驿城区地下水源补给区地下水污染现状评价分析

李康三,吴 琦

(华北水利水电大学地球科学与工程学院,郑州 450000)

伴随人类生活和生产水平的提高,人类对淡水的需求也在日益增加,地下水资源开采量加大,地下水污染加重。由于缺乏合理规划和有效监管,使之产生了区域性地下水位下降、水源地枯竭,进而诱发了地面沉降、地裂缝、海水入侵、土壤盐渍化及土地沙化等一系列生态及环境地质问题。这些问题直接影响地下水资源的可持续利用,也制约经济社会的全面、协调和可持续发展。因此,对研究区进行地下水污染现状评价可以为地下水污染防治提供重要依据。

国内地下水污染现状评价起始于20世纪70年代。1977年,“水域综合质量指标”在南京被提出[1-2],它也是国内第一次对地下水水质评价给出相应标准。随着科技的进步和对地下水不断的探索,越来越多的有害物质被检测出来,为此新修订的规范中也增加了各种检测指标[3-5]。孟盼盼[6]对地下水水质结果进行分析评价,采用单因子评价法对每个样品的参评指标进行质量评价,按单指标最高类别确定地下水综合质量等级,根据分类等级绘制水质分区图并分析污染原因。李白希童等[7]采用对应分析法揭示了不同污染指标分布特征,利用改进的TOPSIS(逼近理想解排序)法和模糊综合评价法评价了地下水污染程度。曾妍妍等[8]通过收集新疆和田地区水质调查资料和地下水采样数据对该区地下水污染现状进行评价并从自然和人为两个方面分析了和田地区地下水质量较差及水质劣化的原因。白云峰等[9]运用描述性统计分析和Durov图开展了地下水化学特征分析,采用基于熵权的水质指数法分别对潜水、承压水进行水质评价,然后又进行水质影响因素的溯源分析,得出三塘湖-淖毛湖地区污染现状。邓恩松等[10]采用Q值综合评价法对试验检测结果进行统计分析,筛选出同类别地下水中超同类别限值的指标作为评价因子对研究区进行评价。

在以往研究的基础上,根据实地采样数据,对研究区进行地下水水质评价和地下水污染状况评价,结合评价结果借助ArcGIS 的插值分析功能绘制出超标因子的污染状况分析图,分析其污染原因及治理对策。研究结果将为驿城区地下水保护和防治提供重要的科学依据。

1 研究区概况

驿城区位于河南省驻马店市,为驻马店市政府所在地,地处河南省中南部,驻马店市中西部,黄淮平原西南隅,东邻汝南县,北接遂平县,西连泌阳县,南与确山县毗邻。驿城区地理坐标为东经113°57′～114°05′,北纬32°55′～33°01′,东西长约27 km,南北宽约60 km,土地总面积1 067 km2。研究范围主要为驻马店市驿城区水源地补给区,同时考虑到补给区内及附近“双源”分布情况,综合确定本次研究区范围以重点调查水源所在的水文地质单元为基础,西至蚁蜂山一带地表分水岭,北、东、南至驿城区行政边界,调查区面积725 km2。驿城区地处亚热带与暖温带的过渡地带,同时具有亚热带和暖温带气候特点,是典型的大陆性季风型半湿润气候,阳光充足,热量丰富,雨量充沛,四季分明,温和湿润,根据多年气象资料显示,最大年降水量1 575.8 mm,最小年降水量406.8 mm[11-12]。

驻马店市属华北地层区,西南部低山区出露有中元古界、元古界、古生界寒武系。根据地下水赋存介质,将驿城区及周边地下水划分为松散岩类孔隙水、碳酸盐岩类裂隙岩溶水、碎屑岩类裂隙孔隙水及基岩裂隙水4个类型。

2 水质评价

2.1 评价标准

采用《地下水质量标准》(GB/T 14848—2017)依据水样中化学指标的含量来分类,可分为5类。Ⅰ类水和Ⅱ类水表示水体中化学指标含量低,可用于大部分用途;Ⅲ类水表示水体中化学指标含量较低,可作为生活用水以及工农业用水;Ⅳ类水表示水体中化学指标含量较高,可作为部分工农业用水,适当处理后也可作为生活用水;Ⅴ类水表示水体中化学指标含量高,不可饮用。

2.2 评价指标

根据研究区前人研究以及实地采样数据,选取pH、总硬度、溶解性总固体、铁、锰、氨氮、钠、铝、铅、硝酸盐、硫酸盐、阴离子表面活性剂共12类化学指标作为评价因子。

2.3 评价方法

采用单项评价法,根据《地下水质量标准》对每个水样的评价因子进行评价,从优不从劣,超过Ⅲ类标准即为超标。

2.4 评价结果

参照《地下水质量标准》,对研究区共105组地下水样进行评价。Ⅲ类水37组,占总水样的35.24%,水质未污染;Ⅳ类水51组,占总水样的48.57%,水质污染较严重,含量超标的因子主要有锰、铁、铅和氨氮,一般超标含量低于1倍,超标不多,经适当处理后可作为生活饮用水;Ⅴ类水17组,占总水样的16.19%,水质污染严重,含量超标的因子主要有锰、铁和氨氮,超标较多,不宜饮用;无Ⅰ类水和Ⅱ类水。地下水评价因子含量及超标率见表1。由表1可知,pH、硝酸盐和硫酸盐全部符合Ⅲ类水标准,没有水样超标,其对地下水环境没有产生影响;总硬度、溶解性总固体、钠和阴离子表面活性剂超标率小,对地下水环境稍微有影响;铝和铅超标率较小,对地下水环境有影响;锰、铁和氨氮超标率较大,对地下水环境污染严重。

表1 水质评价因子含量及超标率

3 地下水污染状况评价

3.1 评价指标

由地下水质量评价可知,锰离子、铁离子和氨氮对研究区地下水环境影响较大,但锰离子在黄淮地区普通起标,参考性小,故选取铁离子和氨氮作为评价指标,对驿城区地下水源补给区进行地下水污染状况评价。

3.2 评价标准

根据《地下水污染防治划分工作指南》(以下简称《工作指南》)进行分级,可分为5级。Ⅰ级为地下水未污染,Ⅱ级为地下水污染轻,Ⅲ级为地下水污染中等,Ⅳ级为地下水污染较严重,Ⅴ级为地下水污染严重,见表2。

表2 地下水污染状况评价标准

3.3 评价方法

地下水污染状况评价表示的是已被污染的地下水的污染程度,故对地下水质量评价后污染较为严重的组分进行地下水污染状况评价。根据《工作指南》在对其评价过程中,除去标准值,能直观地反映出人类活动对地下水环境的影响,也表现出水化学指标超出危害标准的程度。采用污染指数Pki对地下水污染状况进行评价,公式为

(1)

式中:Pki为k水样i指标的污染指数;Cki为k水样i指标的实测值;C0为k水样i指标的实测值,因评价地区为地下水水源地,其地下水主要用途为饮用水,故取i指标的Ⅲ类评价标准CⅢ,CⅢ为i指标GB/T 14848—2017Ⅲ类水标准。

3.4 评价结果

通过计算结果可知,铁离子污染指数范围为-0.9～5.57,其中,Ⅰ级水样41组,Ⅱ级水样27组,Ⅲ级水样5组,Ⅳ级水样5组,Ⅴ级水样6组,其余水样未检出铁离子;氨氮污染指数范围为-0.97～85.98,其中,Ⅰ级水样71组,Ⅱ级水样14组,Ⅲ级水样4组,Ⅳ级水样1组,Ⅴ级水样3组,其余水样未检出氨氮。结合ArcGIS空间插值分析功能分别对铁离子和氨氮绘制污染状况评价图,如图1所示。

图1 地下水污染状况评价图(铁离子、氨氮)

由图1(a)可知,铁离子污染最为严重的区域(Ⅳ级和Ⅴ级)位于研究区中部的金桥街道-水屯镇地区,该分区面积约为20.81 km2,约占研究区总面积的2.87%,该区域主要为工业聚集区,工业区产生的废料对地下水造成污染;其次,研究区东南吴桂桥煤矿区域,其污染情况中等(Ⅲ级),该分区面积约为52.65 km2,约占研究区总面积的7.26%;水屯镇北部、古城乡东部、朱古洞乡、城区西部及南部地区污染较轻(Ⅱ级),该分区面积约为348.27 km2,约占研究区总面积的48.04%;诸市镇、胡庙乡、关王庙乡、古城乡南部、水屯镇南部、城区北部及部分零散区域未污染(Ⅰ级),该分区面积约为303.27 km2,约占研究区总面积的41.83%。

由图1(b)可知,氨氮污染的区域主要位于东风街道-顺河街道-水屯镇西北部,其余零星分布在城区周围,污染区较为集中。污染区域的面积约为82.56 km2,约占研究区总面积的11.39%;未污染区域面积约为642.44 km2,约占研究区总面积的88.61%。

4 地下水污染状况成因分析及治理对策

4.1 污染源

研究区污染来源主要有工业污染、生活污染、农业污染及其他污染。工业污染源主要分布在城区东部的工业聚集区,其对研究区地下水影响主要表现在工业三废对地下水的影响,工业废水排放之后流入河流,进而通过河流分散到各地,并有污染物下渗的危害,工业废气和废渣则会通过与降水结合的方式溶解进而进入地表或河流内,然后通过入渗影响地下水的环境;生活污染主要是因为随着人口增加和日常生活水平的提高,人类活动产生的生活污水和生活垃圾在没有足够安全的防护措施下,随地堆放在垃圾填埋场,产生的污水与垃圾滤液也会入渗到地下,进而影响地下水环境;农业污染主要分布在研究区各村庄的农田范围内,主要原因为在种植过程中,广泛使用农药、化肥,导致大量的氨氮和有毒物质残留到地表上,在对农田进行灌溉或降水时,这些对地下水环境有害的物质会随着水流入渗影响地下水;其他污染源主要有养殖场、加油站及停车场,其也会产生相应的污染物,在降水的影响下也会影响到地下水的环境。

4.2 地下水污染原因

驿城区地下水源地区域属于华北地层,西南部存在少量山区,其地层年代出露为中元古界、元古界及古生界寒武系。研究区其他区域为平原地区,其地层主要为第四系中更新统和上更新统及全新统沉积物,下更新统埋藏在中更新统和上更新统下部。研究区地下水含水岩组的岩性主要有卵砾石、中粗砂、细砂、粉土及粉质黏土。研究区西北部诸市镇北部包气带介质为粉砂单层结构,西南部胡庙乡部分山区包气带介质为粉质黏土含碎块结构,水屯镇南部及驿城城区为包气带介质为粉土为主多层结构,其余地区大部分包气带为粉质黏土单层结构,有利于大气降水入渗。降水入渗补给为研究区地下水最主要的补给来源。工作区西南部为基岩山区,地形坡度比较大,降水之后还未下渗前很容易形成地表径流,水流沿地表流向东部平原地区,且山体加大了入渗的难度,所以入渗补给量比较少。中东部地区地形平坦、地形坡度小,地表径流因坡度等原因,流速缓慢,且该区域的包气带对地表水下渗有利,加速了降水入渗的速度,地下水补给量也相对较西南山区高。故地下水污染的原因最主要的为垂直入渗,各种污染物经过降水直接垂向对地下水补给,污染地下水。其次是水平渗透,主要是由于地下水水位高于地表水,通过地表径流的污水便会侧向入渗较浅的地下水层中,污染到地下水。

4.3 治理对策

(1)政府进行规划,推动地下水防护措施建设。政府应发挥领导作用,在治理地下水污染时,制定相应规定,不断拓宽治理渠道。建设地下水防护措施时,引导当地企业积极参与其中,可以加大治理地下水污染的力量。积极推动地下水污染治理项目建成,对人民生活饮用水进行重点强调,以保证人民生命健康为宗旨,促进地下水治理技术发展。坚定不移地秉承“绿水青山就是金山银山”的理念,加大对地下水环境保护的力度。

(2)对工业污染进行控制,根据相关法律、法规,以“谁污染,谁治理”为原则,对相关企业及时进行处理,加强执法力度,防止不法企业违规偷排偷放。进行工艺改革,开发新的技术来避免污染、减少污染。提倡节约用水,用水量减少或水量利用率提高相应的污水排放量也会随之减少,大大降低了工业污水对地下水污染的风险。

(3)减少农业污染,在发展农业的同时科学地进行规划,使农业生产过程中的能量流动到相应的生产中,实现良性循环,避免能量和物质浪费,优化农田生态环境。进行科学施肥,摒弃肥料越多、产量越高的错误思想,滥用化肥对农作物未起到作用,反而会污染土壤和地下水。治理病虫害时可以推广光、电、超声波等物理方法,降低有毒物质与土壤直接接触进而影响到地下水的风险。

(4)建立监测预警机制,在各区域设置监测点,对该地的地下水的水质和动态特征进行实时监测,并建立信息平台,为地下水水质评价等工作提供科学的、时效的数据。建设预警功能等服务,使研究区地下水的环境得到有力的保护。

(5)加大宣传力度,利用媒体资源广泛宣传和地下水污染相关的知识,提高人民对地下水污染的认识,使其树立起保护地下水的自我意识,引导广大农民在从事农业生产活动时,降低对农田土壤和地下水的污染。只有全体民众都参与到保护地下水的行动中,实施的各项措施才能发挥充分的作用,也可以有效地预防和降低已被治理的地下水水质再次被污染风险。

5 结论

采用地下水质量评价和地下水污染状况评价分析了驻马店市驿城区地下水源补给区的地下水污染现状,同时利用ArcGIS的空间插值分析功能,对超标因子绘制了污染分级图。由于人类活动的影响,未污染的水样有37组,占总水样的35.24%,被污染的水样有68组,占总水样的64.76%,最主要的超标因子为铁和氨氮等。进而又分析了该地区地下污染成因,同时给出了相关的治理对策。评价结果可对驻马店市驿城区地下水资源保护和污染防治提供决策依据,对该地区进行污染预测、建立污染预警措施、采取有效的地下水保护和污染防治措施尤为重要。