咸陽市地下水重點(diǎn)污染物分布與污染因素分析

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(1.西北大學(xué) 城市與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710127；2.西北大學(xué) 陜西省地表系統(tǒng)與環(huán)境承載力重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710127)

地下水是淡水資源的重要組成部分，是人們生產(chǎn)生活用水的主要來源之一。咸陽市位于黃河最大支流渭河的北岸，地下水資源豐富，開采條件較好，是咸陽地區(qū)人們生活、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要用水來源，但由于人們多年對地下水的大量開采以及對保護(hù)的不重視，已經(jīng)造成咸陽地下水漏斗以及地下水污染等問題，直接影響了咸陽人民的生產(chǎn)生活。針對咸陽市地下水污染問題，白峰青等綜述了咸陽市地下水污染的現(xiàn)存污染問題及相關(guān)影響因素，并提出了水源地保護(hù)的對策[1]；黃興國等對咸陽市區(qū)23個地下水監(jiān)測井所采數(shù)據(jù)進(jìn)行模糊綜合評價處理，從水質(zhì)對各級水的隸屬度分析得出城區(qū)水源地地下潛水污染嚴(yán)重且其原因主要為渭河水污染[2]；劉淑娟針對咸陽市地鐵建設(shè)對地下水環(huán)境造成的影響進(jìn)行了簡述，其建設(shè)過程中工程水泥、油污和垃圾雜物的排入會對地下水產(chǎn)生不同程度的影響[3]；王克等對關(guān)中盆地主要城市淺層地下水特征分析研究，對咸陽市地下水埋深、水層厚度、補(bǔ)給來源以及水化學(xué)特征做了系統(tǒng)的總結(jié)概述[4]；蘇英等針對咸陽城區(qū)地下水多年水質(zhì)數(shù)據(jù)分析得出高氟地下水的形成是由水文地質(zhì)、氣候環(huán)境等多種因素造成的[5]。但尚仍缺少針對地下水多個污染物的具體來源分析，因此本文針對咸陽部分地區(qū)45個地下水監(jiān)測井所得總硬度、氟化物、氯化物、硝酸鹽、六價鉻、硫酸鹽及溶解性總固體七個重要指標(biāo)進(jìn)行分析，其結(jié)果可為之后的地下水開采利用及保護(hù)工作提供參考。

1 研究區(qū)域概況及研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

咸陽市處于關(guān)中平原中部，東經(jīng)107°33′49″至109°10′35″，北緯34°11′48″至35°19′18″之間，南臨西安，北接甘肅、延安，東連寶雞，西望銅川，地理位置優(yōu)越，是古絲綢之路的起點(diǎn)。咸陽屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，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。本文研究區(qū)域包括咸陽南部及西北部秦都、渭城、興平、武功、乾縣、禮泉、涇陽、三原、永壽、彬縣、長武十一個縣(區(qū)、市)。區(qū)內(nèi)地勢西北高東南低，地形復(fù)雜，中部的斷續(xù)中低山脈沿東西向分布，將研究區(qū)分為南、北兩大具不同特色的自然景觀：南部多為平原，地勢平坦，可分為河流階地區(qū)和黃土臺塬區(qū)；北部臨近黃土高原，溝壑縱橫，可分為黃土高原溝壑區(qū)和黃土丘陵溝壑區(qū)。本研究區(qū)域共設(shè)45個地下水監(jiān)測井，其分布情況見圖1。

1.2 研究方法

根據(jù)《GB/T 14848-93地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》，地下水質(zhì)量按其污染物濃度可分為五類：一、二類主要反映地下水化學(xué)組分的天然低背景含量，適用于各種用途。三類以人體健康基準(zhǔn)值為依據(jù)，主要適用于集中式生活飲用水及工、農(nóng)業(yè)用水。四類達(dá)到農(nóng)業(yè)和工業(yè)用水要求，且適當(dāng)處理后可作生活飲用水。五類不宜飲用，其他用途要進(jìn)行一定處理。

地下水質(zhì)量用模糊綜合評價方法加以評估。模糊數(shù)學(xué)在環(huán)境評價領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛，采用隸屬度的概念來表達(dá)客觀事物是模糊數(shù)學(xué)的基點(diǎn)。人為地用特定的分級標(biāo)準(zhǔn)去評價環(huán)境水質(zhì)分類往往是不確切的，用模糊綜合評價則可以得到科學(xué)全面的分類結(jié)果。其步驟具體為：

(1)模糊關(guān)系矩陣R：模糊關(guān)系矩陣反應(yīng)每個監(jiān)測井水樣所檢測的n個污染指標(biāo)對于每一類水質(zhì)的隸屬度，水質(zhì)共分五類，則得n行5列的模糊關(guān)系矩陣：

(1)

(2)因子隸屬度的模糊矩陣A：A由于是各個污染因子對于水質(zhì)污染的貢獻(xiàn)大小，及其之間拮抗、相加等影響大小不同，對它們賦予不同的權(quán)重ai而構(gòu)成一個n維行向量：A=a1,a2,a3……ai]。

圖1 研究區(qū)縣域及45個地下水監(jiān)測井對應(yīng)位置圖

2 結(jié)果與分析

2.1 總硬度

由45個監(jiān)測井的數(shù)據(jù)可得圖2(a)總硬度分布情況，從圖2(a)可見，咸陽市三原縣南部、涇陽縣東部、乾縣南部以及渭河沿岸(興平市、渭城區(qū))地下水總硬度含量超標(biāo)嚴(yán)重，超過五類地下水總硬度550 mg/L的標(biāo)準(zhǔn)。分析其總硬度超標(biāo)的原因有兩個，一是地下水總硬度含量較高地區(qū)人口密度均高達(dá)514余人每平方公里，生活產(chǎn)生的污廢水、糞便以及咸陽市渭河沿岸堆放的近4.0×105萬 t垃圾等有機(jī)物在外界條件下發(fā)生氧化、分解作用，形成酸類物質(zhì)，促使土壤中的鈣、鎂礦物質(zhì)進(jìn)入淺層地下水中，致使地下水硬度升高[1]。二是咸陽市三原縣、涇陽縣、乾縣、渭河沿岸地下水開采量逐年增大，導(dǎo)致滲流場改變，加速了鹽分的遷移和污染，進(jìn)而促使土壤及其下層沉積物中的鈣、鎂鹽向水中轉(zhuǎn)移，使得地下水總硬度偏高[6]。

2.2 氟化物

由45個監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)可得圖2(b)氟化物分布情況，從中可見咸陽總體地下水氟化物污染情況呈現(xiàn)出北部輕南部重的現(xiàn)象，乾縣、禮泉中部及三原縣北部最為嚴(yán)重，部分監(jiān)測點(diǎn)超過五類水氟化物濃度2.0 mg/L的標(biāo)準(zhǔn)。分析其原因?yàn)椋阂皇歉鶕?jù)水文地質(zhì)條件劃分，咸陽市地下水高氟地區(qū)屬于林-咸間渭河北黃土臺原區(qū)，主要含水層為下伏河湖相砂礫石層，其沉積物粒徑粗。不同沉積物對氟離子吸附率模擬淋溶試驗(yàn)表明，沉積物顆粒越細(xì)，對氟離子吸附能力越大，即氟離子滲入率隨沉積物顆粒的變細(xì)而減少，因此含水層沉積物粒徑粗，有利于地下水氟化物富集[7～8]。二是監(jiān)測井所得數(shù)據(jù)顯示氟化物污染達(dá)到五類水標(biāo)準(zhǔn)的地區(qū)地下水pH為8.0～8.5之間，呈弱堿性，且堿性水是我國北方有利于地下水氟離子富集的水質(zhì)條件。三是由圖2(a)可見三原縣北部地下水硬度為一類水標(biāo)準(zhǔn)，乾縣、禮泉地區(qū)地下水硬度為二三類水標(biāo)準(zhǔn)，地下水氟離子濃度也與硬度即鈣離子含量呈負(fù)相關(guān)，為本地區(qū)地下水氟離子富集提供了條件[5]。相較其他污染物來源，地下水中氟化物的富集受含水層顆粒物粒徑、水化學(xué)類型等水文地質(zhì)因素影響較大[9]

圖2 地下水總硬度和氟化物水質(zhì)分布

2.3 氯化物

由監(jiān)測井?dāng)?shù)據(jù)可得圖3(a)氯化物分布情況，從圖3(a)可以看出，咸陽大部分監(jiān)測點(diǎn)地下水氯化物含量較低，然而三原縣、涇陽縣地下水氯化物嚴(yán)重超出四類水要求的氯化物濃度在250～350 mg/L的標(biāo)準(zhǔn)，部分監(jiān)測點(diǎn)甚至超出五類水350 mg/L的標(biāo)準(zhǔn)。這些地區(qū)氯化物超標(biāo)的原因如下：原因一是三原縣境內(nèi)僅清峪河紅原廠以上端、濁峪河全段未受污染，其余河段均受工業(yè)污染，工業(yè)廢水中含有大量的Na+[10]。并且，涇陽縣在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中大量使用農(nóng)藥、化肥，化肥中大部分含有K+、NH4+[11]。當(dāng)這些離子接觸土壤后，土壤會作為離子交換劑，交換出土壤中的Mg2+、Ca2+產(chǎn)生MgCl2、CaCl2，當(dāng)土壤中的氯離子和總硬度超出土壤本身的吸附能力以后，污染物便會下滲進(jìn)而污染到地下水。二是由于涇陽縣大部分村落的垃圾處理沒有統(tǒng)一規(guī)劃布點(diǎn)，將生活垃圾直接傾倒于河邊污染河水，垃圾在淋濾過程中也會釋放出氯化物污染物，會造成地下水氯化物超標(biāo)[11]。

2.4 硝酸鹽

由45個監(jiān)測井?dāng)?shù)據(jù)可得圖3(b)硝酸鹽污染分布情況，研究區(qū)域內(nèi)地下水硝酸鹽污染情況南部普遍重于北部，尤以永壽南部、乾縣、禮泉、涇陽、三原和最南部渭城區(qū)和興平市局部地區(qū)最為嚴(yán)重。人類活動是地下水硝酸鹽的唯一污染源：其中最主要的來源是城市生活污水[12]。研究區(qū)南部渭城區(qū)、興平市和三原城市化程度較高，城市生活污水排放量較大，生活污水的排放增加了地下水中硝酸鹽的含量[13]。二是咸陽市農(nóng)業(yè)園區(qū)、重化工廠等廣泛分布于研究區(qū)南部乾縣、禮泉、涇陽、三原、興平和渭城區(qū)等地區(qū)，如乾縣的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)園區(qū)，禮泉縣的種牛養(yǎng)殖基地，三原縣南部的重化工業(yè)園等。農(nóng)用氮肥、動物糞便和工業(yè)廢水尤其是化肥廠廢水等因素也都是地下水中硝酸鹽超標(biāo)的原因之一[14～16]。三是地下水硝酸鹽濃度與Cl-、Ca2+、Mg2+等呈較強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系，尤其從圖2得到三原、涇陽南部地區(qū)地下水質(zhì)硬度、氯化物含量相對較高，也會間接導(dǎo)致地下水中硝酸鹽含量超標(biāo)[12]。

圖3 地下水氯化物和硝酸鹽水質(zhì)分布

2.5 六價鉻

由45個監(jiān)測井?dāng)?shù)據(jù)可得圖4(a)六價鉻分布情況，從圖4(a)可知，咸陽市乾縣，禮泉縣，涇陽縣，三原縣，興平市和渭城區(qū)的地下水六價鉻污染嚴(yán)重，五類水主要集中在渭城區(qū)南部、涇陽縣北部和三原縣東部。分析地下水六價鉻賦存嚴(yán)重的原因如下：一是地下水在在各不同巖性地層中有不同的流速，其在粉砂質(zhì)等滲透性較強(qiáng)的地層中流速相對較快，六價鉻賦存量也高；而在滲透性較低的雜填土地層中則地下水流速低，六價鉻含量也低，因此粉細(xì)砂地層是六價鉻污染賦存量最嚴(yán)重的地層[17]。渭城區(qū)、涇陽縣和三原縣屬于咸-潼間渭河北階地區(qū)，區(qū)內(nèi)地下水主要含水層為第四系黃土土狀粉砂土、砂質(zhì)粘土，故而在該區(qū)內(nèi)六價鉻極易賦存。二是咸陽的東南部，即咸陽市區(qū)、涇陽縣、三原縣的電鍍、化工、印染、煤礦等工廠分布較密集，排出的含鉻工業(yè)廢水會因六價鉻的強(qiáng)遷移能力對廠周圍的環(huán)境有很大影響。三是咸陽市地下水的開采量逐年增加，特別是永壽縣、乾縣、禮泉縣、涇陽縣、三原縣、興平市、咸陽市區(qū)地下水埋深持續(xù)下降[18]。地下水過度開采，使地下水位下降、漏斗區(qū)與非飽和帶現(xiàn)象日益嚴(yán)重，地下水位補(bǔ)給源變化會與六價鉻高度的遷移性相結(jié)合，使六價鉻隨地下水位下降而沉積，地下水污染概率就會隨著漏斗面積的擴(kuò)大而不斷提高。并且六價鉻污染不僅來自于工業(yè)污染，也有自然中鉻的遷移轉(zhuǎn)換，因此即使不靠近鉻工業(yè)區(qū)，其地下水源如果出現(xiàn)過度開采，也會因?yàn)樗幌陆刀霈F(xiàn)六價鉻污染深入累積的問題[17]。

圖4 地下水六價鉻與硫酸鹽水質(zhì)分布

2.6 硫酸鹽

根據(jù)45個監(jiān)測數(shù)據(jù)可得圖4(b)，由圖中可以看出，咸陽市三原縣、涇陽縣、渭城區(qū)、興平市地下水硫酸鹽濃度嚴(yán)重超標(biāo)，部分監(jiān)測點(diǎn)超出五類水硫酸鹽濃度350 mg/L的標(biāo)準(zhǔn)，主要集中在咸陽市的東南部以及興平市的西南部。經(jīng)分析，地下水硫酸鹽超標(biāo)的原因如下：一是對灌溉前后涇惠區(qū)(包括三原縣、涇陽縣在內(nèi))土壤剖面硫酸鹽礦物離子活度積的計算及分析得出該區(qū)地下水中的硫酸鹽濃度過高主要是由于使用高硫酸鹽的地下水灌溉以及它的入滲，同時硫酸鹽在常溫條件下溶解度很大，能在地下水中大量積累，導(dǎo)致三原縣南部和涇陽縣東部地下水硫酸鹽濃度超標(biāo)[19]；二是咸陽市地下水的開采量逐年增加，導(dǎo)致水位下降明顯，特別是在涇陽縣，三原縣，興平市，渭城區(qū)。地下水過度開采一方面改變了地下水徑流、補(bǔ)給以及排泄的關(guān)系，導(dǎo)致地下水降落漏斗區(qū)由徑流區(qū)變?yōu)榕判箙^(qū)，接受渭河的側(cè)向滲漏和補(bǔ)給，使得地下水降落漏斗區(qū)的硫酸鹽富集；另一方面改變了該區(qū)域飽和帶和非飽和帶的水化學(xué)環(huán)境，地下水水位下降，使得該區(qū)飽水帶地層變成非飽和帶，還原環(huán)境的地層變成氧化環(huán)境，從而使得在強(qiáng)還原環(huán)境下才可能發(fā)生的脫硫酸反應(yīng)不能繼續(xù)發(fā)生，導(dǎo)致該區(qū)域的硫酸鹽含量增加[20]。

2.7 溶解性總固體

根據(jù)監(jiān)測井?dāng)?shù)據(jù)得圖5(a)溶解性總固體分布圖，從圖中可明顯看出研究區(qū)南部地下水溶解性總固體污染情況重于北邊，尤以三原、涇陽、渭城區(qū)南部最為嚴(yán)重，已超五類水2 000 mg/L的標(biāo)準(zhǔn)。主要原因有：溶解性總固體與此地區(qū)地下水中各種無機(jī)物如Ca2+、Mg2+、SO42-、NO3-、F-、Cl-、K+、Na+等濃度有關(guān)，尤其是與總硬度呈較明顯的線性相關(guān)性[21]。咸陽市地下水總體上南部污染都要嚴(yán)重于北部，各類無機(jī)污染物都對地下水中溶解性總固體較高有一定貢獻(xiàn)。另外咸陽市涇、渭河階地區(qū)即三原、涇陽和渭城區(qū)近渭河區(qū)域自2004年以來地下水位呈下降趨勢，地下水長期大量開采情況嚴(yán)峻，也導(dǎo)致溶解性總固體升高[18,22]

圖5 地下水溶解性總固體與總水質(zhì)分布

3 結(jié)語

由模糊綜合分析法計算每個監(jiān)測井水質(zhì)對于五級地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的不同隸屬度，得出的總水質(zhì)分布如圖5(b)，可以看出研究區(qū)內(nèi)地下水質(zhì)呈現(xiàn)南部普遍差于北部的結(jié)果，尤其以三原縣南部、秦都區(qū)、渭城區(qū)和涇陽縣部分地區(qū)最為嚴(yán)重，與其人口和工業(yè)區(qū)分布有重要聯(lián)系。并且在各項(xiàng)污染指標(biāo)中，總硬度、硝酸鹽、六價鉻和溶解性總固體四個指標(biāo)的超五類水分布面積最廣、污染最重，分析其成因有土壤巖性、水文地質(zhì)方面的自然因素，但最主要的是人們生產(chǎn)生活造成的地下水超采以及工農(nóng)業(yè)污水、固體廢棄物排放問題導(dǎo)致了地下水源污染。此外，地下水及其周圍土壤環(huán)境中許多污染物之間存在一定的相關(guān)關(guān)系，如地下水質(zhì)硬度較大、氯化物含量高有利于硝酸鹽、溶解性總固體的升高；弱堿性水有利于地下水中氟化物富集；土壤中Na+、K+、NH4+含量高會促進(jìn)地下會中氯化物的富集。因此治理咸陽市地下水污染，需關(guān)注各種污染物質(zhì)以及環(huán)境介質(zhì)土壤-水之間的相互影響關(guān)系，加強(qiáng)對城市和工廠污水排放的監(jiān)管是最根本途徑，此外在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中須合理施用化肥農(nóng)藥并做好垃圾處理工作。