泉州市地下水功能区划分

曹 阳,滕彦国,王金生,翟远征,郑洁琼

1)北京师范大学水科学研究院,北京 100875;

2)地下水污染控制与修复教育部工程研究中心,北京 100875

泉州市地下水功能区划分

曹 阳1,2),滕彦国1,2),王金生1,2),翟远征1,2),郑洁琼1,2)

1)北京师范大学水科学研究院,北京 100875;

2)地下水污染控制与修复教育部工程研究中心,北京 100875

本文针对泉州市地下水资源的分布特点,依据全国地下水功能区划分技术大纲,选取了地下水系统中具有代表性的驱动因子、状态因子和响应因子,综合地下水的资源供给功能、生态环境维持功能和地质环境稳定功能,将地下水功能区划分为开发区、保护区和保留区,并以完整的水文地质单元为基础,以防止泉州地下水污染和海水入侵为控制目标,依据地下水的生态水位阈值与产生环境地质灾害的水位阈值理论,划定泉州地区地下水管理水位,结合当地地下水资源特点及地下水管理与保护的实际需求,借鉴国内外类似地区地下水管理的经验,研究提出地下水红、黄、蓝管理分区,为防止泉州市地下水污染和海水入侵以及指导地下水资源合理开发利用提供参考。

沿海地区;地下水;功能区划;红黄蓝分区;合理利用

沿海地区是中国人口高度集中和经济快速发展的地区,对淡水资源的过度需求导致超量开采地下水,引起海水入侵等环境问题(Reichard et al.,2005),沿海地下水系统是一个复杂系统,防止和控制海水入侵,需要对地下水进行科学管理(高玉芳等,2010),地下水不仅是水资源的一部分,而且对生态环境和地质环境具有不可替代的维持功能,片面强调地下水的资源功能,往往会导致其它功能的退化甚至丧失(聂振龙等,2007),地下水的质和量及其在时空上的变化对人类社会和环境所产生的作用或效应称为地下水功能,地下水资源兼备资源供给功能,生态环境维持功能和地质环境稳定功能,各功能之间相互制约、相互促进,无论哪一个功能被过度利用,都会引起其它功能的相应变化(张光辉等,2006),因此地下水开发利用必须建立在地下水功能区划基础上,兼顾社会发展、环境保护与地下水功能维护,实现地下水各功能协调与可持续利用。

张光辉等(2008)从地下水功能及其表征因子的角度利用系统理论和层次分析法讨论了地下水功能评价指标选取依据与原则;论述了地下水功能评价与地下水可持续开采量互为充分必要条件;并就目前地下水功能评价方法研究给出一套适合北方地区可行的指标集,将研究区域划分为资源功能区、生态功能区和地质环境功能区(王金哲等,2008;张光辉等,2008;闫成云等,2007)。迄今为止,我国已先后制定了多个与水环境管理相关的功能区划,现行的功能区划在水资源利用、水环境改善和水生态保护中起到了关键性作用(周丰等,2007)。本次研究主要依据全国地下水功能区划分技术大纲(中华人民共和国水利部,2005),围绕地下水的资源功能,选取了地下水系统中具有代表性的驱动因子、状态因子和响应因子,综合地下水的生态环境维持功能和地质环境稳定功能,将地下水功能区划分为开发区、保护区和保留区。

泉州市地处闽南厦漳泉沿海经济开放区,是福建省改革开放和率先建立社会主义市场经济体制的试验区,是中国历史上对外通商的重要港口,具有世界上不多的深水良港。早在周秦时期泉州市就已开始经济开发,也是福建乃至全国发展最快、最具活力的地区之一。该区属亚热带海洋性季风气候,降雨量 60%~80%集中在 4—9月,区内地下水资源时空分布不均,泉州市区溪流众多,发源于泉州市境内的流域面积100km2以上的河流有35条,流域面积7933km2。径流流程短,主要发育晋江与木兰溪、晋江东西溪之间、晋江西溪与汀溪和大盈溪等溪流间分水岭。地貌形态类型复杂多样,由山地向丘陵、侵蚀剥蚀台地、滨海平原递变,地下水受地形、地貌、植被等自然因素的制约,形成一定的时空分布(北京师范大学,2008)。

1 研究区地下水功能区划分

地下水功能的基础是以地下水为主体构成的一种特定的系统,即地下水系统,系统功能是系统内外相互关联、相互作用的结果。水动力环境的改变,主要取决于两方面的因素,一方面是含水层本身的内在因素,即含水层的补给能力和贮水能力,另一方面是外在因素,主要是降水量和开采强度等(张宗祜等,1997)。根据影响作用力来源的不同,地下水功能的影响因素分为自然因素和人为因素。自然因素包括基质、动能两大因素(赵跃龙等,1998)。在地下水功能评价中,地下水功能的变化是通过地下水功能多种表征因子表现出来。因此,筛选地下水功能评价指标不仅要考虑地下水功能的影响因素,还要考虑地下水功能的表征因子。

1.1 地下水系统划分

根据地下水的介质特性,本研究区地下水可划分为松散岩类孔隙水、碎屑岩类孔隙裂隙水和基岩裂隙水,以松散岩类孔隙水为主。根据地形、构造、水系发育等特征,泉州市沿海地区地下水可分为五个子系统,各个地下水子系统有着相对独立的补给、径流和排泄条件,总体受地形地貌、水文气象和地质条件的控制(图1)。

图1 泉州市地下水系统分布图Fig.1 Distribution of groundwater system in Quanzhou

I区:晋江流域地下水子系统,分布范围最广,包括泉州-晋江平原,在流域北侧和西北侧接受山区降雨的大量补给,在晋江沿岸接受江水入渗补给,最终汇入大海。

II区:洛阳江地下水子系统,与地下水子系统I由小阳山—清源山—五台尾山—大坪山地形分水岭分割,山脉海拔130.8~531.0 m,地下水由北向南流动,最后经洛阳江汇入泉州湾。

III区:围头湾地下水子系统,北侧与 I区由地形分水岭分界,东侧边界为在晋江中部发育的南北向山脉的分水岭,地下水由北向南流入围头湾。

IV区:惠安东沿海地下水子系统,与II区地下水子系统相邻,由地表分水岭阻隔,地下水由西侧的山区向东侧的海边界流动。

V区:晋江南沿海地下水子系统。

1.2 地下水功能表征因子

地下水功能的表征因子是地下水循环系统的驱动因子群、状态因子群和响应因子群,本次主要根据大纲选取了地下水可开采资源量、开发利用现状、供给能力以及水质和环境变化因子等进行分析。

1.2.1 地下水可开采资源量及开发利用现状

本次主要评价区内松散岩类孔隙水和基岩裂隙水水量、水质,在各地下水子系统基础上计算各区地下水的补给和开采模数(表1),再以行政区范围为单位计算泉州市区、石狮、晋江、南安和惠安5个一级计算区的地下水补给资源量和可开采量。

整个研究区多年平均地下水补给资源量为6.03×108m3,可开采资源量为2.24×108m3。其中南安市地下水补给资源量最多,为2.78×108m3,石狮市地下水补给资源量最少,为0.21×108m3。区内由于水文地质条件限制,单井涌水量较小,仅在地表水十分丰富的泉州平原晋江两岸地下水单井涌水量大于10m3/d,其余地区地下水资源不足,可供集中开采的地下水十分有限,因此区域内主要以分散式地下水开发为主。

根据各市区地下水可开采量以及 2006年地下水开采情况,对现状年的供用水进行了平衡分析,得出现状情况下各市区地下水余缺量(表2)。

从上表可以看出,泉州市区地下水尚有开发潜力,其它市县均出现超采现象。超采最严重的为石狮市,开采程度已达 390%,其次为晋江市,开采程度约为173%。长期粗放的地下水管理方式和不合理的地下水开采造成了区域地下水水质恶化,矿化度增加,淡水资源更加缺乏,直接影响居民的生活生产以及沿海地区经济发展。

表1 泉州各地下水子系统补给模数及可开采模数分区表Table 1 Recharge modulus and exploitation modulus of groundwater subsystems in Quanzhou

表2 现状年各市区供用水平衡分析结果Table 2 Water balance analyses in different areas for current year

1.2.2 地下水环境质量综合评价

在研究区整理地下水水质样 183组,结合《地下水质量标准》(GB14848-1993)(国家技术监督局,1993),对泉州市地下水水质评价共选取 16个评价指标:pH值、总硬度、溶解性总固体、硝酸根离子、氯离子、铁、锰、铜、锌、硝酸根离子、亚硝酸根离子、氨氮、氟化物、汞、六价铬离子、铅,运用内梅罗指数法进行地下水质量评价。

区内地下水水化学类型以 HCO3·Cl-Ca·K·Na 型为主,大部分水井中的细菌总数和大肠杆菌含量普遍超过饮用水水质标准,在海相地层中含有丰富的有机质,“三氮”含量普遍较高。同时在沿海地区存在众多工农业以及人口,地下水存在大量污染,因此区域地下水水质普遍较差,以三类以及劣三类的地下水为主,地下水质量分区见图2。

地下水开采同时造成地下水水位下降,沿海地区海水入侵,地下水不断咸化,地质环境脆弱等问题。

1.2.3 潜在的生态环境问题

地下水位埋深变化对地下水水质脆弱性和水量脆弱性影响因素空间和时间上变化具有重要影响作用,因此对地下水系统脆弱性的两个方面具有较强的影响关系(严明疆等,2006,2007,2009),以地下水防污性表示水位对地下水的影响主要表现在水质和水量两个方面。

1)地下水水位下降

沿江两岸和沿海地带为埋深小于5 m的浅埋深区,山区埋深普遍大于 20 m,若按现状开采,地下水水位持续下降,使部分取水工程出水量减少或报废,需更换原取水设备,导致制水成本提高;同时,地下水水位下降,形成降落漏斗,水力坡度增大,加速了地下水的污染。

2)海水入侵

海岸带过量抽取含水层中地下淡水,发生海水入侵,影响地下水水质及利用;同时由于地下淡水的开采,引起第四纪形成的埋藏于海相沉积物中的咸卤水(沉积古海水)体向内陆推进。泉州市海水入侵主要发生在沿海地区松散岩类分布区,尤其是在晋江入海口以及洛阳江入海口发生明显的海水入侵现象(图3)。其中以泉州湾发生入侵面积最大。

基于以上对地下水系统的划分,水资源量及开发利用现状评价,地下水水质评价和开发利用潜在的问题,针对泉州地下水的主导功能,划分功能区。

1.3 地下水功能区划分原则

根据各地区地下水开发利用的实际情况,并以其不同主导功能为基础,进行地下水功能区的划分。坚持人水和谐、可持续利用的原则;保护优先、合理开发原则;统筹协调、全面兼顾原则;水量、水位和水质并重原则。

由于沿海地区地表水资源丰富,地下水资源对于生态功能的意义不明显,因此本次划分主要针对地下水的资源功能及地质环境功能进行开发区、保护区、保留区划分。

1.4 地下水功能区划分结果

开发区:将当前及规划期内以开发利用为主的区域,划分为开发区,属一级功能区,主要位于南安市及泉州市松散岩类孔隙水分布区,包括地下水水源地及其周围保护范围。

保护区:存在环境地质、污染、过量开采问题的区域,或具有生态与环境保护意义,开采或排水易引发生态环境问题的地下水分布区,从缓解环境地质灾害,保护现有水源方面讨论,划分为地质灾害易发区,分布于易引起海水入侵的部分沿海地区、南安市周边以及沿海地区易受污染的地区。

保留区:开发利用难度大或有一定的开发潜力但日常不开采,用于未来储备的区域。划分为不宜开采区和应急水源区两个二级功能区,其中不宜开采区包括区内水质不达标以及不满足长期供水需求,不具备开发利用条件的区域;应急水源地地下水赋存、开采及水质条件较好,日常情况下禁止大规模开采,仅在突发事件或特殊干旱时作为应急供水水源的区域。本次划分结果如表3,功能分区见图4。

地下水水位是反映地下水系统状态的主要因子,是进行地下水动态监测与分析的主要项目之一,而地下水水位可方便地进行实时监测,直观地反应地下水资源的变化,对地下水开采做出响应,通过地下水水位变化可了解区域地下水量的变化,因此采用水量与水位作为共同的控制指标,根据功能区划分结果,针对地下水开发利用中存在的问题,对区域地下水进行红黄蓝区划分,便于地下水开发、利用与管理。

2 红黄蓝分区

2.1 划分依据

泉州市地下水多以裂隙水为主,松散岩类孔隙水主要分布于沿江两岸,地层多以花岗岩为主,没有区域性隔水层,如果地下水长期超采,地下水水位虽然处于下降状态,但不会发生地面沉降、地面塌陷和地裂缝等现象,且区域地下水对生态环境的贡献很小,地下水水位下降也不涉及生态环境恶化的问题,从泉州市实际情况出发,水位的划分主要考虑以下三个方面:

(1)地下水水位下降,导致已污染的区域水力梯度增大,地下水污染加速,影响周边地下水开发利用,以及生活生产安全的区域;

(2)在泉州市沿海易发生海水入侵地区,为防止地下水过量开采,水位下降引起海水倒灌,控制区域地下水水位保持一定的高度;

图2 地下水资源开发利用量与水质分区图Fig.2 Zoning of the exploitation and utilization of groundwater and quality of groundwater

图3 泉州市海水入侵区分布现状Fig.3 Distribution of seawater intrusion areas in Quanzhou

图4 功能区划分图Fig.4 Zoning of groundwater functions

图5 地下水红黄蓝管理分区图Fig.5 Zoning of groundwater managements

(3)泉州市地下水在全区内水头不连续,大多数地区属于隔水地区,部分有薄层含水层,因此考虑在功能区划分的基础上进行地下水水位划分。

2.2 划定地下水管理水位

(1)红线水位

表3 地下水功能区划分表Table 3 Zoning of groundwater functions

红线水位一般是指地下水开采量大于地下水可开采量,出现地下水位持续下降且水位降深等于含水层厚度三分之二时的水位值,或者对抬升型水位来讲,地下水位抬升达到某个阀值,从而引起相关的生态环境问题时所对应的临界水位值,首先考虑泉州市沿海地区发生海水入侵地区的水位:

湄洲湾附近海岸主要以剥蚀台地为主,其上分布花岗岩类残丘。沿海分布断续窄长的堆积地貌滨海小平原,由于受海水影响,部分地区地下水以咸水为主,综合考虑地下水矿化度受海水的影响以及丰水年枯水年地下水水位的变化,北部地区丰水年和枯水年水位变化不大,高差在0.5 m以内,因此以沿海地区地下水平均埋深,划定北部沿海地区地下水控制水位为16.14 m;在湄洲湾南部地区,丰水年与枯水年地下水水位相差 0.5~1 m,取丰枯水年份的平均水位19.70 m作为该区水位控制的红线;

泉州湾以泥质滩岸为主,地下水连通性差,因此发生海水入侵的区域水位差较大,取平均水位高程19.32 m作为限制水位;

围头湾以沙质海滩为主,海湾西部地下水交替循环较快,地下水资源相对较丰富,发生海水入侵的区域较小,地下水水位限制在11.95 m,东部海岸水位控制在39.62 m;

泉州各县市地下水含水层较薄,基本在20 m以内,地下水埋藏浅,在0.5~4.5之间,区域地貌复杂,地形起伏大,地下水水位难以控制在一定范围内,因此采用埋深控制,为防止已受污染地区地下水进一步扩散,将地下水埋深控制在4.5 m左右。

(2)蓝线水位

蓝线水位一般是指地下水采补平衡即地下水开采量等于地下水可开采量时的水位值,或者是指为了实现某一时期地下水管理目标而设定的期望水位值或阀值。除在污染区周围设定红线外,其余地区地下水开发利用不会造成特定的地下水污染以及其他灾害,因此,在满足地下水开发利用的区域不限制开采水位线。

2.3 地下水红黄蓝分区

以乡镇行政区单元边界为界限,在地下水功能区划分的基础上进行地下水红黄蓝分区(图5)。

红区:根据地下水功能区划分,将地下水海咸水入侵地区以及已受污染的地区划分为红区,红区表明区域内地下水水位已低于警戒水位,超过了可持续开发、利用和保护限度,属于禁采区,对于这些区域,需要实施最严格的地下水资源管理政策,以有效控制地下水资源的不合理开发和利用,积极开展地下水资源保护工作。

黄区:将易受污染的地区,以及地下水开发潜力不足的区域划分为黄区,黄区表示区域内地下水水位接近警戒水位,地下水开发利用已经处在不可持续限度边界的边缘,属于采补平衡区,需要实施严格的地下水管理政策;保证区域的水资源问题不进一步恶化并趋于好转。因此,黄区属于一个过渡区或预警区。其地下水资源己无进一步开发利用的潜力,按照严格的取水许可制度对地下水实施积极管理;

蓝区:将地下水相对丰富的区域,以及开发利用不会产生环境地质问题的区域划分为蓝区,蓝区表示区域地下水水位处于正常范围内,其开发、利用和保护是可持续的,属于可开采区,可实施常规的地下水资源管理政策。其地下水资源尚有进一步开发利用的潜力,按照正常的取水许可制度对地下水实施有效管理。

3 结论

1)在地下水系统划分的基础上,将泉州市地下水分为三个级别功能区:①三个一级功能区,开发区、保护区、保留区;②四个二级功能区,分散式开发利用区、地质灾害易发区、不宜开采区、应急水源区;③六个三级功能区,分散式开发区、易受污染区、海咸水入侵区、已受污染区、不满足水源地条件的地区和应急水源地。明确地下水的开发、保护以及保留的空间格局。

2)以防止地下水水位下降和海水入侵为目标,划分地下水红线水位:北部沿海地区为16.14 m;在湄洲湾南部地区19.70 m;泉州湾19.32 m;围头湾地下水水位限制在 11.95 m,东部海岸水位控制在39.62 m;各县市地下水采用埋深控制,埋深在4.5 m左右。

3)在功能区划分基础上,考虑地下水水位,将地下水海咸水入侵地区以及已受污染的地区划分为红区;将易受污染的地区,以及地下水开发潜力不足的区域划分为黄区;将开发利用地下水不会产生环境地质问题的区域划分为蓝区,并提出了相应的管理措施。

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The Division of Groundwater Function Zones in Quanzhou

CAO Yang1,2),TENG Yan-guo1,2),WANG Jin-sheng1,2),ZHAI Yuan-zheng1,2),ZHENG Jie-qiong1,2)
1)College of Water Sciences,Beijing Normal University,Beijing100875;
2)Engineering Research Center for Groundwater Pollution Control and Remediation,Ministry of Education,Beijing100875

This paper focused on the distribution of groundwater resources in coastal areas,and filtrated the evaluating indexes of groundwater functions from driving,state and response factors according to the nationwide technical outline for the division of groundwater function zones.These indexes were combined with the groundwater resource function,ecological function and geological environment function.Based on the hydro-geological unit,the authors divided the groundwater function zone into development zone,protection zone and reserve zone.The groundwater level was the dominant factor under consideration in order to prevent groundwater pollution and seawater intrusion.A major concern in the ecological groundwater level and threshold level producing geological disasters was to define the groundwater management level in Quanzhou,and then the function zone was segmented by the corresponding administrative boundaries of the city.Based on the basic unit of the groundwater function,the authors put forward red,yellow and blue subareas for regional groundwater management.This study provides the guidance of practical significance for preventing groundwater pollution and seawater intrusion as well as the rational use of groundwater resources in Quanzhou.

coastal area;groundwater;function zoning;red,yellow and blue subareas;rational utilization

P614.8;X32

A

10.3975/cagsb.2011.04.11

本文由国家“水体污染控制与治理”科技重大专项课题(编号:2009ZX07419-003)和环保公益性行业科研基金重大项目(编号:201009009)联合资助。

2011-05-10;改回日期:2011-06-01。责任编辑:闫立娟。

曹阳,女,1984年生。博士研究生。主要从事地下水科学与工程研究。电话:010-58802738。E-mail:caoy84@163.com。

滕彦国,男,1974年生。博士生导师。主要从事地下水科学与工程研究。E-mail:teng1974@163.com。