包頭市地下水重金屬污染分布特征及來源

云利萍等

摘要：為了查明包頭市地下水質(zhì)量與污染狀況，在包頭市采集地下水樣品33組、地表水樣品4組，對其重金屬Cr、Cd、Hg、Pb和As等指標進行了測試分析。據(jù)此，運用水化學、環(huán)境地球化學、環(huán)境質(zhì)量評價和污染評價等理論和方法，分析了該區(qū)地下水重金屬含量分布、污染程度及來源。結(jié)果表明，包頭市四區(qū)地下水均受到不同程度重金屬的污染，其中東河區(qū)地下水重金屬元素檢出、超標點均為最多，污染程度最大；5種重金屬元素檢出率由高到低依次為Pb>As>Cd>Cr6+，按污染程度由高到低依次為Pb>Cr6+>As>Cd。通過對涉重企業(yè)廢水排放資料、土壤重金屬和地表水（污水）測試結(jié)果分析可得，工業(yè)廢水排放是地下水重金屬污染主要物質(zhì)來源。相關(guān)性分析結(jié)果表明地下水中Cd與Pb存在顯著相關(guān)性，二者可能具有同源性。

關(guān)鍵詞：包頭市；地下水；重金屬污染分布；污染來源

中圖分類號：X824 文獻標志碼：A 文章編號：

16721683（2014）05008105

Pollution distribution and source analysis of heavy metals in the groundwater of the Baotou City

YUN Liping1，LI Zhenghong2

（1.Baotou Light Industry Vocational Technical College，Baotou，Inner Mongolia 014030，China

2.Institute of Hydrogeology and Environmental Geology，CAGS，Shijiazhuang 050061，China）

Abstract：In order to investigate the groundwater quality and contamination in Baotou City，33 groundwater samples and 4 surface water samples were collected to analyze the heavy metals such as Cr，Cd，Hg，Pb，and As.The pollution distribution of heavy metals and their sources in four different districts in Baotou were analyzed using the hydrochemical analysis，environmental geochemical analysis，environmental quality assessment，and pollution evaluation methods.The results indicated that all four districts have heavy metal contamination and the heaviest pollution is detected in the Donghe district，where the samples with detection and over standard of heavy metals are the most.The order of detection rate of heavy metals is Pb>As>Cd>Cr6+，and the pollution degree is Pb>Cr6+>As>Cd.Based on the analysis of industrial wastewater，heavy metal contents in soil and domestic sewage，industrial wastewater effluent is the main source of heavy metal pollution.In addition，there is significant relationship between Cd and Pb，indicating that they may be from the same pollution source.

Key words：

Baotou City；groundwater；heavy metal pollution distribution；pollution source

重金屬元素（如Cr、Cd、Hg、Pb和As，其中As為類金屬元素）進入大氣、水、土壤環(huán)境或生態(tài)系統(tǒng)中，通過吸入、飲水等途徑攝入人體，在人體內(nèi)不斷累積，對人類健康危害極大[1]。因此重金屬在環(huán)境中的分布及其來源分析日益引起環(huán)境科學工作者的重視。包頭市是我國重要的鋼鐵工業(yè)基地，鋼鐵、鋁業(yè)、裝備制造、稀土、電力五大產(chǎn)業(yè)形成了其支柱產(chǎn)業(yè)，在我國北方經(jīng)濟格局中占有重要地位。發(fā)達的工業(yè)經(jīng)濟也為包頭市帶來大量的工業(yè)“三廢”，對包頭市城區(qū)周邊的水、土、大氣造成污染。地下水是包頭市重要供水水源，主要開采承壓地下水。有學者針對包頭市主要地下水供水水源地進行了地下水污染調(diào)查評價，認為地下水重金屬污染問題對該區(qū)地下水質(zhì)量產(chǎn)生了較大影響[2]。本文主要針對淺層地下水，了解區(qū)域上淺層地下水的重金屬污染狀況。因此，在包頭市城區(qū)采集淺層地下水樣品，測試分析對人類危害大的重金屬Cr、Cd、Hg、Pb的含量，研究包頭市淺層地下水中重金屬元素的分布規(guī)律，開展對該區(qū)淺層地下水中重金屬元素污染評價，為當?shù)卣峁┑叵滤廴痉乐未胧┨峁┮罁?jù)，以保障人民身體健康和社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。

1 研究區(qū)概況

包頭市地處內(nèi)蒙古自治區(qū)西部，現(xiàn)設(shè)旗縣區(qū)九個（青山區(qū)、昆獨侖區(qū)、東河區(qū)、九原區(qū)、白云區(qū)、石拐區(qū)、固陽縣、土右旗、達茂旗）。本次研究區(qū)為包頭市平原區(qū)，為河套平原的一部分，涉及青山區(qū)、昆獨侖區(qū)、東河區(qū)、九原區(qū)。該區(qū)北為烏拉山和大青山，東側(cè)是土默川平原，西為后套平原，整個地區(qū)呈中間高、四周低，北高南低，西高東低的地形，海拔997～2 338 m。氣候干燥，屬典型的半干旱溫帶大陸性氣候，年均降水在240～400 mm間，而蒸發(fā)量高達2 273.8 mm，年均氣溫8.5 ℃，年最低氣溫-27 ℃。黃河自城市南緣流經(jīng)，境內(nèi)長約214 km。地貌形態(tài)上，北部為山前沖洪積平原，南部為黃河沖湖積平原。平原區(qū)巨厚的第四系松散巖類廣泛沉積，其中賦存松散巖類孔隙水，由北向南含水層由全新統(tǒng)和上更新統(tǒng)的砂卵礫石逐漸變?yōu)槿陆y(tǒng)、上更新統(tǒng)以及中更新統(tǒng)下段的中細砂、粉細砂。含水層厚度由北部沖洪積扇頂部80～120 m逐漸減小為南部黃河沖湖積平原的20～40 m。地下水位埋深由北部扇頂部的30～50 m，至南部黃河沿岸的2～5 m。淺層地下水流向主要為由北向南，在市東北區(qū)域有局部地下水疏干現(xiàn)象[3]。

2 樣品采集與分析

為研究區(qū)域上淺層地下水污染狀況，采樣點基本均勻分布。本次研究于2012年9月-10月在青山區(qū)、昆獨侖區(qū)、東河區(qū)、九原區(qū)共采集地下水樣品33組，地表水（污水）樣品4組（采樣位置見圖1）。取樣井為民用壓水井、自吸泵井和農(nóng)灌井，除九原區(qū)哈林格爾鎮(zhèn)廠漢村、昆都侖區(qū)打拉亥村和青山區(qū)包鋼運輸部農(nóng)場3個水點井深在150～180 m外，其余地下水采集點井深均在20～70 m間。采樣前先清洗井孔，抽出大于井孔儲水量3倍的水量，再用井水清洗250 mL塑料瓶3次，然后取樣，加1∶1硝酸2 mL，貼標簽，并用密封膠帶密封瓶口，送實驗室檢測分析。分析項目為Cr、Cd、Hg、Pb和As五項，由中國地質(zhì)科學院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所完成，測試環(huán)境溫度23 ℃，濕度50%，水樣檢驗方法、測試精度及誤差范圍均執(zhí)行標準為《飲用天然礦泉水檢驗方法》（GB/T 8538-95）[4]和《地下水質(zhì)檢驗方法》（DZ/T 0064-93）[5]。 Pb、Cd、Cr測試方法為電感耦合等離子體質(zhì)譜法，檢出限分別為<0.001 mg/L、<0.002 mg/L、<0.020 mg/L，Hg 和As測試方法為原子熒光分光光度法，檢出限分別為<0.000 1 mg/L、<0.001 mg/L。

3.4.2 地下水重金屬污染程度

地下水重金屬測試結(jié)果統(tǒng)計顯示：采集的33個樣品中未受重金屬污染的樣品為9個，占27.3%，主要分布在昆都侖區(qū)鐵路線以南，昆都侖河以東麻池鄉(xiāng)及以南地區(qū)；輕污染樣品5個，占15.2%，污染指標為As、Pb，主要分布于哈林格爾鄉(xiāng)和哈業(yè)胡同鄉(xiāng)；中等污染樣品7個，占21.2%，主要分布于九原區(qū)哈林格爾鎮(zhèn)，污染指標為Pb；較重污染點1個，位于昆都侖區(qū)卜爾漢圖鎮(zhèn)北鍋窯子村，污染指標Pb質(zhì)量濃度0.010 mg/L，污染指數(shù)為1.0；重污染樣品11個，占33.3%，主要分布于城區(qū)以東、鐵路線以北的九原區(qū)和東河區(qū)，除采集于東河區(qū)原毛皮廠井點污染指標為Pb、Cr6+外，其余10個樣品污染指標均為Pb，污染指數(shù)1.1～1.4。

由地下水重金屬污染分布圖（見圖3）可見，包頭市地下水重金屬污染分布廣泛，以鐵路為界，北部區(qū)域較南部區(qū)域重金屬污染重；按行政區(qū)劃分，東河區(qū)的地下水重金屬污染程度最高。本次工作在地下水中未檢測出Hg元素，其余4種重金屬元素污染程度由高到低依次為Pb>Cr6+>As>Cd。

圖3 地下水重金屬污染分布

Fig.3 Distribution of groundwater pollution of heavy metals

3.4.3 污染成因分析

包頭市是我國重要的鋼鐵工業(yè)基地之一，區(qū)域內(nèi)分布有較多涉重企業(yè)。據(jù)2007年調(diào)查，東河區(qū)涉重企業(yè)3個，所屬行業(yè)為金屬表面處理加工、電池制造、鋁冶煉，廢水排放量為156.02萬t，重金屬Cr、Pb排放量分別為0.48 t和2.82 t；昆都侖區(qū)涉重企業(yè)3個，所屬行業(yè)為鋼壓延加工、金屬絲繩制造、稀土金屬冶煉，廢水排放量為269.76萬t，重金屬Cr、Pb排放量分別為5.46 t和12 t；青山區(qū)涉重企業(yè)6個，所屬行業(yè)為汽車制造、金屬絲繩制造、稀土金屬冶煉，廢水排放量為145.14萬t，重金屬Cr、Pb排放量分別為13.36 t和0.99 t；九原區(qū)涉重企業(yè)8個，所屬行業(yè)為金屬表面處理及熱處理加工、金或銅冶煉、初級形態(tài)的塑料及合成樹脂制造，廢水排放量為148.76萬t，重金屬As、Cr、Pb、Hg、Cd排放量分別為0.01 t、148.98 t、0.02 t、0.01 t和0.01 t。2010年調(diào)查資料顯示：東河區(qū)涉重企業(yè)數(shù)增多，昆都侖區(qū)、青山區(qū)和九原區(qū)涉重企業(yè)數(shù)減少。東河區(qū)涉重廢水排放企業(yè)升為5個，重金屬As、Cr、Pb和Hg的排放量分別為2.8 t、4.78 t、3.75 t和0.038 t；昆都侖區(qū)涉重廢水排放企業(yè)減至1個，主要排放污染物為重金屬Cr，排放量為0.78 t；青山區(qū)涉重企業(yè)減至2個，重金屬Cr、Pb的排放量分別為0.79 t、1.05 t。

近年來，包頭市加大污染防控措施，實施清潔生產(chǎn)，節(jié)能減排減少環(huán)境污染，但在實地調(diào)查中在四道沙河、昆都侖河等河床、溝渠仍可見污水排放現(xiàn)象存在。由2008年地表水省控監(jiān)測斷面監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，昆都侖河三艮才斷面Hg、Pb超標，四道沙河斷面Hg超標，西河槽斷面Hg超標。本次采集的4個地表水（污水）樣品均檢出Hg、As元素，質(zhì)量濃度范圍分別為0.000 2～0.001 6 mg/L、0.003～0.005 mg/L，其中采自濱河新區(qū)萬水泉鎮(zhèn)黃草洼村的樣點Hg超過標準值；2個樣點檢出Pb元素，Pb元素的質(zhì)量濃度范圍ND～0004 mg/L。污水排入、儲存于河床、溝渠，這些地區(qū)一般地勢低洼，地下水埋藏淺，包氣帶巖性多以礫砂、砂等粗顆粒為主，滲透性強，地表水極易向地下水滲漏，因此，不達標工業(yè)廢水排放是地下水中重金屬的重要來源。

河套多目標區(qū)域地球化學調(diào)查項目對包頭市土壤重金屬分布進行了研究，結(jié)果顯示：As在表層土壤中異常規(guī)模小、強度低；在包頭鋼鐵集團公司尾礦壩中Cd含量較高；Hg最高值位于一家核工業(yè)廠區(qū)，為6.872μg/g，其他地區(qū) Hg的最高含量也達到 0.659 μg/g[10]；Pb在表層土壤中峰值為 458μg /g，異常區(qū)主要是包頭鋼鐵集團公司一帶及其南部，規(guī)模較大，強度較高。多項研究成果顯示，燃煤是Hg的主要來源之一[11]，而土壤重金屬污染主要由工業(yè)活動造成[1214]，王貴[15]采用Tessie五步連續(xù)提取法分析研究區(qū)土壤重金屬形態(tài)，認為土壤重金屬多以FeMn氧化態(tài)、有機結(jié)合態(tài)和殘留態(tài)形式存在，遷移性差。包頭市屬內(nèi)陸干燥氣候區(qū)，低溫少雨，多年平均降雨量僅295.8 mm，但是隨著時間的推移，土壤和工業(yè)廢渣中重金屬經(jīng)降水淋濾作用對地下水造成污染的風險不可忽視。

綜上可見，工業(yè)廢水排放是地下水重金屬污染的主要來源。

此外，地下水As元素來源既可能是人為因素，亦可能是原生環(huán)境因素。河套地區(qū)是我國原生高As地下水的主要分布區(qū)之一。包頭市沖湖積平原區(qū)，地勢較低，地下水徑流滯緩，也是原生高As地下水的分布區(qū)[3]。本次研究中發(fā)現(xiàn)的高As地下水檢出點，可能主要是原生環(huán)境因素造成，沉積物中的As在特定環(huán)境條件下釋放進入地下水。有關(guān)沉積物中As的來源及釋放機理十分復雜，是國內(nèi)外研究的熱點，需進行專門研究，本文不再詳敘。

4 結(jié)論

（1）包頭市地下水檢出有Cr、Cd、Pb和As等4種重金屬元素，檢出率由高到低依次為Pb>As>Cr6+>Cd，其中Cr、Pb和As三種元素超標率分別2.7%、33.3%和12.1%。雖然目前地下水中還未檢出重金屬Hg元素，但地表水和土壤中已檢測出重金屬Hg元素，且有超標現(xiàn)象，地下水存在潛在的Hg污染風險是不容忽視的。

（2）包頭市四個行政區(qū)均有地下水重金屬超標樣點，尤其是東河區(qū)，無論是檢出項數(shù)、檢出率和超標率，還是污染程度，均為全市最嚴重。

（3）市區(qū)涉重污染企業(yè)廢水排放為水、土重金屬污染提供了重要的物質(zhì)來源。地下水As元素是可能主要由原生環(huán)境因素造成，沉積物中的As的在特定環(huán)境中釋放進入地下水。另外，地下水中Cd與Pb存在顯著相關(guān)性，二者可能具有同源性。

本次工作未對土壤、大氣質(zhì)量和污染源狀況調(diào)查，使污染成因的分析受到一定的限制，因此在下一步調(diào)查工作中將補充、增加調(diào)查對象的類型和數(shù)量，使結(jié)果分析更全面、更客觀。

參考文獻（References）：

[1] 李廣云，曹永富，趙書民等.土壤重金屬危害及修復措施[J].山東林業(yè)科技，2011，6（197）：96101.（LI Guangyun，CAO Yongfu，ZHAO Shuming，et al.Harm of heavy metal in soil and remediation technology[J].Shandong forestry science and technology，2011，6（197）：96101.（in chinese））

[2] 吳娟.包頭市地下水污染調(diào)查及防治對策研究[D ].內(nèi)蒙古自治區(qū)：內(nèi)蒙古大學，2010.（WU Juan.Study on groundwater pollution and its control strategies in Baotou city.Inner Mongolia University.2010.（in chinese））

[3] 石建省，張翼龍，王文中，等.河套平原地下水資源及其環(huán)境問題調(diào)查評價[R].地質(zhì)調(diào)查項目成果1212010913010，2013.（SHI Jiansheng，ZHANG Yilong，WANG Wenzhong，et al.Investigation and evaluation of groundwater resources and environment issues in Hetao plain[R].Geological survey project 1212010913010，2013.（in chinese））

[4] GB/T85381995.飲用天然礦泉水檢驗方法[S].（GB/T85381995.Detection methods for drinking natural mineral water[S].（in chinese））

[5] DZ /T006493.地下水質(zhì)檢驗方法[S].（DZ /T006493.Detection methods for groundwater quality[S].（in chinese））

[6] GB57492006.中國生活飲用水衛(wèi)生標準[S]（GB57492006.Standards for drinking water quality[S].（in chinese））

[7] 梁國玲，黃冠星，孫繼朝，等.珠江三角洲污灌區(qū)土壤重金屬含量特征[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學報.2009，28（11）：23072313.（LIANG Guoling，HUANG Guanxing，SUN Jichao，et al.Heavy metal content characteristics of soil in sewage irrigation area of Pearl River Delta[J].Journal of AgroEnvironment Science，2009，28（11）：23072313.（in chinese））

[8] 黃冠星，孫繼朝，張英等.珠江三角洲污灌區(qū)地下水重金屬含量及其相互關(guān)系[J].吉林大學學報：地球科學版，2011，41（1）：228234.（HUANG Guanxing，SUN Jichao，ZHANG Ying，et al.Content and relationship of heavy metals in groundwater of sewage irrigation area in Pearl River Delta[J].Journal of Jilin University：Earth Science Edition，2011，41（1）：228234.（in chinese））

[9] 潘虹梅，李鳳全，葉瑋，等.電子廢棄物拆解業(yè)對周邊土壤環(huán)境的影響—以臺州路橋下谷岙村為例[J].浙江師范大學學報：自然科學版，2007，30（1）：103108.（PAN Hongmei，LI Fengquan，YE Wei，et al.The impacts of dismantling electronic wastes on surrounding soil environment：take Xiaguao of Luqiao，Taizhou as an example[J].Journal of Zhejiang Normal University：Natural Scuebces.2007，30（1）：103108.（in chinese））

[10] 許超，夏北成，何石媚.大寶山礦山下游地區(qū)稻田土壤重金屬含量特征[J].中山大學學報：自然科學版，2008，47（3）：122127.（XU Chao，XIA Beicheng，HE Shimei，Characteristics of Cd，Zn，Pb，Cu content of paddy soils in the lower stream of Dabaoshan Area，Guangdong[J].Acta Scientiarum Naturalium Unversitat is Sunyatseni：Natural Scuebces，2008，47（3）：122127.（in chinese））

[11] 王喜寬、朱鎖、劉東，等.內(nèi)蒙古河套地區(qū)多目標區(qū)域地球化學調(diào)查成果及其意義[J].現(xiàn)代地質(zhì)，2008，22（6）：10641070.（WANG Xikuan，ZHU Suo，LIU Dong，et al.Results and significance of multipurpose geochemical mapping in the Hetao Area，Inner Mongolia[J].Geoscience，2008，22（6）：10641070.（in chinese））

[12] 王雄軍，賴健清.基于因子分析法研究太原市土壤重金屬污染的主要來源[J].生態(tài)環(huán)境，2008，17（2）：671676.（WANG Xiongjun，LAI Jianqing，LU Yanhong Main source of soil heavy metal pollution based on factor analysis in Taiyuan[J].Ecology and Environmen，2008，17（2）：671676.（in chinese））

[13] 郭偉，趙仁鑫，張君，等.內(nèi)蒙古包頭鐵礦區(qū)土壤重金屬污染特征及其評價[J].環(huán)境科學，2011，32（10）：30093105.（GUO Wei，ZHAO Renxin，ZHANG Jun，et al.Distribution characteristic and assessment of soil heavy metal pollution in the iron mining of Baotou in Inner Mongolia[J].Environmental Science，2011，32（10）：30093105.（in chinese））

[14] 徐清，張立新，劉素紅，等.表層土壤重金屬污染及潛在生態(tài)風險評價包頭市不同功能區(qū)案例[J].自然災(zāi)害學報，2008，17（6）：612.（XU Qing，ZHANG Lixin，LIU Suhong，et al.Heavy metal pollution of surface soil and its evaluation of potential ecological risk：a case study of different functional areas in Baotou city[J].Journal of Natural Disasters.2009，37（9）：41794180，4188.（in chinese））

[15] 李向，管濤，徐清.基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的土壤重金屬污染評價方法以包頭土壤環(huán)境質(zhì)量為例[J].中國農(nóng)學通報，2012，28（2）：250256.（LI Xiang，GUAN Tao，XU Qing，The evaluation of soil heavy metal pollution based on the BP neural networkTaking soil environmental quality assessment in Baotou as example[J].Chinese Agricultural Sciences Bulletin，2012，28（2）：250256.（in chinese））

[16] 王貴，程玉霞，孫穎卓.包頭地區(qū)土壤重金屬形態(tài)分布及其環(huán)境意義[J].陰山學刊，2007，21（3）：3842.（WANG Gui，CHENG Yuxia，SUN Zhuo，Heaby metal speciation distribution and the environmental significance in the soil of Baotou[J].Yinshan Academic Journal，2007，21（3）：3842.（in chinese））