硫氧同位素示踪污染物来源在济南岩溶水中的应用

2019-02-28 06:29:00张海林
中国地质调查 2019年1期
关键词:硫酸盐灰岩污染源

张海林, 王 重, 逄 伟, 滕 跃, 齐 欢

(山东省地质矿产勘查开发局八○一水文地质工程地质大队,济南 250014)

0 引言

1 研究区概况

济南趵突泉泉域位于济南市中南部,东起东坞断裂,西至马山断裂,北至奥陶系顶板埋深400 m一线,南至地表分水岭,面积约为1 700 km2,地势南高北低,是一个以古生代地层为主的缓向北斜的大型单斜构造。大地构造属于鲁西隆起区的二级构造单元[6]。区内主要断裂有NNW向的千佛山断裂、马山断裂和东坞断裂,NNE走向的港沟断裂,这些断裂对研究区地下水运动具有一定的控制作用(图1)。

图1 研究区地质略图及采样点分布Fig.1 Geological sketch and sampling sites in the study area

趵突泉泉域是北方典型的岩溶区,含水岩层主要是寒武纪和奥陶纪灰岩。低山丘陵区,灰岩直接裸露地表,富水性稍差,单井涌水量一般小于500 m3/d; 单斜构造前缘及山前平原,灰岩多被第四系覆盖,是岩溶水的排泄、富集带,单井涌水量在1 000~5 000 m3/d,局部地区大于10 000 m3/d。补给来源主要是大气降水入渗补给,补给区为南部山区,其他补给源是地表水渗漏补给及第四系孔隙水下渗补给。岩溶水的运动方向与地层倾向基本一致,基本由南向北运动,岩溶水径流到北部山前遇到隐伏的火成岩岩体受阻,形成泉水。岩溶水通过泉水、潜流和向河道排泄3种方式排泄。

根据岩溶水的补给、径流和排泄特征,将泉域分为间接补给区、直接补给区和汇集排泄区。“三水”转化的基本特征是: 大气降水在直接补给区转化为地下水,在间接补给区转化为地表水,地表水进入直接补给区,大量渗漏转化为岩溶地下水,地下水向北运动受阻,形成泉水流出地表,转化为地表水或补给第四系孔隙水。

据调查,研究区内南部山区工业企业污染源较少,主要潜在污染源为农业活动和面源生活污染; 山前平原地带主要潜在的工业污染源包括石化、冶金、发电、热源、制药以及化工厂等,主要潜在的生活污染源——简易垃圾堆放点主要集中在山前地带,这一带第四系厚度一般较薄,局部地段有灰岩裸露,这极易造成污染物进入岩溶水含水层,引起岩溶水污染。

2 样品采集与测试

根据野外调查及资料的分析,在2016年5月底至6月初,采集了4组有代表性污染源的污水及1组大气降水的S、O同位素,作为确定岩溶水硫酸盐污染来源的同位素的对比值; 同时,在A区与B区内共采集13组岩溶水样品(图1,表1)。

表1 2016年枯水期硫酸盐硫氧同位素测试结果Tab.1 Test results of sulfur and oxygen isotopes in sulphate during 2016 dry season

样品沿地下水流向布设,跨间接补给区、直接补给区和汇集排泄区3个区,取样层位为寒武系、奥陶系灰岩含水层。其中,B区分布有玉符河、兴济河等较大的河流、沟谷及山前地带的第四系,分布面积比A区广,耕地分布面积大。

3 硫酸盐污染分布特征及污染机理

根据本次水样分析测试结果,可分析得出区内硫酸盐浓度分布特征(图2)。

图2 研究区硫酸盐浓度分布图Fig.2 Sulphate concentration distribution in the study area

硫酸盐浓度大于150 mg/L的区域分布较少,主要分布于玉符河沿岸、西市区西南大涧沟下游沿岸地带; 硫酸盐浓度100~150 mg/L的区域主要分布在市区周边及仲宫一带; 硫酸盐浓度小于100 mg/L主要分布在研究区西部及南部大部分区域。

据调查,区内垃圾堆放场相当部分垃圾直接堆放在基岩裸露地带,有的即使有第四系覆盖,但由于位于山前,第四系厚度较小,颗粒粗,渗透性也较强,这极有利于垃圾渗滤液渗入岩溶水含水层。

区内具有集中供水意义的含水岩组主要为寒武系炒米店组—奥陶系灰岩含水层,其岩性为厚层纯灰岩、灰质白云岩、白云质灰岩、白云岩和泥质灰岩,岩溶裂隙发育,且彼此连通,导水性强,有利于污染物下渗迁移; 另外,玉符河上游为渗漏段,这为大气降水入渗提供有利条件,也为污染物进入含水层提供通道(图3)。

图3 污染物运移剖面示意图Fig.3 Pollutants transport section

4 研究进展

4.1 不同来源的34S和18O典型特征值

硫酸盐在地球化学循环过程中,除了微生物的还原作用外,S同位素分馏效应很小。虽然在一个具体的研究区内,地下水中δ34S和δ18O值具有特定的变化范围。

4.2 测试结果与分析

根据水样的测试结果(表1),从本次岩溶水的S、O测试数据来看,研究区岩溶水δ34S一般都为正值,集中在+1.1‰~+7.5‰之间,平均为4.55‰;δ18O值在+12.3‰~+17.4‰之间,平均值为14.99‰。总体来看,δ34S沿地下水流动方向上呈增大趋势。

将所测的数据投影于S、O同位素关系图上(图4),13个点均落在大气沉降区域,部分点与污水、土壤区域重叠,结合污染源调查情况,研究区硫酸盐主要污染来源有大气沉降、污水和土壤。

图4 研究区内的δ34S与δ18O值的分布特征Fig.4 Distribution characteristics of δ34S and δ18O of in the study area

4.2.2 IsoSource模型估算硫酸盐来源贡献率

4.2.2.1 IsoSource模型

IsoSource模型以质量守恒定律为基础,用于估算各种硫酸盐来源对地下水硫酸盐污染的贡献率。该方法将地下水中硫酸盐来源(假定为3种)中的S、O同位素数值输入,构建质量守恒模型

δ34S=f1×δ34S1+f2×δ34S2+f3×δ34S3,

(1)

δ18O=f1×δ18O1+f2×δ18O2+f3×δ18O3,

(2)

f1+f2+f3=1 ,

(3)

式中:f1、f2、f3代表不同硫酸盐来源所占的比例,%;δS1、δS2、δS3代表不同来源S同位素值,‰;δO1、δO2、δO3代表不同来源O同位素值,‰;δ34S与δ18O代表某点水样测试的S、O同位素值。

设置模型的容差参数和增量参数,利用迭代方法计算出不同来源硫酸盐所占百分比的概率分布图。不同来源的S、O同位素与水样中S、O同位素相差小于0.1%时,才认为是可能的解。

4.2.2.2 计算结果与分析

利用IsoSource软件计算研究区取样点的硫酸盐贡献率(表2),从表中可以看出,A区与B区的硫酸盐污染来源比例有明显的差异。

(1)A区硫酸盐的来源以大气沉降为主,大多数样品大气沉降来源比例在50%以上,均值为57.29%; 污水和土壤来源的比例相对较低,污水来源比例均值为27.71%,多数样品土壤来源比例较小,均值为15%,这与A区的实际情况密切相关。其中JS01、JS02取样点位于东南部山区灰岩裸露区,该区地势较高,污染源较少,因而污水来源比例较小; JS26取样点位于山前灰岩隐伏区,上游有垃圾堆放污染源,降雨带来的垃圾滤液(污水源)对该地段影响较大。

表2 研究区硫酸盐污染来源比例计算结果Tab.2 Calculation results of sulphate pollution source rate in the study area

(2)B区硫酸盐的主要来源仍是大气沉降,但污水来源的比例增大。沿地下水流向,JS20取样点以南,样品多分布在裸露岩溶区,该区大气沉降比例较高,均值为60.25%,污水比例均值在22.25%; JS20取样点以北,样品多分布在灰岩隐伏区,该区大气沉降比例降低,均值为39.33%,而污水比例升高,均值在47%; 来自土壤源的比例波动相对较小。导致污水来源比例增大的主要原因为JS31、JS21 、JS22位于山前平原地段,居民区较多,生活污水排放量较大,另外该地段还处于泉域渗漏带的下游,因而污水来源比例较高。

不同来源的硫酸盐中δ34S与δ18O值是一个比较大的范围,本次研究只确定了3种主要的污染源,而实际天然条件下情况往往很复杂,可能还存在一些未知来源。

5 结论

(1)本次δ34S、δ18O同位素岩溶水水样沿地下水水流方向选取,根据δ34S、δ18O值的分布特征确定研究区内硫酸盐主要污染来源为大气沉降、污水和土壤,其中大气沉降来源所占比例最大。

(2)采用IsoSource模型估算硫酸盐来源贡献率,结果显示A区与B区的硫酸盐污染来源比例有明显的差异,A区和B区硫酸盐污染来源均以大气沉降为主,但B区污水所占比例有所增大。

(3)本次测试大气降水中硫酸盐的δ34S值为+3.2‰,与中国北方煤总硫的δ34S的平均值+3.68‰结果较为一致,说明大气降水中的S的来源主要是燃煤引起的。

(4)S、O双同位素分析是识别硫酸盐污染来源的重要手段,本文中多参考已有文献中污染源的δ34S与δ18O特征值来计算研究区硫酸盐污染来源,这会对来源贡献率估算结果有一定的影响,还需在以后的研究中继续探讨。

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