黃淮平原縣城地下水環境狀況分析
——以開封市通許縣為例

王 剛,李 瑩,李沛瑩,張帥超

(1.河南省地質局生態環境地質服務中心,河南 鄭州 450053;2.伊川縣環境保護局,河南 洛陽 471300)

0 引言

水是生命之源、生產之要、生態之基。地下水是水資源的重要組成部分,彌補了區域供水不足的限制,同時也是構成并影響生態環境的重要因素。隨著經濟和社會的快速發展,人類活動對地質環境的影響日趨嚴重,地下水的過量開采和水質污染等環境問題日漸突出[1]。黃淮平原位于中國腹心之地,面積約15萬 km2,總人口1.27億,是國家重要的糧食生產基地和經濟戰略發展區域。目前,地下水是黃淮平原縣城的重要供水水源和戰略資源,以河南省開封市為例,城區外的縣城供水水源基本以地下水為主,地下水環境決定著供水質量。隨著地區經濟的快速發展,黃淮平原部分縣城的地下水環境污染呈惡化趨勢,嚴重威脅飲用水源安全和生態環境安全[2],也直接關系到國家糧食安全和地區經濟的高質量發展。近些年,中央、省市各級政府都十分重視地下水資源和環境問題,《全國地下水污染防治規劃(2011-2020年)》明確提出:加大對地下水污染狀況調查和監管力度,邊調查邊治理,綜合防治,著力解決地下水環境污染突出問題,切實保障地下水飲用水水源環境安全。以開封市通許縣的地下水環境為研究對象,分析了縣城地下水資源和環境狀況,調查研究造成地下水環境污染的主要因素[3],提出解決問題的思路和措施,為今后黃淮平原縣城的水資源利用、地下水環境保護及治理提供參考。

1 自然環境條件

1.1 地理、交通

通許縣位于河南省中部偏東北,屬于黃淮平原的豫東平原區,行政區劃隸屬于開封市,北距開封約45.0 km。全縣東西寬30.5 km,南北長34.8 km,縣域總面積767 km2。通許縣交通優勢明顯,大廣高速、蘭南高速、商登高速等3條高速公路在區內交織互通,240國道、343國道、218省道、326省道及多條縣道穿城而過,地方鐵路朝杞線穿越境內,形成了以高速公路、鐵路、國道、省道為骨架,以縣、鄉、村道路為脈絡的交通網絡。

1.2 氣象、水文

通許縣屬暖溫帶季風氣候,四季分明。春季少雨多風,夏季炎熱多雨,秋季溫涼氣爽,冬季干冷稀雪,冷熱干溫季節明顯。光熱資源較豐富,年平均日照2 504 h,多年平均氣溫14.7 ℃。年內以7月份氣溫最高,平均為27.3 ℃,最高氣溫為43.3 ℃,元月份氣溫最低,平均氣溫為-0.4℃,最低溫度-15.4℃,無霜期平均222 d。降水不均勻,多集中在7、8、9三個月,約占全年降水量的60.3%。多年平均降水量為676.2 mm,年最大降水量為1 170 mm,最小降水量為393.8 mm,日最大降雨量為182.3 mm。多年平均蒸發量1823.6 mm,最大蒸發量2 380.6 mm,最低蒸發量1 441.8 mm,年蒸發量約為降水量的2.5倍以上,多年平均相對濕度69%。

區內河道屬淮河流域渦河水系,主要河流為渦河,縣境流長約52 km,流域面積1 052 km2。渦河源于開封縣,在通許北李佐村南入境,東南流經豎崗、大崗李、邸閣、玉皇廟入太康境內。渦河系常年性河流,河水位和流量季節性變化較大,據渦河邸閣站水文資料,平均徑流量0.1～5.2 m3/s,平均水位標高56.5～59.0 m。渦河有一級支流8條,二級支流6條,河道網系遍布全縣各鄉鎮,一級支流有孫城河、惠賈渠、渦河故道、小清河、百邸溝。

1.3 社會經濟

通許縣2021年度全縣生產總值為294.67億元,是典型的農業縣。全縣土壤面積963 742畝,其中耕地面積851 457.7畝,占總土地面積的74%。通許縣曾榮獲國家級電子商務進農村綜合示范縣、國家級生豬調出大縣、全國綠色食品原料標準化生產基地、節能降耗優秀縣、高標準農田示范區項目縣等榮譽。

2 區域地質條件

2.1 地形地貌

通許縣總體地勢西高東低,北高南低,由西北向東南傾斜,地面高程57.5～66.5 m,地面自然坡降比為1/4 000～1/5 000。地貌成因是黃河、淮河沖積的泥砂而成,在黃淮平原的中西部,是黃河自孟津向東所形成的巨大沖積扇的南部位置,微地貌可細分為崗丘地、微洼地、平地3種類型。

2.2 地質條件

通許縣境內新生代地層發育深厚,前新生代地層被深厚的新生界沉積覆蓋。新近系地層分布普遍,巖性主要為棕紅色、棕色砂泥巖、頁巖和泥巖。第四系在區內發育較好,地層齊全,分布廣泛,由松散的沉積物所組成,總厚度約400 m。自下而上為:沖積-湖積層,灰綠、棕紅色粘土、粉質粘土、細砂層;湖積層,黃綠、棕紅色粉質粘土、粘土及粉質砂土;沖積-洪積層,灰黃、褐紅色粉質粘土和湖積灰黃、褐黃色粉細砂夾黑色粘土;沖積層,灰黃色中細砂、粉細砂、粉砂土夾灰黃色粘土和風積層灰黃色中砂層、粉砂層等。區內各巖土層的特征為:

2.2.1 新近系(N)

館陶組(N1):上部為棕黃、黃褐色泥質粉砂巖,砂質泥巖夾棕紅色泥巖及淡黃、灰綠色粉砂巖。下部為磚紅色、棕紅色泥巖,砂質泥巖夾黃色砂巖,視厚度為780 m。

明化鎮組(N2):為棕黃、棕紅色泥巖,砂質泥巖,泥質砂巖夾細砂,粉細砂,視厚度597 m。

2.2.2 第四系(Q)

上部為淺棕紅色粘土夾淡黃色薄層中細砂、粉細砂,砂層分選較好,粘土質純、致密,夾有1～2層鈣質結核及鐵錳質浸染富集層。下部為棕紅色、棕黃色混有灰綠色浸染的厚層砂質粘土和粘土,以及淺黃,灰白色中細砂層。粘土層含有較多的鈣質結核、鐵錳質結核及浸染物,并見有1～3層古土壤。砂層厚度分布穩定,薄層理發育。

沉積厚度50 m左右,底板埋深120～140 m。上部巖性為沖洪積形成的棕紅色或棕黃色粉土,砂質粘土夾薄層粘土和1～2層中細砂、細砂及粉砂層?？h城以北,砂層厚度10～20 m,其它地區小于10 m。另有1～2層鈣質結核富集層。下部為冰水沉積層,巖性為黃綠、灰綠色、棕紅色的粘土、粉質粘土、粉土,夾有1～2 層不穩定的灰黃色細粉砂,分選性較差。粘土、粉質粘土層富含豆狀鐵錳質結核和較大的鈣質結核。

沉積厚度20～40 m,底板埋深60～80 m,巖性為粉土、粉質粘土與中細砂、細砂、粉細砂互層?？h城以北,砂層較穩定,顆粒相對較粗,以中細砂、細砂為主,南部砂層薄而細,呈透鏡體出現。砂層中薄層微層理發育,粉土中富含鈣質結核。

為河流沖積形成,沉積厚度30～40 m。在渦河以西,上部分布一層1～2 m厚的黃河近期(1938年以后)沉積物。由于黃河及其支流在本區的多次變遷,砂層有厚有薄,顆粒有粗有細,在垂直方向上再現為粗細相間的“多元結構”特征。巖性為粉土、薄層的粉質粘土及細砂、粉細砂層?？h城以北,砂層厚度一般20～30 m,以細砂為主。南部砂層厚度一般10～20 m,以粉細砂為主,分2～3層。局部分布有淤泥質層,含有腐植質和蝸?；?。

2.3 水文地質條件

通許縣城區地表被第四系地層所覆蓋,地下水賦存于粉細砂、細中砂、中粗砂等含水層的孔隙中,類型為松散巖類孔隙水。根據埋藏條件、水力特征,結合開采條件,區內地下水可劃分為淺層地下水、中深層地下水和深層地下水。淺層地下水埋藏于地表下50 m 以淺的含水巖組中,中深層地下水埋藏于地表下50～350 m深的含水巖組中,深層水埋藏于350 m以下的含水層巖組。在深度100 m上下均有連續粘土隔水層,具有良好的隔水效果,導致中深部含水層與淺部含水層水力聯系微弱。

區內飲用水源以中深層地下水為主,地下水動態主要受開采強度的影響,受大氣降水的影響較弱。深層地下水補給主要來自西部山前,徑流方向為由西北向東南方向,人工開采是其的主要排泄方式,動態類型為徑流補給—開采型。區內地下水位變幅較大,不同時段因開采強度不同表現為不同降幅[4]。由于徑流補給變化不大,開采強度大的時段,地下水水位會下降,開采強度較小的時段,地下水水位會相應上升。

區內地下水含水層為第四系和新近系的粉砂、細砂及中細砂層,滲透系數1～4.66 m/d,導水系數68～522 m2/d,屬于水量豐富區。地下水類型屬HCO3-Na和HCO3-Na·Mg型,礦化度0.47～0.89 g/L,總硬度51.5～251.0 mg/L,屬低礦化中-硬淡水[5]。

3 地下水資源和水環境狀況

3.1 地下水資源

根據《開封市第三次水資源調查評價》(2020年),開封市主城區外的縣城供水水源基本以地下水為主,見圖1。通許縣地下水總資源量為9 617.2×104m3,地下水資源模數12.5×104m3/km2。地下水是通許縣主要的供水水源,其補給量遠遠小于實際開采量,一直處于超采狀況[6]。根據資料統計,通許縣中深層地下水資源年可開采量為7 423×104m3,而實際開采量為10 380×104m3,區內地下水處于超采狀態,超采區面積達768 km2。由于區內深層地下水長期處于超采狀態,導致區域地下水水位呈逐年下降趨勢。據《河南省中深層地下水開發利用調查評價報告》的地下水水位統調數據顯示:2016年通許縣集中式地下水型飲用水源地水位埋深為55.2～68.0 m,而2021年度的地下水水位埋深為57.9～86.0 m,水位變幅為-11.18～-25.66 m[7],詳見表1。通許縣區內中深層地下水的水位持續下降,下降速率為2.24～5.13 m/a,平均下降速率3.60 m/a,形勢非常嚴峻。

表1 通許縣中深層地下水水位變幅

圖1 開封市縣城供水水源情況

3.2 地下水環境狀況

根據《開封市集中式地下水型飲用水水源地補給區環境狀況調查報告》相關資料,對通許縣具有代表性的地下水監測井水質進行取樣化驗,其中深層地下水監測井11眼,淺層地下水監測井4眼[8]。根據水質取樣化驗結果,淺層地下水1處水質良好,3處水質較差,且多項指標超標,超標因子包括:錳、磷酸鹽、氟化物、溶解性總固體、總硬度、總氮、石油類、砷、菌落總數和渾濁度等10項[9]。深層地下水水質有2項指標超標,超標因子為鈉和氟化物,其他檢測因子均滿足Ⅲ類水質標準[10],見表2。

3.3 污水處理情況

據調查,通許縣現有污水處理廠1座,位于縣城的產業集聚區,污水處理規模4萬 t/d。項目分2期實施,一期采用奧貝爾氧化溝工藝,處理量2.07萬 t/d;二期采用卡魯塞爾氧化溝工藝,執行一級A排放標準,污水經處理達標后排入渦河故道西支流。全縣人口53.9萬人,按照150 L/人·d的排放系數計算,每天污水總排放量為8.08萬 t/d,處理污水能力遠遠不能滿足需要。近年來,隨著環境保護力度的加大,縣城基本完成建城區黑臭水體截污納管、排污口整治任務,消除了城中村、老舊城區和城鄉結合部生活污水收集處理設施空白區,但多數鄉鎮及村莊均未建集中式污水處理設施,存在生活污水亂排亂放現象。

綜合以上可知,通許縣大部分淺層地下水的水質較差,分別為IV類水、Ⅴ類水和劣Ⅴ類水,超標的主要因子為:總硬度、錳、溶解性總固體、硫酸鹽、碘化物、氟化物、鈉、菌落總數、渾濁度、總氮和砷共11項指標。超標率排序為:總硬度=錳=總氮>溶解性總固體>硫酸鹽=碘化物=菌落總數>氟化物=鈉=渾濁度>砷。深層地下水水質相對較好,水質類型為Ⅲ類水、IV類水、IV類水,主要超標因子為鈉和氟化物,鈉的超標率為18.18%,超標倍數為0.03～0.51倍;在11個監測井中只有1個監測井水的氟化物超標,屬于局部水質超標,超標倍數為0.3倍[9]。

4 影響水環境的因素

4.1 地質原生因素

通許縣地處黃河泛流沖積平原,在黃河古河道泛流帶淺層地下水徑流條件差,氟離子相對富集,易溶于水,致使淺層水氟化物含量升高。根據區域地質資料,結合《河南省地方性氟中毒環境水文地質研究》、《黃河沖積平原(河南省開封市)地下水環境背景值調查研究》、《河南省開封市2000年地下水資源及環境地質問題預測報告》等研究成果分析,通許縣地下水的碘化物、鈉和氟化物的超標均屬于地質原生,錳、溶解性總固體也是區域原生水質造成的[11]。經調查,區內也未發現污染源的特征污染物存在碘化物、鈉、氟化物、氯化物、溶解性總固體和硫酸鹽等,進一步驗證的地質原生成因的研究結果。

4.2 工業污染源

根據調查,區內存在的工業污染源有1個加工企業和多家加油站。加工企業涉及的行業類別為皮革鞣制加工類,產生的主要污染物為總鉻和六價鉻。該企業自1989年開始投產運行,于2011年12月關閉,運行期間未發生過有毒有害物質泄漏事故。區內加油站分布較廣,由于站內儲油罐和輸油管線長期與地表水、土壤直接接觸,不可避免地會出現腐蝕和滲漏現象。隨著時間的推移,地下油罐由于金屬材料的銹蝕會出現不同程度的滲(泄)漏現象,造成油罐周圍的土壤污染,甚至污染物還會在土壤中下滲,污染附近的地下水環境。

4.3 生活污染源

生活污染源產生的污染多見于生活污水、生活垃圾的隨意排放和堆棄,以及不規范的管理?？h城內生活污水排放量為735.29×104t/a,生活污水進入污水處理廠進行了處理,經處理達標后排入地表河道。城區內的居民生活垃圾由城鎮垃圾處理廠統一處理,無害化處理率100%。然而,農村生活污水處理設施較少,多數鄉鎮及村莊均未建集中式污水處理設施,存在生活污水亂排亂放現象。農村生活垃圾雖然采用村收集、鄉運輸、市統一集中無害化處理,但依然存在個別回收不及時,亂排亂放現象。以上情況,導致亂排污水和垃圾污染物隨大氣降水進入土壤及淺層地下水中,加劇了對土壤及淺層地下水環境的污染,污染因子主要為硝酸鹽、亞硝酸鹽、氨氮等。

4.4 農業污染源

農業污染源主要包括農用化肥污染源、農藥污染源、規?；笄蒺B殖污染源。根據調查,區內COD排放總量為2 909.47 t/a,全氮排放總量為135.20 t/a,全磷排放總量為41.76 t/a。種植業對水體的污染途徑多以地表徑流的方式,殘留于土壤中的農藥、化肥等污染物質隨降雨、灌溉等過程下滲入含水層或被帶入河流中,進而造成地下水和地表水體的環境污染。農藥在農業生產中具有兩面性,一方面減少病蟲害,提高糧食產量,另一方面則是污染環境。據研究表明,目前我國農藥噴施僅10%被有效利用,約90%會進入周圍環境中,造成污染現象。養殖場的動物糞便被廣泛的用于農田耕作中,會對區內土壤及淺層地下水造成污染,污染因子為硝酸鹽、亞硝酸鹽、氨氮等。

4.5 不同含水層之間串通

通許縣淺層地下水的水質普遍較差,分別為IV類水、Ⅴ類水和劣Ⅴ類水,超標因子多達11項,大部分地區氟化物超標。深層地下水為只有一處監測點的氟化物超標,分析判斷存在地質原生或是淺層地下水的污染物越流補給的原因。因為在長期的開采深層地下水的條件下,天然的水壓平衡會發生變化,變化后地下水負壓下降,形成一定規模的地下水降深漏斗,引發地面沉降和地裂縫[12]。隨著地裂縫的不斷發展,或者開采井分層止水效果不好,不同深度含水層之間會形成發生水力聯系的通道[13]。淺層地下水在重力作用下會通過這些水力聯系通道越流補給深層含水層,進而污染深層地下水的水質,造成地下水環境惡化。

5 問題分析及針對性措施

通許縣主要的供水水源是深層地下水,水源較為單一,而深層地下水的補給來源少且途徑較遠,導致中深層地下水長期處于超采狀態。隨著經濟發展,區內地下水的開采量仍在不斷增加,造成深層地下水位持續下降,超采狀況愈發嚴重。淺層地下水普遍受到了不同程度的污染,地下水環境差,且不同指標的污染程度不同,水質較差。區內處理污水能力不能滿足需要處理的生活污水量,生活污水存在亂排亂放,造成淺層地下水污染日趨嚴重。隨著淺層地下水和深層地下水之間水位差的不斷增大,在的重力作用下,淺層地下水向深層含水層越流的風險性不斷增大,深層地下水遭受污染的風險性也將隨之增大。針對以上問題,提出下列控制措施:

(1)堅持以水定城、以水定產、以水定人、以水定地的“四定方案”來指導通許縣的城市發展,在地下水超采區要嚴禁新建高耗水的建設項目,控制剛需之外的地下水開采量。同時,著重推進中水、雨水、洪水資源化設施建設,構建多源調配水網,科學配置生活、生態、生產用水,提高水資源利用效率,已建項目采取節水措施,控制水資源的總開采量。

(2)積極建設引黃工程、利用南水北調水中線水源等[14],擴大除深層地下水之外的其他水源的供水量,以逐漸減少區域地下水的開采量,控制地下水嚴重超采的局面[12]。

(3)增加縣域內污水處理廠數量,并推進鄉鎮及村莊的集中式污水回收設施的建設,增強污水回收和處理能力,污水不處理或處理不達標不排放。積極發展綠色農業技術,嚴格控制使用農藥、化肥的數量和質量,逐步改善淺層地下水的環境狀況。

(4)建立完善的地下水監測網,對深層地下水位、水質、取水量及環境地質現象進行長期監測,以便及時準確地了解地下水環境動態,為保護地下水環境提供指導[15]。

6 結語

黃淮平原的多數縣城,例如開封市通許縣,受地質原生、工業污染源、生活污染源、農業污染源等因素的影響,淺層地下水的總硬度、錳、溶解性總固體、硫酸鹽、碘化物、氟化物、鈉、菌落總數、渾濁度、總氮和砷等11項評價因子超標,水環境狀況較差,亟需治理恢復;深層地下水水質有2項評價因子超標,水環境相對較好,但存在受淺層水越流補給污染的風險,需要采取控制措施。通許縣供水水源以中深層地下水為主,水源形式比較單一,地下水超采現象比較嚴重,造成區域地下水環境狀況愈發嚴峻。針對地下水嚴重超采情況,需要采取改善水資源利用規劃、開發地下水之外的供水水源等措施,控制地下水的開采量。同時,建立完善的地下水環境監測網,信息細化指導對地下水資源利用和對地下水環境的保護[16]。