西咸新區(qū)灃東新城灃西新城南部地下水中砷來源及成因探討

李哲輝，白玉娟，高 超，李 巍，王佳武

(1.陜西工程勘察研究院有限公司，陜西 西安 710068；2.陜西地礦綜合地質(zhì)大隊(duì)，陜西 渭南 714000)

0 前言

近年來隨著城市的發(fā)展，飲用水源的保護(hù)，計(jì)劃將灃東水廠及灃皂水源地開采井遷建到灃河兩岸的綠化帶內(nèi)，故在新西寶高速公路以南的灃河?xùn)|岸(灃河公園和農(nóng)博園)施工了兩組探采結(jié)合井，結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩組承壓水探采結(jié)合井水中砷含量大于0.01 mg/L，超過生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)，其后對西咸新區(qū)的灃西新城和灃東新城承壓水進(jìn)行了系統(tǒng)采樣化驗(yàn)，以查明該區(qū)承壓水中砷含量大于0.01 mg/L的分布范圍和高砷水的來源等，為今后水源地的安全運(yùn)營和當(dāng)?shù)厝孙嬎踩峁┘夹g(shù)依據(jù)。

通過對西咸新區(qū)的灃西新城和灃東新城320 m以淺地下水進(jìn)行取樣化驗(yàn)分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)西咸新區(qū)的灃西新城和灃東新城南部承壓水中砷含量普遍較高，一般在0.01～0.05 mg/L，最高為0.07 mg/L，均超過《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T14848-2017)中的Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，不宜作為生活飲用水水源。

1 砷的平面分布規(guī)律

通過取樣分析化驗(yàn)西咸新區(qū)的灃西新城和灃東新城砷含量表現(xiàn)為南高北低、西高東低的趨勢，其中以灃西新城宋西村—南米莊村—曹坊村南一線、灃東新城馮三村—南田村—師寨村—車劉村一線以北至渭河沿線砷含量均未超過《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T14848-2017)中的Ⅲ類指標(biāo)限制(0.01 mg/L)，以南砷含量大部分超標(biāo)，超標(biāo)范圍呈條帶狀分布，其中砷含量超過0.04 mg/L以上地區(qū)主要分布于灃西新城南部，超過0.03 mg/L、0.02 mg/L、0.01 mg/L以上地區(qū)均由灃西新城南部延伸至灃東新城中部地區(qū)，在灃東新城先鋒村、八一村砷含量小范圍甚至超過0.06～0.07 mg/L。從地質(zhì)地貌條件分析，地下承壓水中砷含量超標(biāo)范圍主要分布在渭河沖洪積平原上(即洪積扇區(qū))；地下水中砷含量0.01 mg/L界限基本與渭河沖積平原與渭河沖洪積平原接觸線附近或重合，說明地下水中砷含量大小與地貌部位關(guān)系密切。

2 砷的垂向分布規(guī)律

針對西咸新區(qū)灃西新城和灃東新城地下承壓水中砷含量超標(biāo)問題，對已成的灃河公園和農(nóng)博園2組探采結(jié)合井(2組探采結(jié)合井位于渭河沖洪積平原上)進(jìn)行持續(xù)大泵量抽水試驗(yàn)和小泵量分層抽水試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如下。

2.1 大泵量抽水試驗(yàn)

對2組探采結(jié)合井進(jìn)行持續(xù)大泵量(100 m3/h)抽水取樣，取樣順序與頻次為抽水前井筒水、開泵抽水半小時、此后每隔24 h取樣一次，抽水持續(xù)10 d連續(xù)取樣，檢測項(xiàng)目為砷，針對全井段進(jìn)行抽水時間單因素衰減分析。通過分析化驗(yàn)地下承壓水中砷含量均呈波動上升趨勢(見圖1)。

圖1 灃河公園、農(nóng)博園大泵量抽水砷指標(biāo)變化表

2.2 小泵量分層抽水取樣

通過制作的專用分層抽水設(shè)備對2組探采結(jié)合井進(jìn)行靶點(diǎn)定向小泵量(5～10 m3/h)抽水，依據(jù)濾水管位置針對已成220 m探采結(jié)合井分6個取水層段、320 m探采結(jié)合井分5個取水層段進(jìn)行分層抽水，抽水延續(xù)時間每層均為12 h，在抽水開始后半小時、6 h與結(jié)束前12 h分別取樣，檢測項(xiàng)目為砷,進(jìn)行高砷含水層篩選分析。

220 m探采結(jié)合井分層抽水取樣，樣品分別送至陜西工勘院環(huán)境檢測有限責(zé)任公司和國家城市供水水質(zhì)監(jiān)測網(wǎng)西安監(jiān)測站，經(jīng)檢驗(yàn)分析結(jié)果為：北部的灃河公園6個取水層段砷含量均超過標(biāo)準(zhǔn)限值，有由淺到深逐漸升高，除112～124 m砷含量小于0.02 mg/L以外，其余層位砷含量均大于0.02 mg/L；南部的農(nóng)博園砷含量大于0.02 mg/L出現(xiàn)在110～116 m、178～184 m、208～214 m，其余層位砷含量在0.013～0.0188 mg/L(見圖2)。

圖2 灃河公園、農(nóng)博園220 m井分層抽水試驗(yàn)砷含量變化圖

320 m探采結(jié)合井分層抽水取樣，樣品分別送至陜西工勘院環(huán)境檢測有限責(zé)任公司和國家城市供水水質(zhì)監(jiān)測網(wǎng)西安監(jiān)測站，經(jīng)檢驗(yàn)分析結(jié)果為：北部的灃河公園5個取水層段砷含量均超過標(biāo)準(zhǔn)限值，230～236 m、278～290 m、296～308 m層位砷含量相對較高，但均未超過0.018 mg/L，242～248 m、260～266 m層位砷含量相對較低，為0.011～0.013 mg/L；南部的農(nóng)博園在242～254 m、290～302 m層位砷含量相對較高，為0.028～0.077 mg/L，其余層位砷含量在0.026～0.044 mg/L(見圖3)。

圖3 灃河公園、農(nóng)博園320 m井分層抽水試驗(yàn)砷含量變化圖

從小泵量分層抽水取樣看砷含量大于0.01 mg/L的深度在110 m以深，有由淺到深，砷含量略有增高趨勢，含水層巖性為中粗砂、中細(xì)砂層。

3 勘探孔巖土樣浸出試驗(yàn)

為了進(jìn)一步查明砷在垂向上的分布與變化，在灃河公園探采結(jié)合井(320 m)旁10 m處鉆鑿一眼勘探取芯孔，取巖土樣作砷的浸出試驗(yàn)，通過浸出試驗(yàn)，該處地層中含砷量較高層段有6段，分別在107.8～122.5 m、136.5～140.2 m、163.7～181.9 m、190.7～210.1 m、231.2～253.8 m、294.9～306.0 m，含砷量一般在0.2～0.35 mg/kg，最高在0.43～0.58 mg/kg。巖土樣分析試驗(yàn)結(jié)果與小泵量分層抽水試驗(yàn)水質(zhì)檢驗(yàn)結(jié)果對應(yīng)一致。

從小泵量分層抽水取樣和勘探孔巖土樣浸出試驗(yàn)分析結(jié)果看在110 m以深，地層巖性為中、下更新統(tǒng)沖洪積粉質(zhì)粘土、粉土夾中粗砂、中細(xì)砂層，為沖洪積平原(即洪積扇區(qū))沉積層。說明地貌部位的沉積層巖性對砷的高低有控制作用。

4 地下水和地層中砷的來源分析

4.1 地層中砷的來源分析

從砷的平面分布看，高砷地層和高砷地下水主要分布于沖洪積平原(洪積扇區(qū))，探采結(jié)合井開采段地層為第四系中、下更新統(tǒng)沖洪積粉土、粉質(zhì)粘土夾中細(xì)砂、中粗砂，物源主要來源于南部秦嶺基巖風(fēng)化后在洪水沖積下堆積而成。根據(jù)侯滿堂(2004)[1]等對陜西周至—戶縣—長安金礦帶成因的研究表明，砷的含量在該區(qū)的地層及侵入巖體中含量較高，秦嶺群中砷的含量達(dá)6.37 mg/L，加里東巖漿體中砷的含量達(dá)7.83 mg/L。這些地層中含砷礦物有：雄黃(AsS)、雌黃(As2S)、毗霜(As4O6)、五氧化二砷(As2O5)、毒砂(FeAsS)。這些高砷巖石中的砷為西咸新區(qū)的灃西新城和灃東新城南部地下水中砷的來源因素之一。另外，陜西周至-戶縣-長安一線已發(fā)現(xiàn)大型金礦床2處，中小型礦床(點(diǎn))20余處。它們分屬金牛坪-庫峪貴、多金屬成礦帶和沙梁子-豐北河貴金屬成礦帶(侯滿堂等，2004)。該礦床伴生的巖石中砷的含量較高，構(gòu)造巖中砷的含量達(dá)到了2.56 mg/L，石英脈中砷的含量達(dá)到了1.3 mg/L。

4.2 地下水中砷的來源分析

砷在地下水中以三價或五價存在，如H3AsO3、H2AsO4-、HAs3O42-；土層中砷有溶解態(tài)和吸附態(tài)兩種形式，砷高價比低價氧化物有更強(qiáng)的水解性，因而在氧化條件下水解并沉淀，使其遷移能力減弱；而在還原條件下，砷多形成較穩(wěn)定的化合物在水中遷移，在富含有機(jī)質(zhì)的還原環(huán)境中，砷化合物的溶解性增強(qiáng)，被吸附性減弱，致使砷在地下水中富集，因此，在還原環(huán)境中的地下水砷含量高于氧化環(huán)境中的地下水砷含量。通過分析，西咸新區(qū)的灃西新城和灃東新城南部為沖洪積平原(沖洪積扇)，地層中含砷量較高，遠(yuǎn)離西北郊水源地和皂河水源地，地下水徑流較緩，基本處于還原環(huán)境中，故地下水中砷含量較高。

4.3 人為因素影響

人為因素主要包括開采含砷礦床、使用含砷的農(nóng)藥、農(nóng)業(yè)灌溉及含砷廢水的排放等。一般來說，對于砷中毒區(qū)砷的來源并不是單一因素作用的結(jié)果，而要根據(jù)實(shí)際情況具體分析。前些年該區(qū)上游造紙廠和化工廠較多，許多紙廠的排污設(shè)施都不達(dá)標(biāo)。大部分企業(yè)廠礦直接向河排污造成了嚴(yán)重的污染。河道水長期下滲嚴(yán)重影響了地下水的水質(zhì)。盡管通過幾年的治理，大多數(shù)不合格的造紙企業(yè)已被關(guān)閉，但這有害元素進(jìn)入水中，再加之地層中天窗存在和水井、鉆孔施工和報廢沒有經(jīng)過嚴(yán)格的止水和封井導(dǎo)致高砷水進(jìn)入承壓水。水中砷的具體來源及每種來源所占的比例還需進(jìn)一步的分析研究。

4.4 從水動力場分析地下水中砷的遷移與富集

從承壓水流場圖可看出，承壓水流向主要是由西向東，由南向北，向?yàn)栐硭吹亟德渎┒分行牧鲃?，在渭河沖積平原區(qū)承壓水等水頭線密集，水力梯度大，說明水流積極，地下水處于氧化條件砷水解并沉淀，使其遷移能力減弱；而在沖洪積平原(洪積扇區(qū))承壓水等水頭線稀疏，水力梯度小，說明水流滯緩，地下水循環(huán)交替不積極，地下水主要處于還原環(huán)境中，砷化合物的溶解性增強(qiáng)，被吸附性減弱，致使砷在地下水中富集。另外，地下水主要由西向東徑流，東西方向地下水中砷含量不高，變化不大；由南向北徑流的高砷地下水在渭河沖積平原區(qū)被大量的低砷水淡化所致，所以灃皂水源地開采數(shù)十年還沒有出現(xiàn)砷超標(biāo)現(xiàn)象。

5結(jié)語

西咸新區(qū)的灃西新城和灃東新城南部的地下水中砷含量較高，最高達(dá)到了0.7 mg/L，已基本上接近了輕度—重度污染的標(biāo)準(zhǔn)。砷在地下水中的遷移、富集及相互作用受到各種物理化學(xué)因素的制約，并對環(huán)境產(chǎn)生不同程度的毒害(肖唐付等，2001)。地下水中砷含量的高低同樣也受到當(dāng)?shù)氐牡匦蔚孛?、地質(zhì)構(gòu)造水文地質(zhì)條件、水環(huán)境化學(xué)條件及人為等各方面因素的影響。各種因素錯綜復(fù)雜、相互作用，再加上人類活動對周圍環(huán)境影響程度越來越大，認(rèn)為西咸新區(qū)的灃西新城和灃東新城南部地區(qū)地下水中砷含量相對較高是自然因素和人為因素綜合作用的結(jié)果。所以，灃東水廠及灃皂水源地遷建開采井應(yīng)布設(shè)于渭河沖積平原(砷含量小于0.01 mg/L)灃河兩岸的綠化帶內(nèi)，加強(qiáng)對渭河沖積平原最南部開采井水質(zhì)監(jiān)測，隨時根據(jù)水質(zhì)變化控制水源地開采量。目前，對于降低砷含量的方法主要包括傳統(tǒng)的混凝沉淀法和活性氧化鋁吸附過濾法，后者是一種行之有效的方法，已被廣泛使用。砷是環(huán)境污染的重要毒物之一，為確保人民身體健康，建議有關(guān)方面加強(qiáng)對該區(qū)特別是對西安南部的長安區(qū)、鄠邑區(qū)和周至縣等地區(qū)飲用水中砷含量進(jìn)行系統(tǒng)的調(diào)查、對地下水取樣化驗(yàn)和分析，追蹤地下水中砷含量的確切來源，查明上述地區(qū)地下水中砷含量較高的具體原因，并采取恰當(dāng)有效的措施，保證地下飲用水中砷的含量符合國家生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，減少對當(dāng)?shù)鼐用裆眢w危害。