莱芜地区地下水污染研究

2021-02-18张立川王应强秦志强薛良方朱世芳

地下水 2021年6期

王超，张立川，王应强，邹晔，秦志强，薛良方，朱世芳

(山东省鲁南地质工程勘察院，山东济宁 272100)

地下水资源是人类赖以生存的基础物质，在社会发展和经济活动中占有重要的地位[1]。全国约有66%的城市以地下水作为供水水源。全省大部分城市及大中型企业以地下水作为主要供水源，90%以上的农村居民以地下水作为唯一饮用水源[2]。随着人类工业及农业活动的加剧，众多污染物通过不同渠道进入地下水中，并发生了累积[3]。莱芜地区是山东省重要的钢铁、能源基地，境内有莱芜钢铁集团有限公司、山东泰山钢铁集团、九羊钢铁集团、鲁中矿业集团公司、新汶矿业集团有限责任公司潘西煤矿等大型企业，产生的超标水体进入地下水中，使得地下水受到了污染[4]。随着河道水体污染的加剧，致使地下水污染问题日益突出[5]。地下水的隐蔽性、复杂性等特点，决定了地下水一旦受到了污染，具有难以逆转的特性，处理工艺复杂，费用昂贵，而且很难完全治理，甚至是难以恢复的[6]。地下水受到污染后，将严重影响人类的身心健康和生存发展[7]。

莱芜位于山东省中低山丘陵区中部，是山东省重要的煤炭、铁矿石基地、钢铁生产和深加工基地，同时也是高新技术新材料产业基地，莱芜全境大多处于莱芜盆地内，地下水和地表水均向盆地内部汇聚，然而盆地内部的农业、采矿业和制造业等人类活动强烈，致使地下水水质持续恶化，经济发展与环境保护愈发矛盾突出。在当今新旧动能转换的新时代背景下，本文经过调查研究的成果，为该地区经济发展规划的决策部署提供了基础性资料，为地下水污染防治、保障饮水安全提供了科学的依据[8]。

1 研究区概况

1.1 区域地质

莱芜地区位于中朝地台鲁西断隆鲁西隆起区新蒙断块束莱芜断陷盆地。莱芜断陷盆地中部向北突出，近东西向，东西长约70 km，南北宽10～30 km。盆地主要形成于燕山期，中新生代经历了多次剧烈地质构造变动，并伴有岩浆活动，其中以燕山期岩浆活动最为强烈。本研究区地层出露较齐全，由新到老分布的地层为：第四系、古近系、白垩系、侏罗系、二叠系、石炭系、奥陶系、寒武系及新太古界泰山岩群。

1.2 水文地质概况

莱芜辖区主要以莱芜盆地为主体，北、东、南侧边界均多为地表分水岭，同时这些地表分水岭大部分也是地下水的分水岭。因此莱芜地区总体上是一个相对封闭的水文地质单元：在莱芜周边的丘陵山区接受大气降水补给，之后以表流或潜流的形式向莱芜盆地腹地径流汇聚，最终向西南排泄进入泰安市境内。这样一个较为封闭的水文地质单元对于本次莱芜地区地下水污染评价从上游到下游进行系统控制和分析是有利的。研究区地下水类型有松散岩类孔隙水、碎屑岩类孔隙裂隙水、碳酸盐岩类裂隙岩溶水和岩浆岩变质岩类裂隙水。

松散岩类孔隙含水岩组：广泛分布于莱芜盆地的瀛汶河、牟汶河河流谷地及河谷平原地区，近河谷地带厚度较大、山前地带厚度小。地下水埋深2～10 m，年变幅2～5 m，富水性在近河谷地带最强，向两侧逐渐减弱。

碎屑岩类孔隙裂隙含水岩组：零星分布于莱芜盆地腹地，多被第四系覆盖。裂隙不发育、连通性差，富水性较弱。无区域性统一水位，埋深变化大。

碳酸盐岩类裂隙岩溶含水岩组：主要分布于莱芜盆地牟汶河以南地区、雪野镇和茶叶口镇北部以及和庄镇东南部、乔店水库东部的分水岭地带。裸露型裂隙岩溶水分布区大多地势较高，地形坡度大，为岩溶水的补给区，水力坡度大，地下水埋深大，无良好的储水条件，地下水赋存条件差。覆盖型及埋藏型裂隙岩溶水分布区一般处于山前或盆地腹地地段，地势低洼，易于受到丘陵山区地下水补给。处于区域裂隙岩溶水径流排泄区，裂隙岩溶发育程度高、裂隙的连通性好，地下水富集，在构造影响带及阻水岩层(如煤系地层)上游等条件有利地段，地下水富集，形成裂隙岩溶水强富水地段。

岩浆岩变质岩类裂隙含水岩组：大面积分布于盆地东部、北部和南部的丘陵山区中，地下水主要赋存于变质岩或岩浆岩的风化带中，风化壳厚度一般为20～30 m，分布极不均匀，含水层发育差，富水性弱，由于地表、地下水均向沟谷汇集，地势低洼处水量相对丰富。水位随地形而异，受季节控制明显。

1.3 污染源种类

1.3.1 工业污染源

区内潜在污染企业众多，主要为金属制品业、采矿业、农副食品业、非金属矿物制品业、机械设备制造业、化学品制造业。不同行业之间存在生产工艺、原材料、污染及管理措施的差异，导致不同行业间体现出不同的污染排放特征[9]，工业生产企业每年产生大量废水、废气及固体废弃物。工矿企业排污呈明显的地域性分布特点，在城区附近的市政基础建设完善，将废水汇集到污水处理厂，经处理后达标排放；分布在城市附近工业区以外的企业大多有自建的污水处理站，将处理后的中水排入附近河渠或直接排入渗坑缓慢蒸发、入渗。工业污染源分布形态为线状和点状，线状污染主要是指工业污水通过排污沟渠和河道的渗漏，进入土壤浅部和浅层地下水；点状主要包括工业污水通过渗坑直接进入土壤和地下水。根据资料统计，莱芜地区共有规模化工业生产企业548家[10]，主要分布在莱芜盆地地势平缓处。规模化工业生产企业基本情况见图1。

图1 工业潜在污染源分类图

1.3.2 农业污染源

呈现出面状及点状特征，来源于化肥及农药的大量使用、养殖场污水的任意排放等。化肥、农药及其它有机或无机外来物质，在降水或灌溉过程中，有相当一部分化肥不能被农作物吸收，通过农田的地表径流、排水和地下渗漏，进入土壤和地下水中，从而造成地下水污染。为了提高产量使用了大量农药，其中一部分汽化后进入大气，只有约10%的农药被作物吸收，剩余的农药方能进入土壤中，未被吸收的农药渗入地下含水层中造成了污染[11]。农业生产的快速发展使得该地区化肥的施用量大幅增加，目前莱芜地区化肥的施用强度为493.7 kg/hm2，农药施用强度约为2.02 kg/hm2[10]，而国际上发达国家的化肥施用强度约为200 kg/hm2，农药施用强度约为7.0 kg/hm2，莱芜地区化肥施用量超过了发达国家的化肥施用强度的限值。

随着人民生活水平的提高，肉、蛋、奶类的消费量大幅增长，进而促进了养殖业的迅猛发展。据调查养殖业产生的动物粪便和废水大多数均未进行任何处理直接排放到养殖场附近无任何防渗措施的区域，进而污染地下水。这些废水多未进行任何处理，随意排放，导致浅层地下水中的三氮升高，对浅层地下水的质量造成严重威胁。

1.3.3 生活污染源

主要有农村生活污水排放，生活垃圾填埋场等，以点状及线状污染为主。点状污染源主要包括居民点、垃圾填埋场、污水处理场等、线状污染主要是指排污沟渠等。目前莱芜共建有垃圾处理厂、餐厨垃圾处理厂及医疗危险废物处理厂各1处，均采取了正规有效的防渗措施，建有比较完善的垃圾无害化处理系统。另外也存在多处乡镇垃圾堆放点未采取防渗措施，露天堆放的现象，把垃圾随意倒在河道、桥下、田间、路边，致使垃圾堵塞河道、侵占道路、蚕食农田的现象，村庄内无任何污水收集管网覆盖，生活污水随意排放。个别随意堆放的生活垃圾在雨水淋滤作用下，极易对地下水产生污染。

2 地下水指标污染现状

2.1 无机污染现状

由于无机指标在地下水中一般都是存在的，因此不做检出率的统计，只做超标率的统计，无机指标超标率从高到低分别是总硬度、硝酸盐、硫酸盐。

研究区总硬度含量小于300 mg/L的地下水仅分布于人类活动干扰较少的丘陵山区地带，如雪野水库、乔店水库及孝义水库上游等，总硬度水质达到Ⅰ类、Ⅱ类水标准，面积约为22.8 km2，仅占工作区面积的1.0%；多数地区地下水中总硬度含量在300～450 mg/L，满足地下水Ⅲ类水标准，面积约为1 591.1 km2，约占研究区面积的70.8%；总硬度含量大于450 mg/L的地下水则主要分布于山前冲洪积平原以及丘陵区剥蚀平原内人口、工业密集区内，总硬度水质达到地下水Ⅳ类、Ⅴ类水标准分布面积约为632.1 km2，占工作区面积的28.2%。

研究区内硝酸盐含量小于5 mg/L的地下水仅分布于人类活动干扰较少的丘陵山区地带，如雪野水库及孝义水库上游等，硝酸盐水质达到Ⅰ类、Ⅱ类水标准，面积约为12.7 km2，仅占工作区面积的0.6%；多数地区地下水中硝酸盐含量在5～20 mg/L，满足地下水Ⅲ类水标准，面积约为1 702.9 km2，约占工作区面积的75.8%；硝酸盐含量大于20 mg/L的地下水则主要分布于山前冲洪积平原以及丘陵区剥蚀平原内人口、工业密集区，硝酸盐含量满足地下水Ⅳ类、Ⅴ类水标准分布面积约为530.4 km2，占工作区面积的23.6%。

研究区内硫酸盐离子含量小于50 mg/L的地下水仅分布于人类活动干扰较少的丘陵山区地带，如雪野水库、孝义水库上游及和庄镇草庙头村等地，满足地下水标准Ⅰ类水的分布面积约为8.8 km2，约占工作区面积的0.4%；多数地区硫酸盐含量在50～150 mg/L，满足地下水Ⅱ类水标准的分布面积约为1 824.5 km2，约占工作区面积的81.2%；硫酸盐含量在150～250 mg/L，满足地下水Ⅲ类水标准的分布面积约为274.3 km2，约占工作区面积的12.2%；硫酸盐含量大于250 mg/L，满足地下水Ⅳ、Ⅴ类水标准的分布面积约为138.4 km2，约占工作区面积的6.2%，主要分布工矿企业密集的嘶马河流域东侧，牟汶河钢城-莱城城区以南沿线。

2.2 有机污染现状

根据检测结果单环芳烃类和卤代烃类为检出率较高的有机物，有机氯农药类为检出率较低的有机物。芘、二氯甲烷、菲、荧蒽、萘、芴、苯并(a)蒽、氯仿、1，1，2-三氯乙烷、1，2-二氯丙烷等为检出率较高的有机物(图2)；有机物超标指标仅有四氯化碳和1，1，2-三氯乙烷，超标率分别为1.09%和3.45%，，超标检测值分别为10.45和10.44μg，超标4.23倍和1.09倍，分别分布在张家洼街道蔺家庄和颜庄镇东红埠岭村一带。

图2 有机物检出率统计图

3 地下水污染评价结果

3.1 评价的方法

利用本次水质监测资料，采取“单指标评价和综合评价污染指数法”进行地下水污染综合评价[12]。

3.1.1 单项指标污染评价方法

该方法通过以下公式计算各参评指标污染指数：

(1)

式中：I标为某项指标的超标指数；C为某指标的实测含量；C0为某指标的背景值或对照值；C标为某指标的标准值(Ⅲ类标准限值)。

根据上述计算公式，计算出各水样点单因子污染指数结果I标，对照表1中分级标准划分出对应的污染类别，最终得到各水样点单因子污染等级划分结果。

表1 污染指数分级

3.1.2 综合污染评价方法

划分好单因子污染评价等级后，将单因子污染等级最高因子确定的等级划分结果作为该水样点的地下水污染综合评价结果(公式如下)。

Pk=Max(Pk)

(2)

采用从劣不从优的原则进行综合污染评价。如某水样硝酸盐污染达到重污染级别，其他指标污染级别低于中污染级别时，则该水样的污染级别为重污染。

3.2 评价指标的选取

考虑到常规无机组分的背景值难以确定，并且地下水系统演化中水化学特征本身就有一定的变化，且部分元素原生背景值偏高，选取表2中的指标作为污染评价指标。

表2 地下水污染评价指标

3.3 评价指标背景值的选取

3.3.1 无机常规化学指标、硝酸盐类背景值选取

参考《山东省莱芜市环境水文地质调查与评价报告》[13]中的主要化学组分污染对照值表，其对照值利用20 世纪70年代历史水质资料进行数理统计求得，见表3。

表3 地下水无机指标、硝酸盐及亚硝酸盐环境背景值统计表 mg/L

3.3.2 无机毒理指标(扣除硝酸盐类)背景值选取

无机毒理指标(砷、镉、六价铬、铅、汞、碘化物)的背景值取检出限值。

3.3.3 微量有机指标的背景值选取

微量有机指标背景值取评价检出限值。

3.4 评价分析结论

地下水污染学是一门复杂的环境地质及水文地质学科，它与污染类型、污染源等有关，而地下水天然防污性能与地形坡度、土壤介质类型、水文地质等因素有关[14-15]。利用污染评价方法可将莱芜地区划分为严重污染区、重污染区、中污染区以及轻污染区，从图3可以看出，区内地下水以轻污染区为主，具体情况见表4。

表4 地下水污染综合评价统计表

地下水硝酸盐污染影响因素为：(1)居民生活污水与垃圾的下渗污染；(2)化肥等其他肥料的污染；(3)工业污染源中的废水排放。

地下水总硬度污染影响因素为：(1)区内自身水文地质环境条件引起，地下水接受自然补给过程中，通过淋滤、溶解、离子交换、微生物分解等一系列物理化学和生物化学作用使区内地下水的总硬度逐渐增高；(2)牟汶河、瀛汶河等河流及超标排放的生活污水、工业废水加剧了浅层地下水与岩土淋滤、溶解、离子交换、微生物分解等一系列物理化学和生物化学的过程。

机污染影响因素为：四氯化碳超标点分布在张家洼街道蔺家庄，污染源可能为周边钢铁企业排污；1，1，2-三氯乙烷超标点分布在颜庄镇东红埠岭，附近无可能污染源、井口取样环境未封闭，可能受区域大气的环境控制，可能与取水设备和输水管道较长有着较大关系。