流域地下水化學(xué)污染成因及尺度效應(yīng)研究

關(guān)鍵詞：地下水；化學(xué)污染；尺度效應(yīng)；水化學(xué)特征

中圖分類(lèi)號(hào)：X523 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

前言

隨著人類(lèi)對(duì)地下水資源的開(kāi)發(fā)和利用，對(duì)地下環(huán)境造成了巨大影響，引發(fā)一系列污染問(wèn)題，令現(xiàn)代社會(huì)水資源問(wèn)題日益嚴(yán)峻。由于地下水的自我凈化能力很差，如果因不合理開(kāi)發(fā)受到污染，在惡化生態(tài)環(huán)境的同時(shí)，給人體也帶來(lái)直接危害。

水化學(xué)以水文地質(zhì)學(xué)、化學(xué)熱力學(xué)為基礎(chǔ)，對(duì)地下水中化學(xué)成分的構(gòu)成及元素的遷移、富集和分散等變化進(jìn)行系統(tǒng)研究。但目前國(guó)內(nèi)外對(duì)流域地下水化學(xué)污染的研究還非常有限，此項(xiàng)目以流域?yàn)樘骄磕繕?biāo)，對(duì)其采取地下水化學(xué)污染成因及尺度效應(yīng)分析。

針對(duì)地下水化學(xué)污染問(wèn)題，徐蓉楨等人采用水化學(xué)與同位素方法分析地下水循環(huán)污染特征，總結(jié)區(qū)域地下水循環(huán)方式，明確地下水循環(huán)尺度效應(yīng)，對(duì)地下水合理開(kāi)發(fā)利用具有指導(dǎo)意義。楊蘊(yùn)等人分析有機(jī)污染物在土壤-地下水系統(tǒng)中的空間分布規(guī)律與驅(qū)動(dòng)機(jī)制，考慮溫度影響下有機(jī)污染傳質(zhì)過(guò)程，建立有機(jī)污染物遷移數(shù)學(xué)模型，展現(xiàn)地下水化學(xué)污染物遷移轉(zhuǎn)化的內(nèi)在機(jī)理。但上述研究只關(guān)注單一污染源或單一污染物的影響，缺乏對(duì)多種污染源和污染物的綜合性研究。為此，所提方法使用多參數(shù)水質(zhì)分析儀，充分評(píng)估待研究區(qū)域地下水化學(xué)污染物形成機(jī)理與時(shí)間空間尺度效應(yīng)，為地下水污染防治提供可靠借鑒。

1研究區(qū)概況

研究區(qū)域總面積6.23×10⁴km²，平原占2.45×104km²，屬溫帶大陸性氣候，降水少，晝夜溫差大，年均溫3.5℃。地勢(shì)東高西低，海拔最高為4756m，海拔最低450m～600m，地形由山前向盆地中部?jī)A斜，沉積物豐富，以沖積、洪積、湖積物為主，河谷下游為沖積扇，洪積物沿山前帶狀分布。地下水主要為基巖裂隙水和凍結(jié)層水，源自季節(jié)性積雪和降雨，循環(huán)途徑包括人工開(kāi)采和潛水蒸發(fā)。

2材料與方法

采樣時(shí)間為2023年3月，一共挑選40個(gè)地下水采樣點(diǎn)，井深在60m～350m左右。現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)用多參數(shù)水質(zhì)分析儀檢測(cè)電導(dǎo)率、電阻率、壓強(qiáng)、溫度等指標(biāo)。水化學(xué)指標(biāo)在水樣收集后3周內(nèi)在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行檢驗(yàn)，質(zhì)量濃度使用離子色譜儀完成測(cè)定，測(cè)試方法參照《生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)方法》設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。

利用單因子指數(shù)法評(píng)估流域地下水污染特征，此方法是對(duì)比流域地下水環(huán)境指標(biāo)的檢測(cè)質(zhì)量濃度和標(biāo)準(zhǔn)值，以此明確污染特征。評(píng)估結(jié)果高于1代表指標(biāo)嚴(yán)重超標(biāo)，反之在可承受范圍內(nèi)。

水質(zhì)單因子指數(shù)評(píng)估解析式為式（1）：

城市污水、工業(yè)廢水和農(nóng)業(yè)化肥、農(nóng)藥的使用，是流域地下水的重要污染源。利用式（2）得出各污染源的單位面積特征污染物排放量。

其中，A表示污染物排放量；C是某個(gè)污染源污水排放量；d為實(shí)測(cè)污水污染物濃度；α是入滲指數(shù)；S為污染源面積。

3流域地下水化學(xué)污染成因

地下水化學(xué)污染源于人類(lèi)活動(dòng)，包括工業(yè)排放、農(nóng)業(yè)化肥農(nóng)藥使用等。通過(guò)探究地下水污染成因，為制定相應(yīng)的治理對(duì)策提供科學(xué)依據(jù)，并勾勒出地下水化學(xué)污染時(shí)空規(guī)律，以下即為造成地下水化學(xué)污染的各種因素。

3.1地下水開(kāi)采

人類(lèi)對(duì)地下水的過(guò)度開(kāi)發(fā)利用，顯著改變了原有水文地質(zhì)條件，加劇了地下水污染。研究區(qū)域因水資源需求大，導(dǎo)致大規(guī)模開(kāi)發(fā)地下水，地下水位不斷下降，形成地下水下降漏斗。水動(dòng)力學(xué)變化使得易受污染的淺層地下水流向承壓含水層，對(duì)中、深層水環(huán)境造成嚴(yán)重污染。地下水化學(xué)污染物質(zhì)主要以間歇性入滲和持續(xù)入滲兩種方式為主。間歇性入滲主要由城市生活垃圾和土壤殘留化肥農(nóng)藥在降雨或灌溉過(guò)程中產(chǎn)生，而持續(xù)入滲則是各類(lèi)液態(tài)廢物持續(xù)通過(guò)包氣帶進(jìn)入含水層，對(duì)地下水環(huán)境構(gòu)成嚴(yán)重威脅。

3.2養(yǎng)殖業(yè)、農(nóng)業(yè)活動(dòng)

畜禽養(yǎng)殖是重要的環(huán)境污染源，主要原因是垃圾不當(dāng)處置導(dǎo)致污水直接滲入地下，使地下水中有毒有害物質(zhì)迅速增加。農(nóng)田耕作在豐水期對(duì)地下水產(chǎn)生影響，雨水將殘留肥料和農(nóng)藥等非自然因素帶人地層，滲透至地下水含水層。農(nóng)田耕作導(dǎo)致土壤中有害物質(zhì)濃度呈周期性變化，豐水期上升，枯水期下降并穩(wěn)定。

3.3煤礦開(kāi)采

研究區(qū)為采礦工業(yè)聚集區(qū)，礦山開(kāi)采產(chǎn)生的尾砂易受雨水沖刷污染地下水。受降雨、地面水影響，礦山廢棄巷遭和井眼可能成為地下水運(yùn)移通道。開(kāi)采排放的礦坑水pH低，滲透人地下水會(huì)引起鹽分遷移，溶蝕土壤礦物，增加地下水硬度。煤礦開(kāi)采還導(dǎo)致地下水溶解性固體增多。

4流域地下水化學(xué)污染尺度效應(yīng)分析

4.1地下水化學(xué)污染垂向尺度效應(yīng)

地下水化學(xué)污染的垂向尺度效應(yīng)指在不同垂向深度下，化學(xué)污染物的分布、遷移和轉(zhuǎn)化過(guò)程呈現(xiàn)出的尺度依賴(lài)性。垂向深度是從地表到地下水位的垂直距離，不同深度地下水受到人類(lèi)活動(dòng)和自然環(huán)境因素的影響程度不同，化學(xué)污染物分布和遷移規(guī)律也有所差異。

首先分析地下水礦物飽和指數(shù)，飽和指數(shù)表示地下水中某種礦物的飽和程度，反映地下水中該礦物的溶解狀態(tài)。隨機(jī)從40個(gè)采樣點(diǎn)挑選20個(gè)地點(diǎn)，以方解石、白云石和石膏飽和指數(shù)為例，使用PHREEQC軟件推算地下水中三種礦物飽和指數(shù)，結(jié)果如表1所示，其中負(fù)數(shù)代表礦物為溶解狀態(tài)，正數(shù)代表礦物處于沉淀狀態(tài)。

研究區(qū)域2023年的地下水化學(xué)特征伴隨井深呈現(xiàn)一定的變化規(guī)律，如圖1（a）所示，pH值伴隨深度的增多而變大，這與其所處的環(huán)境條件和地質(zhì)條件有關(guān)。深層地下水為一個(gè)封閉系統(tǒng)，和大氣、土壤中的二氧化碳產(chǎn)生交換的情況較少，地下水污染水平相對(duì)較低，而淺層地下水為一個(gè)開(kāi)放系統(tǒng)，更易受到自然元素與人為活動(dòng)的影響。

圖1（b）、圖1（c）依次展現(xiàn)出流域地下水溶解性固體總量、硝酸鹽含量和井深的關(guān)聯(lián)。溶解性固體總量指一定體積的水中包含的全部溶解物質(zhì)的量，即無(wú)機(jī)物和有機(jī)物的含量，將其作為判斷水質(zhì)是否純凈的指標(biāo)。從圖1（b）中可知，較高的地下水溶解性固體總量值集中于淺層地下水樣品，證明人類(lèi)活動(dòng)會(huì)對(duì)流域淺層地下水的水質(zhì)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。從圖1（c）中可以看到，該區(qū)域硝酸鹽污染并沒(méi)有集中流人地下水，較少的硝酸鹽含量關(guān)鍵分布于井深高于150 m以下的地下水中，而硝酸鹽含量較多的分布于淺層地下水。其中3個(gè)地下水樣品硝酸鹽含量最高，主要是因?yàn)樵摰貐^(qū)為農(nóng)業(yè)用地，頻繁使用化肥導(dǎo)致該地區(qū)地下水硝酸鹽含量突增。此外還有多個(gè)采樣點(diǎn)地下水樣品的硝酸鹽含量小于飲用水標(biāo)準(zhǔn)（50mg/L），但由于硝酸鹽是地下水化學(xué)污染的關(guān)鍵因素，仍需采取持續(xù)觀測(cè)。

觀察圖l（d）看到，較高的地下水硬度值主要集中在淺層地下水中，硬度升高是因?yàn)殁}離子與鎂離子溶解增加形成的，表明流域地下水因農(nóng)業(yè)灌溉及廢水排放等活動(dòng)，提高了水中Na+、Cl-的含量，進(jìn)一步與地下水鈣鎂離子產(chǎn)生離子交換，引發(fā)含鈣鎂礦物溶解。

地下水溶解性固體總量和硬度之間具備一定的內(nèi)在關(guān)系（如圖1（e）所示），由此證明了控制兩個(gè)指標(biāo)的關(guān)鍵因素是相同的，水體的硬度與溶解性固體總量的變化主要受到人類(lèi)的日常活動(dòng)影響。

4.2地下水化學(xué)污染時(shí)間尺度效應(yīng)

為保證所獲結(jié)論的可靠性，文章收集了2016年-2022年的地下水溶解性固體總量值，探究地下水化學(xué)污染時(shí)間尺度效應(yīng)。根據(jù)收集到的數(shù)值可以發(fā)現(xiàn)，伴隨時(shí)間的增長(zhǎng)，該地區(qū)溶解性固體總量呈上升趨勢(shì)，2016年地下水溶解性固體總量為610 mg/L，隨后逐年上升，到2022年的地下水溶解性固體總量已經(jīng)上升為1000 mg/L。但自2018年開(kāi)始逐漸上升得緩慢，即溶解性固體總量增多的趨勢(shì)變緩，證明該區(qū)域在發(fā)展建設(shè)中逐步認(rèn)識(shí)到地下水污染的緊迫性，針對(duì)此問(wèn)題作出對(duì)應(yīng)的地下水污染防護(hù)處理方案，這與當(dāng)?shù)貙?shí)際發(fā)展情況相符。

4.3地下水化學(xué)污染排放尺度效應(yīng)

地下水化學(xué)污染排放尺度效應(yīng)是指在不同排放尺度下，地下水化學(xué)污染物的遷移、轉(zhuǎn)化和影響程度的變化規(guī)律。排放尺度表示污染源的排放強(qiáng)度、排放時(shí)間、排放方式以及排放空間范圍等因素的綜合表現(xiàn)。此外，排放尺度還會(huì)影響污染物的生物地球化學(xué)循環(huán)和生態(tài)環(huán)境效應(yīng)。在小尺度排放下，污染物會(huì)對(duì)局部生物群落產(chǎn)生直接毒性效應(yīng)；而在大尺度排放下，污染物會(huì)對(duì)整個(gè)地下水系統(tǒng)的生態(tài)平衡和生態(tài)環(huán)境造成長(zhǎng)期影響。

因此，此研究分別在流域上、中、下游挑選13個(gè)富有代表意義的采樣點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，設(shè)定具備2個(gè)實(shí)驗(yàn)周期，兩個(gè)周期的實(shí)驗(yàn)時(shí)間相隔6天，結(jié)果如圖2所示。從圖2看出，研究區(qū)域流域地下水污染物排放強(qiáng)度空間分布具備顯著的地區(qū)差異。上游地段人類(lèi)的生產(chǎn)活動(dòng)較為分散，地下水資源利用效率較低，在獲得相同經(jīng)濟(jì)效應(yīng)的狀態(tài)下，污染物排放量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于中下游區(qū)域。

5結(jié)束語(yǔ)

流域地下水化學(xué)污染的成因多種多樣，包括工業(yè)污染、農(nóng)業(yè)活動(dòng)、生活污染以及自然因素等。為有效防治，需針對(duì)不同尺度的污染特點(diǎn)制定措施，并加強(qiáng)跨界合作與信息共享，共同保護(hù)地下水安全。深入研究后得出以下結(jié)論：首先，地下水開(kāi)采、養(yǎng)殖業(yè)、農(nóng)業(yè)活動(dòng)和煤礦開(kāi)發(fā)等操作均會(huì)造成不同程度的化學(xué)污染，狀況不容小覷；其次，地下水中的溶解性固體總量、硝酸鹽含量、硬度等指標(biāo)在較淺的井深范圍內(nèi)較高，表明淺層地下水更易受自然和人為活動(dòng)影響，但隨時(shí)間推移，溶解性固體總量趨于穩(wěn)定，水質(zhì)惡化得到遏制；最后，流域地下水污染物排放強(qiáng)度在空間分布上存在顯著差異，上游地段在同等經(jīng)濟(jì)效益下污染物排放量高于中下游。