河南省浅层地下水重金属污染特征研究

田鹏州,李爱勤,张晓偲,王鹏飞,刘 勇

(1.河南省资源环境调查一院,河南 郑州 450016;2.河南省自然资源科技创新中心(地下水环境监测修复研究),河南 郑州 450016)

水资源作为地球陆地生态系统的重要组成部分,是人类社会生存与发展的主要自然资源[1-2]。近几十年来,随着工业化和城镇化的快速发展,人们生活水平得到了显著的提升,与之相关的土壤、大气和地下水污染与防治等生态环境问题开始进入人们的视野,并逐渐成为公众关注的热点问题[3]。特别是浅层地下水中的重金属污染与防治问题直接关乎人民群众生命安全与身体健康,已经成为地方政府及有关部门工作的重中之重。已有研究表明,自然界和人类活动所产生的重金属,一部分直接通过地表水系统而进入地下水系统,另一部分则是通过大气环流及干湿沉降,再通过地表水雨水下渗等过程,并经过复杂的地球化学、地表迁移等作用进入地下水系统,直接对地下水系统中的浅层地下水环境造成污染破坏[1,3-4]。

河南省是农业大省、工业大省,农业生产活动、工业企业发展十分迅速,其中涉重金属行业企业更具有数量多、分布范围广等特点,且部分涉重企业工艺技术落后,生产装备水平低、环保设施简陋、污染防控意识不强,造成区域内土壤、地下水等环境污染风险大[4-5]。截至目前,全省已有7个县(市、区)被列为国家级重金属污染防控区,直接威胁人民群众生命安全和经济社会的高质量发展[4]。因此,以浅层地下水中常见的铁、锰等10种重金属元素为研究对象,通过实地采样,研究河南省浅层地下水重金属污染特征研究对掌握河南省地下水重金属污染特征、开展地下水污染防治工作具有重要指导价值,对保障区域人民身体健康、推动实现经济社会高质量发展具有重大意义。

1 研究区水文地质概况

河南省浅层地下水主要分布在黄淮海冲积平原、太行山前倾斜平原、伊洛盆地和黄河、淮河支流河谷地带。含水层岩性主要为冲积、冲洪积砂、砂砾、卵砾石等,结构松散,分选性好,普遍为二元结构。具有埋藏浅、厚度大、分布广而稳定、渗透性强、补给快、储存条件好、富水性好等特点。该含水层组一般为潜水,局部为微承压水,含水层底板埋深一般60～120 m,最深可达140 m。主要补给来源为大气降水,其次是河渠渗漏、灌溉回渗及地下水的侧向径流补给等。平原区径流总体为西北向东南,区域降落漏斗由周围向漏斗中心径流。浅层地下水的排泄方式主要为人工开采和蒸发,其次为水平侧向径流及向中深层越流。

研究数据来源于全省421个地下水环境监测站点进行水样取样及实验室化验,采样点分布如图1所示。取样数量较多,分布范围较广,基本上可以反映河南省浅层地下水水质现状情况(图2)。

图1 河南省浅层地下水监测井位置分布Fig.1 Location distribution of shallow groundwater monitoring wells in Henan Province

图2 河南省浅层地下水矿化度等值线Fig.2 Contours of shallow groundwater mineralization in Henan Province

2 河南省浅层地下水重金属污染评价

根据421组浅层地下水水样水质化验结果,按照《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2022),对河南省浅层地下水中铁、锰、铝、砷、镉、铬、汞、铅、铜、锌等重金属元素进行单项评价,并进行统计学分析(表1)。

表1 河南省浅层地下水水质评价表Tab.1 Shallow groundwater quality evaluation in Henan Province

由表1可以看出,421组水样中铁元素超标率为20.90%,最大超标倍数达19.67倍;锰元素超标率为56.53%,最大超标倍数达31.00倍;铝元素超标率为12.59%,最大超标倍数为14.70倍;砷元素超标率为11.88%,最大超标倍数达2.50倍;铅元素超标比例为1.19%,最大超标倍数为5.00倍;镉、铬、汞、铜、锌5种元素均未超过地下水质界限值。由此可见,铁、锰、铝、砷4种重金属元素是河南省浅层地下水环境重金属污染比较突出的,需要引起各有关部门重点关注,且4种元素的变异系数较大,分别为2.18、1.42、2.10和1.98,说明以上4种重金属元素空间分布上变化幅度较大,受水文地质条件、降水及人类活动等外部环境的影响更为明显,区域稳定性较差。

3 地下水重金属离子空间分布特征及污染原因分析

掌握重金属元素分布空间特征是浅层地下水重金属污染与防治的基础性工作,大量研究也表明,克里金插值法在自然地理要素空间分布研究中具有较好的效果,能够真实有效地反映相关要素的空间分布格局特征[6-7]。针对河南省浅层地下水环境中比较突出的铁、锰、铝、砷4种重金属元素,运用Surfer软件中克里金插值法对4种重金属元素含量进行空间插值并绘制等值线(图3—图6),以进一步分析河南省浅层地下水重金属空间分布特征,污染范围以及与涉重企业之间的相关性。

图3 河南省浅层地下水铁离子空间分布Fig.3 Spatial distribution of iron ions in shallow groundwater of Henan Province

3.1 浅层地下水重金属元素空间分布特征

3.1.1 铁元素空间分布特征

从河南省浅层地下水铁元素空间分布特征(图3)可以看出,河南省浅层地下水中铁元素含量在空间分布上具有明显的区域差异性,黄河南北差别十分明显。

铁元素超标严重的区域主要分布在安阳市东部、濮阳市北部、新乡市东北部、三门峡市东北部、郑州市东北部、开封市中部、商丘市、许昌市、信阳市东部以及南阳市南部,分布范围广,涉及城市比较多。其中,安阳市、濮阳市、商丘市等豫东北地区以及许昌市、南阳市浅层地下水铁离子超标区是以涉重企业及附近为中心,含量逐步向四周减小。可以看出,一定范围内浅层地下水中铁元素的分布受涉重企业影响较大,占浅层地下水铁元素超标区的75%,加强铁元素超标区域涉重企业监测监管力度,是浅层地下水铁元素污染恢复治理的关键之举。

3.1.2 锰元素空间分布特征

从河南省浅层地下水锰元素空间分布特征(图4)可以看出,河南省浅层地下水中锰元素含量在空间分布上较为集中,点状特征明显。空间分布上比较集中于豫中的驻马店、许昌和周口西部等部分农业、畜牧业发达区域。其次,主要分布在洛阳西部和三门峡东部等矿山开采冶炼比较集中的区域,以及新乡和商丘的部分有色金属冶炼等集中分布区域,其中信阳的固始县锰元素也存在超标现象。从锰元素含量空间分布与河南省产业结构发展特征来看,河南省浅层地下水中锰等重金属元素的分布既受地下水背景含量的影响,也受人类农业、工业等生产活动的影响,并且人类活动干扰特征愈加明显。

图4 河南省浅层地下水锰离子空间分布Fig.4 Spatial distribution of manganese ions in shallow groundwater in Henan Province

3.1.3 铝元素空间分布特征

从河南省浅层地下水铝元素空间分布特征(图5)可以看出,河南省浅层地下水中铝元素含量在空间分布上较为集中,重污染区域突出。全省范围内铝元素超标区域主要分布在豫东的商丘、豫中的许昌和平顶山等区域,其他部分区域浅层地下水中铝元素含量一般或接近限制,比较突出的是商丘地区,浅层地下水中铝元素含量达到1.5 mg/L,远高于国家规定的0.2 mg/L的标准。这一方面受商丘特殊地形地貌的影响,位于黄河故道及相关水系下游,易于重金属元素的集聚;另一方面商丘市集聚了大量的铝制品企业,相关产业发展规模大、范围广,长久以来也对周边区域及地下水环境产生较大影响,导致浅层地下水铝元素含量明显高于其他区域。

图5 河南省浅层地下水铝离子空间分布Fig.5 Spatial distribution of aluminum ions in shallow groundwater in Henan Province

3.1.4 砷元素空间分布特征

从河南省浅层地下水砷元素空间分布特征(图6)可以看出,河南省浅层地下水中砷元素含量在空间分布上比较集中,呈点状分布。砷元素超标区域集中分布在新乡的原阳和新乡县、开封的兰考、郑州的巩义以及三门峡的滨湖区等工业产业比较集中区域,区域性特征十分明显。从河南省浅层地下水中砷元素分布与产业发展结构来看,全省浅层地下水中砷元素的分布与涉重企业的分布有比较强的相关性。如何加强涉重企业周边土壤、水等环境中重金属含量的监测与监管,是防治地下水环境重金属污染的关键。

图6 河南省浅层地下水砷离子空间分布Fig.6 Spatial distribution of arsenic ions in shallow groundwater in Henan Province

3.2 地下水重金属污染原因分析

结合以上河南省浅层地下水中铁、锰、铝、砷4种重金属元素超标情况的空间分布特征,以及河南省水文地质条件和社会经济产业发展结构,认为河南省浅层地下水中铁、锰、铝、砷等重金属元素超标的主要原因为受河南省区域浅层地下水铁、锰、铝、砷等重金属元素含量本底值高,导致了部分区域浅层地下水中相关重金属元素超标。同时,部分涉重企业缺乏相关环保措施,企业生产过程中造成有关重金属通过大气、降雨等过程进入地下水环境,造成区域内浅层地下水环境中重金属含量的超标,这也是未来地方政府在重金属污染治理中急需关注的内容。另一方面,受丰水年降水量增多以及近些年豫东豫北等区域地下水的限制开采,地下水水位开始上升,与受污染的土壤发生溶滤作用,使土壤中的重金属离子重新迁移至地下水中,进一步加剧了区域浅层地下水重金属含量超标。

4 结论与建议

4.1 结论

(1)河南省浅层地下水中重金属元素含量存在不同程度超标现象,其中铁、锰、铝、砷4种元素污染问题尤为突出。铁、锰、铝、砷四种元素超标率分别为20.90%、56.53%、12.59%、11.88%,最大超标倍数分别为19.67、31、14.70和2.50倍;变异系数分别为2.18、1.42、2.10和1.98。

(2)河南省浅层地下水中铁、锰、铝、砷4种元素超标现象呈现明显区域性特征。铁元素超标区主要分布在安阳市东部、濮阳市北部、新乡市东北部、三门峡市东北部、郑州市东北部、开封市中部、商丘市、许昌市等区域。锰元素超标区主要分布在驻马店、许昌和周口西部、洛阳西部和三门峡东部等区域;铝元素超标区域集中分布在豫东的商丘、豫中的许昌和平顶山等区域;砷元素超标区域集中分布在新乡的原阳和新乡县、开封的兰考、郑州的巩义,以及三门峡的滨湖区等区域。

(3)河南省浅层地下水铁、锰、铝、砷4种重金属元素超标,一方面受区域地下水重金属元素含量本底值较高影响,另一方面部分涉重企业生产及农业生产生活等过程影响,部分重金属元素随降雨和地下水溶滤等作用进入地下水系统,造成区域内浅层地下水中相关重金属含量超标。

4.2 建议

(1)有关部门加大涉重企业土壤污染监督力度,淘汰生产工艺落后、污染严重的企业。开展企业环境影响评价工作,并建立健全土壤环境污染防治监测管理体系。

(2)开展地下水污染溯源调查工作,进一步确定地下水污染原因,对地下水污染进行源头治理,并加大地下水环境监测力度,建立地下水环境污染防治监测体系。

(3)完善管理体系,合理划分部门职责,实现土壤与地下水污染协同治理。