應城地區(qū)地下水無機污染成因分析

譚 偉, 樂嘉祥, 劉 勇

(湖北省地質環(huán)境總站,湖北 武漢 430034)

1 水文地質背景

1.1 地下水類型

根據地下水賦存的含水介質特征、儲存和運移空間形態(tài)特征,研究區(qū)內地下水類型可分為松散巖類孔隙水、碎屑巖類裂隙孔隙水、碎屑巖類裂隙水和碳酸鹽巖類巖溶裂隙水(圖1)。

根據水力性質,研究區(qū)內地下水可分為:第四系全新統(tǒng)沖積層砂、砂礫(卵)石孔隙承壓水,第四系上更新統(tǒng)沖洪積層砂、砂礫(卵)石孔隙承壓水,新近系掇刀石組半固結砂巖、砂礫巖裂隙孔隙承壓水,古近系云應群文峰塔組砂巖、砂礫巖裂隙承壓水,震旦系上統(tǒng)燈影組硅質白云巖巖溶裂隙承壓水。另外,第四系中更新統(tǒng)粘土、粘土夾礫(卵)石裂隙中還賦存有少量潛水。

1.2 地下水補徑排

1.2.1 松散巖類孔隙承壓水

松散巖類孔隙承壓水主要分布于府河、大富水、漳河兩岸,沿河呈條帶狀展布,河流斷面呈寬“U”形,階地地勢平坦,河流常年有水,地下水主要接受大氣降水和地表水垂直入滲補給。在階地前緣由于靠近河流,除接受上部孔隙潛水補給外還接受地表水補給。在階地后緣還接受相鄰含水層側向補給,如大富水階地后緣主要接受新近系掇刀石組半固結碎屑巖裂隙孔隙水側向補給(圖1和圖2)。

1.2.2 新近系掇刀石組半固結砂巖、砂礫巖裂隙孔隙承壓水

該類地下水主要分布于三合鎮(zhèn)—四里棚—楊嶺鎮(zhèn)—湯池鎮(zhèn)以南云應盆地地帶,地下水主要接受相鄰含水層側向徑流補給,在靠近河流區(qū)域還接受上部第四系松散巖類孔隙水補給,如東部府河階地長江埠地區(qū),上部為第四系松散巖,下部為新近系掇刀石組碎屑巖,該地區(qū)機井多為雙層含水層,單井涌水量可達500 m3/d,可滿足幾千人生活用水。另外在西部靠近曹武、皂市地區(qū)還接受碳酸鹽巖巖溶裂隙水補給(圖1和圖3),如ZS-ZK7位于湯池鎮(zhèn)大陳村,含水層僅2.1 m,但由于其靠近西北部曹武碳酸鹽巖地區(qū),地下水補給來源豐富,單井涌水量達245.46 m3/d。地下水總體由西北向東南沿砂巖、砂礫巖裂隙孔隙向盆地中心運移,其排泄方式為人工開采或向相鄰含水層排泄。

圖1 研究區(qū)水文地質概況圖Fig.1 General picture of hydrogeology in the study area1.松散巖類孔隙水;2.碎屑巖類裂隙水;3.碎屑巖類裂隙孔隙水;4.碳酸鹽巖類巖溶裂隙水;5.粘土相對隔水層;6.雙層結構地下水;7.地表水體;8.剖面線及編號;9.鉆孔及編號;10.地下水流向。

圖2 大富水階地地下水補徑排剖面示意圖Fig.2 Sketch map of groundwater rechange profile in Dafu terrace1.粘土;2.粉質粘土;3.粘土夾礫卵石;4.砂礫石;5.粘土巖;6.砂礫巖;7.泥質粉砂巖;8.第四系全新統(tǒng)沖積層;9.第四系上更新統(tǒng)沖洪積層;10.第四系中更新統(tǒng)沖洪積層;11.新近系掇刀石組;12.古近系云應群文峰塔組;13.古近系云應群膏鹽組;14.鉆孔編號;15.地下水位線;16.地下水流向。

1.2.3 古近系云應群文峰塔組砂巖、砂礫巖裂隙承壓水

古近系云應群文峰塔組碎屑巖主要出露于北部地區(qū),出露面積較小,主要接受大氣降水補給、遠源補給。因含水巖組呈零星式點狀或小范圍片狀出露,導致大氣降水補給有限,故水量較小。但因本套地層巖性、裂隙發(fā)育程度差異大,導致富水性極不均一,如在三合鎮(zhèn)朱家大堰YC-ZK14單井涌水量662.82 m3/d,巖性為膠結程度極差的砂礫巖,含水層埋深>60 m,主要為深部遠源補給。地下水總體由西北向東南沿砂巖、砂礫巖裂隙運移,其主要排泄方式為人工開采。

1.2.4 震旦系上統(tǒng)燈影組硅質白云巖巖溶裂隙承壓水

地下冷水主要沿巖溶裂隙接受大氣降水和相鄰含水層補給,整體由西北向東南沿巖溶裂隙徑流,于地勢低洼處或遇相對弱透水層阻隔以泉形式排泄。區(qū)內碳酸鹽巖主要為震旦系上統(tǒng)燈影組硅質白云巖,僅出露于湯池石堰水庫一帶,地表巖性極為破碎,硅化程度較高,見有明顯溶蝕現(xiàn)象,為大氣降水入滲創(chuàng)造了良好條件。另外,在湯池西部曹武、皂市地區(qū)地勢逐漸升高,分布有三疊、二疊系灰?guī)r,為該區(qū)碳酸鹽巖巖溶裂隙水提供了補給來源[1]。

圖3 新近系碎屑巖與碳酸鹽巖接觸帶地下水補徑排剖面示意圖Fig.3 Sketch map of groundwater rechange pofile of contact zone between clastic rock and carbonate rocks of Neogene1.粘土;2.粉質粘土;3.砂礫石;4.粘土巖;5.砂巖;6.泥灰?guī)r;7.第四系全新統(tǒng)沖積層;8.第四系上更新統(tǒng)沖洪積層;9.第四系中更新統(tǒng)沖洪積層;10.新近系掇刀石組;11.古近系云應群膏鹽組;12.鉆孔編號;13.不整合界線;14.地下水位線;15.地下水流向。

2 污染源調查

應城市地下水污染源主要為工業(yè)污染源,即膏鹽礦等采礦企業(yè)。通過本次調查,工業(yè)污染源可分為三大類:第一類為礦業(yè)開發(fā)過程中所產生的廢水和廢渣;第二類為儲存裝置和輸運管道的滲漏;第三類為事故類污染源。

2.1 工業(yè)廢水

工業(yè)廢水主要為鹽礦生產過程中產生的含鹵廢水。部分鹽礦企業(yè)將未經處理或處理不達標的生產廢水利用管道直接排入周邊河溝。特別是應城鹽水河一段,由于上游鹽礦企業(yè)排污,導致沿河水體渾濁,沿岸土壤鹽堿化,見照片1-(a)、(b)。再如四里棚鹽化大道一帶,排污口設置于橋下,致使周邊溪溝水體變白,見照片1-(c)、(d)。

通過對部分鹽礦周邊排污點河溝取樣分析(表1),Na+含量最大可達12 674.86 mg/L,Cl-含量最大可達18 248.33 mg/L,已經嚴重超標。由于這類污染源均以點狀分布、排放量大、排放點隱蔽,且具有間斷性,危害極為嚴重。

照片1 研究區(qū)排污點Photo 1 Blowdown point in study area

表1 鹽礦周邊排污點部分指標檢測結果Table 1 Detection results of indicators of pollution spots around salt mines

取樣點Na+Cl-SO2-4NO-3F-FeMnAsHg中鹽長江鹽化538.01799.452302.30.510.210.21<0.001<0.05久大鹽礦有限992.121 529.381604.240.380.260.4<0.001<0.05孝感廣鹽華源12 674.8618 248.333 900.32148.8600.780.15<0.0010.1

注:濃度單位Hg為μg/L,其他為mg/L。

2.2 工業(yè)廢渣

工業(yè)廢渣主要為膏礦開采產生的廢棄礦渣。石膏開采過程中,廢棄礦渣長期露天堆存不僅占用大量土地(見照片2),而且由于露天堆放隔水處理不合格,經過雨水淋溶作用,污染物隨降水直接滲入地下水,或通過地表徑流,沿河道向下游遷移入滲,造成地下水污染。

照片2 石膏礦渣露天堆放Photo 2 Open-air gypsum slag

2.3 儲存裝置和輸運管道的滲漏

鹽礦開采中的鹵水通過井管運輸,其滲漏與流失常常是污染地下水的重要污染源。特別是四里棚鹽化大道南部,輸鹵管道縱橫交錯,由于使用年限較長,長期裸露在外,常年雨淋日曬,加上人為干擾以及管理不到位,局部井管存在跑冒滴漏等現(xiàn)象。鹵水通過運輸井管滲漏,長期不被發(fā)現(xiàn)的連續(xù)性污染導致周邊土地鹽堿化(見照片3),污染物就地下滲至地下水中,造成地下水污染。據當?shù)匕傩辗从?上世紀90年代,已經產生了由鹽礦管道滲漏污染造成的土壤鹽堿化,每年因土壤鹽堿化,造成糧食減產甚至絕收農田約13.33 km2,糧食損失約1300萬kg。

2.4 事故類污染源

事故類污染源主要為鹽礦開采過程中,地下井管破裂、錯位導致的井管冒鹵。歷史上此類事故曾多次發(fā)生,如2009年久大(應城)鹽礦有限公司,402號生產鹽井出現(xiàn)冒鹵現(xiàn)象(見照片4),并由此造成過多次鹽礦地面塌陷。

照片3 鹵水滲漏引起的土地鹽堿化Photo 3 Salinization caused by brine leakage

照片4 鹽井冒鹵Photo 4 Brine of salt well

由于井管長期處于高壓工作狀態(tài),部分井管年久失修、甚至帶病生產,高壓鹵水沿井管裂口串出,沿巖層空隙直接污染地下水(見圖4)。這種偶然性污染源是導致地下水污染最為直接的污染源。

3 污染途徑調查

依據水力學特點,應城市地下水污染途徑可分為:間歇入滲型,連續(xù)入滲型、越流型、徑流型。

3.1 間歇入滲型

圖4 含水層污染示意圖Fig.4 Schematic diagram of aquifer pollution

圖5 研究區(qū)間歇入滲型地下水污染途徑示意圖Fig.5 Schematic diagram of groundwater pollution pathways withinterval infiltration 1.粉質粘土;2.砂礫卵石;3.粘土巖;4.含污水;5.石膏礦渣;6.地下水流向;7.地下水位線。

3.2 連續(xù)入滲型

圖6 研究區(qū)連續(xù)入滲型地下水污染途徑示意圖Fig.6 Schenatic map of contionous infiltration groundwater pollution in the study area1.粉質粘土;2.砂礫卵石;3.粘土巖;4.受污染地下水;5.地下水位線;6.土壤鹽堿化區(qū)域;7.未受污染區(qū)域;8.地下水流向。

應城市鹽化大道一帶,輸鹵管道縱橫交錯,局部井管存在跑冒滴漏等現(xiàn)象,鹵水中的污染物不斷通過包氣帶滲入含水層(見圖6)。據當?shù)匕傩辗从?這種現(xiàn)象出現(xiàn)于上世紀90年代,長期鹵水滲漏導致當?shù)赝寥利}堿化,在這種情況下,包氣帶完全飽水,污染物自上而下長期連續(xù)性入滲,污染含水層主要為第四系松散巖類孔隙水,其污染程度主要受污水濃度、包氣帶巖層厚度及巖性控制。

通過調查發(fā)現(xiàn),鹽化大道區(qū)域地貌類型為剝蝕堆積壟崗地貌,壟崗與坳溝相間排列,鹵水在地勢較低的坳溝區(qū)域富集,為鹽分的匯集提供了良好的地形條件。鹵水長期覆蓋于第四系松散巖土體表層,隨著水分的不斷蒸發(fā),其中的水分不斷減少而留下鹽分,導致Cl-、Na+長期滯留于粘性土層中并沿孔隙下滲,日積月累,土壤含鹽量逐漸增加,隨著鹵水的流動擴散,鹽堿化面積越來越大,最終形成一片白色荒地。其污染含水層深度一般在地表以下30 m以內。

3.3 越流型

長期的鹽礦開采過程中,注水井始終處于加壓—泄壓狀態(tài),使得部分井管局部破裂造成生產事故,特別是地面塌陷、冒鹵等現(xiàn)象時有發(fā)生。這類事故使得鹵水攜帶污染物從井管破裂部位通過弱隔水層越流轉移到其他含水層,既可以污染潛水也可以污染承壓水(圖7)。受地層結構及井管破裂深度影響,較難查清越流的具體深度及部位,故此類污染研究較為復雜。

圖7 研究區(qū)越流型地下水污染途徑示意圖Fig.7 Schematic map of groundwater flow path in the study area1.粉質粘土;2.砂礫卵石;3.粉砂巖;4.砂礫巖;5.巖鹽礦層;6.鹵水;7.地下水流向。

通過對鹽礦區(qū)域水文地質背景調查發(fā)現(xiàn),該區(qū)域從上到下大致可分為兩個含水層:①第四系松散巖類孔隙潛水含水層(埋藏深度在14～30 m);②新近系掇刀石組半固結砂巖、砂礫巖裂隙孔隙承壓含水層(埋藏深度在20～100 m),該含水層具多層結構,由多個具有一定水力聯(lián)系的含水巖段組成,其間為厚度不均的相對弱隔水層。而井管破裂部位多集中于上述兩個含水層接觸部位，鹵水由上部①含水層通過弱隔水層越流轉移至下部②含水層。據鹽礦企業(yè)物探資料顯示,鹵水入侵深度可達70～99 m。

3.4 徑流型

部分鹽礦企業(yè)向河溝排污,使得污染物隨地表水遷移。特別是鹽水河一帶,污水通過管道直接注入鹽水河(見圖8)。由于地表水體側向滲入,被污染的地表水間接污染地下水,污染物以徑流的形式進入含水層,污染含水層主要為第四系松散巖類孔隙水。其污染程度受河流沿岸巖石的地質結構,水動力條件以及水源地距岸邊的距離等影響,由于鹽水河一帶含水層為第四系松散巖類,其污染深度在地表以下30 m以內,污染范圍主要為沿河溝及其下游地帶,污染長度達4 km。

圖8 研究區(qū)徑流型地下水污染途徑示意圖Fig.8 Schematic diagram of groundwater flow path of runoff type in study area1.粉質粘土;2.砂礫卵石;3.粘土巖;4.受污染地下水;5.地下水位線。

4 污染成因分析

引起地下水污染的原因復雜多樣,但不管哪種污染,具有相同來源或污染成因的污染組分之間必然存在一定的相互聯(lián)系,所以可采用數(shù)理統(tǒng)計方法對所有水化學組分進行綜合分析,根據分析結果再結合各組分的化學性質就可以對污染組分的成因做出初步判斷。本次采用因子分析法對應城地區(qū)地下水污染成因進行分析[2]。

4.1 因子提取

對應城地區(qū)108個地下水樣品中的15項化學指標進行因子分析,樣品測試數(shù)據統(tǒng)計結果見表2。

表2 應城地區(qū)地下水水化學成分統(tǒng)計表(mg/L)

表3 應城地區(qū)水化學成分間的相關系數(shù)Table 3 Correlation coefficients of hydrochemical components in Yingcheng area

協(xié)方差矩陣是因子分析的基礎,表3為應城地區(qū)水化學成分間的相關系數(shù)統(tǒng)計表。

在分析應城地區(qū)地下水水化學特征值的大小和方差累計貢獻率(表4)的基礎上,確定本次研究的2個主因子,每個因子的特征值>1,其方差累計貢獻率達97.502%,可以反映樣本總體97.502%的信息量,其因子荷載矩陣見表5。

表4 水化學成分相關矩陣的特征值及方差累計貢獻率(%)Table 4 Eigenvalue and cumulative variance contribution rate of correlation matrix of hydrochemical components

4.2 因子分析

表5 水化學成分因子載荷矩陣Table 5 Load matrix of hydrochemical composition factor

5 結論

(1) 應城市地下水污染源主要為三大類:第一類為礦業(yè)開發(fā)過程中所產生的廢水和廢渣,即鹽礦生產過程中產生的鹵水和膏礦開采產生的礦渣;第二類為儲存裝置和輸運管道的滲漏,即鹽礦輸鹵井管跑冒滴漏;第三類為由于事故類污染源,即鹽礦地下井管破裂、錯位導致的井管冒鹵。