武汉长江新城起步区地下水环境特征研究

周 峰，陶 良，胡元平，李 朋，张 雅，刘 力，夏冬生

(1.湖北省地质调查院,湖北 武汉 430034; 2.武汉市测绘研究院,湖北 武汉 430022)

湖北省武汉市因水而兴,被称为是百湖之市,水是武汉市的血脉,同时水优势也是武汉市决胜未来的核心竞争力。要利用水资源、优化水空间、治理水环境、保障水安全、弘扬水文化[1]。2017年,武汉市政府提出“规划建设长江新城”,打造“武汉的未来之城,全球未来城市的样板区”。长江新城总体规划从组团式空间布局、水环境保护及生态安全格局、蓝绿生态网络、综合交通体系、公共服务水平等方面,绘制了一幅未来城市的“愿景图”。地下水是人类社会必不可少的重要水资源[2]。随着城市不断发展扩张,生活产生的污水、垃圾，农业活动中农药、化肥的使用,工矿企业排放未经处理的污水,都有可能导致地表水污染,进而下渗污染地下水,因此查明地下水环境特征、对地下水水质做出正确、合理的评价对人们合理利用、保护、规划地下水资源而言十分重要[3-8]。为服务长江新城规划建设与运营管理,本文以长江新城起步区为研究区,查明区内地下水环境特征,主要包括地下水主要离子含量、地下水化学类型、地下水质量,并对地下水污染影响因素进行分析,提出开发利用和保护建议。

1 研究区概况

长江新城起步区位于武汉市中北部,行政上属谌家矶—武湖区块,位于长江北岸,与天兴洲隔江对望,为长江Ⅰ、Ⅱ级阶地,地势平坦开阔,高程在16～30 m之间,地形坡度为0°～2°,以平原地貌为主。区域上属于江汉平原的东北缘,区内有襄广断裂和长江断裂通过,长江新城沿江一带的冲积平原具明显的二元结构,上部为全新统粘土层,下部为砂性土及砂砾石层。北侧高车村一带为零星的低岗地,岩性以上更新统粉质粘土、粉土和粘土为主。

根据最新的调查成果,依据地下水的埋藏条件及含水介质将研究区内地下水类型划分为3大类,各类型地下水特征如下：

(1)松散岩类孔隙承压水主要分布在长江及其支流的Ⅰ、Ⅱ级阶地,地下水赋存于全新统走马岭组(Qhz)、上更新统下蜀组(Qp3x)的冲积砂、砂砾石孔隙中,因此又可分为2个含水岩组,但局部区域二者相互连通。① 全新统走马岭组孔隙承压水含水岩组([Qhz])主要分布于长江Ⅰ级阶地,府河汇入滠水河交汇处,含水层顶板埋深为2.46～19.4 m,底板埋深6.59～34.2 m,厚度为4.13～21.6 m,水位埋深2.5～12.4 m,含水岩组富水性在地域上呈明显规律性,Ⅰ级阶地前缘为水量丰富地段,单井涌水量>1 000 m3/d,阶地后缘富水性中等,单井涌水量500～1 000 m3/d,该含水层受人类活动影响较大,水体污染普遍较严重。② 上更新统下蜀组孔隙承压含水岩组([Qp3x])主要以透镜状分布于滠水河与朱家河之间、滠水河与汤湖之间以及胜家海湖的北部,含水层顶板埋深为12.6～27.19 m,底板埋深14.2～31.2 m,厚度为0.7～5.6 m,水位埋深8.0～12.0 m,主要接受大气降水的补给,由于该含水层厚度普遍不大,且在研究区内呈透镜状分布,单井涌水量为100～1 000 m3/d,水量较丰富。

(2)碎屑岩类裂隙水赋存于白垩系—新近系粉砂岩、细砂岩、砂砾岩含水岩组([K-N])中,分布于滠水河以北大部分地区以及朱家河以南局部地区,该类型地下水赋存于白垩系—新近系(K-N)碎屑岩裂隙中。该含水岩组顶板埋深19.8～69.7 m,未揭穿。该类型地下水富水程度取决于岩层张开裂隙的发育程度,富水性相对贫乏,单井涌水量1～20 m3/d,局部地区的钻孔单井涌水量较大(八一农场SW009涌水量302.4 m3/d)。经水位统测,该层地下水流向为北西向南东。

(3)碳酸盐岩类岩溶水赋存于石炭系—三叠系灰岩和白云岩含水岩组([C-T])中,分布于幸福湾—谌家矶街道一带,分布面积较小,隐伏于地下,北西西向呈条带状分布。地下水赋存于石炭系—三叠系碳酸盐岩岩溶中,含水层顶板埋深23.1～45.85 m,未揭穿,单井涌水量1～10 m3/d。

2 水样采集与测试

为查明研究区的地下水环境特征,于2018年8月系统采集了17件地下水样品,取样位置见图1,样品均取自区内的水文井和机民井,其中1件为全新统孔隙承压水,3件上更新统孔隙承压水,3件二者混合的孔隙承压水,3件碳酸盐岩岩溶水,7件碎屑岩类裂隙水(图1、表2)。pH、电导率、溶解氧等在现场使用 HACH40d便携式水质分析仪测定,按地下水质检测方法,水样的采集和保存后，送原国土资源部武汉矿产资源监督检测中心(湖北省地质实验测试中心)测定,每件采集水样2份,所测水样的阴阳离子电荷平衡误差在5%以内。

3 地下水环境特征分析

3.1 主要离子含量特征

表1 研究区地下水主要离子浓度统计结果Table 1 Statistics results of main ion concentration ofgroundwater in the study area

查研究》。

图2 研究区地下水阳离子平均浓度及占比情况Fig.2 Average concentration and proportion of cation ofgroundwater in the study area

图3 研究区地下水阴离子平均浓度及占比情况Fig.3 Average concentration and proportion of anion ofgroundwater in the study area

3.2 地下水化学类型

图4 研究区地下水Piper三线图Fig.4 The Piper diagram of groundwater in the study area

3.3 地下水质量评价

通过对地下水质量常规成分分析,参照《地下水质量标准》(GB/T 14848—2017)[7],共选取14项常规指标,分别为pH、总硬度、溶解性总固体、耗氧量、硫酸盐、铁、锰、砷、钠、氨氮、亚硝酸盐、硝酸盐、氯化物、氟化物。采用“内梅罗指数法”[9-11],对地下水质量进行综合评价,其结果如表2。

(1) 全新统孔隙承压水为Ⅳ类,由于其埋深较小,易受到人类排放污染物的影响,该层水质普遍较差。上更新统孔隙承压水主要为Ⅲ类,部分区域达到Ⅳ类,推测可能在一些民用敞口井中贯通了上部全新统孔隙承压含水层而发生混合,导致水质变差。本区松散岩类孔隙承压水的主要超标指标为总硬度,其次为氨氮和硝酸盐。

表2 地下水水质评价结果汇总表Table 2 Statistics results of groundwater quality evaluation

(2) 碳酸盐岩岩溶水水质总体较差,均为Ⅳ类,除水样SW001为铁略微超标外,其余的地下水均为氨氮超标。

(3) 碎屑岩裂隙水在区内分布广泛,受不同地形地貌、覆盖层岩性及厚度、人类活动等因素的影响,该层地下水水质在不同地区呈现出较大的差异性,其中研究区西北角八一农场一带地下水的水质较好,达Ⅲ类,而红联村、平安铺等地区水质相对较差,达Ⅳ类,主要污染指标为氨氮,其次为铁和耗氧量等。

另外,本次对区内浅层孔隙承压水中的Fe、Mn等元素进行了补充采样研究(图1),发现沿现代河流Ⅰ级阶地附近的样品(WL005、WL007、WL008、WL013)Fe元素含量明显超标,浓度达到1.08～1.96 mg/L,而靠近长江的样品WL007地下水中Mn元素含量达到3.749 mg/L。作为对比研究,基岩裂隙水中(WL004、WL015)中Fe、Mn元素含量基本未超标,结果与江汉平原东北部浅层地下水Fe、Mn元素普遍超标[4-5]的结果基本一致。

3.4 地下水污染影响因素分析

地下水水质污染直接影响地下水资源开发利用和人民群众的健康安全。通过本次地下水环境调查并结合区内工农业生产分布情况(图1),对可能造成地下水污染的相关因素进行了初步分析,区内地下水污染情况可分为3类:一类是滠水河至泵站河之间的长江沿岸区域的浅层地下水中Fe、Mn元素含量明显超标,推测可能与其赋存地层的原生环境具一定相关性,因区内走马岭组、下蜀组地层中富含铁锰质结核及氧化膜,其可能提高了该层位地下水的元素背景值。二类是胜海湖至泵站河、南湖村地区地下水中氨氮浓度较高,该区域主要为农业用地,其污染可能与当地农业生产活动中大量氮肥的施用有关。三类是肖湾、青龙社区一带地下水中总硬度、硝酸盐等含量较高,这一区域多为家具制造等工业场地,推测该处地下水污染与其有一定联系。

4 结论与建议

通过本次调查研究,基本查明了长江新城起步区的地下水环境特征,总结如下：

(1) 长江新城起步区地下水类型细分为4类,其中,全新统孔隙承压水和上更新统孔隙承压水单井涌水量100～1 000 m3/d,与长江水力联系密切；白垩系—新近系碎屑岩类裂隙水区内均隐伏于地下,未揭穿,单井涌水量1～20 m3/d,地下水流向为北西向南东；石炭系—三叠系碳酸盐岩类岩溶水区内均为隐伏型,未揭穿,单井涌水量1～10 m3/d。

(3) 研究区地下水质量总体较差,其中松散岩类孔隙承压水总体为Ⅳ类,局部达Ⅲ类,主要污染指标为总硬度、氨氮,主要特点为长江Ⅰ级阶地附近浅层地下水中的Fe、Mn元素浓度超标,认为与区域自然背景有一定相关性；碳酸盐岩岩溶水水质为Ⅳ类,主要污染指标为氨氮和铁；碎屑岩类裂隙水水质不同区域具明显差异,其中分布在工业场区周边的地下水总硬度、硝酸盐等含量较高。

根据长江新城起步区的地下水环境特征，对本区的地下水开发利用及保护提出建议如下：

(1) 长江新城起步区内敞口井多以松散岩类孔隙承压水为取水层,受赋存地层的原生环境和人类活动的双重影响,水质普遍较差,不建议作为生活饮用水源；但长江沿岸地区地下水虽水质较差,但地下水资源储量丰富,可作工农业用水。

(2) 研究区西北角八一农场一带的碎屑岩裂隙水是区内较好的取水层,地下水水质较好(Ⅲ类),且可开采资源量较大,但是为确保地下水资源合理利用,应控制开采强度。

(3) 本区的碳酸盐岩岩溶水均为隐伏型,其上覆隔水层较薄或无隔水层,因此该地下水与松散岩类地下水联系较密切,水质普遍较差,且可开采资源量较小,应控制开采强度。

(4) 加强研究区地下水动态监测网点建设,特别是人类活动密集地区和重要的水源保护地,实时监测地下水环境变化,同时还需做好远景供水源区的地下水防污性能评价,保护水源地,为城市的地下水安全保驾护航。