漏斗,地下水位不断下降引发了一系列的环境地质问题,其中代表性的是水质变差、地面沉降等等(毕二平等,2001)。由于工厂大都建立在透水性好, 水量充足的河流两岸, 且河床多为砂性土, 大量工业及生活废水通过无防渗的沟渠排入河流, 使得污染物随水连续渗漏, 以直接或间接的方式进入地下含水层, 造成地下水, 特别是浅层地下水的污染, 对安全和可持续供水带来了威胁。

图2 正定县南牛村地下水动态Fig.2 Dynamic variation of groundwater in Nanniu Village, Zhengding County

1.2 地下水样品采集与测试

2 结果与分析

2.1 地下水质量状况分析

图3 研究区地下水样品采集点分布图Fig.3 Distribution of groundwater samples in the study area

根据地下水污染调查评价相关规范和评价标准, 选择52项指标参与综合评价, 参评指标见表1。地下水质量评价方法是地下水质量评价的重要工具,选取的评价方法是否合理也是地下水水质评价结果客观与否的关键。随着科学技术的不断进步, 近几十年来, 国内外专家、学者进行了深入的探索, 提出了多种水质评价的方法和模型, 如综合指数法、模糊综合评价法、灰色聚类法等多种基于数学模型的方法(李立军等, 2014; Yusuf, 2007; Alexander,2008), 并有学者对其进行了对比和评价, 发现其各有优缺点(李亚松等, 2011), 在痕量指标较多的情况下评价结果可能会失真, 或评价结果的物理意义难以明确, 部分学者还对评价方法进行了改进(李亚松等, 2009, 2012a; 王昭等, 2009)。本次研究采用基于改进的模糊数学综合评价法, 可以较为客观地分析地下水质量状况。

传统意义上的模糊数学评价法是依据模糊变换原理, 以隶属度来描述地下水水质的模糊界线,各污染物的单项指标对各水质级别的隶属度所构成的矩阵, 即为模糊关系矩阵, 参照各指标的理化性质及毒理特征可以得出参评指标的权重矩阵, 采用取小取大、相乘取大、取小相加和相乘相加四种算子复合可以得出地下水质量综合评价的结果, 在参评指标较多, 尤其是重金属指标、有机指标等痕量指标参评的情况下, 相乘相加算子的评价结果相对较为客观(李亚松, 2009), 但是同时也存在弊端, 评价结果容易受常规指标中的超标指标控制, 影响了评价结果的走向, 比如若某些样品只有单项重金属或有机组分超标, 且浓度较低, 则有可能由于参评指标较多而导致部分样品最终评价结果为 II类或III类水, 然而重金属组分和有机组分的毒理性不容忽视, 此部分评价结果会对地下水资源的利用产生误导。为客观评价地下水质量, 引导民众有效利用地下水资源, 对评价方法进行改进, 主要是对评价结果进行修正, 将存在毒理指标超标且评价结果为I-III类样品评价结果调整为IV类, 修正后的评价结果则可以客观反映区域地下水质量状况。

表1 评价指标体系Table 1 System of evaluation indexes

由综合评价结果分布图(图 4)可以看出, 超III类水点占到总取样点的21.5%, 主要分布在以下几个地区: (1)石家庄市区东南部。该区为老工业基地及其他工业聚集区, 如华北制药厂、石家庄市焦化厂、第三棉纺厂、第六棉纺厂等几个大型企业均集中分布在石太铁路以南区域, 成为影响该区域地下水质量的主要影响因素; (2)排污河道两侧区域。受上游水库截流的影响, 研究区内大多数河流常年断流, 形成“有河皆干、有水皆污”的状况, 磁河、木刀沟、滹沱河、洨河等河流均成为沿线企业的纳污渠, 河流侧渗对浅层地下水影响较大, 而且部分地区采用污水灌溉加大了影响范围; (3)地下水防污性能较差地区。滹沱河冲积平原西部位于冲洪积扇顶的轴部, 包气带基本以砂性土为主, 这种包气带结构和岩性, 有利于地下水的补给, 但是其防污性能也相对较差, 工厂排污、垃圾填埋场渗滤液入渗、污水沟渠渗漏等均可造成地下水中各组分含量异常。

2.2 无机组分超标统计

无机组分中总硬度、铁、锰、碘化物、溶解性总固体、硫酸根离子和硝酸盐超标率相对较高(图5), 其中铁和锰可能受天然环境影响所致, 总硬度和溶解性总固体则主要是由于人类活动影响所导致,除去受地表垃圾场淋滤液渗漏及污水河流入渗影响外, 本区浅层地下水由于过量开采, 已经形成了地下水位降落漏斗, 包气带厚度增大, 地下水过量开采引起水动力场和水文地球化学环境的改变、污染载体与包气带和含水围岩之间发生一系列的水文地球化学作用, 这些作用促使土壤及其下层沉积物中的钙镁易溶盐、难溶盐及交换性钙镁由固相向水中转移, 从而使得地下水硬度和溶解性总固体含量增加。

研究区三氮污染主要发生在浅层地下水中, 主要污染形式为硝酸盐氮, 超标率偏高, 超标点多集中在滹沱河冲洪积扇顶轴部, 包气带岩性基本以砂性土为主, 属于防污性能较差区域, 工厂排污、农业氮肥施用、生活垃圾填埋等均可造成地下水中三氮组分含量过高。浅层地下水个别点显示亚硝酸盐氮超标, 可判定有新近污染组分的排入。

本区毒性重金属指标中铅和六价铬检出率较高, 分别为 65.07%和 14.35%, 仅有个别点超标,砷、镉和汞则在区域内几乎未检出, 毒性重金属的检出受垃圾填埋场分布、工厂排污等影响较大。

2.3 有机组分检出统计

区内检出的有机组分种类为 22种, 检出率较高的为三氯甲烷、四氯乙烯和四氯化碳等卤代烃组分和邻二氯苯(图 6), 三氯甲烷检出率达 13.13%,四氯乙烯和四氯化碳相对较低, 分别为 2.71%和2.29%(表2), 其他组分如三氯乙烯、1,2－二氯乙烷和邻二氯苯等则有零星检出, 检出率均在 1.5%左右。半挥发组分总体检出较少, 5组水样总六六六检出, 1组水样总滴滴涕检出。浅层水有机组分检出种类和检出数量均高于深层井, 浅层地下水主要检出组分为三氯甲烷、四氯乙烯、四氯化碳和 1,1,2-三氯乙烷, 深层地下水中四氯乙烯无检出, 其他组分检出率相对浅层水也较小。纵观全区, 有机污染主要以卤代烃和氯代苯类为主, 苯系物、单环芳烃和多环芳烃则检出相对较少或无检出迹象。

图5 无机组分超标率对比图Fig.5 Comparison of exceeding-standard rates for inorganic components

研究区有机污染组分可排除来自天然环境的可能, 主要来自于人类活动的影响, 绝大多数地下水中有机污染异常区域均位于工业区或排污河流附近。至于为什么主要污染类型为卤代烃和氯代苯类,利用有机污染组分污染指数(GUS)对比则可做出解答。GUS(groundwater ubiquity score)被认为是用来描述化学物质淋溶迁移性的最适用指数(Guzzella et al., 2006), 已经得到了国内外较多学者的使用(Primi et al., 1994; 王昭, 2008; 李亚松等, 2012b)。

(2)斜板组模块化。由相同的斜板组模块进行组合与集成，形成所需要的设备总沉降面积，能简单实现设备的大型化。

计算公式为: GUS=logDT50×(4–logKoc)

式中, DT50为有机物在土壤(或沉积物)中的半衰期(单位: 天), 表示有机物的持久性; Koc为土壤(或沉积物)有机碳吸附系数, 代表达到吸附平衡时有机物被土壤或沉积物中有机碳吸附的浓度与其水相浓度之比。

GUS值代表了污染物的迁移性, GUS值越高,就代表了该组分的淋溶迁移性越强, 相对而言就越容易对地下水造成威胁。GUS的数值主要分为3个区间, 分别为基本不淋溶迁移、过渡区间和高淋溶迁移性, 以 1.8和 2.8为分级界限。通过计算得出,在地下水有机测试组分中, 三氯甲烷、四氯化碳、1,1,2-三氯乙烷、四氯乙烯、1,2-二氯乙烷和邻二氯苯六种组分的 GUS值较高(表 3), 其中三氯甲烷在土壤中和沉积物中的GUS值分别为4.71和6.31, 即为高淋溶迁移性组分, 同时大量的数据统计分析也可以得出三氯甲烷的检出率高达14.02%, 这也为其在地下水中的高检出率提供了佐证。人类活动增多是导致有机物进入环境的主要因素, 但是有机物在地下水系统中的浓度在一定程度上是受其自身的理化性质影响和控制。

3 讨论

滹沱河冲积平原由于靠近山前补给区, 包气带颗粒相对较粗, 地下水循环更替速度快, 长期以来主要以浅层地下水作为主要供水水源, 水量丰富,水质优良。但是随着城镇化进程加快以及工农业的迅速发展, 研究区地下水质量劣化较为明显, 地下水受到了不同程度的污染。地下水污染质的污染状况及分布是受何种因素影响, 是需要讨论的关键。

图6 深层有机组分检出率对比图Fig.6 Comparison of detection rates with organic components in deep groundwater

表2 研究区有机组分污染特征分析表Table 2 Analyses of organic pollution characteristics

表3 有机组分在土壤和沉积物中的污染指数Table 3 Pollution indexes of halogenated hydrocarbons in soils and sediments

3.1 原生水文地质环境, 是大部分污染组分分布的主要控制因素

区域原生水文地质条件对污染组分的赋存和迁移有一定的制约作用。滹沱河冲洪积扇的顶部,包气带岩性较粗, 渗透性好, 如石家庄市区、新乐和栾城等地, 地表污染物极易进入地下含水层, 三氮超标点集中, 有机组分检出点较多, 且检出项数也相对明显较多; 位于冲洪积扇中部大部分地区,如藁城和无极等, 由于表层岩性颗粒变细, 粘性土夹层增多, 渗透性降低, 因而垂向污染减小, 无机超标点仅在城镇区及排污河流两侧出现, 并仅有个别点检出有机组分; 而位于冲洪积扇前缘的深泽、辛集等地, 由于包气带岩性主要以粘土为主, 垂向渗透性非常小, 因而防护性能较好, 地表污染物较难于进入含水层, 而且侧向污染物经过过渡带的截留和吸附, 到达扇缘部分浓度已经非常小, 且绝大部分样品未检出有机组分。

3.2 人类活动加剧, 是造成毒性重金属、三氮、有机物检出、超标的重要因素

滹沱河平原自20世纪70年代末期以来, 社会经济发展迅速, 城市化进程加快, 城市规模逐渐扩大, 人口不断膨胀。随着人类活动的加剧, 石油类污染, 城市垃圾和生产生活污水的不合理处置以及农业生产农药、化肥的大量使用, 同时环境保护立法、管理等方面相对滞后, 导致地下水污染状况日趋加重。纵观地下水水质劣质地区, 均为人口集中、工业密集、人类活动频繁的地区, 可以说人类活动强度和地下水质量优劣有着直接的关系。

3.2.1 地表水体污染严重,直接威胁地下水质量

研究区内大部分河流为季节性河流, 并且受到上游修建水利工程和气候趋于干旱的影响, 绝大部分河流常年干涸, 仅靠近山前地区河流在汛期有短时间过流, 冲洪积扇扇缘地区河流大多成为沿线城镇及工矿企业的纳污渠。大部分的工业废水都就近排入了排污渠, 城市生活污水则由下水道进入了排污渠, 大部分河流污染较为严重, 依据河北平原 62个河流水质监测断面测试数据显示, 有 48个断面地表水达到了Ⅴ类标准, 占 77.42%, Ⅲ类地表水仅有8个断面, 仅占12.90%。研究区内多条河流污染严重, 如 滹沱河、 洨 河、磁河、木刀沟等, 河水中除常规离子浓度偏高, 毒性重金属部分存在超标现象以外, 绝大多数地表水样品均检测出苯、乙苯、甲苯、二甲苯、二氯甲烷、1,2－二氯乙烷、三氯甲烷、苯并(a)芘等有机污染组分, 甚至存在超标现象。河水中的污染质通过渗滤进入地下, 对浅层地下水水质带来直接的威胁。

3.2.2 悠久污水灌溉,对土壤、地下水造成极大的影响

石家庄市污水灌溉区位于东明渠和 洨 河两岸,年排放的污水量为 3.04亿立方米, 灌溉总面积438.8 km2, 主要为工业废水和生活污水, 污染物为氯化物、CODMn、BOD5、SS、硫化物等。栾城、元氏和赵县等位于污水河两岸的农田, 常年引污水灌溉农田, 导致土壤肥力下降、农作物减产, 对浅层地下水造成的危害更是无法估量。

3.2.3 工业、生活污水处理率低,在城乡结合部大量排放,对土壤、地下水产生点状、线状污染

滹沱河冲洪积扇全区零散分布有800多家企业,工业、生活污水处理率低, 无序排放, 野外调查发现部分乡镇企业产生的污水, 未加处理通过偷排、漏排向地下、地表排放, 造成河流、土壤、地下水呈点状、线状污染。

3.2.4 工业区、生活垃圾场对土壤、地下水造成严重的点状污染

生活垃圾广泛分布, 城市的生活垃圾、废塑料、废纸、金属、煤灰等等, 含有较多硫酸盐、氯化物、氨混杂物和腐败的有机质, 这些废物在生物降解和雨水淋滤的作用下, 产生 Cl–、SO42–、NH4+、COD、Mn和悬浮固体含量高的淋滤液, 这些垃圾的随意堆放, 大多数没有采取防渗措施, 最终以污水形式补给并污染地下水。

3.2.5 农业超量使用化肥、农药,对区域土壤、地下水质量产生直接影响

滹沱河平原年施用化肥总量约为 170万吨(实物量), 农药总量约为 1.3×104万吨。过量施用化肥和农药, 在降水或灌溉过程中, 通过农田地表径流、排水和地下渗漏, 使其大量进入土壤和地下水所造成污染, 化肥、农药进入水体后在水流的作用下稀释扩散, 污染范围逐渐扩大, 造成大面积的水体污染, 会对地下水质量构成重大威胁。

4 结论

通过对研究区地下水质量以及防污性能研究,可以得出以下结论:

1)水质评价结果显示超 III类水样点占总取样点的 21.5%, 主要位于工业集散地以及排污河流沿线, 此外区域水文地质条件对于地下水质量也造成一定的影响, 冲洪积扇轴部水质要明显劣于中部以及扇缘地带;

2)研究区地下水无机组分超标率较高的为总硬度、铁、锰、碘化物、溶解性总固体、硫酸根离子和硝酸盐, 有机组分检出率较高的为三氯甲烷、四氯乙烯和四氯化碳等卤代烃组分和邻二氯苯, 高检出率组分污染指数值均较高, 有较好的一致性;

3)通过地下水化学指标检出与超标因素分析,得出原生水文地质环境和人类活动影响是造成毒性金属、三氮、有机检出和超标的重要因素, 地表水体污染、污水灌溉、垃圾堆放和农业中过量施用化肥、农药均是导致地下水中污染组分异常的根源。

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