譚 偉, 樂嘉祥, 劉 勇

(湖北省地質(zhì)環(huán)境總站,湖北 武漢 430034)

1 水文地質(zhì)背景

1.1 地下水類型

根據(jù)地下水賦存的含水介質(zhì)特征、儲存和運(yùn)移空間形態(tài)特征,研究區(qū)內(nèi)地下水類型可分為松散巖類孔隙水、碎屑巖類裂隙孔隙水、碎屑巖類裂隙水和碳酸鹽巖類巖溶裂隙水(圖1)。

根據(jù)水力性質(zhì),研究區(qū)內(nèi)地下水可分為:第四系全新統(tǒng)沖積層砂、砂礫(卵)石孔隙承壓水,第四系上更新統(tǒng)沖洪積層砂、砂礫(卵)石孔隙承壓水,新近系掇刀石組半固結(jié)砂巖、砂礫巖裂隙孔隙承壓水,古近系云應(yīng)群文峰塔組砂巖、砂礫巖裂隙承壓水,震旦系上統(tǒng)燈影組硅質(zhì)白云巖巖溶裂隙承壓水。另外,第四系中更新統(tǒng)粘土、粘土夾礫(卵)石裂隙中還賦存有少量潛水。

1.2 地下水補(bǔ)徑排

1.2.1 松散巖類孔隙承壓水

松散巖類孔隙承壓水主要分布于府河、大富水、漳河兩岸,沿河呈條帶狀展布,河流斷面呈寬“U”形,階地地勢平坦,河流常年有水,地下水主要接受大氣降水和地表水垂直入滲補(bǔ)給。在階地前緣由于靠近河流,除接受上部孔隙潛水補(bǔ)給外還接受地表水補(bǔ)給。在階地后緣還接受相鄰含水層側(cè)向補(bǔ)給,如大富水階地后緣主要接受新近系掇刀石組半固結(jié)碎屑巖裂隙孔隙水側(cè)向補(bǔ)給(圖1和圖2)。

1.2.2 新近系掇刀石組半固結(jié)砂巖、砂礫巖裂隙孔隙承壓水

該類地下水主要分布于三合鎮(zhèn)—四里棚—楊嶺鎮(zhèn)—湯池鎮(zhèn)以南云應(yīng)盆地地帶,地下水主要接受相鄰含水層側(cè)向徑流補(bǔ)給,在靠近河流區(qū)域還接受上部第四系松散巖類孔隙水補(bǔ)給,如東部府河階地長江埠地區(qū),上部為第四系松散巖,下部為新近系掇刀石組碎屑巖,該地區(qū)機(jī)井多為雙層含水層,單井涌水量可達(dá)500 m3/d,可滿足幾千人生活用水。另外在西部靠近曹武、皂市地區(qū)還接受碳酸鹽巖巖溶裂隙水補(bǔ)給(圖1和圖3),如ZS-ZK7位于湯池鎮(zhèn)大陳村,含水層僅2.1 m,但由于其靠近西北部曹武碳酸鹽巖地區(qū),地下水補(bǔ)給來源豐富,單井涌水量達(dá)245.46 m3/d。地下水總體由西北向東南沿砂巖、砂礫巖裂隙孔隙向盆地中心運(yùn)移,其排泄方式為人工開采或向相鄰含水層排泄。

圖1 研究區(qū)水文地質(zhì)概況圖Fig.1 General picture of hydrogeology in the study area1.松散巖類孔隙水;2.碎屑巖類裂隙水;3.碎屑巖類裂隙孔隙水;4.碳酸鹽巖類巖溶裂隙水;5.粘土相對隔水層;6.雙層結(jié)構(gòu)地下水;7.地表水體;8.剖面線及編號;9.鉆孔及編號;10.地下水流向。

圖2 大富水階地地下水補(bǔ)徑排剖面示意圖Fig.2 Sketch map of groundwater rechange profile in Dafu terrace1.粘土;2.粉質(zhì)粘土;3.粘土夾礫卵石;4.砂礫石;5.粘土巖;6.砂礫巖;7.泥質(zhì)粉砂巖;8.第四系全新統(tǒng)沖積層;9.第四系上更新統(tǒng)沖洪積層;10.第四系中更新統(tǒng)沖洪積層;11.新近系掇刀石組;12.古近系云應(yīng)群文峰塔組;13.古近系云應(yīng)群膏鹽組;14.鉆孔編號;15.地下水位線;16.地下水流向。

1.2.3 古近系云應(yīng)群文峰塔組砂巖、砂礫巖裂隙承壓水

古近系云應(yīng)群文峰塔組碎屑巖主要出露于北部地區(qū),出露面積較小,主要接受大氣降水補(bǔ)給、遠(yuǎn)源補(bǔ)給。因含水巖組呈零星式點(diǎn)狀或小范圍片狀出露,導(dǎo)致大氣降水補(bǔ)給有限,故水量較小。但因本套地層巖性、裂隙發(fā)育程度差異大,導(dǎo)致富水性極不均一,如在三合鎮(zhèn)朱家大堰YC-ZK14單井涌水量662.82 m3/d,巖性為膠結(jié)程度極差的砂礫巖,含水層埋深>60 m,主要為深部遠(yuǎn)源補(bǔ)給。地下水總體由西北向東南沿砂巖、砂礫巖裂隙運(yùn)移,其主要排泄方式為人工開采。

1.2.4 震旦系上統(tǒng)燈影組硅質(zhì)白云巖巖溶裂隙承壓水

地下冷水主要沿巖溶裂隙接受大氣降水和相鄰含水層補(bǔ)給,整體由西北向東南沿巖溶裂隙徑流,于地勢低洼處或遇相對弱透水層阻隔以泉形式排泄。區(qū)內(nèi)碳酸鹽巖主要為震旦系上統(tǒng)燈影組硅質(zhì)白云巖,僅出露于湯池石堰水庫一帶,地表巖性極為破碎,硅化程度較高,見有明顯溶蝕現(xiàn)象,為大氣降水入滲創(chuàng)造了良好條件。另外,在湯池西部曹武、皂市地區(qū)地勢逐漸升高,分布有三疊、二疊系灰?guī)r,為該區(qū)碳酸鹽巖巖溶裂隙水提供了補(bǔ)給來源[1]。

圖3 新近系碎屑巖與碳酸鹽巖接觸帶地下水補(bǔ)徑排剖面示意圖Fig.3 Sketch map of groundwater rechange pofile of contact zone between clastic rock and carbonate rocks of Neogene1.粘土;2.粉質(zhì)粘土;3.砂礫石;4.粘土巖;5.砂巖;6.泥灰?guī)r;7.第四系全新統(tǒng)沖積層;8.第四系上更新統(tǒng)沖洪積層;9.第四系中更新統(tǒng)沖洪積層;10.新近系掇刀石組;11.古近系云應(yīng)群膏鹽組;12.鉆孔編號;13.不整合界線;14.地下水位線;15.地下水流向。

2 污染源調(diào)查

應(yīng)城市地下水污染源主要為工業(yè)污染源,即膏鹽礦等采礦企業(yè)。通過本次調(diào)查,工業(yè)污染源可分為三大類:第一類為礦業(yè)開發(fā)過程中所產(chǎn)生的廢水和廢渣;第二類為儲存裝置和輸運(yùn)管道的滲漏;第三類為事故類污染源。

2.1 工業(yè)廢水

工業(yè)廢水主要為鹽礦生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的含鹵廢水。部分鹽礦企業(yè)將未經(jīng)處理或處理不達(dá)標(biāo)的生產(chǎn)廢水利用管道直接排入周邊河溝。特別是應(yīng)城鹽水河一段,由于上游鹽礦企業(yè)排污,導(dǎo)致沿河水體渾濁,沿岸土壤鹽堿化,見照片1-(a)、(b)。再如四里棚鹽化大道一帶,排污口設(shè)置于橋下,致使周邊溪溝水體變白,見照片1-(c)、(d)。

通過對部分鹽礦周邊排污點(diǎn)河溝取樣分析(表1),Na+含量最大可達(dá)12 674.86 mg/L,Cl-含量最大可達(dá)18 248.33 mg/L,已經(jīng)嚴(yán)重超標(biāo)。由于這類污染源均以點(diǎn)狀分布、排放量大、排放點(diǎn)隱蔽,且具有間斷性,危害極為嚴(yán)重。

照片1 研究區(qū)排污點(diǎn)Photo 1 Blowdown point in study area

表1 鹽礦周邊排污點(diǎn)部分指標(biāo)檢測結(jié)果Table 1 Detection results of indicators of pollution spots around salt mines

取樣點(diǎn)Na+Cl-SO2-4NO-3F-FeMnAsHg中鹽長江鹽化538.01799.452302.30.510.210.21<0.001<0.05久大鹽礦有限992.121 529.381604.240.380.260.4<0.001<0.05孝感廣鹽華源12 674.8618 248.333 900.32148.8600.780.15<0.0010.1

注:濃度單位Hg為μg/L,其他為mg/L。

2.2 工業(yè)廢渣

工業(yè)廢渣主要為膏礦開采產(chǎn)生的廢棄礦渣。石膏開采過程中,廢棄礦渣長期露天堆存不僅占用大量土地(見照片2),而且由于露天堆放隔水處理不合格,經(jīng)過雨水淋溶作用,污染物隨降水直接滲入地下水,或通過地表徑流,沿河道向下游遷移入滲,造成地下水污染。

照片2 石膏礦渣露天堆放Photo 2 Open-air gypsum slag

2.3 儲存裝置和輸運(yùn)管道的滲漏

鹽礦開采中的鹵水通過井管運(yùn)輸,其滲漏與流失常常是污染地下水的重要污染源。特別是四里棚鹽化大道南部,輸鹵管道縱橫交錯,由于使用年限較長,長期裸露在外,常年雨淋日曬,加上人為干擾以及管理不到位,局部井管存在跑冒滴漏等現(xiàn)象。鹵水通過運(yùn)輸井管滲漏,長期不被發(fā)現(xiàn)的連續(xù)性污染導(dǎo)致周邊土地鹽堿化(見照片3),污染物就地下滲至地下水中,造成地下水污染。據(jù)當(dāng)?shù)匕傩辗从?上世紀(jì)90年代,已經(jīng)產(chǎn)生了由鹽礦管道滲漏污染造成的土壤鹽堿化,每年因土壤鹽堿化,造成糧食減產(chǎn)甚至絕收農(nóng)田約13.33 km2,糧食損失約1300萬kg。

2.4 事故類污染源

事故類污染源主要為鹽礦開采過程中,地下井管破裂、錯位導(dǎo)致的井管冒鹵。歷史上此類事故曾多次發(fā)生,如2009年久大(應(yīng)城)鹽礦有限公司,402號生產(chǎn)鹽井出現(xiàn)冒鹵現(xiàn)象(見照片4),并由此造成過多次鹽礦地面塌陷。

照片3 鹵水滲漏引起的土地鹽堿化Photo 3 Salinization caused by brine leakage

照片4 鹽井冒鹵Photo 4 Brine of salt well

由于井管長期處于高壓工作狀態(tài),部分井管年久失修、甚至帶病生產(chǎn),高壓鹵水沿井管裂口串出,沿巖層空隙直接污染地下水(見圖4)。這種偶然性污染源是導(dǎo)致地下水污染最為直接的污染源。

3 污染途徑調(diào)查

依據(jù)水力學(xué)特點(diǎn),應(yīng)城市地下水污染途徑可分為:間歇入滲型,連續(xù)入滲型、越流型、徑流型。

3.1 間歇入滲型

圖4 含水層污染示意圖Fig.4 Schematic diagram of aquifer pollution

圖5 研究區(qū)間歇入滲型地下水污染途徑示意圖Fig.5 Schematic diagram of groundwater pollution pathways withinterval infiltration 1.粉質(zhì)粘土;2.砂礫卵石;3.粘土巖;4.含污水;5.石膏礦渣;6.地下水流向;7.地下水位線。

3.2 連續(xù)入滲型

圖6 研究區(qū)連續(xù)入滲型地下水污染途徑示意圖Fig.6 Schenatic map of contionous infiltration groundwater pollution in the study area1.粉質(zhì)粘土;2.砂礫卵石;3.粘土巖;4.受污染地下水;5.地下水位線;6.土壤鹽堿化區(qū)域;7.未受污染區(qū)域;8.地下水流向。

應(yīng)城市鹽化大道一帶,輸鹵管道縱橫交錯,局部井管存在跑冒滴漏等現(xiàn)象,鹵水中的污染物不斷通過包氣帶滲入含水層(見圖6)。據(jù)當(dāng)?shù)匕傩辗从?這種現(xiàn)象出現(xiàn)于上世紀(jì)90年代,長期鹵水滲漏導(dǎo)致當(dāng)?shù)赝寥利}堿化,在這種情況下,包氣帶完全飽水,污染物自上而下長期連續(xù)性入滲,污染含水層主要為第四系松散巖類孔隙水,其污染程度主要受污水濃度、包氣帶巖層厚度及巖性控制。

通過調(diào)查發(fā)現(xiàn),鹽化大道區(qū)域地貌類型為剝蝕堆積壟崗地貌,壟崗與坳溝相間排列,鹵水在地勢較低的坳溝區(qū)域富集,為鹽分的匯集提供了良好的地形條件。鹵水長期覆蓋于第四系松散巖土體表層,隨著水分的不斷蒸發(fā),其中的水分不斷減少而留下鹽分,導(dǎo)致Cl-、Na+長期滯留于粘性土層中并沿孔隙下滲,日積月累,土壤含鹽量逐漸增加,隨著鹵水的流動擴(kuò)散,鹽堿化面積越來越大,最終形成一片白色荒地。其污染含水層深度一般在地表以下30 m以內(nèi)。

3.3 越流型

長期的鹽礦開采過程中,注水井始終處于加壓—泄壓狀態(tài),使得部分井管局部破裂造成生產(chǎn)事故,特別是地面塌陷、冒鹵等現(xiàn)象時有發(fā)生。這類事故使得鹵水?dāng)y帶污染物從井管破裂部位通過弱隔水層越流轉(zhuǎn)移到其他含水層,既可以污染潛水也可以污染承壓水(圖7)。受地層結(jié)構(gòu)及井管破裂深度影響,較難查清越流的具體深度及部位,故此類污染研究較為復(fù)雜。

圖7 研究區(qū)越流型地下水污染途徑示意圖Fig.7 Schematic map of groundwater flow path in the study area1.粉質(zhì)粘土;2.砂礫卵石;3.粉砂巖;4.砂礫巖;5.巖鹽礦層;6.鹵水;7.地下水流向。

通過對鹽礦區(qū)域水文地質(zhì)背景調(diào)查發(fā)現(xiàn),該區(qū)域從上到下大致可分為兩個含水層:①第四系松散巖類孔隙潛水含水層(埋藏深度在14～30 m);②新近系掇刀石組半固結(jié)砂巖、砂礫巖裂隙孔隙承壓含水層(埋藏深度在20～100 m),該含水層具多層結(jié)構(gòu),由多個具有一定水力聯(lián)系的含水巖段組成,其間為厚度不均的相對弱隔水層。而井管破裂部位多集中于上述兩個含水層接觸部位，鹵水由上部①含水層通過弱隔水層越流轉(zhuǎn)移至下部②含水層。據(jù)鹽礦企業(yè)物探資料顯示,鹵水入侵深度可達(dá)70～99 m。

3.4 徑流型

部分鹽礦企業(yè)向河溝排污,使得污染物隨地表水遷移。特別是鹽水河一帶,污水通過管道直接注入鹽水河(見圖8)。由于地表水體側(cè)向滲入,被污染的地表水間接污染地下水,污染物以徑流的形式進(jìn)入含水層,污染含水層主要為第四系松散巖類孔隙水。其污染程度受河流沿岸巖石的地質(zhì)結(jié)構(gòu),水動力條件以及水源地距岸邊的距離等影響,由于鹽水河一帶含水層為第四系松散巖類,其污染深度在地表以下30 m以內(nèi),污染范圍主要為沿河溝及其下游地帶,污染長度達(dá)4 km。

圖8 研究區(qū)徑流型地下水污染途徑示意圖Fig.8 Schematic diagram of groundwater flow path of runoff type in study area1.粉質(zhì)粘土;2.砂礫卵石;3.粘土巖;4.受污染地下水;5.地下水位線。

4 污染成因分析

引起地下水污染的原因復(fù)雜多樣,但不管哪種污染,具有相同來源或污染成因的污染組分之間必然存在一定的相互聯(lián)系,所以可采用數(shù)理統(tǒng)計方法對所有水化學(xué)組分進(jìn)行綜合分析,根據(jù)分析結(jié)果再結(jié)合各組分的化學(xué)性質(zhì)就可以對污染組分的成因做出初步判斷。本次采用因子分析法對應(yīng)城地區(qū)地下水污染成因進(jìn)行分析[2]。

4.1 因子提取

對應(yīng)城地區(qū)108個地下水樣品中的15項化學(xué)指標(biāo)進(jìn)行因子分析,樣品測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果見表2。

表2 應(yīng)城地區(qū)地下水水化學(xué)成分統(tǒng)計表(mg/L)

表3 應(yīng)城地區(qū)水化學(xué)成分間的相關(guān)系數(shù)Table 3 Correlation coefficients of hydrochemical components in Yingcheng area

協(xié)方差矩陣是因子分析的基礎(chǔ),表3為應(yīng)城地區(qū)水化學(xué)成分間的相關(guān)系數(shù)統(tǒng)計表。

在分析應(yīng)城地區(qū)地下水水化學(xué)特征值的大小和方差累計貢獻(xiàn)率(表4)的基礎(chǔ)上,確定本次研究的2個主因子,每個因子的特征值>1,其方差累計貢獻(xiàn)率達(dá)97.502%,可以反映樣本總體97.502%的信息量,其因子荷載矩陣見表5。

表4 水化學(xué)成分相關(guān)矩陣的特征值及方差累計貢獻(xiàn)率(%)Table 4 Eigenvalue and cumulative variance contribution rate of correlation matrix of hydrochemical components

4.2 因子分析

表5 水化學(xué)成分因子載荷矩陣Table 5 Load matrix of hydrochemical composition factor

5 結(jié)論

(1) 應(yīng)城市地下水污染源主要為三大類:第一類為礦業(yè)開發(fā)過程中所產(chǎn)生的廢水和廢渣,即鹽礦生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的鹵水和膏礦開采產(chǎn)生的礦渣;第二類為儲存裝置和輸運(yùn)管道的滲漏,即鹽礦輸鹵井管跑冒滴漏;第三類為由于事故類污染源,即鹽礦地下井管破裂、錯位導(dǎo)致的井管冒鹵。