河南省淺層地下水重金屬污染特征研究

田鵬州,李愛勤,張曉偲,王鵬飛,劉 勇

(1.河南省資源環境調查一院,河南 鄭州 450016;2.河南省自然資源科技創新中心(地下水環境監測修復研究),河南 鄭州 450016)

水資源作為地球陸地生態系統的重要組成部分,是人類社會生存與發展的主要自然資源[1-2]。近幾十年來,隨著工業化和城鎮化的快速發展,人們生活水平得到了顯著的提升,與之相關的土壤、大氣和地下水污染與防治等生態環境問題開始進入人們的視野,并逐漸成為公眾關注的熱點問題[3]。特別是淺層地下水中的重金屬污染與防治問題直接關乎人民群眾生命安全與身體健康,已經成為地方政府及有關部門工作的重中之重。已有研究表明,自然界和人類活動所產生的重金屬,一部分直接通過地表水系統而進入地下水系統,另一部分則是通過大氣環流及干濕沉降,再通過地表水雨水下滲等過程,并經過復雜的地球化學、地表遷移等作用進入地下水系統,直接對地下水系統中的淺層地下水環境造成污染破壞[1,3-4]。

河南省是農業大省、工業大省,農業生產活動、工業企業發展十分迅速,其中涉重金屬行業企業更具有數量多、分布范圍廣等特點,且部分涉重企業工藝技術落后,生產裝備水平低、環保設施簡陋、污染防控意識不強,造成區域內土壤、地下水等環境污染風險大[4-5]。截至目前,全省已有7個縣(市、區)被列為國家級重金屬污染防控區,直接威脅人民群眾生命安全和經濟社會的高質量發展[4]。因此,以淺層地下水中常見的鐵、錳等10種重金屬元素為研究對象,通過實地采樣,研究河南省淺層地下水重金屬污染特征研究對掌握河南省地下水重金屬污染特征、開展地下水污染防治工作具有重要指導價值,對保障區域人民身體健康、推動實現經濟社會高質量發展具有重大意義。

1 研究區水文地質概況

河南省淺層地下水主要分布在黃淮海沖積平原、太行山前傾斜平原、伊洛盆地和黃河、淮河支流河谷地帶。含水層巖性主要為沖積、沖洪積砂、砂礫、卵礫石等,結構松散,分選性好,普遍為二元結構。具有埋藏淺、厚度大、分布廣而穩定、滲透性強、補給快、儲存條件好、富水性好等特點。該含水層組一般為潛水,局部為微承壓水,含水層底板埋深一般60～120 m,最深可達140 m。主要補給來源為大氣降水,其次是河渠滲漏、灌溉回滲及地下水的側向徑流補給等。平原區徑流總體為西北向東南,區域降落漏斗由周圍向漏斗中心徑流。淺層地下水的排泄方式主要為人工開采和蒸發,其次為水平側向徑流及向中深層越流。

研究數據來源于全省421個地下水環境監測站點進行水樣取樣及實驗室化驗,采樣點分布如圖1所示。取樣數量較多,分布范圍較廣,基本上可以反映河南省淺層地下水水質現狀情況(圖2)。

圖1 河南省淺層地下水監測井位置分布Fig.1 Location distribution of shallow groundwater monitoring wells in Henan Province

圖2 河南省淺層地下水礦化度等值線Fig.2 Contours of shallow groundwater mineralization in Henan Province

2 河南省淺層地下水重金屬污染評價

根據421組淺層地下水水樣水質化驗結果,按照《生活飲用水衛生標準》(GB 5749—2022),對河南省淺層地下水中鐵、錳、鋁、砷、鎘、鉻、汞、鉛、銅、鋅等重金屬元素進行單項評價,并進行統計學分析(表1)。

表1 河南省淺層地下水水質評價表Tab.1 Shallow groundwater quality evaluation in Henan Province

由表1可以看出,421組水樣中鐵元素超標率為20.90%,最大超標倍數達19.67倍;錳元素超標率為56.53%,最大超標倍數達31.00倍;鋁元素超標率為12.59%,最大超標倍數為14.70倍;砷元素超標率為11.88%,最大超標倍數達2.50倍;鉛元素超標比例為1.19%,最大超標倍數為5.00倍;鎘、鉻、汞、銅、鋅5種元素均未超過地下水質界限值。由此可見,鐵、錳、鋁、砷4種重金屬元素是河南省淺層地下水環境重金屬污染比較突出的,需要引起各有關部門重點關注,且4種元素的變異系數較大,分別為2.18、1.42、2.10和1.98,說明以上4種重金屬元素空間分布上變化幅度較大,受水文地質條件、降水及人類活動等外部環境的影響更為明顯,區域穩定性較差。

3 地下水重金屬離子空間分布特征及污染原因分析

掌握重金屬元素分布空間特征是淺層地下水重金屬污染與防治的基礎性工作,大量研究也表明,克里金插值法在自然地理要素空間分布研究中具有較好的效果,能夠真實有效地反映相關要素的空間分布格局特征[6-7]。針對河南省淺層地下水環境中比較突出的鐵、錳、鋁、砷4種重金屬元素,運用Surfer軟件中克里金插值法對4種重金屬元素含量進行空間插值并繪制等值線(圖3—圖6),以進一步分析河南省淺層地下水重金屬空間分布特征,污染范圍以及與涉重企業之間的相關性。

圖3 河南省淺層地下水鐵離子空間分布Fig.3 Spatial distribution of iron ions in shallow groundwater of Henan Province

3.1 淺層地下水重金屬元素空間分布特征

3.1.1 鐵元素空間分布特征

從河南省淺層地下水鐵元素空間分布特征(圖3)可以看出,河南省淺層地下水中鐵元素含量在空間分布上具有明顯的區域差異性,黃河南北差別十分明顯。

鐵元素超標嚴重的區域主要分布在安陽市東部、濮陽市北部、新鄉市東北部、三門峽市東北部、鄭州市東北部、開封市中部、商丘市、許昌市、信陽市東部以及南陽市南部,分布范圍廣,涉及城市比較多。其中,安陽市、濮陽市、商丘市等豫東北地區以及許昌市、南陽市淺層地下水鐵離子超標區是以涉重企業及附近為中心,含量逐步向四周減小?？梢钥闯?一定范圍內淺層地下水中鐵元素的分布受涉重企業影響較大,占淺層地下水鐵元素超標區的75%,加強鐵元素超標區域涉重企業監測監管力度,是淺層地下水鐵元素污染恢復治理的關鍵之舉。

3.1.2 錳元素空間分布特征

從河南省淺層地下水錳元素空間分布特征(圖4)可以看出,河南省淺層地下水中錳元素含量在空間分布上較為集中,點狀特征明顯?？臻g分布上比較集中于豫中的駐馬店、許昌和周口西部等部分農業、畜牧業發達區域。其次,主要分布在洛陽西部和三門峽東部等礦山開采冶煉比較集中的區域,以及新鄉和商丘的部分有色金屬冶煉等集中分布區域,其中信陽的固始縣錳元素也存在超標現象。從錳元素含量空間分布與河南省產業結構發展特征來看,河南省淺層地下水中錳等重金屬元素的分布既受地下水背景含量的影響,也受人類農業、工業等生產活動的影響,并且人類活動干擾特征愈加明顯。

圖4 河南省淺層地下水錳離子空間分布Fig.4 Spatial distribution of manganese ions in shallow groundwater in Henan Province

3.1.3 鋁元素空間分布特征

從河南省淺層地下水鋁元素空間分布特征(圖5)可以看出,河南省淺層地下水中鋁元素含量在空間分布上較為集中,重污染區域突出。全省范圍內鋁元素超標區域主要分布在豫東的商丘、豫中的許昌和平頂山等區域,其他部分區域淺層地下水中鋁元素含量一般或接近限制,比較突出的是商丘地區,淺層地下水中鋁元素含量達到1.5 mg/L,遠高于國家規定的0.2 mg/L的標準。這一方面受商丘特殊地形地貌的影響,位于黃河故道及相關水系下游,易于重金屬元素的集聚;另一方面商丘市集聚了大量的鋁制品企業,相關產業發展規模大、范圍廣,長久以來也對周邊區域及地下水環境產生較大影響,導致淺層地下水鋁元素含量明顯高于其他區域。

圖5 河南省淺層地下水鋁離子空間分布Fig.5 Spatial distribution of aluminum ions in shallow groundwater in Henan Province

3.1.4 砷元素空間分布特征

從河南省淺層地下水砷元素空間分布特征(圖6)可以看出,河南省淺層地下水中砷元素含量在空間分布上比較集中,呈點狀分布。砷元素超標區域集中分布在新鄉的原陽和新鄉縣、開封的蘭考、鄭州的鞏義以及三門峽的濱湖區等工業產業比較集中區域,區域性特征十分明顯。從河南省淺層地下水中砷元素分布與產業發展結構來看,全省淺層地下水中砷元素的分布與涉重企業的分布有比較強的相關性。如何加強涉重企業周邊土壤、水等環境中重金屬含量的監測與監管,是防治地下水環境重金屬污染的關鍵。

圖6 河南省淺層地下水砷離子空間分布Fig.6 Spatial distribution of arsenic ions in shallow groundwater in Henan Province

3.2 地下水重金屬污染原因分析

結合以上河南省淺層地下水中鐵、錳、鋁、砷4種重金屬元素超標情況的空間分布特征,以及河南省水文地質條件和社會經濟產業發展結構,認為河南省淺層地下水中鐵、錳、鋁、砷等重金屬元素超標的主要原因為受河南省區域淺層地下水鐵、錳、鋁、砷等重金屬元素含量本底值高,導致了部分區域淺層地下水中相關重金屬元素超標。同時,部分涉重企業缺乏相關環保措施,企業生產過程中造成有關重金屬通過大氣、降雨等過程進入地下水環境,造成區域內淺層地下水環境中重金屬含量的超標,這也是未來地方政府在重金屬污染治理中急需關注的內容。另一方面,受豐水年降水量增多以及近些年豫東豫北等區域地下水的限制開采,地下水水位開始上升,與受污染的土壤發生溶濾作用,使土壤中的重金屬離子重新遷移至地下水中,進一步加劇了區域淺層地下水重金屬含量超標。

4 結論與建議

4.1 結論

(1)河南省淺層地下水中重金屬元素含量存在不同程度超標現象,其中鐵、錳、鋁、砷4種元素污染問題尤為突出。鐵、錳、鋁、砷四種元素超標率分別為20.90%、56.53%、12.59%、11.88%,最大超標倍數分別為19.67、31、14.70和2.50倍;變異系數分別為2.18、1.42、2.10和1.98。

(2)河南省淺層地下水中鐵、錳、鋁、砷4種元素超標現象呈現明顯區域性特征。鐵元素超標區主要分布在安陽市東部、濮陽市北部、新鄉市東北部、三門峽市東北部、鄭州市東北部、開封市中部、商丘市、許昌市等區域。錳元素超標區主要分布在駐馬店、許昌和周口西部、洛陽西部和三門峽東部等區域;鋁元素超標區域集中分布在豫東的商丘、豫中的許昌和平頂山等區域;砷元素超標區域集中分布在新鄉的原陽和新鄉縣、開封的蘭考、鄭州的鞏義,以及三門峽的濱湖區等區域。

(3)河南省淺層地下水鐵、錳、鋁、砷4種重金屬元素超標,一方面受區域地下水重金屬元素含量本底值較高影響,另一方面部分涉重企業生產及農業生產生活等過程影響,部分重金屬元素隨降雨和地下水溶濾等作用進入地下水系統,造成區域內淺層地下水中相關重金屬含量超標。

4.2 建議

(1)有關部門加大涉重企業土壤污染監督力度,淘汰生產工藝落后、污染嚴重的企業。開展企業環境影響評價工作,并建立健全土壤環境污染防治監測管理體系。

(2)開展地下水污染溯源調查工作,進一步確定地下水污染原因,對地下水污染進行源頭治理,并加大地下水環境監測力度,建立地下水環境污染防治監測體系。

(3)完善管理體系,合理劃分部門職責,實現土壤與地下水污染協同治理。