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(1.西北大学 城市与环境学院，陕西 西安 710127；2.西北大学 陕西省地表系统与环境承载力重点实验室，陕西 西安 710127)

地下水是淡水资源的重要组成部分，是人们生产生活用水的主要来源之一。咸阳市位于黄河最大支流渭河的北岸，地下水资源丰富，开采条件较好，是咸阳地区人们生活、工农业生产的主要用水来源，但由于人们多年对地下水的大量开采以及对保护的不重视，已经造成咸阳地下水漏斗以及地下水污染等问题，直接影响了咸阳人民的生产生活。针对咸阳市地下水污染问题，白峰青等综述了咸阳市地下水污染的现存污染问题及相关影响因素，并提出了水源地保护的对策[1]；黄兴国等对咸阳市区23个地下水监测井所采数据进行模糊综合评价处理，从水质对各级水的隶属度分析得出城区水源地地下潜水污染严重且其原因主要为渭河水污染[2]；刘淑娟针对咸阳市地铁建设对地下水环境造成的影响进行了简述，其建设过程中工程水泥、油污和垃圾杂物的排入会对地下水产生不同程度的影响[3]；王克等对关中盆地主要城市浅层地下水特征分析研究，对咸阳市地下水埋深、水层厚度、补给来源以及水化学特征做了系统的总结概述[4]；苏英等针对咸阳城区地下水多年水质数据分析得出高氟地下水的形成是由水文地质、气候环境等多种因素造成的[5]。但尚仍缺少针对地下水多个污染物的具体来源分析，因此本文针对咸阳部分地区45个地下水监测井所得总硬度、氟化物、氯化物、硝酸盐、六价铬、硫酸盐及溶解性总固体七个重要指标进行分析，其结果可为之后的地下水开采利用及保护工作提供参考。

1 研究区域概况及研究方法

1.1 研究区域概况

咸阳市处于关中平原中部，东经107°33′49″至109°10′35″，北纬34°11′48″至35°19′18″之间，南临西安，北接甘肃、延安，东连宝鸡，西望铜川，地理位置优越，是古丝绸之路的起点。咸阳属于温带大陆性季风气候，四季分明。全市多年均降水量567.9 mm，多集中在夏季6、7、8月。本文研究区域包括咸阳南部及西北部秦都、渭城、兴平、武功、乾县、礼泉、泾阳、三原、永寿、彬县、长武十一个县(区、市)。区内地势西北高东南低，地形复杂，中部的断续中低山脉沿东西向分布，将研究区分为南、北两大具不同特色的自然景观：南部多为平原，地势平坦，可分为河流阶地区和黄土台塬区；北部临近黄土高原，沟壑纵横，可分为黄土高原沟壑区和黄土丘陵沟壑区。本研究区域共设45个地下水监测井，其分布情况见图1。

1.2 研究方法

根据《GB/T 14848-93地下水质量标准》，地下水质量按其污染物浓度可分为五类：一、二类主要反映地下水化学组分的天然低背景含量，适用于各种用途。三类以人体健康基准值为依据，主要适用于集中式生活饮用水及工、农业用水。四类达到农业和工业用水要求，且适当处理后可作生活饮用水。五类不宜饮用，其他用途要进行一定处理。

地下水质量用模糊综合评价方法加以评估。模糊数学在环境评价领域中应用广泛，采用隶属度的概念来表达客观事物是模糊数学的基点。人为地用特定的分级标准去评价环境水质分类往往是不确切的，用模糊综合评价则可以得到科学全面的分类结果。其步骤具体为：

(1)模糊关系矩阵R：模糊关系矩阵反应每个监测井水样所检测的n个污染指标对于每一类水质的隶属度，水质共分五类，则得n行5列的模糊关系矩阵：

(1)

(2)因子隶属度的模糊矩阵A：A由于是各个污染因子对于水质污染的贡献大小，及其之间拮抗、相加等影响大小不同，对它们赋予不同的权重ai而构成一个n维行向量：A=a1,a2,a3……ai]。

图1 研究区县域及45个地下水监测井对应位置图

2 结果与分析

2.1 总硬度

由45个监测井的数据可得图2(a)总硬度分布情况，从图2(a)可见，咸阳市三原县南部、泾阳县东部、乾县南部以及渭河沿岸(兴平市、渭城区)地下水总硬度含量超标严重，超过五类地下水总硬度550 mg/L的标准。分析其总硬度超标的原因有两个，一是地下水总硬度含量较高地区人口密度均高达514余人每平方公里，生活产生的污废水、粪便以及咸阳市渭河沿岸堆放的近4.0×105万 t垃圾等有机物在外界条件下发生氧化、分解作用，形成酸类物质，促使土壤中的钙、镁矿物质进入浅层地下水中，致使地下水硬度升高[1]。二是咸阳市三原县、泾阳县、乾县、渭河沿岸地下水开采量逐年增大，导致渗流场改变，加速了盐分的迁移和污染，进而促使土壤及其下层沉积物中的钙、镁盐向水中转移，使得地下水总硬度偏高[6]。

2.2 氟化物

由45个监测点数据可得图2(b)氟化物分布情况，从中可见咸阳总体地下水氟化物污染情况呈现出北部轻南部重的现象，乾县、礼泉中部及三原县北部最为严重，部分监测点超过五类水氟化物浓度2.0 mg/L的标准。分析其原因为：一是根据水文地质条件划分，咸阳市地下水高氟地区属于林-咸间渭河北黄土台原区，主要含水层为下伏河湖相砂砾石层，其沉积物粒径粗。不同沉积物对氟离子吸附率模拟淋溶试验表明，沉积物颗粒越细，对氟离子吸附能力越大，即氟离子渗入率随沉积物颗粒的变细而减少，因此含水层沉积物粒径粗，有利于地下水氟化物富集[7～8]。二是监测井所得数据显示氟化物污染达到五类水标准的地区地下水pH为8.0～8.5之间，呈弱碱性，且碱性水是我国北方有利于地下水氟离子富集的水质条件。三是由图2(a)可见三原县北部地下水硬度为一类水标准，乾县、礼泉地区地下水硬度为二三类水标准，地下水氟离子浓度也与硬度即钙离子含量呈负相关，为本地区地下水氟离子富集提供了条件[5]。相较其他污染物来源，地下水中氟化物的富集受含水层颗粒物粒径、水化学类型等水文地质因素影响较大[9]

图2 地下水总硬度和氟化物水质分布

2.3 氯化物

由监测井数据可得图3(a)氯化物分布情况，从图3(a)可以看出，咸阳大部分监测点地下水氯化物含量较低，然而三原县、泾阳县地下水氯化物严重超出四类水要求的氯化物浓度在250～350 mg/L的标准，部分监测点甚至超出五类水350 mg/L的标准。这些地区氯化物超标的原因如下：原因一是三原县境内仅清峪河红原厂以上端、浊峪河全段未受污染，其余河段均受工业污染，工业废水中含有大量的Na+[10]。并且，泾阳县在农业生产过程中大量使用农药、化肥，化肥中大部分含有K+、NH4+[11]。当这些离子接触土壤后，土壤会作为离子交换剂，交换出土壤中的Mg2+、Ca2+产生MgCl2、CaCl2，当土壤中的氯离子和总硬度超出土壤本身的吸附能力以后，污染物便会下渗进而污染到地下水。二是由于泾阳县大部分村落的垃圾处理没有统一规划布点，将生活垃圾直接倾倒于河边污染河水，垃圾在淋滤过程中也会释放出氯化物污染物，会造成地下水氯化物超标[11]。

2.4 硝酸盐

由45个监测井数据可得图3(b)硝酸盐污染分布情况，研究区域内地下水硝酸盐污染情况南部普遍重于北部，尤以永寿南部、乾县、礼泉、泾阳、三原和最南部渭城区和兴平市局部地区最为严重。人类活动是地下水硝酸盐的唯一污染源：其中最主要的来源是城市生活污水[12]。研究区南部渭城区、兴平市和三原城市化程度较高，城市生活污水排放量较大，生活污水的排放增加了地下水中硝酸盐的含量[13]。二是咸阳市农业园区、重化工厂等广泛分布于研究区南部乾县、礼泉、泾阳、三原、兴平和渭城区等地区，如乾县的现代农业园区，礼泉县的种牛养殖基地，三原县南部的重化工业园等。农用氮肥、动物粪便和工业废水尤其是化肥厂废水等因素也都是地下水中硝酸盐超标的原因之一[14～16]。三是地下水硝酸盐浓度与Cl-、Ca2+、Mg2+等呈较强的正相关关系，尤其从图2得到三原、泾阳南部地区地下水质硬度、氯化物含量相对较高，也会间接导致地下水中硝酸盐含量超标[12]。

图3 地下水氯化物和硝酸盐水质分布

2.5 六价铬

由45个监测井数据可得图4(a)六价铬分布情况，从图4(a)可知，咸阳市乾县，礼泉县，泾阳县，三原县，兴平市和渭城区的地下水六价铬污染严重，五类水主要集中在渭城区南部、泾阳县北部和三原县东部。分析地下水六价铬赋存严重的原因如下：一是地下水在在各不同岩性地层中有不同的流速，其在粉砂质等渗透性较强的地层中流速相对较快，六价铬赋存量也高；而在渗透性较低的杂填土地层中则地下水流速低，六价铬含量也低，因此粉细砂地层是六价铬污染赋存量最严重的地层[17]。渭城区、泾阳县和三原县属于咸-潼间渭河北阶地区，区内地下水主要含水层为第四系黄土土状粉砂土、砂质粘土，故而在该区内六价铬极易赋存。二是咸阳的东南部，即咸阳市区、泾阳县、三原县的电镀、化工、印染、煤矿等工厂分布较密集，排出的含铬工业废水会因六价铬的强迁移能力对厂周围的环境有很大影响。三是咸阳市地下水的开采量逐年增加，特别是永寿县、乾县、礼泉县、泾阳县、三原县、兴平市、咸阳市区地下水埋深持续下降[18]。地下水过度开采，使地下水位下降、漏斗区与非饱和带现象日益严重，地下水位补给源变化会与六价铬高度的迁移性相结合，使六价铬随地下水位下降而沉积，地下水污染概率就会随着漏斗面积的扩大而不断提高。并且六价铬污染不仅来自于工业污染，也有自然中铬的迁移转换，因此即使不靠近铬工业区，其地下水源如果出现过度开采，也会因为水位下降而出现六价铬污染深入累积的问题[17]。

图4 地下水六价铬与硫酸盐水质分布

2.6 硫酸盐

根据45个监测数据可得图4(b)，由图中可以看出，咸阳市三原县、泾阳县、渭城区、兴平市地下水硫酸盐浓度严重超标，部分监测点超出五类水硫酸盐浓度350 mg/L的标准，主要集中在咸阳市的东南部以及兴平市的西南部。经分析，地下水硫酸盐超标的原因如下：一是对灌溉前后泾惠区(包括三原县、泾阳县在内)土壤剖面硫酸盐矿物离子活度积的计算及分析得出该区地下水中的硫酸盐浓度过高主要是由于使用高硫酸盐的地下水灌溉以及它的入渗，同时硫酸盐在常温条件下溶解度很大，能在地下水中大量积累，导致三原县南部和泾阳县东部地下水硫酸盐浓度超标[19]；二是咸阳市地下水的开采量逐年增加，导致水位下降明显，特别是在泾阳县，三原县，兴平市，渭城区。地下水过度开采一方面改变了地下水径流、补给以及排泄的关系，导致地下水降落漏斗区由径流区变为排泄区，接受渭河的侧向渗漏和补给，使得地下水降落漏斗区的硫酸盐富集；另一方面改变了该区域饱和带和非饱和带的水化学环境，地下水水位下降，使得该区饱水带地层变成非饱和带，还原环境的地层变成氧化环境，从而使得在强还原环境下才可能发生的脱硫酸反应不能继续发生，导致该区域的硫酸盐含量增加[20]。

2.7 溶解性总固体

根据监测井数据得图5(a)溶解性总固体分布图，从图中可明显看出研究区南部地下水溶解性总固体污染情况重于北边，尤以三原、泾阳、渭城区南部最为严重，已超五类水2 000 mg/L的标准。主要原因有：溶解性总固体与此地区地下水中各种无机物如Ca2+、Mg2+、SO42-、NO3-、F-、Cl-、K+、Na+等浓度有关，尤其是与总硬度呈较明显的线性相关性[21]。咸阳市地下水总体上南部污染都要严重于北部，各类无机污染物都对地下水中溶解性总固体较高有一定贡献。另外咸阳市泾、渭河阶地区即三原、泾阳和渭城区近渭河区域自2004年以来地下水位呈下降趋势，地下水长期大量开采情况严峻，也导致溶解性总固体升高[18,22]

图5 地下水溶解性总固体与总水质分布

3 结语

由模糊综合分析法计算每个监测井水质对于五级地下水质量标准的不同隶属度，得出的总水质分布如图5(b)，可以看出研究区内地下水质呈现南部普遍差于北部的结果，尤其以三原县南部、秦都区、渭城区和泾阳县部分地区最为严重，与其人口和工业区分布有重要联系。并且在各项污染指标中，总硬度、硝酸盐、六价铬和溶解性总固体四个指标的超五类水分布面积最广、污染最重，分析其成因有土壤岩性、水文地质方面的自然因素，但最主要的是人们生产生活造成的地下水超采以及工农业污水、固体废弃物排放问题导致了地下水源污染。此外，地下水及其周围土壤环境中许多污染物之间存在一定的相关关系，如地下水质硬度较大、氯化物含量高有利于硝酸盐、溶解性总固体的升高；弱碱性水有利于地下水中氟化物富集；土壤中Na+、K+、NH4+含量高会促进地下会中氯化物的富集。因此治理咸阳市地下水污染，需关注各种污染物质以及环境介质土壤-水之间的相互影响关系，加强对城市和工厂污水排放的监管是最根本途径，此外在农业生产中须合理施用化肥农药并做好垃圾处理工作。