魯北平原淺層地下水有機污染特征及污染來源分析

楊麗芝, 曲萬隆, 佟照輝, 劉春華, 劉中業(yè)

1)山東省地質調查院, 山東濟南 250013; 2)青島地質工程勘察院, 山東青島 266071;

3)山東省地質測繪院, 山東濟南 250014

改革開放以來, 魯北平原經(jīng)濟持續(xù)快速穩(wěn)定發(fā)展, 城市化進程加快, 生活污水和工業(yè)廢水超標排放問題、農藥化肥大量使用問題以及由此而引發(fā)的水污染問題日趨嚴重。同時, 魯北平原東部黃河三角洲有我國第二大石油工業(yè)基地——勝利油田, 隨著油氣資源的大規(guī)模開發(fā)利用, 特別是石油化工、精細化工等高污染企業(yè)的增多(孫劍鋒等, 2011), 大量的污染物通過不同途徑進入地下水體, 使得淺層地下水污染越來越突出(代杰瑞等, 2011), 嚴重威脅著三角洲濕地生態(tài)系統(tǒng)安全(李政紅等, 2010)。本次地下水污染調查發(fā)現(xiàn), 魯北平原淺層地下水中有機物檢出種類多達13種(楊麗芝等, 2011), 個別含量很高,嚴重威脅著地下水質量及當?shù)鼐用裆铒嬘盟踩?。本文通過對魯北平原污染源調查、地下水樣品采集與有機污染組分測試, 掌握了魯北平原淺層地下水有機污染特征及污染來源, 為該區(qū)生態(tài)環(huán)境保護和污染治理提供了科學依據(jù)。

魯北平原地處黃河下游, 位于山東省的西北部, 南部以黃河為界, 東臨渤海, 西及西北與河南省和河北省相接。區(qū)內轄聊城市、德州市全部,濱州市大部, 東營市、濟南市小部分地區(qū), 面積約3.2萬 km2。研究區(qū)地勢平坦開闊, 以黃河沖積平原為主, 東北部為黃河三角洲和濱海平原。氣候屬于暖溫帶大陸型季風氣候區(qū), 多年平均氣溫 11.7～14℃, 多年平均降水量 598 mm(1956—2012年)。區(qū)內主要河流有馬頰河、徒駭河、德惠新河等。

自中生代末期以來, 魯北平原接受了巨厚的新近紀—第四紀松散沉積物。區(qū)內地下水系統(tǒng)主要由新近系上部明化鎮(zhèn)組和第四系組成(張宗祜等, 1997;劉春華等, 2014), 自上而下可劃分為4個孔隙含水巖組。本次研究的淺層地下水, 即為第Ⅰ含水巖組,厚度一般為 40 m 左右, 屬于潛水, 水位埋深 3～20 m, 是農業(yè)和部分生活用水的主要開采層, 其生態(tài)意義重大, 地下水更新能力較強(楊麗芝等, 2009),也是最容易受到污染的含水層。淺部含水層是整個地下水系統(tǒng)的保護屏障, 因此, 保護淺層含水層,是保護整個地下水系統(tǒng)的關鍵。

1 污染源調查與樣品采集、測試

1.1 污染源調查

地下水污染源按成因類型一般分為生活污染源、工業(yè)污染源和農業(yè)污染源, 本區(qū)與地下水有機污染有關的污染源主要是工業(yè)污染源。

1.1.1 點狀工業(yè)污染源

據(jù)不完全統(tǒng)計, 區(qū)內共有工業(yè)生產企業(yè) 759家,以石油為主要原料的石油化工、紡織、冶煉化工、精細化工、造紙、食品加工是本區(qū)主要產業(yè)支柱, 占全部企業(yè)數(shù)的66%, 其中保齡寶生物、濱化集團、山東晨鳴紙業(yè)集團股份有限公司等3家企業(yè)為2008年度中國 500強企業(yè)。污染源分布在總體上呈現(xiàn)出以下規(guī)律: 在工作區(qū)西部造紙、化肥化工比較發(fā)達, 這與西部種植業(yè)發(fā)達, 化肥的需求量大有關; 東部以石油化工為主, 這與東部地處石油開采區(qū)有關, 如山東濱化集團有限公司, 利津利華益集團股份有限公司、東營華聯(lián)石油化工有限責任公司、山東中海石化有限公司均分布在工作區(qū)的東部, 年原油加工能力可達680×104t。同時還有皮革、紙漿、制藥、熱電等高污染企業(yè)遍地開花(圖1)。污染企業(yè)大都分布在距市區(qū)較近的工業(yè)園區(qū), 部分污廢水由集中的管道進入當?shù)氐奈鬯幚韽S, 部分甚至大部分污廢水由明渠暗道排入地下(楊麗芝等, 2011)。東部勝利油田采油區(qū)采油井眾多, 采油過程中會造成原油散落, 原油輸送過程中因管道腐蝕、打孔盜油等因素造成管道破裂、原油泄漏事件時有發(fā)生。由于上述工業(yè)污染源區(qū)第四系多為粉細砂, 包氣帶厚度小,氣帶厚度小, 地下水防污性能差(鐘佐燊, 2005;Gogu et al., 2000; Rupert, 2001), 工業(yè)廢水、固體廢料的排放對地下水構成極大的威脅。

1.1.2 河流線狀污染源

研究區(qū)共有36家污水處理廠, 但運行情況均不容樂觀, 大多數(shù)污水處理廠僅對污水進行了簡單處理就排放到附近溝渠內, 達不到排放標準。而且地表水排放標準中沒有有機物指標標準, 對有機物不采取任何措施。據(jù)本次調查和采樣測試評價結果: 研究區(qū)主干河流徒駭河、馬頰河、德惠新河、漳衛(wèi)新河、潮河等水質絕大部分時間均劣于Ⅴ類, 檢出乙苯、甲苯、二甲苯、二氯甲烷、三氯乙烯、三氯甲烷、六氯苯、鄰二氯苯、氯苯等多種有機物, 地表水成為區(qū)內地下水的線狀污染源(見表1)。

圖1 工業(yè)污染源分類圖Fig.1 Classification of origins of pollutants

表1 主要河流及其污染物來源一覽表Table 1 Statistics of dominating rivers and origins of pollutants

1.2 采樣與測試分析方法

本項研究于 2006—2009年期間, 密集型采集淺層地下水樣品共 1084組、選擇性采集地表水樣42組(圖2)。所有樣品均進行有機污染組分測試, 測試項目達37項。地下水樣品直接從井口采集, 采集前清洗井孔, 排出全孔儲存水。水庫和較大河流地表水樣采樣深度在水深0.5 m以下, 排水溝渠及河流支流水深不足1 m時, 控制在實際水深的1/2處采樣?，F(xiàn)場采用便攜式、筆式測試儀測試氣溫、水溫、pH值、電導率、溶解氧、氧化還原電位和渾濁度。地下水提水泵和出水套管材料為PTFE和不銹鋼, 提水泵類型為正壓泵。采樣時進水流率控制在為 0.2～0.5 L/min, 不產生氣泡和氣體流失現(xiàn)象, 專用的VOA樣瓶和SVOA樣瓶密封, 4℃專用冷藏箱內保存和運輸(饒竹等, 2009)。樣品有機測試由中國地質科學院地下水科學與工程重點開放實驗室完成。采樣過程中按5%采集平行樣品, 并全程設置加標樣和空白樣跟蹤監(jiān)控采樣質量。

2 有機污染特征分析

2.1 淺層地下水有機物檢出與超標

1084組淺層地下水樣品有機物檢出的共涉及400組樣品, 其中有機指標檢出1項的277組, 檢出2項的90組, 檢出3項的12組, 檢出4項及以上的21組; 總有機指標檢出率為36.9%。有機指標共檢出 13類, 檢出指標包括鄰二氯苯(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%), 個別樣品檢出溴仿、1,1,2-三氯乙烷、1,2-二氯丙烷和四氯乙烯。

盡管淺層地下水有機物檢出率較高, 但含量相對較低, 僅局部地段存在有機物超標現(xiàn)象。在1084個樣品中, 僅 3個樣品有機物含量超過生活飲用水衛(wèi)生標準(GB5749—2006)(王昭等, 2009), 超標項目分別為苯、1,2-二氯乙烷。其中1個樣品1,2-二氯乙烷, 超標倍數(shù)為1.2倍; 2個樣品苯超標, 超標倍數(shù)為20倍、5倍(見表2和圖3)。

2.2 淺層地下水有機污染評價

本次采用“單因子污染評價方法”, 進行單指標評價。該方法以環(huán)境背景值和《地下水質量標準》中Ⅲ類水的水質標準為參考對照, 通過如下公式計算各參評指標污染指數(shù):

式中,Pki-k水樣第i個指標的污染指數(shù);Cki-k水樣第i個指標的測試結果;C0-有機指標, 其背景值都取為檢出限;CIII-《地下水質量標準》中指標i的Ⅲ類指標限值。

污染指數(shù)同表3中污染分級標準對照劃分污染等級, 得出各水樣單因子污染等級劃分結果。

圖2 魯北平原淺層地下水取樣點分布圖Fig.2 Sampling sites of shallow groundwater in Lubei plain

表2 淺層地下水有機指標檢出率、超標率統(tǒng)計表Table 2 Statistics of detection rates and standard-exceeding rate of organic pollutants in shallow groundwater

圖3 淺層地下水有機指標檢出率、超標率統(tǒng)計圖Fig.3 Statistic diagram of detection rates and standard-exceeding rate of organic pollutants in shallow groundwater

表3 單因子污染指數(shù)分級標準Table 3 Classification criteria of single-factor organic pollutants

對單因子污染評價完成并依次劃分好等級后,將各水樣單因子污染等級做比對, 規(guī)定其中污染等級最高因子的等級劃分結果作為該水樣點的地下水污染綜合評價結果, 即Pk=Max(Pki)。魯北平原淺層地下水污染評價結果見圖4。

2.3 淺層地下水有機污染特征

從有機污染程度分析, 重污染(污染程度Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ級)所占比例較低, 為0.4%, 反映在樣品數(shù)量上: 重污染1個, 嚴重污染2個, 極重污染1個。中度污染所占比例為0.8%, 樣品個數(shù)為8個。輕污染的地下水樣品個數(shù)及區(qū)域占 35.8%, 未污染的地下水樣品個數(shù)及區(qū)域占 63%。根據(jù)測試結果分析, 甲苯、1,2－二氯乙烷是引起淺層地下水嚴重和極重污染的主要因子, 鄰二氯苯是引起淺層地下水輕微污染的主要因子。

從區(qū)域分布特點分析: 研究區(qū)中東部揮發(fā)性有機指標污染情況較嚴重, 濟陽—臨邑—陵縣往東呈聚集性分布有相對較多污染點, 以輕污染為主, 臨邑—商河一帶分布多個嚴重污染區(qū); 工作區(qū)西部則零星分布有少量輕污染點和中污染點。

從有機物總量分析, 中東部地區(qū)形成兩個明顯的污染區(qū)。一個以商河縣賈莊鎮(zhèn)為中心形成一條東西直徑32 km、南北直徑28 km的橢圓形有機污染區(qū), 面積近900 km2, 并形成明顯的污染暈, 污染區(qū)地下水有機污染物總量大于 1 μg/L, 最高大于603.24 μg/L, 兩個有機中度污染水井和兩個重度污染(超標)水井即位于該污染區(qū)。另一個以利津和河口區(qū)為中心形成一條東西長110 km、南北寬35 km的長條形有機污染區(qū), 面積近3820 km2。污染區(qū)地下水有機污染物總量大于 1 μg/L, 最高大于32.54 μg/L, 均屬輕度污染, 目前沒有發(fā)現(xiàn)超標水點(圖5)。中東部是勝利油田主要陸上采油區(qū), 地下水以垂直運動為主, 地下水埋深一般在 1～5 m, 包氣帶巖性多為粉土。尤其是黃河三角洲地區(qū), 包氣帶土質疏松, 環(huán)境脆弱(武強等, 2006), 地下水埋深1～3 m, 防污性能差。石油原油灑落及石油化工等工礦企業(yè)污廢水的排放, 無任何屏障直接進入地下水,對地下水造成了不同程度的污染。

3 淺層地下水有機污染影響因素分析

淺層孔隙地下水有機指標檢出項目較多, 共 13類, 檢出指標包括鹵代烴類(檢出率11.4%)、單環(huán)芳香烴類(檢出率11.9%)、氯代苯(鄰二氯苯, 檢出率24.9%)等。除鄰二氯苯外, 檢出率最高的為甲苯和二氯甲烷。甲苯和二氯甲烷來源非常廣泛, 紡織、煉油、油漆和油墨制造、橡膠加工、造紙、制藥、鑄造、有色金屬、鋼鐵等行業(yè)均能產生甲苯和二氯甲烷。

有機指標檢出2項及以上的樣品多分布在濟陽—臨邑—寧津一線往東, 在濟陽、臨邑、商河采油區(qū)及排污溝渠兩側地下水樣品中有機指標檢出項目尤其多, 一般檢出 4～5項, 主要是鄰二氯苯和鹵代烴或者鄰二氯苯和單環(huán)芳香烴共同檢出。

圖4 淺層地下水污染評價圖Fig.4 Map evaluating the degree of pollution in shallow groundwater

圖5 淺層地下水中有機物總量圖Fig.5 Total organic pollutants map of shallow groundwater

淺層地下水鹵代烴的檢出主要集中在濟陽縣大部、商河縣及惠民縣沿黃局部、利津縣城區(qū)周邊;芳香烴的檢出主要集中在商河—惠民—陽信局部、無棣東北沿海局部、高唐城區(qū)南部局部、莘縣—陽谷局部以及齊河到德州段京滬鐵路沿線; 鄰二氯苯的檢出主要分布在武城縣北部大部及濟陽—臨邑—陵縣—寧津一線往東全區(qū), 西部僅零星散布個別點檢出。

總體來講, 檢出的有機污染物種類主要與石油及石油化工污染源有關; 污染物分布區(qū)域也在中東部地區(qū), 這也與石油開采、存儲及石油化工污染源的分布相關。商河污染區(qū)的范圍大致和臨盤采油區(qū)的位置一致或相近, 重污染點和有機物超標點也主要分布在該區(qū)域, 利津至河口污染區(qū)分布在河口采油區(qū)內(圖5)。采油區(qū)不僅污染源密集, 而且地下水系統(tǒng)的防污性能較差(王金婷等, 2011), 因此認為,魯北平原淺層地下水有機污染分布及程度均受污染源的分布及種類控制。

污染區(qū)主要分布在研究區(qū)的中東部地區(qū), 這與油田采油區(qū)的位置及石油化工企業(yè)的分布有較好的相關性。尤其是在臨盤采油區(qū), 形成了一個相對集中的較重污染區(qū), 檢測出了多個嚴重污染點和有機物超標點。這與采油井密度大、采油歷史長久, 且少量老油井采用小油罐儲存并用機動車運輸原油有關。同時, 采油區(qū)石油化工企業(yè)多, 尤其是一些個體粗加工的小型石油化工企業(yè), 對土壤及淺層地下水污染相當嚴重。

4 結論

魯北平原淺層地下水在部分地區(qū)已受到有機物污染, 有機物檢出項目共有13種, 主要為鹵代烴類、單環(huán)芳香烴類和氯代苯類, 總檢出率為 37%,單項檢出率最高的為鄰二氯苯, 檢出率 24.9%。檢出的有機物含量較低, 一般未超過飲用水標準的最低限量, 超標率為0.3%, 超標有機物為苯、1,2-二氯乙烷。污染程度較低, 一般為輕污染, 僅局部地段出現(xiàn)中度污染和重度污染。

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