山西省地下水2016—2020年水质变化趋势及污染因子分析

孙晓杰，赵 立，邢益毓，郝晓丹，刘 红，陈一宁

（太原师范学院, 山西 晋中 030619）

0 引言

地下水是水资源的重要组成部分，对支撑经济社会和可持续发展具有不可替代的作用[1]。地下水污染指引起地下水化学成分、物理性质和生物学特性发生改变而使水质量下降的现象[2]。地下水环境是由多因子构成的复杂系统，与人类生活息息相关，制约着经济社会的发展，因此，受到人们越来越多的关注[3]。随着地区发展进程不断推进，地下水开采量逐年增加，加剧了地下水污染、水质恶化等环境地质问题的发生与发展。目前山西省地下水水质总体不容乐观，地下水资源可利用量越来越少，地下水质量问题日益突出，形势较为严峻。

山西省属于干旱和半干旱地区，是全国水资源贫乏省份之一。2000年全省供水量中地下水供水量占62.78%[4]，维持着生活饮用、农牧业灌溉、工业生产、城市发展等方面的用水[5]，地下水是山西经济和社会发展的主要水资源，也是重要的战略性资源。自1972年开始，随着区域经济的发展，对水资源的需求越来越多，地下水开采量逐年增加，造成了地下水水位下降、水质恶化，可利用地下水资源日趋减少，地下水资源严重破坏，制约了地区的生态发展[6]。

在此背景下，较多学者对山西典型城市地下水进行了综合评价及原因分析，得出地下水污染受到多种因素影响，其中地下水开采、工业与生活废弃物的排放、农业灌溉等活动是导致地下水污染的最主要因素[7]，监测检出污染物即超标项目共计13项[8]。目前，学者对盆地或者平原尺度的研究较多，如孙一博[9]对关中盆地的研究，卢颖等[10]对张掖盆地的水化学特征研究，邢丽娜[11]对华北平原的地下水研究，秦兵[12]对大同盆地地下水水化学成因的探讨，以及诸铮[13]阐述了地下水的污染趋势，指出地下水污染与其陆源的污染呈正相关的关系。因此，有必要进一步对山西全省的地下水水质趋势与污染机理进行研究。

本文利用2016—2020年长时间的序列水质检测数据分析研究山西省水质变化趋势，从山西11个市出发分析山西省地下水污染最主要的污染指标，为山西省水质保护及可持续发展提供依据。本研究主要探讨以下科学问题：①山西省总体地下水质状况如何；②省内不同层次的水质污染状况；③导致地下水污染的因素有哪些。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

山西省位于黄土高原东部（110°14′～114°33′E；34°34′～40°44′N）[14]，平均海拔500～1500 m[15]。属温带大陆性季风气候，年降水量400～650 mm，年均气温3～14℃，年蒸发量1500～2300 mm[16]。山西省有众多的河流，河流主要分为海河和黄河两个水系，其中山西省内的漳河、滹沱河和桑干河属于海河水系，漳河起源于山西省东南部，滹沱河以及桑干河起源于山西省东北部。黄河在山西境内始于忻州偏关县，终于运城垣曲县，较大的支流有汾河、沁河、昕水河、涑水河和三川河，其中作为黄河第二大支流的汾河流经太原、运城、临汾和忻州四大盆地[17]。山西省现辖11个地级市，119个县市区，总人口约3430万人。

1.2 数据来源

本研究的时间尺度为2016—2020年。数据来源于2016—2020年山西省生态环境监测中心全省67个地下水国控点水质监测情况的报告，2016—2020年山西省生态环境监测和应急保障中心关于山西省地下水监测情况的报告，山西省地下水污染状况调查报告等。数据主要包括山西省国考点和省控点位地下水类型及水质无机、有机和金属元素等的含量。

通过梳理各地市的地下水污染状况调查报告，共收集到山西省地下水监测点1139个，其中生态环境部门负责的点位有336个，包括国考点位67个，省控点位269个。全省国考点、省控点分布图见图1。

对全省的地下水监测点位按照其所属部门进行分类，梳理出各地级市监测点位分布状况，各点位的监测频次和监测指标见表1。

1.3 研究方法

1.3.1 水质评价方法

在时空分析的基础上，利用《GB/T 14848-93地下水质量标准》，进行地下水质量单项组分评价，按标准所列分类指标，划分为五类，代号与类别代号相同，不同类别标准值相同时，从优不从劣。进行地下水质量综合评价：①参加评分的项目应不少于标准规定的监测项目；②首先进行各单项组分评价，划分组分所属质量类别；③对各类别按表2确定单项组分评价分值Fi；④按公式（1）和（2）计算综合评价分值F和；⑤根据F值，按表3划分地下水质量级别。

表2 单项组分评价分值Fi表

表3 地下水质量评价划分表

式中：—各单位项组分Fi的平均值；Fmax—单项组分评分值Fi中的最大值；n—项数。

在时空分析的基础上，依据《GB/T 14848-2017地下水质量标准》，进行地下水质单指标评价，按指标值所在的限值范围确定地下水质量类别，指标限值相同时，从优不从劣；进行地下水质量综合评价，按单指标评价结果最差的类别确定，并指出最差类别的指标。

1.3.2 地下水水质类型污染分布

以水质达到良好及以上或Ⅲ类及以上为达标标准，梳理国考点和省控点2016—2020年在各地市的达标/超标情况以及相应点位地下水类型的超标/达标情况，分析各地市水质超标类型。

1.3.3 地下水污染类型影响因素

对山西晋城、太原、大同三地区进行2016和2018年的各类污染元素（氯离子、总硬度、溶解性总固体、氨氮、硝酸根、氟化物、硫酸根）与地下水水质综合污染分值进行皮尔森（Person）相关性分析，了解山西省地下水污染影响因子。使用Excel 2019和SPSS26软件进行数据处理和分析。

2 研究结果

2.1 山西省地下水水质总体变化趋势

2016—2020年山西省地下水水质评价结果（图2）显示，I～III类水的比例在65%～75%波动；I～II类水比例由2016年的12.24%上升至2020年的21.29%，2019年有所下降但总体呈上升趋势；III类水整体呈下降趋势，由2016年的60%下降到2020年的48.45%。

图2 山西省国考点和省控点位地下水水质评价结果统计

IV类水在2017年达到比重最高（28.14%）后呈下降趋势，2020年其比重降至16.67%；V类水比重增大，由2016年占总体的6%增长至2019年的15%，达到最高点，虽然2020年V类水比重下降（13.58%），但其占比仍呈上升趋势，地下水水质两级分化现象逐渐明显。

2016—2017年监测数据以《GB/T 14848-93地下水质量标准》为评价标准，2017年《GB/T 14848-2017地下水质量标准》发布后，省控点位2018—2020年监测数据以《GB/T 14848-2017地下水质量标准》为评价标准。就整体污染状况来看，I～III类水<75%，且劣V类水<20%，符合轻度污染特征。因此得出2016—2020年山西省地下水水质属于轻度污染状态。

2.2 山西省地下水水质类型污染分布

2016—2020年水质超标类型统计显示（图3），在山西省11个市中水质超标类型以孔隙水为主的有8个，以裂隙水为主的有2个，以岩溶水为主的有1个。由此可见，5年来水质超标的类型主要以孔隙水为主。水质超标类型以裂隙水（长治市和阳泉市）和岩溶水（晋城市）为主的城市主要分布在山西省东部地区。全省中太原市的孔隙水受污染情况最为严重，数量远超其他市的孔隙水污染数量，由此可知，太原地区目前是山西省水质超标最为严重的地区。推测全省地下水污染主要发生在浅层孔隙水，中深层的岩溶水和裂隙水受到的影响较小，但仍有一定数量的岩溶水、裂隙水监测点位水质超标。

图3 山西省国控点与省控点2016—2020年水质类型污染情况统计

2.3 山西省地下水污染影响因素

通过SPSS 26软件对数据进行正态分布分析，选择使用皮尔森相关分析方法。选取分别位于山西省南部、中部和北部3个地区中具有地域代表性的晋城、太原、大同3个地区，并分别对其在2016年和2018年的各类污染元素与地下水水质综合污染分值进行Person相关性分析，以此对山西省地下水污染影响的变化进行分析（表4）。其中晋城地区地下水类型中岩溶水污染最为严重，孔隙水和裂隙水污染兼有。太原和大同地区主要地下水类型中以孔隙水污染占比最大。

表4 2016和2018年晋城、太原和大同地区地下水综合评价分值与污染元素相关性分析

晋城地区以岩溶水污染为主。由表4可知，2016年和2018年总硬度、溶解性总固体和硫酸根与地下水水质评价相关性显著，相关性数值也较大，氟化物的影响从2016年的不显著转至2018年变为显著。其余因子如氯离子、氨氮、硝酸根、pH在2016年和2018年的调查中均无显著影响，表明岩溶水污染与它们的关系并不紧密。总硬度、溶解性总固体、硫酸根与地下水水质评价的相关性均高于其他2个地区，说明与孔隙水相比，总硬度、溶解性总固体和硫酸根离子对岩溶水污染的影响更大。对比2016与2018年的数据可知，晋城地区氨氮对地下水的影响正在下降，由正相关转化为负相关，氟化物对水质影响程度增大，说明随时间变化，晋城地区地下水污染影响因素发生变化。

太原地区以孔隙水污染为主，且基数较大，污染情况最为严重。从表4可知，以孔隙水污染相关的元素较多，各要素综合影响较多，关系复杂。除硝酸根离子以外的元素与地下水水质综合评价均有显著相关性。对比2016年与2018年两组数据可知，太原地区地下水污染中的氟化物相关度加强，表明太原地区地下水污染的因素中氟化物的作用正在增强，太原地区孔隙水污染严重的原因可能与此有关。

大同地区以孔隙水污染为主，大同地区的孔隙水污染情况与太原地区相比，各元素与地下水水质评价相关性大有不同。如2016年的数据中除氟化物与氨氮以外其他元素与地下水水质评价呈负相关，可能是因为丰水期监控点相关数据缺失造成。氨氮与大同地区地下水水质相关性远大于太原地区。2018年的数据中除硫酸根离子以外，其他元素均与地下水水质评价呈正相关关系，与太原地区相似。比较2016年与2018年数据，氨氮对地下水水质的影响下降，而硝酸根离子的影响由2016年到2018年相关性增大，表明硝酸根离子对地下水水质的影响正在上升。

综上所述，结合表1至表4内容来看，氟化物与山西省的地下水水质评价相关性较高，影响较大，且影响正逐年增长。氯离子与岩溶水污染的关系并不大，主要与孔隙水污染相关。岩溶水污染地区的总硬度、溶解性总固体、硫酸根与地下水水质评价的相关性均高于孔隙水污染地区，说明与孔隙水相比，总硬度、溶解性总固体和硫酸根离子对岩溶水污染的影响更大。氨氮曾在山西省地下水污染中占有重要位置，虽然目前氨氮与地下水水质评价相关性正在下降，但仍有一定影响。硫酸根离子在山西对地下水水质综合评价中呈由南到北相关性递减的趋势，在北部的大同地区出现了负相关的现象，且相关性逐渐趋向不相关，表明硫酸根离子对地下水水质的影响逐年减少。

3 山西省地下水污染原因分析

通过2016—2020年的调查和分析可知，山西省地下水总体水质情况属于轻度污染状态。地下水水质随城市生态发展而得到改善，城市化过程中我国政府越来越重视环境保护和治理，极力促进了城市环境质量的提升[18]。2017—2020年山西省为改善地下水做出较多的努力，如2017年大同市推动绿色发展，推行一座城一种蓝一条路，2018年国家地下水监测山西子项目通过验收，2019年山西省地下水污染防治工作培训班在太原举行；2020年各行业受疫情影响严重，经济活动的减少使得水质整体得到改善，IV类和V类水比重下降，I/II类水比重上升明显，山西省水质明显有变好趋势。

3.1 不同类型地下水污染原因分析

山西高原地形隆起，基岩裸露，大气降水渗入是地下水的主要补给源，部分地表水渗漏补给，包括农田灌溉入渗补给，河道渗漏补给。孔隙水水质直接受地表环境影响，孔隙水是工农业和生活用水的重要供水水源。山西省孔隙水污染最严重地区是太原市。太原作为山西的省会城市，2020年常住人口有530.41万人，是山西省人口最多的市，工农业用水和生活用水量较省内其他城市多，因此太原市孔隙水的污染严重与城市的人口数量多及经济活动量大有关。太原市地下孔隙水污染可能随城市化进程而加剧，区域经济发展的同时对地下水水质造成负面影响。当地需要加大节水力度，提高工业生产水资源利用率，从而保护地下水，减少地下水污染[18]。

山西省晋城地区地貌以山地丘陵为主，山地丘陵地区岩溶水较多。自20世纪80年代以来，受当地煤矿、铁矿等资源开采的影响，晋城地区浅层、中层地下水水文地质条件基本遭到破坏，为解决用水问题，深层岩溶水成为当地居民生活与工农业生产用水的主要供水水源[19]。位于晋城的岩溶泉是晋城地区重要的供水源，随着工农业生产用水与生活污水排放，加之污染河道的河流渗漏及地下水开采超标等，造成了岩溶水污染。

以山地丘陵为主的阳泉地区和长治地区地下水类型以裂隙水为主。以煤炭为主的工业格局构成了阳泉和长治地下水裂隙水污染严重的局面，煤炭业的发展使地下水位下降严重，大量地下水转化为矿井水排向地表，在地下形成了以煤矿井为中心的地下水降落漏斗，裂隙水向矿坑汇流，在其影响半径范围内，地下水水位下降，储量减少[20]，阳泉和长治地区经营较多的煤炭开采和洗选业，煤炭的开采使土壤裂隙增大而形成漏斗状，裂隙水流通加快，污染也随之加快并且汇集到矿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开采业的影响，要进一步提高开采技术，做好开矿后续恢复生态工作，减少裂隙水的污染。

3.2 山西省地下水污染物分析

研究结果显示，氟化物、氯化物、总硬度、溶解性总固体、硫酸根、氨氮是山西省地下水污染物的组成成分。氟化物含量超标可能与自然因素有关，如盆地周边山区基岩被淋滤后，含氟矿物释放进入地下水，在流动过程中随着方解石沉淀的生成，促进了CaF2矿物的溶解，造成地下水中氟离子浓度不断增加，同时在水流缓慢的中部排泄区，较强的蒸发浓缩作用，进一步提高了氟离子浓度。由于城市和工业的过度需要，淡水不断被抽出作为生活和工业用水，然后作为地表污水被排放[21]，并且山西省各地基岩氟含量均比较高，加之受大陆性气候影响较大，随着全球气温升高和温室效应的影响，蒸发强，促进了氟离子浓度的提高，所以氟离子对山西省地下水的影响正逐年上升。

氯化物是地下水污染物的重要组分，这与其稳定的离子特性有关[22]。工业废水中Na+和农药化肥中的K+、NH4+可置换出土壤中的Mg2+和Ca2+，产生MgCl2和CaCl2，下渗到地下水中，同时，生活垃圾未经处置在淋滤过程中释放出的氯化物也会渗入到地下水中。由于山西煤炭产业的发展，露天煤矿和废弃煤炭堆积会引起大量物质蒸发在大气中沉积，引起氯离子以降水形式渗入到地下水中。孔隙水深度较浅，易受地表污染物的影响，工业废水、农药化肥及工业产物均会引起氯离子超标造成岩溶水污染[23]。总硬度、溶解性总固体、硫酸根污染的产生除天然背景值高以外还与人为采矿活动有关。山西省矿产资源丰富，是资源开发利用大省，煤矿老窑水和金属硫化矿床的地下水中含有较高含量的硫酸盐[24]，地下水渗流过程中，不断溶解易溶的石膏、硫酸盐岩，使得地下水中SO4²-含量增高。煤炭开采导致不同含水层融合，矿坑水、老窑积水通过一定途径进入含水层使地下水遭受污染，同时含煤地层中含有大量的黄铁矿和硫元素，使矿坑水中的总硬度升高，矿坑水下渗或流经灰岩裸露区时污染地下水而导致地下水中总硬度升高。中奥陶统三组灰岩中均含有多层石膏，石膏、灰岩、白云岩在含水层中大量溶解导致地下水中溶解性总固体浓度上升。这些现象大多发生在孔隙水位置以下，这也就解释了为什么岩溶水污染与总硬度、溶解性总固体、硫酸根相关性大于孔隙水污染与总硬度、溶解性总固体、硫酸根的相关性。山西省的年降水量从东南向西北递减，降水中含有部分硫酸根离子，导致了硫酸根离子在山西对地下水水质综合评价中呈由南到北相关程度递减的趋势，加之如今对煤炭产业的治理，规范合理的开采煤矿，使硫酸根离子逐渐减少，其污染重要性也逐渐减弱。

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。生产和生活未处理用水直接排放促使土壤含氮量增加，土壤径流等过程最终会引起地下水氨氮含量超标[25]。农村地区过渡引河水灌溉会引起地下水氨氮污染，如运城地区农村引黄灌溉。近年来山西省推广先进节能减排技术，加快推进现役机组升级改造，在役和新建机组逐渐全部达到超低排放标准。近年来工业排放和使用化肥相对减少，工业排放更加标准，山西产业正在转型升级，除煤炭产业以外的产业正大型崛起，是山西地区地下水中氨氮影响下降的重要原因。

4 结论

（1）通过对2016—2020年山西省地下水国考点省控点位水质分析可知5年间I～II类水占比总体呈上升趋势，III类水占比呈下降趋势，IV类水在2017年达到比重所占最高值后便呈下降趋势，V类水比重增大，但I～III类水的比例较大，整体符合轻度污染特征。

（2）山西省5年来水质超标的类型主要以孔隙水为主，太原是山西省水质超标最为严重的地区。市级地区范围内水质超标类型，8个以孔隙水为主，2个以裂隙水为主，1个以岩溶水为主，山西省内地下水污染主要发生在浅层孔隙水，中深层的岩溶水和裂隙水受到的影响较小。晋城地区岩溶水污染最为严重，太原和大同地区主要地下水类型中以孔隙水污染占比最大。

（3）对晋城、太原和大同地区地下水的研究表明氟化物对地下水水质影响最大，成为山西省地下水污染的最主要指标。氯离子对山西省地下水中的孔隙水污染较严重；总硬度、溶解性总固体和硫酸根离子对岩溶水污染的影响较大；氨氮随时间变化对地下水水质污染的影响逐渐下降；硫酸根离子对山西省地下水的水质影响由山西省南部到北部逐渐递减，对山西省地下水水质的影响逐年减少。