流域地下水化學污染成因及尺度效應研究

關鍵詞：地下水；化學污染；尺度效應；水化學特征

中圖分類號：X523 文獻標志碼：A

前言

隨著人類對地下水資源的開發和利用，對地下環境造成了巨大影響，引發一系列污染問題，令現代社會水資源問題日益嚴峻。由于地下水的自我凈化能力很差，如果因不合理開發受到污染，在惡化生態環境的同時，給人體也帶來直接危害。

水化學以水文地質學、化學熱力學為基礎，對地下水中化學成分的構成及元素的遷移、富集和分散等變化進行系統研究。但目前國內外對流域地下水化學污染的研究還非常有限，此項目以流域為探究目標，對其采取地下水化學污染成因及尺度效應分析。

針對地下水化學污染問題，徐蓉楨等人采用水化學與同位素方法分析地下水循環污染特征，總結區域地下水循環方式，明確地下水循環尺度效應，對地下水合理開發利用具有指導意義。楊蘊等人分析有機污染物在土壤-地下水系統中的空間分布規律與驅動機制，考慮溫度影響下有機污染傳質過程，建立有機污染物遷移數學模型，展現地下水化學污染物遷移轉化的內在機理。但上述研究只關注單一污染源或單一污染物的影響，缺乏對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水質分析儀，充分評估待研究區域地下水化學污染物形成機理與時間空間尺度效應，為地下水污染防治提供可靠借鑒。

1研究區概況

研究區域總面積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傾斜，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層水，源自季節性積雪和降雨，循環途徑包括人工開采和潛水蒸發。

2材料與方法

采樣時間為2023年3月，一共挑選40個地下水采樣點，井深在60m～350m左右。現場運用多參數水質分析儀檢測電導率、電阻率、壓強、溫度等指標。水化學指標在水樣收集后3周內在實驗室進行檢驗，質量濃度使用離子色譜儀完成測定，測試方法參照《生活飲用水標準檢驗方法》設計準則。

利用單因子指數法評估流域地下水污染特征，此方法是對比流域地下水環境指標的檢測質量濃度和標準值，以此明確污染特征。評估結果高于1代表指標嚴重超標，反之在可承受范圍內。

水質單因子指數評估解析式為式（1）：

城市污水、工業廢水和農業化肥、農藥的使用，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是某個污染源污水排放量；d為實測污水污染物濃度；α是入滲指數；S為污染源面積。

3流域地下水化學污染成因

地下水化學污染源于人類活動，包括工業排放、農業化肥農藥使用等。通過探究地下水污染成因，為制定相應的治理對策提供科學依據，并勾勒出地下水化學污染時空規律，以下即為造成地下水化學污染的各種因素。

3.1地下水開采

人類對地下水的過度開發利用，顯著改變了原有水文地質條件，加劇了地下水污染。研究區域因水資源需求大，導致大規模開發地下水，地下水位不斷下降，形成地下水下降漏斗。水動力學變化使得易受污染的淺層地下水流向承壓含水層，對中、深層水環境造成嚴重污染。地下水化學污染物質主要以間歇性入滲和持續入滲兩種方式為主。間歇性入滲主要由城市生活垃圾和土壤殘留化肥農藥在降雨或灌溉過程中產生，而持續入滲則是各類液態廢物持續通過包氣帶進入含水層，對地下水環境構成嚴重威脅。

3.2養殖業、農業活動

畜禽養殖是重要的環境污染源，主要原因是垃圾不當處置導致污水直接滲入地下，使地下水中有毒有害物質迅速增加。農田耕作在豐水期對地下水產生影響，雨水將殘留肥料和農藥等非自然因素帶人地層，滲透至地下水含水層。農田耕作導致土壤中有害物質濃度呈周期性變化，豐水期上升，枯水期下降并穩定。

3.3煤礦開采

研究區為采礦工業聚集區，礦山開采產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移通道。開采排放的礦坑水pH低，滲透人地下水會引起鹽分遷移，溶蝕土壤礦物，增加地下水硬度。煤礦開采還導致地下水溶解性固體增多。

4流域地下水化學污染尺度效應分析

4.1地下水化學污染垂向尺度效應

地下水化學污染的垂向尺度效應指在不同垂向深度下，化學污染物的分布、遷移和轉化過程呈現出的尺度依賴性。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活動和自然環境因素的影響程度不同，化學污染物分布和遷移規律也有所差異。

首先分析地下水礦物飽和指數，飽和指數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。隨機從40個采樣點挑選20個地點，以方解石、白云石和石膏飽和指數為例，使用PHREEQC軟件推算地下水中三種礦物飽和指數，結果如表1所示，其中負數代表礦物為溶解狀態，正數代表礦物處于沉淀狀態。

研究區域2023年的地下水化學特征伴隨井深呈現一定的變化規律，如圖1（a）所示，pH值伴隨深度的增多而變大，這與其所處的環境條件和地質條件有關。深層地下水為一個封閉系統，和大氣、土壤中的二氧化碳產生交換的情況較少，地下水污染水平相對較低，而淺層地下水為一個開放系統，更易受到自然元素與人為活動的影響。

圖1（b）、圖1（c）依次展現出流域地下水溶解性固體總量、硝酸鹽含量和井深的關聯。溶解性固體總量指一定體積的水中包含的全部溶解物質的量，即無機物和有機物的含量，將其作為判斷水質是否純凈的指標。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，證明人類活動會對流域淺層地下水的水質產生深遠影響。從圖1（c）中可以看到，該區域硝酸鹽污染并沒有集中流人地下水，較少的硝酸鹽含量關鍵分布于井深高于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個地下水樣品硝酸鹽含量最高，主要是因為該地區為農業用地，頻繁使用化肥導致該地區地下水硝酸鹽含量突增。此外還有多個采樣點地下水樣品的硝酸鹽含量小于飲用水標準（50mg/L），但由于硝酸鹽是地下水化學污染的關鍵因素，仍需采取持續觀測。

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，硬度升高是因為鈣離子與鎂離子溶解增加形成的，表明流域地下水因農業灌溉及廢水排放等活動，提高了水中Na+、Cl-的含量，進一步與地下水鈣鎂離子產生離子交換，引發含鈣鎂礦物溶解。

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

4.2地下水化學污染時間尺度效應

為保證所獲結論的可靠性，文章收集了2016年-2022年的地下水溶解性固體總量值，探究地下水化學污染時間尺度效應。根據收集到的數值可以發現，伴隨時間的增長，該地區溶解性固體總量呈上升趨勢，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上升為1000 mg/L。但自2018年開始逐漸上升得緩慢，即溶解性固體總量增多的趨勢變緩，證明該區域在發展建設中逐步認識到地下水污染的緊迫性，針對此問題作出對應的地下水污染防護處理方案，這與當地實際發展情況相符。

4.3地下水化學污染排放尺度效應

地下水化學污染排放尺度效應是指在不同排放尺度下，地下水化學污染物的遷移、轉化和影響程度的變化規律。排放尺度表示污染源的排放強度、排放時間、排放方式以及排放空間范圍等因素的綜合表現。此外，排放尺度還會影響污染物的生物地球化學循環和生態環境效應。在小尺度排放下，污染物會對局部生物群落產生直接毒性效應；而在大尺度排放下，污染物會對整個地下水系統的生態平衡和生態環境造成長期影響。

因此，此研究分別在流域上、中、下游挑選13個富有代表意義的采樣點進行實驗，設定具備2個實驗周期，兩個周期的實驗時間相隔6天，結果如圖2所示。從圖2看出，研究區域流域地下水污染物排放強度空間分布具備顯著的地區差異。上游地段人類的生產活動較為分散，地下水資源利用效率較低，在獲得相同經濟效應的狀態下，污染物排放量遠遠大于中下游區域。

5結束語

流域地下水化學污染的成因多種多樣，包括工業污染、農業活動、生活污染以及自然因素等。為有效防治，需針對不同尺度的污染特點制定措施，并加強跨界合作與信息共享，共同保護地下水安全。深入研究后得出以下結論：首先，地下水開采、養殖業、農業活動和煤礦開發等操作均會造成不同程度的化學污染，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、硬度等指標在較淺的井深范圍內較高，表明淺層地下水更易受自然和人為活動影響，但隨時間推移，溶解性固體總量趨于穩定，水質惡化得到遏制；最后，流域地下水污染物排放強度在空間分布上存在顯著差異，上游地段在同等經濟效益下污染物排放量高于中下游。