Question

岩溶水水质恶化的原因分析

Answer 1

影响岩溶水水质的因素也包括自然和人为两个方面。在鄂尔多斯大盆地西缘由于干旱气候条件较低的淋滤作用，以及古、新近纪地层中大量蒸发岩参与进入岩溶水的循环，使得这一带多数岩溶水的TDS达到2000mg/L以上；大面积黄土覆盖的吕梁山以西地区，岩溶大泉的易溶K⁺+Na⁺含量是东部地区的10倍以上；在铜川—保德—石家庄—德州—线以南、河津—新乡以北有石膏沉积分布的中奥陶统含水层（尤其是吕梁山西侧中段的柳林泉域岩溶水系统、临汾的龙子祠泉域岩溶水系统等中奥陶世古膏盐湖沉积区）岩溶水的普遍偏高；岩溶水循环深度大（例如，晋祠泉、山东巨野-嘉祥系统、扶风-礼泉域岩溶水系统、中条山岩溶水系统）、埋藏深的滞流区水质也较差（表5-7），这些都是气候、水动力条件、地球化学背景等自然因素导致的岩溶水原生污染。本节重点讨论由于人类活动驱动岩溶水水质恶化的次生污染。

由于人类活动导致污染组分参与进地下水循环并引起岩溶水化学含量变化的次生污染，包括污染物的直接进入岩溶含水层的污染源型污染和由于岩溶水动力条件及补排关系改变而导致更多“坏水”进入岩溶水的“水文地质条件改变”型污染两种情况。

一、污染源型污染

工业三废、农业施肥、生活垃圾污染岩溶水的形式有通过碳酸盐岩裸露或覆盖区进入含水层的区域性面状污染、通过河流渗漏段进入的线状污染以及通过局部地段污染岩溶水的点状污染。

1.面状污染

面状污染在北方主要有雨水污染和农业施肥污染。北方岩溶区是重要的能源、煤化工基地。火力发电、煤化工以及焦化等燃煤工业及大量堆放的煤矸石自燃排放的各种废气被雨水溶解，随着雨水入渗进入岩溶含水层形成了岩溶水的污染。表6-7是1997年对柳林泉域内一些城市雨水的同期水质分析资料，其中中阳县作为焦化、冶炼最集中的南川河河谷地带，各种废弃不易扩散，雨水中、Ca²⁺含量分别达到了39.52mg/L和24.55mg/L，超出其他县城雨水中离子含量一倍以上。同样在娘子关泉域内的阳泉、平定和盂县煤炭工业活动区2003年雨水样高于周边其他地点数倍，而与1986年的雨样分析结果比较，pH值均变小（表6-8）。

表6-7 吕梁地区的降水水质简分析对比表 单位：mg/L

表6-8 阳泉市与其周边地区的降水量简分析对比表 单位：mg/L

农业施肥对岩溶水的污染在北方一些地区非常突出，以为代表的污染特别在岩溶地下水埋藏较浅的覆盖型地区最为严重（图5-27）。如山东的35个代表性岩溶水样品中，大于100mg/L的6个、40～100mg/L的16个、20～40mg/L的11个、低于20mg/L的仅2个。由于山东多数岩溶水系统内大面积分布岩溶水位浅埋的覆盖区，岩溶水与松散层间孔隙水存在各种形式的联系，一些地区可形成岩溶水对化肥的直接溶滤。从岩溶水系统结构模式方面，“向斜-盆地型”系统更容易形成的污染，19个“向斜-盆地型”系统样品的含量为39.31mg/L，而其他类型的76个样品的含量为25.72mg/L。

2.线状污染

河流是北方岩溶水重要补给源，也是接纳、传输各种污染物（包括生活污水、矿坑水、工业污水、煤矸石淋滤污水等）的重要载体。

2007年黄河流域废污水排放量为42.86亿t，其中城镇居民生活废污水排放量9.88亿t，第二产业废污水排放量30.24亿t，第三产业废污水排放量2.74亿t，分别占总量的23.0%、70.6%和6.4%。采用《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002），以河段为单元进行地表水评价，结果表明：黄河流域年均符合Ⅰ类、Ⅱ类水质标准的河长2174.0km，占总评价河长的16.1%；符合Ⅲ类水质标准的河长3708.5km，占总评价河长的27.5%；符合Ⅳ类水质标准的河长2127.1km，占评价总河长的15.8%；符合Ⅴ类水质标准的河长925.5km，占评价总河长的6.8%；劣Ⅴ类水质标准的河长4557.6km，占评价总河长的33.8%。地表污水对岩溶水补给形成线状污染。

根据山西省地表水的水质评价结果[按《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）]，全省受评河流符合Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类水质类型的河长为1829.7km，仅占总评价河长的32.8%，其中Ⅰ类水河长108.4km，仅占总评价河长的1.9%；超Ⅲ类水污染河长占67.2%，其中超Ⅴ类水河长为2554.6km，占总评价河长的45.8%。在选定的183处评价断面中，有121处水质超过Ⅲ类水标准，占评价断面的66%，其中80处为超Ⅴ类水，说明全省半数以上河流河段受到污染或严重污染。

地表水作为岩溶地下水重要的线状补给源，污染后的地表水成为岩溶地下水的污染源。

根据中国地质科学院岩溶地质研究所等单位2004年完成的“娘子关泉域第二次岩溶水地下水资源评价”研究报告，娘子关泉域岩溶水的河流多年平均渗漏量为1.73m³/s。表6-9是阳泉市环境保护局网上公布的《阳泉市2011年环境质量公报》中，有关娘子关泉岩溶水系统内主要河流断面地表水水质采用《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）对其进行评价的结果，除了桃河矿区以上的晓庄断面和有娘子关岩溶泉水混入的绵河娘子关断面能够达到Ⅲ类外，多数为Ⅴ类或劣Ⅴ类水质。主要污染项目有氨氮、化学需氧量、生化耗氧量、氟化物等，此外与地下水值相关的污染物还有悬浮物、总硬度、硫酸盐等。

表6-9 2011年地表水各监测断面水质状况表

续表

这些河水污染物不仅来自于煤矿排水，碎屑岩区的各城市生活污水（主要供水水源为娘子关泉水）以及其他工业污水都是重要来源。地表污水进入下游碳酸盐岩裸露区形成大量渗漏导致岩溶地下水的污染。图6-24是采用综合指数法对阳泉市2004年岩溶水污染程度（共30个样品，选用指标为：Cl^-、、、HB、TDS、TFe、Pb²⁺、CN^-、F^-等9项）评价结果表明，重度污染（P_i=10～20）和严重污染（P_i＞20）的面积达到576km²和173km²，其分布范围集中在盂县-阳泉-平定-娘子关泉水的三角地带，这一带是桃河、温河、南川河集中渗漏地带。根据硫同位素分析结果，渗漏河段（温河、南川河、桃河）沿线岩溶钻孔地下水的δ³⁴S值普遍与地表水相一致（表6-10）。例如，温河水的δ³⁴S为-4.1‰，沿岸东村和上董寨岩溶地下水的δ³⁴S均为-2.4‰；桃河水的δ³⁴S为8.8‰，桃河河谷附近白羊墅、龙庄和程家岩溶地下水的δ³⁴S值依次为8.5‰、9.4‰和10.8‰，这显示了河水与附近岩溶地下水联系密切。

图6-24 阳泉市岩溶地下水污染程度分区图

表6-10 娘子关泉域岩溶水、桃河、温河水硫同位素分析结果表

与此同时，河水中泥沙及粉煤灰沉积在渗漏河段，并吸附大量污染质，也成为岩溶水线状污染源。根据我们对娘子关泉域内桃河、温河、南川河、松溪河的河川淤积层与当地土壤层重金属含量分析对比，淤积层中微量元素含量是土壤中含量的数倍到数十倍（表6-11），这些物质与河水一起渗入岩溶含水层成为一种污染源。娘子关泉水的水化学成分中铜、铅都有所增加，无疑与河川沉积物污染有关。

表6-11 娘子关泉域河川淤泥与土壤的重金属含量对比表 单位：10^-6

3.点状污染

碳酸盐岩裸露区（或渗漏段上游）地表水库污染、工业企业固体垃圾、生活垃圾都对岩溶地下水产生不同程度的污染。

由于岩溶水系统高度开放，造成严重污染的点污染事件也比较严重。例如，在娘子关泉域的平定张庄、锁簧一带，由于灰岩裸露区工业企业的废渣、废液就地入渗补给岩溶地下水，对岩溶地下水同样造成了局部污染，锁簧硫酸厂岩溶井水的总硬度和TDS分别为1180mg/L和1320mg/L，氨氮、亚硝酸根离子分别达到了63.4mg/L、0.31mg/L，分别是地下水饮用水水质Ⅴ类标准的127倍和3.1倍。河南焦作九里山泉域内平广厂、工学院和岗庄水源地的深井，1989年监测的Cl^-的含量均小于20mg/L。至2001年工学院井已经超过250mg/L，2002年矿务局水文队井高达2135mg/L，到2003年又上升至2840mg/L，导致该井报废。其直接原因是鑫安碱渣尾矿库直接建在碳酸盐岩基岩上，库区底部和边坝均未做防渗处理，2001年后采用干法排灰，干法堆放后经天然降水的淋滤，污染物同样渗入地下，污染地下水（潘国营，2000；杨涛，2008）。徐州市七里河岩溶供水水源地，总供水量35万m³/d，2000年10月的监测资料表明，该市南郊水源地的岩溶水已受到了四氯化碳的污染。到2001年5月，水源地中53口水井中发现了四氯化碳，污染面积达17.5km²，井水中四氯化碳浓度最高达3909.2μg/L。经调查分析，污染源来自一农药厂废水入渗（韩宝平等，2004）。

与地表水一样，不少建在碳酸盐岩区的水库也不同程度受到污染，成为岩溶地下水点状污染源。三姑泉域内的任庄水库建在马家沟组顶部，为漏库，日均渗漏量达到5926.8m³。1987年对其检测评价为超Ⅴ类水，主要有总铁、锰、COD、氨氮、碘超标，同年在其西侧的巴公电厂岩溶地下水超标项中有HB、铁、锰、碘。娘子关泉域大石门水库坐落于南川河灰岩裸露地段，对岩溶地下水多年平均年补给量约为400万m³，2003年对水库水与水库坝下岩溶地下水水质进行了分析对比（图6-25），12项主要水化学组分含量（K⁺、Na⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、TDS、HB、、、Cl^-、F^-、、）的相关系数高达0.994。在20世纪80年代的淮北高越一带，由于化肥厂污水排放导致该区岩溶水成为重度污染区，污染指数高达100。虽然点状污染主要发生在局部地区，但随着时间推移，污染晕将不断扩大，引起更大范围的地下水污染。

图6-25 大石门水库水与附近岩溶地下水常规离子相关图

点状污染危害比较大的是泉源区的污染，它缺少含水层对污染物的净化降解过程，因此是直接的混合污染。朔州神头泉、阳泉娘子关泉、长治辛安泉、灵丘水神堂泉、济南趵突泉、枣庄十里泉、安阳珍珠泉的氨氮、细菌污染，无疑是与当地居民生活活动有关。

二、岩溶水文地质条件改变引起的污染

泉水断流与区域水位下降将改变一些地区的岩溶水文地质条件。

在东部覆盖型岩溶区，天然条件下岩溶地下水向上顶托补给松散层孔隙地下水，由于区域水位下降使得上覆松散层孔隙地下水向下反越流补给岩溶水。在唐山开平向斜北翼，煤矿开采疏干使得岩溶地下水位降到地面以下253.42m（2000年末水位），在矿井突水后判断水源是否来自下伏奥陶系岩溶含水层的水化学标志之一是看其中硝酸盐含量大小，其原因是农业施肥及生活污染的上覆松散层孔隙地下水补给岩溶水后，使得岩溶水中硝酸盐含量增高。山东（如淄博辛店-南仇-大武水源地，枣庄丁庄水源地）很多地区岩溶水以及向斜盆地型岩溶水系统模式中硝酸根含量偏高的原因与此关系非常大。淮北市区开采前岩溶水水位一般高于孔隙水位1～2m，岩溶水顶托补给孔隙水，大量开采岩溶水后，岩溶水位降低，孔隙水进而越流补给岩溶水。开采致使地下水位急剧下降，开采中心水位已下降40m以上，地下水开采漏斗也迅速扩展，引发了一些不良环境地质问题，地下水质日益恶化，水中硬度和TDS呈逐年升高趋势（王式成，2001）。

黑龙洞泉的季节性干涸后，出现了釜阳河污水倒灌，使得岩溶水的含量由40mg/L增加到98mg/L，并出现铬、镉等中金属的污染问题。

一些地区发生岩溶塌陷后，塌坑成为污水进入岩溶含水层的通道（照片6-2）。

照片6-2 山东枣庄岩溶塌陷坑成为岩溶水污染通道

三、水动力条件改变对岩溶水的污染

在岩溶含水层内部，由于水动力条件以及地球化学背景等因素，一些地区水质在近距离内相差较大，地下水开采形成的降落漏斗可加大不同水质水体混合并造成地下水的污染。

山西柳林泉群，由分布在三川河南、北两岸的80多个泉点组成。虽然三川河宽不足300m，但大量水化学分析资料表明，南、北两岸的泉点水化学特征存在极大的差异性（表6-12），总体表现为“北咸南淡”的特征，且泉口向西约5km沙曲一带岩溶水TDS达11095mg/L。目前泉水流量已由20世纪80年代前的3.95m³/s下降到目前的1.07m³/s（2008年平均值），且自来水及柳林电厂在泉口附近（南岸一侧）打井开采岩溶水，随着水位下降、降落漏斗的扩展，必然会袭夺北岸“坏水”进入开采水源地从而改变岩溶水水质。

表6-12 三川河南、北岸柳林泉水水化学特征对比表 单位：mg/L

娘子关泉域内阳泉市区水源地，到2004年已形成开采型漏斗（图5-8），随着漏斗扩大至下游碳酸盐岩渗漏段后，受污染河水入渗补给岩溶地下水将进入降落漏斗从而引起水源地的污染（图6-26）。

在岩溶地下水埋藏滞流区打井开采引起“好水”、“坏水”混合的事例也值得深思。在柳林泉域岩溶水系统内的陕西府谷横沟为勘探煤田在黄河谷地内施工3眼井，其中最早一眼1979年完工，日出水量达到5329.5m³/d，30多年来一直自流不息，水的TDS却由成井时的12150mg/L逐渐降低，2001年为8988.2mg/L，2004年为8809.85mg/L，到本工作调查时为6830.375mg/L（2008年11月）。无独有偶，晋祠泉系统内，1977～1978年清徐县建成平泉和梁泉两处自流井群（照片5-3右），共14眼深井，最大自流量达1.03m³/s（到2006年全部断流），自流井群是造成晋祠泉断流的直接原因。1976年开采前该处的岩溶水TDS为1600mg/L，水温25℃；开采后到1981年TDS为1270mg/L，1986年降至1077mg/L，水温也随之分别降到23.8℃和21℃，2006年这些自流井全部断流，新鲜水无法抵达，于是水的TDS又开始升高，到2008年达到1317mg/L，水温也升至23.5℃。而黑龙洞泉系统煤矿排水造成东部岩溶水淡化也是典型实例（图5-22）。这种水质变好的实质是大量“好水”被袭夺，是改变水动力条件后造成岩溶水变相污染的现象。

图6-26 阳泉市水源地开采型漏斗引起岩溶地下水污染示意图