陕北神府矿区地下水污染评价

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(1.信息产业部电子综合勘察研究院，陕西 西安 710054；2.陕西省土体工程技术研究中心，陕西 西安 710054；3.西北大学地质学系/大陆动力学重点实验室，陕西 西安 710069)

随着西部大开发战略的实施和深入进行，在陕北地区进行的各种工程建设活动日趋增多。无论哪种工程建设，都不可避免地涉及到地下水的利用问题，预防地下水污染和合理开发利用地下水可为国家节约大量能源和资金。地下水污染因其复杂性、隐蔽性、滞后性、昂贵性，所以对地下水污染评价的研究具有的经济和社会意义甚为广远。研究成果对于促进陕北煤炭基地的健康发展，保护陕北脆弱的生态环境十分有益。以陕北具有代表意义的神府矿区为例，通过对地下水污染现状野外调查，采集水样，室内、室外分析化验，分析地下水水污染原因并进行区划评价。

1 区域水文地质概况

1.1 地下水的赋存情况与分布规律

神府矿区地下水分为四类：(1)第四系松散岩类孔隙，(2)裂隙孔洞潜水，(3)中生界碎屑岩类裂隙潜水，(4)裂隙承压水。第四系潜水按地区分为沙漠滩地区—以上更新统冲湖积层为主的孔隙潜水、河谷区—全新统冲积层孔隙潜水、丘陵区—以中更新统风积黄土为主的裂隙孔洞潜水。

神府矿区的特点是河谷地区分布面积小、厚度变化较大，地下水赋存条件较好；丘陵区地势相对较高，岩性致密，沟谷深切，不利于地下水赋存；地势平坦的沙漠滩地区，冲湖积堆积物厚度较大，分布连续，有利于大气降水入渗补给及地下水赋存；中生界碎屑岩类除烧变岩裂隙孔洞发育有利于地下水赋存外，其余地下水赋存条件差。含水介质主要为四类：第四系全新统冲积砂砾卵石、砂、粉土层，第四系上更新统风湖积中细砂层，以及三叠系、侏罗系砂泥岩风化带、侏罗系烧变岩层。

1.2 地下水补、径、排特征

神府矿区独特的地质地貌条件决定了地下水补、径、排特征。潜水主要受大气降水入渗补给，同时还接受部分层间水和凝结水补给，以及灌溉水与河水的入渗补给。区域地形主要控制神府矿区的径流方向，进而受地貌形态的影响，总体一般由北向南运动，分为深部循环系统和浅部循环系统。深部循环系统和区域地下水运动方向一致，浅部水一般由地势较高区域向河谷区和盆地中心径流。区内潜水的排泄方式主要以泉或潜流形式，其次为垂渗和蒸发方式。不稳定隔水层导致区域内形成局部性承压水，没有统一的补给区，具有多层性，主要在河间区接受大气降水经由潜水垂直入渗补给，由北向南径流，排泄于河谷中。

1.3 地下水水化学特征

地下水在径流过程中，由于水、岩与地下周围介质的不断相互作用，地下水运动不断发生变化，导致了地下水中的化学成分发生变化。因此，为了掌握地下水的循环规律，必须通过对水化学数据的分析，探寻地下水的赋存环境、物质交换及径流途径的重要信息。

神府矿区内，地下水中的主要阴离子组成为：HCO3-、SO42-、Cl-，通过对神府矿区地下水水化学成分特征值的统计，结果反映的各项试验指标偏度相差较大，偏度较大离子以Cl-、NO2-、COD、F-和Cr6+为主，所有变量的偏度值均大于0，最终直观表现为概率密度函数出现了极端异常值，可以推断神府矿区地下水局部出现污染。

2 地下水污染评价

2.1 评价方法

根据中西部地下水污染调查评价项目的要求，地下水污染程度的评价方法为层级阶梯法。具体方法为在地下水质量层级阶梯评价的基础上，将地下水的污染的评价指标分为无机毒理和微量有机，并且划分为四级，采用数理统计法对地下水环境背景值进行研究。根据本区水质监测结果，选用八种常见的无机常规指标：TH、TDS、Cl-、SO42-、Fe、Mn，耗氧量、NH4—N，以及检出的五项无机毒理组分：NO2—N、NO3—N、F-、Cr6+、Mo进行背景值研究，进一步分析评价该地区地下水受人类活动影响的程度。

2.2 地下水污染现状

区内大部分的河流受到不同程度的污染，污染最重的为窟野河，是企业污水不经任何处理直接排放到河水中引起的，其中氨氮超标指数达到250倍之高。污染严重地段在锦界工业园区附近，这一段河水属于重度污染，红碱淖主要受石油类、高锰酸钾指数以及氨氮污染物的污染。

神府矿区煤炭资源的大量开采也给当地带来了很多隐患，矿区工矿企业地区的地表岩性大多以粉砂和粉土为主，包气带岩性结构疏松，地下水位埋深较小，潜水含水层渗透系数大，防护能力较差，地下水易受污染。矿区的煤矿开发、煤电、兰炭炼焦、煤化工等生产过程中产生的大量废气、废水、固体废物给当地生态环境造成重大问题，特别对地下水质量安全造成了威胁，其次农业污染的主要类型为面源污染，污染物大部分来源于农田施肥、农药、畜禽养殖。

2.3 区域地下水污染评价

地下水污染级别按照评价方法划分为四级，其中未污染水22组，占评价总取样数29.3%；劣变水30组，占评价总取样数40%；轻度污染水15组，占评价总取样数20%；重度污染水8组，占评价总取样数10.7%。导致神府矿区产生地下水污染的主要指标有硝酸根、氟离子，其次为亚硝酸盐、六价铬和钼。评价结果较直观地表明：(1)神府矿区仅有29.3%的地下水没有被污染，40%的地下水开始发生劣变，30.7%的地下水已受到不同程度的点状污染；(2)轻度污染和重度污染地下水点的空间分布与区内煤矿开采、煤电和煤化工企业的布局具有明显的相关性，在轻度污染点和重度污染点周围均具有污染源分布(见图1和图2)。

图1 神府矿区地下水污染评价图

图2 神府矿区地下水无机毒理指标

图3 神府矿区地下水污染指标影响程度

3 地下水污染影响指标成因分析

神府矿区地下水污染的影响指标为NO3—N、NO2—N、F-、Mo和Cr6+。其中：NO3—N影响程度为65.2%，F-影响程度为26.1%，NO2—N影响程度为13%、Cr6+和Mo的影响程度均为4.3%。影响区内重度污染地下水的指标为NO3—N、F-、NO2—N，影响轻度污染地下水的指标为NO3—N、F-、NO2—N、Cr6+和Mo(见图3～图5)。

从“三氮”污染点空间分布图(图6)上可以看出，神府矿区地下水“三氮”污染点与人类活动具有很强的相关性。神府矿区地下水中氟离子含量较高主要与原生水文地质环境有关，其次受人类活动的影响。

图4 神府矿区轻度污染地下水影响指标

图5 神府矿区重度污染地下水影响指标

图6 神府矿区地下水NO3-N含量与取样深度关系图

图7 神府矿区地下水pH值与F-关系图

图8 神府矿区地下水Na+值与F-关系图

神府矿区地下水F-的含量与人类活动关系较密切，超标的6个点周围都有明显潜在污染源分布，位于神木县中鸡镇李家畔村一床上用品洗涤厂的调查点，为清洗用水井，井水的F-含量为1.5 mg/L；位于神木县店塔镇沙渠村村民生活用水井，F-含量为3.8 mg/L，周围有王塔煤矿随意堆放的煤矸石和粉煤灰，地表无任何防渗措施；位于神木县大柳塔镇刘石畔村选煤厂附近水井，F-含量9.6 mg/L(见图7～图9)。

图9 神府矿区地下水Ca2+值与F-关系图

图10 神木县中鸡镇李家畔村洗涤厂用水井

图11 神木县店塔镇沙渠村村民生活用水井

图12 神木大柳塔镇刘石畔村选煤厂附近的村民生活用水井

神府矿区微量有机指标检出率较高(检出率40.3%)，特别是苯系物，检出率占总检出指标的92.9%，虽然各检出组分都没有超过Ⅲ类水质标准，但地下水中有机物的广泛出现，说明了神府矿区地下水的质量已在受到人类活动所引起的有机污染。随着工矿企业特别是煤电、煤化工企业的不断发展，有机化合物的使用越来越广泛，在人类生存的环境中随处可在，进而地下水的有机污染会变得越来越重(见图10～图13)。

4 区域地下水污染风险评价

4.1 地下水污染指数

对地下水防污性能分区图和污染源分级图进行叠加得到神府矿区地下水污染风险分区图。

地下水污染风险高的的区域：主要包括西部沙漠滩地区、秃尾河和窟野河河谷区及较大的支沟中，这类地区的污染主要来自工矿企业与农业生产及城镇居民生活的废水和废弃物，属人口密集区和工况企业密集区，人类活动频繁，各类污染物排放较多。污染最严重的是煤矿开采和煤化工企业，煤矿、煤化工企业几乎遍布整个调查区，废气、粉尘在大气中飘动；煤矸石、粉煤灰、矿渣随处可见(只有大的矿区有特定的矸石堆放场所和掩埋、复垦措施，中小型矿区的矸石大多为绕矿区周围随意堆放，更没采取、防渗、掩埋和复垦措施)；矿坑水、生产与生活污水肆意的排放到附近的未利用土地和河沟之中，乌兰木伦河、悖牛川、窟野河、秃尾河两侧河堤上随处可见排污管昼夜不停地排放着污水。

图13 孙家岔镇苏家塔村小型塑料加工厂

地下水污染风险较高的区域：主要包括秃尾河河谷盆地及两侧滩地中、乌兰木伦河以东、大柳塔以北的沙漠滩地区。沙漠滩地区地形平坦，地下水位埋深小，包气带和含水层结构疏松、渗透能力强，污染物易渗透入到地下水含水层。污染源类型分为两大类：第一类为煤矿、煤化工企业及城区的固体废物(矸石、粉煤灰、灰渣、生活垃圾等)的污染；第二类为煤矿、煤化工企业及城区的污水排放。

地下水污染风险中等的区域：主要分布在研究区内沙盖黄土梁峁地区。以上地区局部有工矿企业分布，包气带具有细颗粒的双层岩性结构，区内地下水埋深较大，地表支离破碎，坡度较大，补给量也较小，所以不易受到外界污染物的影响，地下水防污性能较好，所以地下水受污染的风险相对较小。

地下水污染风险较低的区域：主要分布在调查区东南部的黄土梁峁区，区内地下水埋深大，包气带具有一定的净化能力；区内基本无污染型工业分布，黄土梁峁区的谷坡上分布有较大面积的耕地，但由于地表坡度较大，所施用的农药化肥等易随降水流入沟谷，所以，农业污染源对黄土梁峁区地下水污染相对较小，地下水被污染的风险性低。

4.2 地下水污染防治区划

神府矿区地下水污染防治区划分为两区和一类修复治理点，即：防控区、一般防护区和一类污染修复治理点。神府矿区地下水污染防控区包括正在开发中的和已勘探未开采的集中供水水源地；神府矿区一般防护区为地下水系统防污染性能好和较好、地下水基本未污染、供水量小且分散分布的地区；地下水已出现明显毒理指标污染及有机物检出的地点确定为修复治理点。在对于不能归到上述分区的部分区域，根据实际情况细划为过渡区，或归入相近区内。

4.3 地下水污染防治对策

地下水污染防治对策的确立方针为预防为主、防治结合，需要采取措施积极控制已有污染，防止水质的进一步恶化；对有发生污染隐患的区域要采取有力措施，防止新的污染产生，全面保护地下水资源。针对神府矿区提出具体的防治对策有以下几点：

(1)推行清洁生产，发展循环经济和循环经济产业链；采取有效措施加大“三废”治理，加强水污染的预防，保护水资源与生态环境；

(2)积极开展地下水防污知识宣传，树立节水观念，增强公众环保意识；

(3)建立地下水动态监测系统；

(4)综合治理，着力控制污染源。

5 结语

通过对陕北具有代表意义的神府矿区地下水污染现状研究调查，采集水样，室内、室外分析化验，对地下水水污染进行评价。采用层级阶梯对地下水污染程度进行评价，并按无机毒理指标和微量有机指标将地下水的污染划分为四级，作出地下水污染风险分区图。结果表明：神府矿区地下水主要污染来源于工矿企业生产和生活废物，全区大部分地区污染程度为中等偏高，污染程度高的地区沿地下水水流方向的上游分布着较多重污染型企业，说明导致地下水污染的原因除生活污染外，工矿企业已经对水源保护区内局部地下水造成了不同程度的影响。

最终提出陕北神府矿区地下水污染防治对策，利用市场机制和经济杠杆作用，调整经济结构，改善用水结构，促进用水效率的提高，并为水资源可持续利用保驾护航。