济源盆地地下水化学类型演变的影响因素分析

姜宝良 林浩琦 李春娥

(1.华北水利水电大学，河南郑州 450046；2.济源市节约用水办公室，河南济源 459003)

济源市是一个新兴工业城市，是全国重要的铅锌深加工基地和电力能源基地，已形成钢铁、铅锌、能源、化工、机械制造和矿用电器六大支柱产业[1]，其主要工业企业大多分布在济源盆地北部和西部的山前地带。随着社会的高速发展，人类对自然环境的干预亦日益强烈，原本受控于自然环境条件的地下水水质，正越来越多地受到人类活动的影响[2]。济源盆地北部地下水化学类型由HCO3-Ca·Mg型和HCO3-Ca型演变为HCO3·SO4-Ca·Mg型，造成了地下水污染。通过对济源盆地地下水化学类型演变的研究，分析其影响因素，为环境及地下水保护提供科学依据，对济源市开展“碧水蓝天”行动具有深远影响。

1 济源盆地自然地理概况

济源盆地位于暖温带大陆性季风气候区，总的特点是春季温暖多风，夏季炎热多雨，秋季天高气爽，冬季干冷少雪。

降水分布受地理位置和地形影响较大，一般由北向南递减，山区由低向高递增。由于山地对东南气流有抬升作用，因而降水较多，山区降水多于平原和丘陵。

济源境内总的地貌特征是李八庄以东为山前倾斜平原，北部崇山峻岭，西部群山连绵，南部丘陵起伏，形成了西高东低的簸箕形盆地(即济源盆地)。其特殊的地形特征和气候特点，不利于大气中污染物的扩散。

济源盆地北部的孔山、太行山和万洋山出露地层均为寒武-奥陶系碳酸盐岩；南部丘陵区为第四系黄土，中东部平原区为第四系砂卵砾石、砂土、粉土和粉质黏土。

济源盆地地下水资源丰富，地下水类型主要有第四系松散岩类孔隙水和寒武-奥陶系碳酸盐岩类裂隙岩溶水。松散岩类孔隙水主要分布在沁河和蟒河冲洪积扇区，主要受大气降水入渗，河、渠水入渗及灌溉水回渗补给，以人工开采、径流和蒸发排泄为主。孔隙地下水流向与地形坡向基本一致，为自西、西北向东及东南方向径流[3]。碳酸盐岩类裂隙岩溶水主要分布在克井盆地及其附近，主要受北部碳酸盐岩裸露山区大气降水入渗补给、沁河河水侧向径流补给。在克井山间盆地的出口处，第四系砂卵砾石与寒武-奥陶系灰岩直接接触，形成“天窗”，在天然条件下，岩溶水位高于孔隙水位，成为岩溶水的排泄途径。总之，济源盆地的地下水主要来源于大气降水入渗补给。

2 济源盆地地下水化学类型分布特征及其演变

2.1 天然状态

2000年济源盆地北部、西部和南部地下水化学类型为HCO3-Ca·Mg型和HCO3-Ca型；盆地中部局部水化学类型较复杂，有HCO3·SO4-Ca·Mg型、HCO3-Na·Ca·Mg型、HCO3·SO4-Ca·Na型、HCO3-Ca·Na型，人类活动影响较小[10]。如图1所示。

(1)北部地下水化学类型为HCO3-Ca·Mg型；北部孔山前、西北部塌七河附近、西部及南部地下水化学类型为HCO3-Ca型。

(2)西北、西南部山丘区及山前冲洪积倾斜平原区地下水化学类型为HCO3-Ca型及HCO3-Ca·Mg型。

山区和冲洪积扇上部地势较高，地面坡降大，径流条件好，地下水运动强烈，以淋滤作用为主，地下水化学类型为HCO3-Ca·Mg型和HCO3-Ca型。

(3)地势平坦的平原中部，地下水运动缓慢，流径距离长，水位埋深较小，地下水中的离子不断聚积，以浓缩作用和离子交换吸附作用为主，地下水化学类型为HCO3·SO4-Ca·Mg型、HCO3-Na·Ca·Mg型、HCO3·SO4-Ca·Na型、HCO3-Ca·Na型，其分布面积较小。

图1 2000年济源盆地地下水化学类型分布

2.2 现状

目前，济源盆地北部平原区和山区地下水化学类型均为HCO3·SO4-Ca·Mg型，南部的黄土丘陵前缘地带为HCO3-Ca型和HCO3-Ca·Mg型[11]，如图2所示。

图2 2016年济源盆地地下水化学类型分布

(1)北部：地下水化学类型均为HCO3·SO4-Ca·Mg型。盆地北部山前地带，工业、农业和人类活动较少，特别是北部深山区，既没有人类活动，也没有工业生产和农田灌溉，其地下水化学类型为HCO3·SO4-Ca·Mg型，其硝酸盐、硫酸盐、溶解性总固体及总硬度等均较高，见表1。

表1 珍珠泉和牛妖洞泉水质分析结果 mg/L(pH值除外)

(2)西南部：地下水化学类型仍为HCO3-Ca型和HCO3-Ca·Mg型，为天然状态的水质类型。曲阳水库附近，地下水受水库水质影响，其类型为Cl·HCO3-Ca·Mg型。

(3)东南部：受蟒河地表水的影响，地下水化学类型为HCO3·SO4-Ca·Mg·Na型。

2.3 演变

(1)北部：地下水化学类型由HCO3-Ca·Mg型和HCO3-Ca型演变成HCO3·SO4-Ca·Mg型。

(2)西部：思礼镇附近地下水化学类型由HCO3-Ca型演变成HCO3·SO4-Ca·Mg型；曲阳湖附近地下水化学类型由HCO3-Ca型演变成Cl·HCO3-Ca·Mg型。

(3)东南部：地下水化学类型由HCO3-Ca·Mg型演变HCO3·SO4-Ca·Mg·Na型。

(4)南部：黄土丘陵区前缘仍保持天然状态下的HCO3-Ca型和HCO3-Ca·Mg型。

总之，济源盆地北部和东南部地下水化学类型变化较大，而南部黄土丘陵区基本无变化。

3 影响因素分析

一般情况下，地下水化学类型受地形地貌、地层岩性和水文地质条件等因素的影响[4]。济源盆地北、西部地下水化学类型的演变除受上述因素影响外，还受工业生产中排放到大气中的CO2、SO2和NOx等污染物的影响。

3.1 济源市工业发展情况

济源市工业以火电、冶炼、焦化、钢铁、化工、建材等为主，其主要工业企业大多分布在济源盆地的北部和西部的山前地带。较快的经济发展速度、不尽合理的产业布局，严重影响着济源市的环境空气质量。

济源市主要工业产品产量大幅度增加(特别是发电量、焦炭、钢材、烧碱和粗钢)。2004年以后，主要工业产品产量迅速增加。发电量由2004年的5.14×108kW·h增加到2015年的223.33×108kW·h，增加了44倍；焦炭由2003年的50.60×104t增加到2012年的327.20×104t，增加了5倍；其它主要工业产品产量也均呈倍数增加。

济源市煤炭消耗量从2000年前的低于40×104t，增加到2010年的1 000×104t，2013年达到高峰值1 500×104t，近年来有所下降，2015年下降到1 300×104t。

济源市工业生产的快速发展，一方面消耗了大量的水资源和煤炭；另一方面又排出大量的废水、废气和废渣，直接或间接地影响地下水水质。而废气中的CO2、SO2和NOx等污染物是济源盆地北部地下水化学类型变化的主要原因[5]。

3.2 济源市大气主要污染物排放情况

工业生产中燃煤、石油和天然气排放出大量SO2，NOx，烟(粉)尘等污染物，导致空气被严重污染。济源市主要大气污染物排放量如图3所示。

图3 济源市大气污染物排放量动态曲线

由图3可知：济源市大气中SO2排放量1998～2003年呈逐年下降趋势，2003～2005年增加到6.05×104t，2005～2007年稳定在6×104t左右，2008年突减到3.61×104t，2008～2010年增加到4.55×104t，之后呈缓慢下降趋势；NOx排放量从2006年的1.63×104t，上升到2010年的3×104t，2011～2012年迅速上升到6.35×104t，之后呈逐年下降趋势，至2015年下降到3.78×104t。

根据济源市历年主要工业产品产量、煤炭消耗量、大气污染物排放量，推测地下水化学类型是从2005年开始发生变化，由HCO3型演变成了HCO3·SO4型。虽然济源市采取的节能减排措施产生了一定的效果，但总的环境质量形势仍不容乐观。

3.3 大气污染物对地下水的影响

济源盆地地形北高南低，三面环山，属暖温带季风气候，受季风影响显著。夏季盛行东南风，将空气输送到太行山前受阻，发生爬坡抬升和风向切变作用，形成气旋，致使云雨天气频发，降雨量增大[12]。又由于其簸箕状地形和特殊的气候条件，致使分布在北部和西部山前的工厂在生产中排放的废气不易扩散，易随降水渗入地下，对地下水产生影响。

根据《河南省环境状况公报(2006～2016年)》，济源市除2012年、2013年、2015和2016年未发生酸雨现象外，其他7年均发生酸雨现象，酸雨发生频率在河南省属最高。虽然济源市近两年未发生酸雨现象，但是其排放的SO2、CO2和NOx浓度均超过Ⅱ级标准，对空气环境质量的影响不容小觑。

大气中CO2、SO2和NOx遇降水发生化学反应，使降水中的H+、CO32-、SO42-和NO3-含量均增加。大气降水中的H+含量越多，pH值就越小，酸性也就越强[6]。当pH值小于5.6时，就形成酸雨。

例如：珍珠泉水化学类型由HCO3-Ca·Mg型演变成HCO3·SO4-Ca·Mg型。其硫酸盐、硝酸盐、总硬度和溶解性总固体等均大幅度增加。其中，硫酸盐和硝酸盐含量变化最为明显，硫酸盐由1990年的38.91 mg/L增加到2013年的112.60 mg/L、2016年的126.80 mg/L；硝酸盐由1990年的12.93 mg/L增加到2013年的37.11 mg/L，2016年突增到70.55 mg/L，见表1。

3.4 地表水对地下水的影响

济源盆地东南部地下水受蟒河地表水(已被污染)补给，对地下水水质产生影响[7]。

济源盆地东南部的蟒河地表水污染严重，根据蟒河赵礼庄断面(W5)和南官庄断面(W2)2016年水质分析结果得出，其水化学类型分别为SO4·HCO3·Cl-Na·Ca型和HCO3·Cl·SO4-Ca·Mg·Na型，氨氮、总氮、亚硝酸盐氮和总磷超标，均为劣Ⅴ类[8]。

受被污染的蟒河水影响，济源盆地的东南部(GW2)地下水化学类型较复杂，为HCO3·SO4-Ca·Mg·Na型，地下水质量较差，硝酸盐氮和总硬度超标，均为Ⅴ类[9]。

曲阳水库(W4)水化学类型为Cl·SO4-Ca·Mg型，水质类别为劣Ⅴ类，其氨氮、总氮为劣Ⅴ类，总磷为Ⅳ类，其中Cl-含量较高[8]。受水库水质的影响，曲阳湖附近(GW10)地下水化学类型由HCO3-Ca型演变成Cl·HCO3-Ca·Mg型，地下水质量较差，总硬度为Ⅴ类，氯化物为Ⅳ类[9]。

4 地下水防护措施

4.1 大气污染防护措施

坚持全民共治，源头防治，持续实施大气污染防治行动，倡导绿色低碳的发展方式和生活方式，是减少大气污染的有效途径。

(1)加强工业企业大气污染综合治理，推进集中供热、“煤改气”和“煤改电”工程建设。

(2)加强脱硫、脱硝、高效除尘、柴油机(车)排放净化，以及新能源汽车和智能电网等方面的技术研发，推进技术成果的转化应用。

(3)构建清洁低碳、安全高效的能源体系，加快清洁能源替代利用，推进煤炭清洁利用，提高燃煤使用效率。

(4)调整产业布局，优化空间格局，完善法律法规标准，提高环境监管能力。

(5)建立监测预警应急体系，妥善应对重污染天气。

4.2 地表水保护措施

(1)进行粪类污水综合利用，严控养殖废水污染。

(2)结合城市发展和农村人居环境，完善管网建设，确保生活污水“应收尽收”，得到有效处理。

(3)因地制宜，多措并举，开展河道综合整治和河流生态修复。

(4)推动城镇污水处理设施新建、扩建及提标改造。

(5)重点整治重污染河流，积极开展生态修复工作。

(6)集中治理工业集聚区水污染，加快城市黑臭水体治理。

(7)加快水污染防治，实施流域环境综合治理。

5 结论

济源盆地的地下水化学类型变化较大，尤其是济源盆地北、西部，由HCO3-Ca型和HCO3-Ca·Mg型演变成了HCO3·SO4-Ca·Mg型。地下水化学类型改变的主要原因是：济源市规模较大的工厂分布在北部和西部山前地带，主要工业产品产量迅速增加，燃煤量迅速增大，导致大气中的CO2、SO2和NOx等大量增加；济源盆地特殊的地理环境和气象因素等不利于污染物扩散，空气中的CO2、SO2和NOx等随降雨渗入地下，与地层中的矿物发生化学反应，使地下水化学类型发生变化，地下水中的Ca2+、Mg2+、HCO3-、SO42-和NO3-含量增加，地下水的总硬度和溶解性总固体也相应增大。

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[8] 国家环境保护总局，国家质量监督检验总局.GB 3838—2002 地表水环境质量标准[S].北京:中国标准出版社，2002

[9] 国家技术监督局.GB/T 14848—1993 地下水质量标准[S].北京:中国标准出版社，1994

[10] 中国科学院地质与地球物理研究所，河南省济源市水利局.济源市水资源综合规划[Z].济源：河南省济源市水利局，2007

[11] 华北水利水电大学，河南省济源市水利局.济源市水资源综合规划修编[Z].济源：河南省济源市水利局，2017

[12] 曹剑峰，迟宝明，王文科，等.专门水文地质学[M].北京:科学出版社，2006