萊蕪地區地下水污染研究

王 超，張立川，王應強，鄒 曄，秦志強，薛良方，朱世芳

(山東省魯南地質工程勘察院，山東 濟寧 272100)

地下水資源是人類賴以生存的基礎物質，在社會發展和經濟活動中占有重要的地位[1]。全國約有66%的城市以地下水作為供水水源。全省大部分城市及大中型企業以地下水作為主要供水源，90%以上的農村居民以地下水作為唯一飲用水源[2]。隨著人類工業及農業活動的加劇，眾多污染物通過不同渠道進入地下水中，并發生了累積[3]。萊蕪地區是山東省重要的鋼鐵、能源基地，境內有萊蕪鋼鐵集團有限公司、山東泰山鋼鐵集團、九羊鋼鐵集團、魯中礦業集團公司、新汶礦業集團有限責任公司潘西煤礦等大型企業，產生的超標水體進入地下水中，使得地下水受到了污染[4]。隨著河道水體污染的加劇，致使地下水污染問題日益突出[5]。地下水的隱蔽性、復雜性等特點，決定了地下水一旦受到了污染，具有難以逆轉的特性，處理工藝復雜，費用昂貴，而且很難完全治理，甚至是難以恢復的[6]。地下水受到污染后，將嚴重影響人類的身心健康和生存發展[7]。

萊蕪位于山東省中低山丘陵區中部，是山東省重要的煤炭、鐵礦石基地、鋼鐵生產和深加工基地，同時也是高新技術新材料產業基地，萊蕪全境大多處于萊蕪盆地內，地下水和地表水均向盆地內部匯聚，然而盆地內部的農業、采礦業和制造業等人類活動強烈，致使地下水水質持續惡化，經濟發展與環境保護愈發矛盾突出。在當今新舊動能轉換的新時代背景下，本文經過調查研究的成果，為該地區經濟發展規劃的決策部署提供了基礎性資料，為地下水污染防治、保障飲水安全提供了科學的依據[8]。

1 研究區概況

1.1 區域地質

萊蕪地區位于中朝地臺魯西斷隆魯西隆起區新蒙斷塊束萊蕪斷陷盆地。萊蕪斷陷盆地中部向北突出，近東西向，東西長約70 km，南北寬10～30 km。盆地主要形成于燕山期，中新生代經歷了多次劇烈地質構造變動，并伴有巖漿活動，其中以燕山期巖漿活動最為強烈。本研究區地層出露較齊全，由新到老分布的地層為：第四系、古近系、白堊系、侏羅系、二疊系、石炭系、奧陶系、寒武系及新太古界泰山巖群。

1.2 水文地質概況

萊蕪轄區主要以萊蕪盆地為主體，北、東、南側邊界均多為地表分水嶺，同時這些地表分水嶺大部分也是地下水的分水嶺。因此萊蕪地區總體上是一個相對封閉的水文地質單元：在萊蕪周邊的丘陵山區接受大氣降水補給，之后以表流或潛流的形式向萊蕪盆地腹地徑流匯聚，最終向西南排泄進入泰安市境內。這樣一個較為封閉的水文地質單元對于本次萊蕪地區地下水污染評價從上游到下游進行系統控制和分析是有利的。研究區地下水類型有松散巖類孔隙水、碎屑巖類孔隙裂隙水、碳酸鹽巖類裂隙巖溶水和巖漿巖變質巖類裂隙水。

松散巖類孔隙含水巖組：廣泛分布于萊蕪盆地的瀛汶河、牟汶河河流谷地及河谷平原地區，近河谷地帶厚度較大、山前地帶厚度小。地下水埋深2～10 m，年變幅2～5 m，富水性在近河谷地帶最強，向兩側逐漸減弱。

碎屑巖類孔隙裂隙含水巖組：零星分布于萊蕪盆地腹地，多被第四系覆蓋。裂隙不發育、連通性差，富水性較弱。無區域性統一水位，埋深變化大。

碳酸鹽巖類裂隙巖溶含水巖組：主要分布于萊蕪盆地牟汶河以南地區、雪野鎮和茶葉口鎮北部以及和莊鎮東南部、喬店水庫東部的分水嶺地帶。裸露型裂隙巖溶水分布區大多地勢較高，地形坡度大，為巖溶水的補給區，水力坡度大，地下水埋深大，無良好的儲水條件，地下水賦存條件差。覆蓋型及埋藏型裂隙巖溶水分布區一般處于山前或盆地腹地地段，地勢低洼，易于受到丘陵山區地下水補給。處于區域裂隙巖溶水徑流排泄區，裂隙巖溶發育程度高、裂隙的連通性好，地下水富集，在構造影響帶及阻水巖層(如煤系地層)上游等條件有利地段，地下水富集，形成裂隙巖溶水強富水地段。

巖漿巖變質巖類裂隙含水巖組：大面積分布于盆地東部、北部和南部的丘陵山區中，地下水主要賦存于變質巖或巖漿巖的風化帶中，風化殼厚度一般為20～30 m，分布極不均勻，含水層發育差，富水性弱，由于地表、地下水均向溝谷匯集，地勢低洼處水量相對豐富。水位隨地形而異，受季節控制明顯。

1.3 污染源種類

1.3.1 工業污染源

區內潛在污染企業眾多，主要為金屬制品業、采礦業、農副食品業、非金屬礦物制品業、機械設備制造業、化學品制造業。不同行業之間存在生產工藝、原材料、污染及管理措施的差異，導致不同行業間體現出不同的污染排放特征[9]，工業生產企業每年產生大量廢水、廢氣及固體廢棄物。工礦企業排污呈明顯的地域性分布特點，在城區附近的市政基礎建設完善，將廢水匯集到污水處理廠，經處理后達標排放；分布在城市附近工業區以外的企業大多有自建的污水處理站，將處理后的中水排入附近河渠或直接排入滲坑緩慢蒸發、入滲。工業污染源分布形態為線狀和點狀，線狀污染主要是指工業污水通過排污溝渠和河道的滲漏，進入土壤淺部和淺層地下水；點狀主要包括工業污水通過滲坑直接進入土壤和地下水。根據資料統計，萊蕪地區共有規模化工業生產企業548家[10]，主要分布在萊蕪盆地地勢平緩處。規模化工業生產企業基本情況見圖1。

圖1 工業潛在污染源分類圖

1.3.2 農業污染源

呈現出面狀及點狀特征，來源于化肥及農藥的大量使用、養殖場污水的任意排放等。化肥、農藥及其它有機或無機外來物質，在降水或灌溉過程中，有相當一部分化肥不能被農作物吸收，通過農田的地表徑流、排水和地下滲漏，進入土壤和地下水中，從而造成地下水污染。為了提高產量使用了大量農藥，其中一部分汽化后進入大氣，只有約10%的農藥被作物吸收，剩余的農藥方能進入土壤中，未被吸收的農藥滲入地下含水層中造成了污染[11]。農業生產的快速發展使得該地區化肥的施用量大幅增加，目前萊蕪地區化肥的施用強度為493.7 kg/hm2，農藥施用強度約為2.02 kg/hm2[10]，而國際上發達國家的化肥施用強度約為200 kg/hm2，農藥施用強度約為7.0 kg/hm2，萊蕪地區化肥施用量超過了發達國家的化肥施用強度的限值。

隨著人民生活水平的提高，肉、蛋、奶類的消費量大幅增長，進而促進了養殖業的迅猛發展。據調查養殖業產生的動物糞便和廢水大多數均未進行任何處理直接排放到養殖場附近無任何防滲措施的區域，進而污染地下水。這些廢水多未進行任何處理，隨意排放，導致淺層地下水中的三氮升高，對淺層地下水的質量造成嚴重威脅。

1.3.3 生活污染源

主要有農村生活污水排放，生活垃圾填埋場等，以點狀及線狀污染為主。點狀污染源主要包括居民點、垃圾填埋場、污水處理場等、線狀污染主要是指排污溝渠等。目前萊蕪共建有垃圾處理廠、餐廚垃圾處理廠及醫療危險廢物處理廠各1處，均采取了正規有效的防滲措施，建有比較完善的垃圾無害化處理系統。另外也存在多處鄉鎮垃圾堆放點未采取防滲措施，露天堆放的現象，把垃圾隨意倒在河道、橋下、田間、路邊，致使垃圾堵塞河道、侵占道路、蠶食農田的現象，村莊內無任何污水收集管網覆蓋，生活污水隨意排放。個別隨意堆放的生活垃圾在雨水淋濾作用下，極易對地下水產生污染。

2 地下水指標污染現狀

2.1 無機污染現狀

由于無機指標在地下水中一般都是存在的，因此不做檢出率的統計，只做超標率的統計，無機指標超標率從高到低分別是總硬度、硝酸鹽、硫酸鹽。

研究區總硬度含量小于300 mg/L的地下水僅分布于人類活動干擾較少的丘陵山區地帶，如雪野水庫、喬店水庫及孝義水庫上游等，總硬度水質達到Ⅰ類、Ⅱ類水標準，面積約為22.8 km2，僅占工作區面積的1.0%；多數地區地下水中總硬度含量在300～450 mg/L，滿足地下水Ⅲ類水標準，面積約為1 591.1 km2，約占研究區面積的70.8%；總硬度含量大于450 mg/L的地下水則主要分布于山前沖洪積平原以及丘陵區剝蝕平原內人口、工業密集區內，總硬度水質達到地下水Ⅳ類、Ⅴ類水標準分布面積約為632.1 km2，占工作區面積的28.2%。

研究區內硝酸鹽含量小于5 mg/L的地下水僅分布于人類活動干擾較少的丘陵山區地帶，如雪野水庫及孝義水庫上游等，硝酸鹽水質達到Ⅰ類、Ⅱ類水標準，面積約為12.7 km2，僅占工作區面積的0.6%；多數地區地下水中硝酸鹽含量在5～20 mg/L，滿足地下水Ⅲ類水標準，面積約為1 702.9 km2，約占工作區面積的75.8%；硝酸鹽含量大于20 mg/L的地下水則主要分布于山前沖洪積平原以及丘陵區剝蝕平原內人口、工業密集區，硝酸鹽含量滿足地下水Ⅳ類、Ⅴ類水標準分布面積約為530.4 km2，占工作區面積的23.6%。

研究區內硫酸鹽離子含量小于50 mg/L的地下水僅分布于人類活動干擾較少的丘陵山區地帶，如雪野水庫、孝義水庫上游及和莊鎮草廟頭村等地，滿足地下水標準Ⅰ類水的分布面積約為8.8 km2，約占工作區面積的0.4%；多數地區硫酸鹽含量在50～150 mg/L，滿足地下水Ⅱ類水標準的分布面積約為1 824.5 km2，約占工作區面積的81.2%；硫酸鹽含量在150～250 mg/L，滿足地下水Ⅲ類水標準的分布面積約為274.3 km2，約占工作區面積的12.2%；硫酸鹽含量大于250 mg/L，滿足地下水Ⅳ、Ⅴ類水標準的分布面積約為138.4 km2，約占工作區面積的6.2%，主要分布工礦企業密集的嘶馬河流域東側，牟汶河鋼城-萊城城區以南沿線。

2.2 有機污染現狀

根據檢測結果單環芳烴類和鹵代烴類為檢出率較高的有機物，有機氯農藥類為檢出率較低的有機物。芘、二氯甲烷、菲、熒蒽、萘、芴、苯并(a)蒽、氯仿、1，1，2-三氯乙烷、1，2-二氯丙烷等為檢出率較高的有機物(圖2)；有機物超標指標僅有四氯化碳和1，1，2-三氯乙烷，超標率分別為1.09%和3.45%，，超標檢測值分別為10.45和10.44μg，超標4.23倍和1.09倍，分別分布在張家洼街道藺家莊和顏莊鎮東紅埠嶺村一帶。

圖2 有機物檢出率統計圖

3 地下水污染評價結果

3.1 評價的方法

利用本次水質監測資料，采取“單指標評價和綜合評價污染指數法”進行地下水污染綜合評價[12]。

3.1.1 單項指標污染評價方法

該方法通過以下公式計算各參評指標污染指數：

(1)

式中：I標為某項指標的超標指數；C為某指標的實測含量；C0為某指標的背景值或對照值；C標為某指標的標準值(Ⅲ類標準限值)。

根據上述計算公式，計算出各水樣點單因子污染指數結果I標，對照表1中分級標準劃分出對應的污染類別，最終得到各水樣點單因子污染等級劃分結果。

表1 污染指數分級

3.1.2 綜合污染評價方法

劃分好單因子污染評價等級后，將單因子污染等級最高因子確定的等級劃分結果作為該水樣點的地下水污染綜合評價結果(公式如下)。

Pk=Max(Pk)

(2)

采用從劣不從優的原則進行綜合污染評價。如某水樣硝酸鹽污染達到重污染級別，其他指標污染級別低于中污染級別時，則該水樣的污染級別為重污染。

3.2 評價指標的選取

考慮到常規無機組分的背景值難以確定，并且地下水系統演化中水化學特征本身就有一定的變化，且部分元素原生背景值偏高，選取表2中的指標作為污染評價指標。

表2 地下水污染評價指標

3.3 評價指標背景值的選取

3.3.1 無機常規化學指標、硝酸鹽類背景值選取

參考《山東省萊蕪市環境水文地質調查與評價報告》[13]中的主要化學組分污染對照值表，其對照值利用20 世紀70年代歷史水質資料進行數理統計求得，見表3。

表3 地下水無機指標、硝酸鹽及亞硝酸鹽環境背景值統計表 mg/L

3.3.2 無機毒理指標(扣除硝酸鹽類)背景值選取

無機毒理指標(砷、鎘、六價鉻、鉛、汞、碘化物)的背景值取檢出限值。

3.3.3 微量有機指標的背景值選取

微量有機指標背景值取評價檢出限值。

3.4 評價分析結論

地下水污染學是一門復雜的環境地質及水文地質學科，它與污染類型、污染源等有關，而地下水天然防污性能與地形坡度、土壤介質類型、水文地質等因素有關[14-15]。利用污染評價方法可將萊蕪地區劃分為嚴重污染區、重污染區、中污染區以及輕污染區，從圖3可以看出，區內地下水以輕污染區為主，具體情況見表4。

表4 地下水污染綜合評價統計表

地下水硝酸鹽污染影響因素為：(1)居民生活污水與垃圾的下滲污染；(2)化肥等其他肥料的污染；(3)工業污染源中的廢水排放。

地下水總硬度污染影響因素為：(1)區內自身水文地質環境條件引起，地下水接受自然補給過程中，通過淋濾、溶解、離子交換、微生物分解等一系列物理化學和生物化學作用使區內地下水的總硬度逐漸增高；(2)牟汶河、瀛汶河等河流及超標排放的生活污水、工業廢水加劇了淺層地下水與巖土淋濾、溶解、離子交換、微生物分解等一系列物理化學和生物化學的過程。

機污染影響因素為：四氯化碳超標點分布在張家洼街道藺家莊，污染源可能為周邊鋼鐵企業排污；1，1，2-三氯乙烷超標點分布在顏莊鎮東紅埠嶺，附近無可能污染源、井口取樣環境未封閉，可能受區域大氣的環境控制，可能與取水設備和輸水管道較長有著較大關系。

圖3 污染分區圖

4 結語

(1)通過對萊蕪地區地下水水質分析的研究，淺層地下水污染較為嚴重，地下水有機指標檢出項目共計19項，檢出指標中揮發性有機物有鹵代烴類和單環芳烴類；半揮發性有機物有多環芳烴類和有機氯農藥。淺層地下水無機污染以總硬度、硝酸鹽為主，有機污染以四氯化碳、1,1,2三氯乙烷為主。

(2)萊蕪地區現狀的地下水污染，應選取代表性重點污染場地開展高精度地下水污染調查、取樣及評價工作，通過長序列監測等措施，查明污染物質在代表性場地中的運移規律，制定有效的防治對策，遏制地下水持續污染。