Question

地下水水质恶化

Answer 1

（一）地下水水质恶化及主要特征与危害

地下水的水质恶化，是世界上许多国家所共同面临的又一个严重问题，也是全球性环境污染的重要组成部分。这里所述的地下水水质恶化，主要是指地下水在开发过程中，因环境污染和水动力、水化学形成条件的改变所造成的水中的某些化学、微生物成分含量不断增加，以致超出规定使用标准的水质恶化现象。其主要特征有：

（1）许多天然地下水中不存在的有机化合物（如各种合成染料、去污剂、洗涤剂、溶剂、油类及有机农药等）出现在地下水中。

（2）天然地下水中含量极微的毒性金属元素（汞、铬、镉、砷、铅及某些放射性元素）大量进入地下水中。

（3）各种细菌、病毒在地下水体中大量繁殖，远远超出饮用水水质标准。

（4）地下水的硬度、矿化度、酸度和某些单项的常规离子含量不断上升，以至超过规定使用标准。

地下水水质环境的恶化，严重损害了地下水资源的使用价值和使用范围，给人类社会带来了种种不良后果，有损于人体健康，以至造成残疾和死亡；损害了工业产品的质量；使农作物减产和土地盐化；减少了地下水可采资源的数量，以至使整个水源地废弃；为处理水质，增加了水的单位成本等。我国地下水水质的污染问题，已不容忽视。我国主要城市，有一半是以地下水作为供水水源，全国有三分之一的人口饮用地下水。据全国50个城市的调查，地下水受到不同程度污染的有45个。此外，我国北方许多城市的地下水硬度逐年增高，某些沿海城市的海水入侵问题也相当严重。所有这些，都危及我们的生存环境。

（二）地下水水质恶化的原因

引起地下水水源地水质恶化的原因很多，可归纳为以下三个方面。

1.存在引起地下水水质恶化的污染物质来源（污染源）

引起地下水水质恶化的污染物，既可存在于地下，也可以存在于地上。从污染物质的成因类型来看，可分为两大类：①天然污染源：即自然界本来就存在着的各种劣质水体，如海水、地下高矿化水或其他劣质水体。此外，含水层或包气带中的某些含水介质含有某些矿物（特别是各种易溶盐类），也可成为地下水污染源。②人为污染源：是指人类活动所形成的各种污染源，如各种工业废水、生活污水、各种垃圾及化肥、农药等。人为污染源又可分为直接和间接源两类。各种污水、废水、化肥农药，其污染物质直接通过包气带进入含水层中，为直接污染源。污染物首先进入大气或地表水体，而后进入含水层中的称间接污染源，如在工业城市上空及附近形成的含硫酸和硝酸的“酸雨”（pH＜5.6的降水称为酸雨）就属间接污染源。酸雨的入渗，一方面直接使地下水酸化；另一方面，酸化的水又可增强溶解能力，使地下水中的金属元素含量大大增加，进而污染地下水。而且酸雨的污染是大面积的，往往比局部点状污染源造成的危害更大。

工业废水和生活污水不经处理就排入地表水体中，进而造成地下水污染的例子更是比比皆是。特别是那些以河水入渗补给为主的傍河水源地、山前冲洪积扇和岩溶暗河水源地，因河水污染而导致地下水源污染的问题更为严重。

此外，在某些情况下，井管或输水金属管道的腐蚀、混凝土水管的侵蚀，也可构成水质的污染源。

2.存在污染物质进入地下水的途径（通道）

水源地地下水水质发生恶化，除了必须具备有污染源外，还必须具有污染物进入含水层取水地段的通道。污染物通常以下三种方式进入含水层：

（1）在含水层的开采降落漏斗范围内，污染物通过含水层上部的透水层直接渗入含水层，由于进入途径很短，故常常使地下水迅速而严重污染。在相同污染源的情况下，地下水体遭受污染的程度，主要决定于地表到含水层之间岩层的渗透性能、岩土颗粒对污染物的吸附和净化能力及含水层的埋藏深度。因此，一般承压水较潜水有较好的防污染条件和防污性能。潜水含水层的包气带内如有粘性土层存在，也会有较好的防护能力。

（2）污染物从含水层的其他地段进入开采地段。例如，各种天然劣质水体（如海水、高矿化水）、已污染的地表水体或污水体，通过与含水层的直接接触带（特别是补给区）渗（流）入含水层，然后再运移到开采地段。当污染源位于水源地上游时，对水源地水质污染的威胁更大。

（3）污染物借助天然或人为的某些集中通道进入含水层：①天然集中通道：主要是指与污染源相沟通的各种导水断层通道、裂隙通道和岩溶通道（包括“天窗”）。这种通道一般多呈点状或线状分布，但是它可使埋深很大的承压水体遭到污染；②人为集中通道：主要是指在各种地下工程、水井施工时，因破坏了含水层隔水顶板（或底板）的防污作用，使工程本身构成了劣质水进入含水层的直接通道。例如，因水井设计、施工上的缺陷（未止水或止水不符合要求），造成上部污水沿井管与孔壁间隙流入开采含水层；有时则因废井未加处理或回填不实，成为地表污水的入侵通道；某些失修的水井，因井管腐蚀或地震灾害使井管破裂，也可造成上部污水入侵开采含水层。

3.水动力和水化学起因

污染源和污染通道的存在是地下水水质污染的必备条件，那么在开采条件下所出现的水动力、水化学作用，则是导致地下水水质恶化的直接起因。凡污水入侵开采含水层，均要求有一定的水动力条件。①开采含水层（或地段）与污水体或劣质水之间必须存在某种直接或间接的水体联系；②由于开采抽水，在开采含水层（或地段）中形成相对于污染水体或劣质水的负压区，从而促使污水或劣质水直接或间接地（通过弱透水层）流入并污染或侵入了开采含水层（或地段）。

（1）海水入侵。近海水源地，因水动力条件改变而引起的海水向大陆含水层入侵，便是这方面的典型例子。在天然条件下，大陆含水层中的淡水是排入海洋的，咸、淡水体之间的平衡界面是依靠含水层中淡水的水头压力高于海面来维持的。在开采条件下，如果水源地的开采量超过补给量，则必然引起含水层中淡水体水位持续下降。当水位降落漏斗扩展到海岸线时，就会导致海水入侵，使地下水咸化。在某些情况下，虽开采量未超过淡水的补给量，但当淡水体的水头压力已减少到难以维持咸、淡水体之间的原来平衡条件时，咸、淡水界面也会向大陆推移。如果该界面推进到抽水井的降落漏斗范围内，同样也会导致咸水入侵开采地段，使水质恶化。

图11-16 滨海地区淡咸水静水压力平衡示意图

海水入侵形成机理可用吉本—赫尔兹伯格（Gyben-Herzberg）所给出的静水压力平衡模型加以说明。当陆地含水层伸延到海岸并与海水相通时，由于陆地淡水密度大于海水（咸水）密度，淡水位于两者接触面的上方，海水伏于底部，假定淡水、海水处于平静平衡状态（图11-16），则在静力压力平衡条件下，在深度为Z的界面上，有以下关系：

ρ_f（Z+h）=ρ_sZ （11-11）

或写成

专门水文地质学

式中：h、Z分别为距海岸某一距离处，淡水高出海面的高度和淡、盐水交界面（入侵面）位于海面以下的深度（m）；ρ_f、ρ_s分别为淡水和海水的密度（t/m³）。

因为海水密度（ρ_s）平均值为1.025t/m³，淡水密度（ρ_f）为1.000t/m³，所以（11-12）式可变为：

Z=40h （11-13）

该式说明，在距海岸任一距离的断面上，咸淡水交界面在海面以下的深度为该处淡水高出海面的40倍。也即，淡水含水层潜水位降低1m，咸淡水界面将上升（或向内陆推进）40m。实际上，淡—盐水平衡并不是静水压力平衡，且还有溶质弥散问题，所以上述计算是粗略的近似计算公式，但在实际工作中应用较广。

（2）大量开采地下水，也会使含水层的水文地球化学条件发生变化。某些新的水文地球化学作用的出现，也是引起某些地区地下水水质恶化的重要原因之一。我国许多地下水源地在开采过程中所出现的矿化度、硬度及铁、锰离子含量增高和pH值降低的现象，都主要是因含水层疏干及氧化作用加强所造成的。因为在开采地下水过程中，随着地下水面的下降，氧气随空气进入被疏干的地带，促使岩层中硫、铁、锰及氮化合物的氧化作用加强，特别是硫氧化细菌的作用，更加剧了金属硫化物的氧化过程。如分布较广的黄铁矿（FeS₂），在还原环境下很稳定，几乎不溶于水。但在氧化环境下，则易于溶解，形成酸性水。土层中经常存在的钙、镁、铁和锰的化合物，也易于溶解，使地下水中的铁、锰、钙、镁及硫酸根离子含量大大增加，地下水的矿化度和硬度也随之升高。地下水的硬度（或某些水源地的矿化度）在开采过程中不断增高的现象，是我国许多地下水源地，特别是北方地区的地下水源地普遍存在的问题。例如北京水源七厂，1964年建立时，地下水硬度为303～321mg/L（以 CaCO₃计，下同），1978年则升高到591mg/L，平均每年以16.1mg/L的幅度递增。据有关部门初步估计，我国北方城市，为软化地下水质，每年需要耗费上亿元。

另外，地下水硬度在开采过程中升高的原因还与城市附近的污灌水质和我国北方表层土壤及其下层沉积物中富含钙、镁等易溶盐有关。