山西省地下水2016—2020年水質變化趨勢及污染因子分析

孫曉杰，趙 立，邢益毓，郝曉丹，劉 紅，陳一寧

（太原師范學院, 山西 晉中 030619）

0 引言

地下水是水資源的重要組成部分，對支撐經濟社會和可持續發展具有不可替代的作用[1]。地下水污染指引起地下水化學成分、物理性質和生物學特性發生改變而使水質量下降的現象[2]。地下水環境是由多因子構成的復雜系統，與人類生活息息相關，制約著經濟社會的發展，因此，受到人們越來越多的關注[3]。隨著地區發展進程不斷推進，地下水開采量逐年增加，加劇了地下水污染、水質惡化等環境地質問題的發生與發展。目前山西省地下水水質總體不容樂觀，地下水資源可利用量越來越少，地下水質量問題日益突出，形勢較為嚴峻。

山西省屬于干旱和半干旱地區，是全國水資源貧乏省份之一。2000年全省供水量中地下水供水量占62.78%[4]，維持著生活飲用、農牧業灌溉、工業生產、城市發展等方面的用水[5]，地下水是山西經濟和社會發展的主要水資源，也是重要的戰略性資源。自1972年開始，隨著區域經濟的發展，對水資源的需求越來越多，地下水開采量逐年增加，造成了地下水水位下降、水質惡化，可利用地下水資源日趨減少，地下水資源嚴重破壞，制約了地區的生態發展[6]。

在此背景下，較多學者對山西典型城市地下水進行了綜合評價及原因分析，得出地下水污染受到多種因素影響，其中地下水開采、工業與生活廢棄物的排放、農業灌溉等活動是導致地下水污染的最主要因素[7]，監測檢出污染物即超標項目共計13項[8]。目前，學者對盆地或者平原尺度的研究較多，如孫一博[9]對關中盆地的研究，盧穎等[10]對張掖盆地的水化學特征研究，邢麗娜[11]對華北平原的地下水研究，秦兵[12]對大同盆地地下水水化學成因的探討，以及諸錚[13]闡述了地下水的污染趨勢，指出地下水污染與其陸源的污染呈正相關的關系。因此，有必要進一步對山西全省的地下水水質趨勢與污染機理進行研究。

本文利用2016—2020年長時間的序列水質檢測數據分析研究山西省水質變化趨勢，從山西11個市出發分析山西省地下水污染最主要的污染指標，為山西省水質保護及可持續發展提供依據。本研究主要探討以下科學問題：①山西省總體地下水質狀況如何；②省內不同層次的水質污染狀況；③導致地下水污染的因素有哪些。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

山西省位于黃土高原東部（110°14′～114°33′E；34°34′～40°44′N）[14]，平均海拔500～1500 m[15]。屬溫帶大陸性季風氣候，年降水量400～650 mm，年均氣溫3～14℃，年蒸發量1500～2300 mm[16]。山西省有眾多的河流，河流主要分為海河和黃河兩個水系，其中山西省內的漳河、滹沱河和桑干河屬于海河水系，漳河起源于山西省東南部，滹沱河以及桑干河起源于山西省東北部。黃河在山西境內始于忻州偏關縣，終于運城垣曲縣，較大的支流有汾河、沁河、昕水河、涑水河和三川河，其中作為黃河第二大支流的汾河流經太原、運城、臨汾和忻州四大盆地[17]。山西省現轄11個地級市，119個縣市區，總人口約3430萬人。

1.2 數據來源

本研究的時間尺度為2016—2020年。數據來源于2016—2020年山西省生態環境監測中心全省67個地下水國控點水質監測情況的報告，2016—2020年山西省生態環境監測和應急保障中心關于山西省地下水監測情況的報告，山西省地下水污染狀況調查報告等。數據主要包括山西省國考點和省控點位地下水類型及水質無機、有機和金屬元素等的含量。

通過梳理各地市的地下水污染狀況調查報告，共收集到山西省地下水監測點1139個，其中生態環境部門負責的點位有336個，包括國考點位67個，省控點位269個。全省國考點、省控點分布圖見圖1。

對全省的地下水監測點位按照其所屬部門進行分類，梳理出各地級市監測點位分布狀況，各點位的監測頻次和監測指標見表1。

1.3 研究方法

1.3.1 水質評價方法

在時空分析的基礎上，利用《GB/T 14848-93地下水質量標準》，進行地下水質量單項組分評價，按標準所列分類指標，劃分為五類，代號與類別代號相同，不同類別標準值相同時，從優不從劣。進行地下水質量綜合評價：①參加評分的項目應不少于標準規定的監測項目；②首先進行各單項組分評價，劃分組分所屬質量類別；③對各類別按表2確定單項組分評價分值Fi；④按公式（1）和（2）計算綜合評價分值F和；⑤根據F值，按表3劃分地下水質量級別。

表2 單項組分評價分值Fi表

表3 地下水質量評價劃分表

式中：—各單位項組分Fi的平均值；Fmax—單項組分評分值Fi中的最大值；n—項數。

在時空分析的基礎上，依據《GB/T 14848-2017地下水質量標準》，進行地下水質單指標評價，按指標值所在的限值范圍確定地下水質量類別，指標限值相同時，從優不從劣；進行地下水質量綜合評價，按單指標評價結果最差的類別確定，并指出最差類別的指標。

1.3.2 地下水水質類型污染分布

以水質達到良好及以上或Ⅲ類及以上為達標標準，梳理國考點和省控點2016—2020年在各地市的達標/超標情況以及相應點位地下水類型的超標/達標情況，分析各地市水質超標類型。

1.3.3 地下水污染類型影響因素

對山西晉城、太原、大同三地區進行2016和2018年的各類污染元素（氯離子、總硬度、溶解性總固體、氨氮、硝酸根、氟化物、硫酸根）與地下水水質綜合污染分值進行皮爾森（Person）相關性分析，了解山西省地下水污染影響因子。使用Excel 2019和SPSS26軟件進行數據處理和分析。

2 研究結果

2.1 山西省地下水水質總體變化趨勢

2016—2020年山西省地下水水質評價結果（圖2）顯示，I～III類水的比例在65%～75%波動；I～II類水比例由2016年的12.24%上升至2020年的21.29%，2019年有所下降但總體呈上升趨勢；III類水整體呈下降趨勢，由2016年的60%下降到2020年的48.45%。

圖2 山西省國考點和省控點位地下水水質評價結果統計

IV類水在2017年達到比重最高（28.14%）后呈下降趨勢，2020年其比重降至16.67%；V類水比重增大，由2016年占總體的6%增長至2019年的15%，達到最高點，雖然2020年V類水比重下降（13.58%），但其占比仍呈上升趨勢，地下水水質兩級分化現象逐漸明顯。

2016—2017年監測數據以《GB/T 14848-93地下水質量標準》為評價標準，2017年《GB/T 14848-2017地下水質量標準》發布后，省控點位2018—2020年監測數據以《GB/T 14848-2017地下水質量標準》為評價標準。就整體污染狀況來看，I～III類水<75%，且劣V類水<20%，符合輕度污染特征。因此得出2016—2020年山西省地下水水質屬于輕度污染狀態。

2.2 山西省地下水水質類型污染分布

2016—2020年水質超標類型統計顯示（圖3），在山西省11個市中水質超標類型以孔隙水為主的有8個，以裂隙水為主的有2個，以巖溶水為主的有1個。由此可見，5年來水質超標的類型主要以孔隙水為主。水質超標類型以裂隙水（長治市和陽泉市）和巖溶水（晉城市）為主的城市主要分布在山西省東部地區。全省中太原市的孔隙水受污染情況最為嚴重，數量遠超其他市的孔隙水污染數量，由此可知，太原地區目前是山西省水質超標最為嚴重的地區。推測全省地下水污染主要發生在淺層孔隙水，中深層的巖溶水和裂隙水受到的影響較小，但仍有一定數量的巖溶水、裂隙水監測點位水質超標。

圖3 山西省國控點與省控點2016—2020年水質類型污染情況統計

2.3 山西省地下水污染影響因素

通過SPSS 26軟件對數據進行正態分布分析，選擇使用皮爾森相關分析方法。選取分別位于山西省南部、中部和北部3個地區中具有地域代表性的晉城、太原、大同3個地區，并分別對其在2016年和2018年的各類污染元素與地下水水質綜合污染分值進行Person相關性分析，以此對山西省地下水污染影響的變化進行分析（表4）。其中晉城地區地下水類型中巖溶水污染最為嚴重，孔隙水和裂隙水污染兼有。太原和大同地區主要地下水類型中以孔隙水污染占比最大。

表4 2016和2018年晉城、太原和大同地區地下水綜合評價分值與污染元素相關性分析

晉城地區以巖溶水污染為主。由表4可知，2016年和2018年總硬度、溶解性總固體和硫酸根與地下水水質評價相關性顯著，相關性數值也較大，氟化物的影響從2016年的不顯著轉至2018年變為顯著。其余因子如氯離子、氨氮、硝酸根、pH在2016年和2018年的調查中均無顯著影響，表明巖溶水污染與它們的關系并不緊密。總硬度、溶解性總固體、硫酸根與地下水水質評價的相關性均高于其他2個地區，說明與孔隙水相比，總硬度、溶解性總固體和硫酸根離子對巖溶水污染的影響更大。對比2016與2018年的數據可知，晉城地區氨氮對地下水的影響正在下降，由正相關轉化為負相關，氟化物對水質影響程度增大，說明隨時間變化，晉城地區地下水污染影響因素發生變化。

太原地區以孔隙水污染為主，且基數較大，污染情況最為嚴重。從表4可知，以孔隙水污染相關的元素較多，各要素綜合影響較多，關系復雜。除硝酸根離子以外的元素與地下水水質綜合評價均有顯著相關性。對比2016年與2018年兩組數據可知，太原地區地下水污染中的氟化物相關度加強，表明太原地區地下水污染的因素中氟化物的作用正在增強，太原地區孔隙水污染嚴重的原因可能與此有關。

大同地區以孔隙水污染為主，大同地區的孔隙水污染情況與太原地區相比，各元素與地下水水質評價相關性大有不同。如2016年的數據中除氟化物與氨氮以外其他元素與地下水水質評價呈負相關，可能是因為豐水期監控點相關數據缺失造成。氨氮與大同地區地下水水質相關性遠大于太原地區。2018年的數據中除硫酸根離子以外，其他元素均與地下水水質評價呈正相關關系，與太原地區相似。比較2016年與2018年數據，氨氮對地下水水質的影響下降，而硝酸根離子的影響由2016年到2018年相關性增大，表明硝酸根離子對地下水水質的影響正在上升。

綜上所述，結合表1至表4內容來看，氟化物與山西省的地下水水質評價相關性較高，影響較大，且影響正逐年增長。氯離子與巖溶水污染的關系并不大，主要與孔隙水污染相關。巖溶水污染地區的總硬度、溶解性總固體、硫酸根與地下水水質評價的相關性均高于孔隙水污染地區，說明與孔隙水相比，總硬度、溶解性總固體和硫酸根離子對巖溶水污染的影響更大。氨氮曾在山西省地下水污染中占有重要位置，雖然目前氨氮與地下水水質評價相關性正在下降，但仍有一定影響。硫酸根離子在山西對地下水水質綜合評價中呈由南到北相關性遞減的趨勢，在北部的大同地區出現了負相關的現象，且相關性逐漸趨向不相關，表明硫酸根離子對地下水水質的影響逐年減少。

3 山西省地下水污染原因分析

通過2016—2020年的調查和分析可知，山西省地下水總體水質情況屬于輕度污染狀態。地下水水質隨城市生態發展而得到改善，城市化過程中我國政府越來越重視環境保護和治理，極力促進了城市環境質量的提升[18]。2017—2020年山西省為改善地下水做出較多的努力，如2017年大同市推動綠色發展，推行一座城一種藍一條路，2018年國家地下水監測山西子項目通過驗收，2019年山西省地下水污染防治工作培訓班在太原舉行；2020年各行業受疫情影響嚴重，經濟活動的減少使得水質整體得到改善，IV類和V類水比重下降，I/II類水比重上升明顯，山西省水質明顯有變好趨勢。

3.1 不同類型地下水污染原因分析

山西高原地形隆起，基巖裸露，大氣降水滲入是地下水的主要補給源，部分地表水滲漏補給，包括農田灌溉入滲補給，河道滲漏補給。孔隙水水質直接受地表環境影響，孔隙水是工農業和生活用水的重要供水水源。山西省孔隙水污染最嚴重地區是太原市。太原作為山西的省會城市，2020年常住人口有530.41萬人，是山西省人口最多的市，工農業用水和生活用水量較省內其他城市多，因此太原市孔隙水的污染嚴重與城市的人口數量多及經濟活動量大有關。太原市地下孔隙水污染可能隨城市化進程而加劇，區域經濟發展的同時對地下水水質造成負面影響。當地需要加大節水力度，提高工業生產水資源利用率，從而保護地下水，減少地下水污染[18]。

山西省晉城地區地貌以山地丘陵為主，山地丘陵地區巖溶水較多。自20世紀80年代以來，受當地煤礦、鐵礦等資源開采的影響，晉城地區淺層、中層地下水水文地質條件基本遭到破壞，為解決用水問題，深層巖溶水成為當地居民生活與工農業生產用水的主要供水水源[19]。位于晉城的巖溶泉是晉城地區重要的供水源，隨著工農業生產用水與生活污水排放，加之污染河道的河流滲漏及地下水開采超標等，造成了巖溶水污染。

以山地丘陵為主的陽泉地區和長治地區地下水類型以裂隙水為主。以煤炭為主的工業格局構成了陽泉和長治地下水裂隙水污染嚴重的局面，煤炭業的發展使地下水位下降嚴重，大量地下水轉化為礦井水排向地表，在地下形成了以煤礦井為中心的地下水降落漏斗，裂隙水向礦坑匯流，在其影響半徑范圍內，地下水水位下降，儲量減少[20]，陽泉和長治地區經營較多的煤炭開采和洗選業，煤炭的開采使土壤裂隙增大而形成漏斗狀，裂隙水流通加快，污染也隨之加快并且匯集到礦坑的裂隙水受到煤矸石的污染。地下裂隙水污染主要是受到煤炭開采業的影響，要進一步提高開采技術，做好開礦后續恢復生態工作，減少裂隙水的污染。

3.2 山西省地下水污染物分析

研究結果顯示，氟化物、氯化物、總硬度、溶解性總固體、硫酸根、氨氮是山西省地下水污染物的組成成分。氟化物含量超標可能與自然因素有關，如盆地周邊山區基巖被淋濾后，含氟礦物釋放進入地下水，在流動過程中隨著方解石沉淀的生成，促進了CaF2礦物的溶解，造成地下水中氟離子濃度不斷增加，同時在水流緩慢的中部排泄區，較強的蒸發濃縮作用，進一步提高了氟離子濃度。由于城市和工業的過度需要，淡水不斷被抽出作為生活和工業用水，然后作為地表污水被排放[21]，并且山西省各地基巖氟含量均比較高，加之受大陸性氣候影響較大，隨著全球氣溫升高和溫室效應的影響，蒸發強，促進了氟離子濃度的提高，所以氟離子對山西省地下水的影響正逐年上升。

氯化物是地下水污染物的重要組分，這與其穩定的離子特性有關[22]。工業廢水中Na+和農藥化肥中的K+、NH4+可置換出土壤中的Mg2+和Ca2+，產生MgCl2和CaCl2，下滲到地下水中，同時，生活垃圾未經處置在淋濾過程中釋放出的氯化物也會滲入到地下水中。由于山西煤炭產業的發展，露天煤礦和廢棄煤炭堆積會引起大量物質蒸發在大氣中沉積，引起氯離子以降水形式滲入到地下水中。孔隙水深度較淺，易受地表污染物的影響，工業廢水、農藥化肥及工業產物均會引起氯離子超標造成巖溶水污染[23]。總硬度、溶解性總固體、硫酸根污染的產生除天然背景值高以外還與人為采礦活動有關。山西省礦產資源豐富，是資源開發利用大省，煤礦老窯水和金屬硫化礦床的地下水中含有較高含量的硫酸鹽[24]，地下水滲流過程中，不斷溶解易溶的石膏、硫酸鹽巖，使得地下水中SO42-含量增高。煤炭開采導致不同含水層融合，礦坑水、老窯積水通過一定途徑進入含水層使地下水遭受污染，同時含煤地層中含有大量的黃鐵礦和硫元素，使礦坑水中的總硬度升高，礦坑水下滲或流經灰巖裸露區時污染地下水而導致地下水中總硬度升高。中奧陶統三組灰巖中均含有多層石膏，石膏、灰巖、白云巖在含水層中大量溶解導致地下水中溶解性總固體濃度上升。這些現象大多發生在孔隙水位置以下，這也就解釋了為什么巖溶水污染與總硬度、溶解性總固體、硫酸根相關性大于孔隙水污染與總硬度、溶解性總固體、硫酸根的相關性。山西省的年降水量從東南向西北遞減，降水中含有部分硫酸根離子，導致了硫酸根離子在山西對地下水水質綜合評價中呈由南到北相關程度遞減的趨勢，加之如今對煤炭產業的治理，規范合理的開采煤礦，使硫酸根離子逐漸減少，其污染重要性也逐漸減弱。

山西省地下水中氨氮含量大可能是大量施用氮肥而造成的。生產和生活未處理用水直接排放促使土壤含氮量增加，土壤徑流等過程最終會引起地下水氨氮含量超標[25]。農村地區過渡引河水灌溉會引起地下水氨氮污染，如運城地區農村引黃灌溉。近年來山西省推廣先進節能減排技術，加快推進現役機組升級改造，在役和新建機組逐漸全部達到超低排放標準。近年來工業排放和使用化肥相對減少，工業排放更加標準，山西產業正在轉型升級，除煤炭產業以外的產業正大型崛起，是山西地區地下水中氨氮影響下降的重要原因。

4 結論

（1）通過對2016—2020年山西省地下水國考點省控點位水質分析可知5年間I～II類水占比總體呈上升趨勢，III類水占比呈下降趨勢，IV類水在2017年達到比重所占最高值后便呈下降趨勢，V類水比重增大，但I～III類水的比例較大，整體符合輕度污染特征。

（2）山西省5年來水質超標的類型主要以孔隙水為主，太原是山西省水質超標最為嚴重的地區。市級地區范圍內水質超標類型，8個以孔隙水為主，2個以裂隙水為主，1個以巖溶水為主，山西省內地下水污染主要發生在淺層孔隙水，中深層的巖溶水和裂隙水受到的影響較小。晉城地區巖溶水污染最為嚴重，太原和大同地區主要地下水類型中以孔隙水污染占比最大。

（3）對晉城、太原和大同地區地下水的研究表明氟化物對地下水水質影響最大，成為山西省地下水污染的最主要指標。氯離子對山西省地下水中的孔隙水污染較嚴重；總硬度、溶解性總固體和硫酸根離子對巖溶水污染的影響較大；氨氮隨時間變化對地下水水質污染的影響逐漸下降；硫酸根離子對山西省地下水的水質影響由山西省南部到北部逐漸遞減，對山西省地下水水質的影響逐年減少。