劉偉江,陳 堅,劉 銳,劉 欣,牛浩博,蘇春利
(1.生態環境部環境規劃院長江經濟帶生態環境聯合研究中心,北京 100012;2.中國地質大學(武漢)環境學院,湖北 武漢 430074)
地下水作為重要的城鄉供水水源,在維護經濟社會健康發展等方面發揮著不可替代的作用,是支撐經濟社會可持續發展的重要戰略資源[1]。地下水水源地的建立和保護是維持地下水可持續利用的重要保障[2]。我國地下水水源地具有水量豐富、穩定等優勢,雖然其儲量因地域差異而不同,但其自身具有一定的調蓄能力,能在豐水期以水位上升的形式儲存水量,枯水期也能以水位下降的形式維持供水,在一定程度上能夠長期利用[3],尤其在地表水源出現問題時,地下水水源地能起到很好的應急供水作用[4]。據統計,我國60%的人口以地下水作為飲用水水源[5]。但是,隨著我國社會經濟的發展,地下水環境壓力逐漸增大,地下水污染問題日益凸顯。化工類污染源不僅污染組分復雜、危害大,且具有分散性和隱蔽性的特點,其周邊地下水污染問題十分突出[6-7]。尤其是非水溶相污染物(NAPLs)等,遷移過程中會對地下水飲用水源地構成嚴重威脅,給地下水污染調查和地下水飲用水源地保護帶來巨大挑戰[8]。然而,我國不少地下水飲用水源地保護區甚至補給區均存在潛在地下水化工類污染源,嚴重威脅著地下水飲用水源地的供水安全。因此,開展化工類污染源對周邊地下水環境的影響研究,明確地下水污染現狀是保障地下水飲用水安全的重要基礎。
山東省臨沂市郯城縣居民生活取用水主要為地下水。郯城縣DJG化工廠于2011年11月開始建設生產,2012年10月停產。DJG化工廠所在區域是該地3個含水層的補給“天窗”,其下游2.1 km處是郯城縣第一水廠水源地保護區,取水量占郯城縣水廠總取水量的42%,服務人口占總服務人口的35.7%,因此該化工廠周邊地下水環境安全對保障郯城縣居民供水安全和經濟建設具有重要的意義。DJG化工廠主要生產一氟三氯甲烷,采用的生產工藝為四氯化碳與氫氟酸液相接觸法,其生產廢水含四氯化碳等復合有機污染物,該廢水未經處理直接通過滲坑排入地下,造成地下水污染,從而對第一水廠水源地供水安全產生了直接威脅。本文以此為研究背景,通過對該化工廠周邊地下水環境質量開展高精度調查工作,旨在查明該化工廠周邊地下水污染的現狀,為后續地下水污染修復方案的制定提供依據及相關場地地下水污染調查研究提供參考。
郯城縣地處魯中南低山丘陵區南部,臨郯蒼平原腹心地帶,系沂蒙山區沖積平原。地形由東北向西南緩緩低下,東部馬陵山綿延南北,中西部平原沂沭河縱貫南北,境內地勢平坦,平均海拔約38 m。該地區上覆地層為第四紀松散沉積物,多為砂礫石層和砂質黏土層,厚度為幾米至120 m不等;下伏白堊系地層,主要為安山巖、砂礫巖、頁巖等。
該地區地下水自上而下可分為松散巖類淺層孔隙水和基巖(白堊系砂巖)裂隙水。松散巖類淺層孔隙水主要賦存于第四系地層中,含水層為中細砂及粗砂礫石,由北向南逐漸變厚,北部為單層,南部呈雙層或多層結構,厚度一般5~20 m;地下水水位埋深一般5~7 m,地下水水位年變幅1~2 m;除受大氣降水、地表水補給外,四周低山丘陵區的各類地下水均向山間盆地凹部及山前傾斜平原匯集;該含水層底部均有較好的隔水層,形成了孔隙水富水區(見圖1);根據地下水的埋藏特征,又可細分為第一含水層和第二含水層。基巖裂隙水主要賦存于第四系底部的安山巖風化裂隙中,整個研究區均有分布,受地質構造和古地形控制,基層裂隙含水層起伏較大,地下水水位最大埋深為35 m;受補給條件限制,該含水層富水性較差。該區域地下水流動主要受地形、巖性及開采條件的控制,總體流向自北向南,但在城區附近,受地下水開采降落漏斗的影響,地下水向開采區中心匯集。

圖1 研究區水文地質圖Fig.1 Hydrogeologic map of the study area
本次調查共采集了152個地下水樣品,包括:第四系松散巖類孔隙水第一含水層地下水樣品82個,其中監測井樣品61個,民用井樣品21個;第四系松散巖類孔隙水第二含水層地下水樣品39個,其中監測井樣品21個,民用井樣品18個;基巖裂隙含水層地下水樣品31個,其中監測井樣品24個,民用井樣品7個。具體地下水采樣點分布詳見圖2。

圖2 研究區地下水采樣點分布圖Fig.2 Sampling sites of groundwater in the study areaA.第四系松散巖類孔隙水第一含水層鉆孔;a.第四系松散巖類孔隙水第一含水層民用水井;B.第四系松散巖類第二含水層鉆孔;b.第四系松散巖類孔隙水第二含水層民用水井;C.基巖裂隙水含水層鉆孔;c.基巖裂隙水含水層民用水井
地下水樣品采集過程嚴格參照《地下水環境監測技術規范》 (HJ/T 164—2004)[9],基巖裂隙含水巖組監測井選用QED MICRO PURGE MODEL MP50型低流速儀進行取樣,第四系松散巖類孔隙水第一、第二含水巖組選用真空泵進行取樣。樣品保存于專用樣品瓶中,并低溫運送至澳實分析檢測(上海)有限公司進行測定。
根據我國《生活飲用水標準檢驗方法》(GB/T 5750—2006)[10],本次研究共分析了地下水中常規污染指標20項和特征污染指標194項(包括VOCs類指標63項、SVOCs類指標131項)。其中,常規污染指標包括溶解性總固體(TDS)、硫酸鹽、氯化物、氟化物、硝酸鹽(以氮計)、亞硝酸鹽(以氮計)、氨氮(以氮計)、高錳酸鹽指數(CODMn)、揮發酚(以苯酚計)、陰離子表面活性劑、銻、鈣、鐵、鎂、錳、鉀和鈉;特征污染指標包括2,2-二氯丙烷、1,2-二氯丙烷、1,2-二溴乙烷、氯甲烷、氯乙烯、1,1-二氯丙烯、四氯化碳、1,2-二氯乙烷、三氯乙烯、二溴甲烷、苯胺等。地下水樣品分析過程的質量控制通過空白樣品和平行樣品保障。
2.3.1 地下水中污染物檢出率
地下水中污染物檢出率的計算公式如下:
2.3.2 地下水水質類別和超標評價
采用單指標評價方法,按指標所在的限值范圍確定地下水水質類別。參考標準優先采用我國《地下水質量標準》(GB/T 14848—2017)[11],其中沒有的指標再依次參考我國《生活飲用水衛生標準》(GB 5749—2006)[12]、美國環保署(EPA)標準2018EditionoftheDrinkingWaterStandardsandHealthAdvisoriesTables[13]。
對于超過相關標準中飲用水質標準限值的指標,計算其超標倍數。地下水中某指標超標倍數的計算公式如下:
式中:I為地下水某評價因子的超標倍數;C為地下水中某評價因子的實測濃度值(mg/L);CH為地下水中某評價因子在《地下水質量標準》(GB/T 14848—2017)中的Ⅲ類水標準限值、《生活飲用水衛生標準》(GB 5749—2006)中飲用水質指標限值或2018EditionoftheDrinkingWaterStandardsandHealthAdvisoriesTables(美國)中飲用水質指標限值(mg/L)。
本文對99組地下水樣品進行了20項常規污染指標檢測,其檢測結果見圖3。
由圖3可見:研究區除地下水主要組成離子外,地下水中氟化物檢出率均在74%以上;陰離子表面活性劑在3個含水層中均未檢出;對比不同含水層,地下水中高錳酸鉀指數(CODMn)、硝酸鹽、氟化物、氨氮檢出率隨含水層深度的增加而增加,其中CODMn、氨氮的增加幅度較大。

圖3 研究區不同含水層地下水中常規指標檢出率的對比Fig.3 Detection rates of conventional indicators in groundwater from different aquifers in the study area
此外,本文對152組地下水樣品中的194項特征污染指標進行了檢測,其檢測結果見圖4(部分指標低于檢出限未在圖中顯示)。
由圖4可見:研究區不同含水層地下水中共檢出特征污染指標35項(VOCs28項,SVOCs7項),主要為氯代烷烴類和氯代烯烴類;在VOCs特征污染指標中,地下水中四氯化碳、1,1,2,2-四氯乙烷的檢出率均在80%以上,地下水中三氯乙烯、四氯乙烯、三氯氟甲烷、1,1,2-三氯乙烷的檢出率均在60%以上;在SVOCs特征污染指標中,地下水中六氯乙烷檢出率最高,均在23%以上。

圖4 研究區不同含水層地下水中VOCs和SVOCs特征指標檢出率的對比Fig.4 Detection rates of VOCs and SVOCs in groundwater from different aquifers in the study area
對比研究區不同含水層地下水中,在檢測出的VOCs特征污染指標中,基巖裂隙水含水層地下水中VOCs污染物的檢出率較高,且多次出現由淺到深VOCs污染物檢出率逐漸增加的趨勢,第四系松散巖類孔隙水第一含水層中的地下水中僅有四氯乙烯、四氯化碳等部分指標呈現較高的檢出率,第四系松散巖類孔隙水第二含水層中的地下水中VOCs污染物檢出率與基巖裂隙水含水層相近,略低于基巖裂隙水含水層;與VOCs特征污染指標相比,SVOCs特征指標在含水層地下水中的檢出率較低,大部分SVOCs污染物低于檢出限,僅檢測出六氯乙烷、六氯丁二烯、鄰苯二甲酸二正丁酯、鄰苯二甲酸二甲酯、乙酰苯(苯乙酮)和萘SVOCs污染物,且多在基巖裂隙水含水層地下水中存在。
研究區3個含水層地下水中主要污染物濃度統計結果見表1。

表1 研究區3個含水層地下水中主要污染物的濃度
注:“-”表示目標物質低于檢出限;常規污染指標單位為mg/L,特征污染指標單位為μg/L。
由表1可以看出:
(1) 第四系松散巖類孔隙水第一含水層共調查水井82眼,評價結果顯示:Ⅰ類水質的井有4眼,占比4.88%;Ⅲ類水質的井有3眼,占比3.66%;Ⅳ類水質的井有29眼,占比35.37%;Ⅴ類水質的井有46眼,占比56.09%。Ⅳ類和Ⅴ類水質的井點主要分布在原DJG化工廠廠區及其下游的郯城街道等區域。特征污染指標中評價結果為Ⅳ類、Ⅴ類水質的污染物主要為氯代烷烴類、氯代烯烴類指標,主要污染物為四氯化碳、1,1,2-三氯乙烷、三氯乙烯、四氯乙烯和萘等,分別占監測井總量的89.02%、45.12%、26.83%、25.61%和21.95%。常規污染指標中評價結果為Ⅳ類、Ⅴ類水質的污染物主要為揮發酚(以苯酚計)、錳、氟化物,分別占監測井總量的25.93%、20.37%和14.81%。
(2) 第四系松散巖類孔隙水第二含水層共調查水井39眼,評價結果顯示:Ⅰ類水質的井有4眼,占比10.26%;Ⅱ類水質的井有1眼,占比2.56%;Ⅲ類水質的井有4眼,占比10.26%;Ⅳ類水質的井有13眼,占比33.33%;Ⅴ類水質的井有17眼,占比43.59%。Ⅳ類和Ⅴ類水質的井點主要分布在原DJG化工廠廠區及其下游的郯城街道和紅校漁場等區域。特征污染指標中評價結果為Ⅳ類、Ⅴ類水質的污染物主要為氯代烷烴類、氯代烯烴類指標,主要污染物為四氯化碳、1,1,2-三氯乙烷、三氯甲烷、三氯乙烯,分別占監測井總量的76.92%、35.90%、25.64%和23.08%。常規污染指標中評價結果為Ⅳ類、Ⅴ類的污染物主要是揮發酚(以苯酚計)、錳、氟化物、氯化物,分別占監測井總量的30%、25%、25%和20%。
(3) 基巖裂隙水含水層共調查水井31眼,評價結果顯示:Ⅰ類水質的井有3眼,占比9.68%;Ⅲ類水質的井有2眼,占比6.45%;Ⅳ類水質的井有8眼,占比25.81%;Ⅴ類水質的井有17眼,占比58.06%。Ⅳ類和Ⅴ類水質的井點主要分布在原DJG化工廠廠區及其下游的郯城街道和紅校漁場等區域,比第四系松散巖類孔隙水含水層分布偏南且更加分散。特征污染指標中評價結果為Ⅳ類、Ⅴ類水質的污染物主要為氯代烷烴類、氯代烯烴類指標,主要污染物為四氯化碳、1,1,2-三氯乙烷、三氯乙烯,分別占監測井總量的77.42%、54.84%和41.94%。常規污染指標中評價結果為Ⅳ類、Ⅴ類的污染物主要為錳、氯化物、氟化物、TDS,分別占監測井總量的45.16%、38.71%、35.48%和35.48%。
研究區域不同含水層地下水水質等級所占百分率的對比,見圖5。

圖5 研究區不同含水層地下水水質等級所占百分率 的對比Fig.5 Comparison of the percentage of groundwater quality levels in different aquifers in the study area
由圖5可見:研究區域3個含水層地下水水質Ⅳ類、Ⅴ類占有較大比例,Ⅴ類水質所占比例最高;不同深度的地下水水質均較差,化工廠產生的氯代烷烴類、氯代烯烴類有機污染物以不同途徑進入地下水中,造成地下水有機污染嚴重;四氯化碳、1,1,2-三氯乙烷、三氯乙烯等有機污染物在多個監測點甚至較大程度地超過了地下水Ⅴ類水質標準限值。
本文采用《地下水質量標準》(GB/T 14848—2017) 、《生活飲用水衛生標準》(GB 5749—2006)和美國2018EditionoftheDrinkingWaterStandardsandHealthAdvisoriesTables中對水質指標限值的規定(見表2),開展了研究區不同含水層地下水水質的分析與評價,其結果見表3。
由表3可以看出:
(1) 第四系松散巖類孔隙水第一含水層共有61眼監測井,平均取樣深度約為14.05 m;為詳細調查區域污染羽邊界,在其周邊篩選21眼民用井作為補充監測井進行取樣檢測,平均取樣深度約為14.09 m。監測點位超標結果顯示:該含水層超標評價指標中存在超標現象的指標有20項,其中常規污染指標7項、特征污染指標13項。
在常規污染指標中,揮發酚(以苯酚計)在第一含水層的監測點位中超標率為25.93%,最大超標倍數為9.45倍,該超標倍數最大的點位位于原DJG化工廠區及其下游區域,可能是由于化工廠生產過程中產生的含有揮發酚的廢水排入地下所致;氟化物超標率為14.81%,高達7.94倍,超標倍數最大的監測點位在原DJG化工廠區,可能是由于利用HF生產氟利昂過程中產生的含氟廢液排入地下所致;錳的超標倍數較大的監測點位較為分散,無明顯規律;硝酸鹽(以氮計)超標的3個監測井屬于周圍民用井,分散在DJG化工廠區的不同方位,可能是農田施肥所致;TDS超標的2個監測井距離較近,可能是附近的食品加工廠污染所致;銻的超標倍數最大監測點位主要位于原DJG化工廠排污滲坑附近。在特征污染指標中四氯化碳在第一含水層的監測點位中超標率為89.02%,最大超標倍數為6 899倍,其作為化工廠生產的主要原料,在該含水層中超標倍數最大、超標率最高、分布范圍最廣,超標1 000倍以上的監測點主要位于郯城街道計生委至下游約300 m的區域,區域寬度約為200 m,四氯化碳確定為該含水層地下水中的主要特征污染物;1,1,2-三氯乙烷超標倍數大于50倍的監測點位主要位于郯城街道計生委及其下游150 m區域;三氯乙烯超標倍數較大的監測點主要位于原DJG化工廠區下游50~400 m的正南稍偏西直線方向;三氯甲烷超標倍數較大的監測點主要位于原DJG化工廠區,超標倍數最大的2個監測點位于原DJG化工廠下游區域,可能是由于三氯甲烷高濃度污染羽向下游遷移了300 m所致;六氯乙烷超標倍數較大的監測點位主要位于原DJG化工廠區,可能是由于六氯乙烷屬于重非水相有機污染物,在地下含水層中的遷移速率小,導致六氯乙烷高濃度污染羽遷移距離較小,主要集中在污染源附近;1,1,2,2-四氯乙烷超標倍數較大的監測點位主要位于郯城街道計生委區域,其中超標倍數較高的兩個監測點分別位于計生委北側污染滲坑旁邊和南向下游150 m區域,可能是由于該DJG化工廠生產期間含1,1,2,2-四氯乙烷的生產廢水長時間、非穩定排放所致,且廢水中可能含有非水相污染物導致1,1,2,2-四氯乙烷在高濃度污染羽兩端濃度高,其中滲坑污染源持續保持高濃度的排放;三氯氟甲烷超標點位主要位于原DJG化工廠下游區域,是化工廠地下水污染場地的主要特征污染物,超標結果說明該污染場地地下水中該污染物正不斷向下游遷移;萘的超標倍數較大的監測點較為分散,在整個地下水污染羽呈面狀分布。

表2 地下水水質評價主要指標限值統計表
注:飲用水中五氯乙烷最高允許濃度為0.3 mg/L[14]。

表3 研究區不同含水層地下水水質超標結果統計表
(2) 第四系松散巖類孔隙水第二含水層有監測井21眼,平均取樣深度約為22.26 m,并在周邊篩選18眼民用井作為補充監測井進行取樣檢測,平均取樣深度約為22.57 m。監測點位超標結果顯示:該含水層超標評價指標中存在超標現象的指標有21項,其中常規污染指標8項、特征污染指標13項。揮發酚(以苯酚計)在第二含水層的監測點位中超標率為30%,最大超標倍數為2.7倍,超標倍數較大的監測點位主要位于原DJG化工廠附近,可能是由于揮發酚是化工廠產生的易被氧化的特殊污染物導致污染源地超標現象明顯;錳的超標監測點主要位于原DJG化工廠和郯城街道計生委區域,可能是由于化工廠排入地下的廢水在地下環境中發生地球化學反應產生的;氟化物的超標倍數較大的監測點位主要位于化工廠區,可能是由于化工廠產生的含氟廢水排入地下含水層所致;TDS和鐵的超標倍數較大的監測點位主要位于郯城街道計生委區域。
在特征污染指標中,四氯化碳在第二含水層仍是主要的特征污染物,超標率為76.92%,最大超標倍數為12 199倍,超標倍數較大的監測點主要位于郯城街道計生委及其附近下游區域;1,1,2-三氯乙烷、三氯乙烯、1,2-二氯乙烷超標倍數較大的監測點主要位于郯城街道計生委及其附近下游區域;三氯甲烷、1,1,2,2-四氯乙烷、四氯乙烯、三氯氟甲烷、二氯甲烷、五氯乙烷(2個監測點)超標倍數較大的監測點位主要位于郯城街道計生委區域;鄰苯二甲酸二正丁酯超標倍數較大的監測點位主要位于原DJG化工廠及其附近下游區域;萘超標倍數較大的監測點位分布無明顯規律,可能與區域污染有關。
(3) 基巖裂隙水含水層新建監測井24眼,監測井平均取樣深度約為31.90 m,在周邊篩選7眼民用井作為補充監測井進行取樣檢測,平均取樣深度約為29.58 m。監測點位超標結果顯示:該含水層超標評價指標中存在超標現象的指標有22項,其中常規污染指標8項、特征污染指標14項,在常規污染指標中,錳在基巖裂隙含水層的監測點位中超標率為45.16%,最大超標倍數為334倍,超標倍數較大的監測井主要位于郯城街道計生委和紅校漁場區域;氟化物、氯化物的超標倍數較大的監測點位主要位于郯城街道計生委和紅校漁場及其附近下游區域;TDS超標倍數較大的監測點位主要位于郯城街道計生委及其附近下游區域;CODMn、鐵的超標倍數較大的監測點位主要位于紅校漁場及其附近下游區域。在特征污染指標中四氯化碳在基巖裂隙水含水層的監測點位中超標率為77.42%,最大超標倍數為17 649倍,超標倍數較大的監測點位主要位于原DJG化工廠區、郯城街道計生委和紅校漁場及其附近下游區域;1,1,2-三氯乙烷的超標倍數較大的監測點位主要位于原DJG化工廠區、郯城街道計生委和紅校漁場及其附近下游區域;六氯乙烷的超標倍數較大的監測點位主要為紅校漁場南區;三氯乙烯、1,2-二氯乙烷、三氯甲烷的超標倍數較大的監測點位主要位于郯城街道計生委和紅校漁場及其附近下游區域;1,1,2,2-四氯乙烷、四氯乙烯、三氯氟甲烷的超標監測點位主要位于紅校漁場及其附近下游區域;五氯乙烷的超標倍數較大的監測點位主要位于原DJG化工廠區和郯城街道計生委區域;鄰苯二甲酸二正丁酯的超標倍數較大的監測點位主要位于郯城街道計生委區域;六氯丁二烯的超標倍數較大的監測點位主要位于原DJG化工廠污染源區。
DJG化工廠下游2.1 km區域為郯城縣第一水廠水源地保護區,該保護區中心存在地下水降落漏斗,隨著距離飲用水源保護區中心越近,地下水的水力梯度逐步增大,對流擴散作用增強,地下水污染羽遷移速度會隨之增大,污染羽將對飲用水源地產生極大的風險,如不及時對地下水污染場地進行修復,將對以該水源地為水源的郯城縣5萬人的生命健康造成威脅,另外還涉及居民區、養殖場和食品企業等敏感區域,因此開展原DJG化工廠地下水污染場地修復迫在眉睫。
根據該場地地下水污染的特點及其成因,建議按照“控制與修復相結合”的原則開展地下水污染治理工作。實施制度控制措施,立即關閉地下水污染羽范圍內農村分散式飲用水,通過應急供水等措施,優先保障居民用水安全;同時,密切關注地下水中四氯化碳等特征污染物情況,一旦發現地下水中特征污染物檢出,立即啟動應急預案,并采取應急凈化措施;此外,在高濃度區(四氯化碳濃度>10 000 μg/L),可采用地下水污染抽出處理修復技術進行有效修復,同時在中低濃度下游區(四氯化碳濃度介于200~5 000 μg/L)設置滲透性反應墻(活性炭、鐵)進行被動攔截,實現還原脫氯原位修復,防止水污染羽擴散。另外,在該場地周邊也要實施制度控制措施,及時關閉民用飲用水井,對地下水中污染羽將抵達的分散式生活飲用水井、魚塘水井、養殖場地等實施封井、替換地表水源等措施。
通過對山東省臨沂市郯城縣DJG化工廠周邊3個含水層地下水污染現狀的調查,得出如下結論:
(1) 在研究區第四系松散孔隙水第一含水層、第四系松散孔隙水第二含水層和基巖裂隙水含水層共152個地下水水樣中,共有19項常規污染指標和35項特征污染指標被檢測出。常規污染指標中,氟化物的檢出率高達74%以上;特征污染指標主要為氯代烷烴類和氯代烯烴類,其中四氯化碳、1,1,2,2-四氯乙烷的檢出率均在80%以上,三氯乙烯、四氯乙烯、三氯氟甲烷、1,1,2-三氯乙烷的檢出率均在60%以上。
(2) 研究區3個含水層地下水Ⅳ類、Ⅴ類水質占有較大的比例,Ⅳ類、Ⅴ類水質占比范圍分別為25.81%~35.37%,43.59%~58.06%。在特征污染指標中,評價結果為Ⅳ類、Ⅴ類水質的污染物主要為氯代烷烴類、氯代烯烴類,四氯化碳、1,1,2-三氯乙烷、三氯乙烯等有機污染物在多個監測點位甚至較大程度地超過Ⅴ類水質標準。
(3) 該研究區地下水超標指標27項,包括有機物和無機鹽兩大類污染物,其中以四氯化碳為首的有機污染較為嚴重,四氯化碳、1,1,2-三氯乙烷、1,1,2,2-四氯乙烷、三氯甲烷、三氯乙烯、四氯乙烯的超標率分別為83.55%、44.74%、21.71%、25%、28.95%和25%。
(4) 該化工廠周邊地下水污染嚴重,對下游郯城縣第一水廠水源地保護區供水安全造成了嚴重威脅,亟待開展抽出處理、原位修復等地下水污染防控措施,以保障當地飲用地下水的供水安全。