黄淮平原县城地下水环境状况分析——以开封市通许县为例

王 刚,李 莹,李沛莹,张帅超

(1.河南省地质局生态环境地质服务中心,河南 郑州 450053;2.伊川县环境保护局,河南 洛阳 471300)

0 引言

水是生命之源、生产之要、生态之基。地下水是水资源的重要组成部分,弥补了区域供水不足的限制,同时也是构成并影响生态环境的重要因素。随着经济和社会的快速发展,人类活动对地质环境的影响日趋严重,地下水的过量开采和水质污染等环境问题日渐突出[1]。黄淮平原位于中国腹心之地,面积约15万 km2,总人口1.27亿,是国家重要的粮食生产基地和经济战略发展区域。目前,地下水是黄淮平原县城的重要供水水源和战略资源,以河南省开封市为例,城区外的县城供水水源基本以地下水为主,地下水环境决定着供水质量。随着地区经济的快速发展,黄淮平原部分县城的地下水环境污染呈恶化趋势,严重威胁饮用水源安全和生态环境安全[2],也直接关系到国家粮食安全和地区经济的高质量发展。近些年,中央、省市各级政府都十分重视地下水资源和环境问题,《全国地下水污染防治规划(2011-2020年)》明确提出:加大对地下水污染状况调查和监管力度,边调查边治理,综合防治,着力解决地下水环境污染突出问题,切实保障地下水饮用水水源环境安全。以开封市通许县的地下水环境为研究对象,分析了县城地下水资源和环境状况,调查研究造成地下水环境污染的主要因素[3],提出解决问题的思路和措施,为今后黄淮平原县城的水资源利用、地下水环境保护及治理提供参考。

1 自然环境条件

1.1 地理、交通

通许县位于河南省中部偏东北,属于黄淮平原的豫东平原区,行政区划隶属于开封市,北距开封约45.0 km。全县东西宽30.5 km,南北长34.8 km,县域总面积767 km2。通许县交通优势明显,大广高速、兰南高速、商登高速等3条高速公路在区内交织互通,240国道、343国道、218省道、326省道及多条县道穿城而过,地方铁路朝杞线穿越境内,形成了以高速公路、铁路、国道、省道为骨架,以县、乡、村道路为脉络的交通网络。

1.2 气象、水文

通许县属暖温带季风气候,四季分明。春季少雨多风,夏季炎热多雨,秋季温凉气爽,冬季干冷稀雪,冷热干温季节明显。光热资源较丰富,年平均日照2 504 h,多年平均气温14.7 ℃。年内以7月份气温最高,平均为27.3 ℃,最高气温为43.3 ℃,元月份气温最低,平均气温为-0.4℃,最低温度-15.4℃,无霜期平均222 d。降水不均匀,多集中在7、8、9三个月,约占全年降水量的60.3%。多年平均降水量为676.2 mm,年最大降水量为1 170 mm,最小降水量为393.8 mm,日最大降雨量为182.3 mm。多年平均蒸发量1823.6 mm,最大蒸发量2 380.6 mm,最低蒸发量1 441.8 mm,年蒸发量约为降水量的2.5倍以上,多年平均相对湿度69%。

区内河道属淮河流域涡河水系,主要河流为涡河,县境流长约52 km,流域面积1 052 km2。涡河源于开封县,在通许北李佐村南入境,东南流经竖岗、大岗李、邸阁、玉皇庙入太康境内。涡河系常年性河流,河水位和流量季节性变化较大,据涡河邸阁站水文资料,平均径流量0.1～5.2 m3/s,平均水位标高56.5～59.0 m。涡河有一级支流8条,二级支流6条,河道网系遍布全县各乡镇,一级支流有孙城河、惠贾渠、涡河故道、小清河、百邸沟。

1.3 社会经济

通许县2021年度全县生产总值为294.67亿元,是典型的农业县。全县土壤面积963 742亩,其中耕地面积851 457.7亩,占总土地面积的74%。通许县曾荣获国家级电子商务进农村综合示范县、国家级生猪调出大县、全国绿色食品原料标准化生产基地、节能降耗优秀县、高标准农田示范区项目县等荣誉。

2 区域地质条件

2.1 地形地貌

通许县总体地势西高东低,北高南低,由西北向东南倾斜,地面高程57.5～66.5 m,地面自然坡降比为1/4 000～1/5 000。地貌成因是黄河、淮河冲积的泥砂而成,在黄淮平原的中西部,是黄河自孟津向东所形成的巨大冲积扇的南部位置,微地貌可细分为岗丘地、微洼地、平地3种类型。

2.2 地质条件

通许县境内新生代地层发育深厚,前新生代地层被深厚的新生界沉积覆盖。新近系地层分布普遍,岩性主要为棕红色、棕色砂泥岩、页岩和泥岩。第四系在区内发育较好,地层齐全,分布广泛,由松散的沉积物所组成,总厚度约400 m。自下而上为:冲积-湖积层,灰绿、棕红色粘土、粉质粘土、细砂层;湖积层,黄绿、棕红色粉质粘土、粘土及粉质砂土;冲积-洪积层,灰黄、褐红色粉质粘土和湖积灰黄、褐黄色粉细砂夹黑色粘土;冲积层,灰黄色中细砂、粉细砂、粉砂土夹灰黄色粘土和风积层灰黄色中砂层、粉砂层等。区内各岩土层的特征为:

2.2.1 新近系(N)

馆陶组(N1):上部为棕黄、黄褐色泥质粉砂岩,砂质泥岩夹棕红色泥岩及淡黄、灰绿色粉砂岩。下部为砖红色、棕红色泥岩,砂质泥岩夹黄色砂岩,视厚度为780 m。

明化镇组(N2):为棕黄、棕红色泥岩,砂质泥岩,泥质砂岩夹细砂,粉细砂,视厚度597 m。

2.2.2 第四系(Q)

上部为浅棕红色粘土夹淡黄色薄层中细砂、粉细砂,砂层分选较好,粘土质纯、致密,夹有1～2层钙质结核及铁锰质浸染富集层。下部为棕红色、棕黄色混有灰绿色浸染的厚层砂质粘土和粘土,以及浅黄,灰白色中细砂层。粘土层含有较多的钙质结核、铁锰质结核及浸染物,并见有1～3层古土壤。砂层厚度分布稳定,薄层理发育。

沉积厚度50 m左右,底板埋深120～140 m。上部岩性为冲洪积形成的棕红色或棕黄色粉土,砂质粘土夹薄层粘土和1～2层中细砂、细砂及粉砂层。县城以北,砂层厚度10～20 m,其它地区小于10 m。另有1～2层钙质结核富集层。下部为冰水沉积层,岩性为黄绿、灰绿色、棕红色的粘土、粉质粘土、粉土,夹有1～2 层不稳定的灰黄色细粉砂,分选性较差。粘土、粉质粘土层富含豆状铁锰质结核和较大的钙质结核。

沉积厚度20～40 m,底板埋深60～80 m,岩性为粉土、粉质粘土与中细砂、细砂、粉细砂互层。县城以北,砂层较稳定,颗粒相对较粗,以中细砂、细砂为主,南部砂层薄而细,呈透镜体出现。砂层中薄层微层理发育,粉土中富含钙质结核。

为河流冲积形成,沉积厚度30～40 m。在涡河以西,上部分布一层1～2 m厚的黄河近期(1938年以后)沉积物。由于黄河及其支流在本区的多次变迁,砂层有厚有薄,颗粒有粗有细,在垂直方向上再现为粗细相间的“多元结构”特征。岩性为粉土、薄层的粉质粘土及细砂、粉细砂层。县城以北,砂层厚度一般20～30 m,以细砂为主。南部砂层厚度一般10～20 m,以粉细砂为主,分2～3层。局部分布有淤泥质层,含有腐植质和蜗牛化石。

2.3 水文地质条件

通许县城区地表被第四系地层所覆盖,地下水赋存于粉细砂、细中砂、中粗砂等含水层的孔隙中,类型为松散岩类孔隙水。根据埋藏条件、水力特征,结合开采条件,区内地下水可划分为浅层地下水、中深层地下水和深层地下水。浅层地下水埋藏于地表下50 m 以浅的含水岩组中,中深层地下水埋藏于地表下50～350 m深的含水岩组中,深层水埋藏于350 m以下的含水层岩组。在深度100 m上下均有连续粘土隔水层,具有良好的隔水效果,导致中深部含水层与浅部含水层水力联系微弱。

区内饮用水源以中深层地下水为主,地下水动态主要受开采强度的影响,受大气降水的影响较弱。深层地下水补给主要来自西部山前,径流方向为由西北向东南方向,人工开采是其的主要排泄方式,动态类型为径流补给—开采型。区内地下水位变幅较大,不同时段因开采强度不同表现为不同降幅[4]。由于径流补给变化不大,开采强度大的时段,地下水水位会下降,开采强度较小的时段,地下水水位会相应上升。

区内地下水含水层为第四系和新近系的粉砂、细砂及中细砂层,渗透系数1～4.66 m/d,导水系数68～522 m2/d,属于水量丰富区。地下水类型属HCO3-Na和HCO3-Na·Mg型,矿化度0.47～0.89 g/L,总硬度51.5～251.0 mg/L,属低矿化中-硬淡水[5]。

3 地下水资源和水环境状况

3.1 地下水资源

根据《开封市第三次水资源调查评价》(2020年),开封市主城区外的县城供水水源基本以地下水为主,见图1。通许县地下水总资源量为9 617.2×104m3,地下水资源模数12.5×104m3/km2。地下水是通许县主要的供水水源,其补给量远远小于实际开采量,一直处于超采状况[6]。根据资料统计,通许县中深层地下水资源年可开采量为7 423×104m3,而实际开采量为10 380×104m3,区内地下水处于超采状态,超采区面积达768 km2。由于区内深层地下水长期处于超采状态,导致区域地下水水位呈逐年下降趋势。据《河南省中深层地下水开发利用调查评价报告》的地下水水位统调数据显示:2016年通许县集中式地下水型饮用水源地水位埋深为55.2～68.0 m,而2021年度的地下水水位埋深为57.9～86.0 m,水位变幅为-11.18～-25.66 m[7],详见表1。通许县区内中深层地下水的水位持续下降,下降速率为2.24～5.13 m/a,平均下降速率3.60 m/a,形势非常严峻。

表1 通许县中深层地下水水位变幅

图1 开封市县城供水水源情况

3.2 地下水环境状况

根据《开封市集中式地下水型饮用水水源地补给区环境状况调查报告》相关资料,对通许县具有代表性的地下水监测井水质进行取样化验,其中深层地下水监测井11眼,浅层地下水监测井4眼[8]。根据水质取样化验结果,浅层地下水1处水质良好,3处水质较差,且多项指标超标,超标因子包括:锰、磷酸盐、氟化物、溶解性总固体、总硬度、总氮、石油类、砷、菌落总数和浑浊度等10项[9]。深层地下水水质有2项指标超标,超标因子为钠和氟化物,其他检测因子均满足Ⅲ类水质标准[10],见表2。

3.3 污水处理情况

据调查,通许县现有污水处理厂1座,位于县城的产业集聚区,污水处理规模4万 t/d。项目分2期实施,一期采用奥贝尔氧化沟工艺,处理量2.07万 t/d;二期采用卡鲁塞尔氧化沟工艺,执行一级A排放标准,污水经处理达标后排入涡河故道西支流。全县人口53.9万人,按照150 L/人·d的排放系数计算,每天污水总排放量为8.08万 t/d,处理污水能力远远不能满足需要。近年来,随着环境保护力度的加大,县城基本完成建城区黑臭水体截污纳管、排污口整治任务,消除了城中村、老旧城区和城乡结合部生活污水收集处理设施空白区,但多数乡镇及村庄均未建集中式污水处理设施,存在生活污水乱排乱放现象。

综合以上可知,通许县大部分浅层地下水的水质较差,分别为IV类水、Ⅴ类水和劣Ⅴ类水,超标的主要因子为:总硬度、锰、溶解性总固体、硫酸盐、碘化物、氟化物、钠、菌落总数、浑浊度、总氮和砷共11项指标。超标率排序为:总硬度=锰=总氮>溶解性总固体>硫酸盐=碘化物=菌落总数>氟化物=钠=浑浊度>砷。深层地下水水质相对较好,水质类型为Ⅲ类水、IV类水、IV类水,主要超标因子为钠和氟化物,钠的超标率为18.18%,超标倍数为0.03～0.51倍;在11个监测井中只有1个监测井水的氟化物超标,属于局部水质超标,超标倍数为0.3倍[9]。

4 影响水环境的因素

4.1 地质原生因素

通许县地处黄河泛流冲积平原,在黄河古河道泛流带浅层地下水径流条件差,氟离子相对富集,易溶于水,致使浅层水氟化物含量升高。根据区域地质资料,结合《河南省地方性氟中毒环境水文地质研究》、《黄河冲积平原(河南省开封市)地下水环境背景值调查研究》、《河南省开封市2000年地下水资源及环境地质问题预测报告》等研究成果分析,通许县地下水的碘化物、钠和氟化物的超标均属于地质原生,锰、溶解性总固体也是区域原生水质造成的[11]。经调查,区内也未发现污染源的特征污染物存在碘化物、钠、氟化物、氯化物、溶解性总固体和硫酸盐等,进一步验证的地质原生成因的研究结果。

4.2 工业污染源

根据调查,区内存在的工业污染源有1个加工企业和多家加油站。加工企业涉及的行业类别为皮革鞣制加工类,产生的主要污染物为总铬和六价铬。该企业自1989年开始投产运行,于2011年12月关闭,运行期间未发生过有毒有害物质泄漏事故。区内加油站分布较广,由于站内储油罐和输油管线长期与地表水、土壤直接接触,不可避免地会出现腐蚀和渗漏现象。随着时间的推移,地下油罐由于金属材料的锈蚀会出现不同程度的渗(泄)漏现象,造成油罐周围的土壤污染,甚至污染物还会在土壤中下渗,污染附近的地下水环境。

4.3 生活污染源

生活污染源产生的污染多见于生活污水、生活垃圾的随意排放和堆弃,以及不规范的管理。县城内生活污水排放量为735.29×104t/a,生活污水进入污水处理厂进行了处理,经处理达标后排入地表河道。城区内的居民生活垃圾由城镇垃圾处理厂统一处理,无害化处理率100%。然而,农村生活污水处理设施较少,多数乡镇及村庄均未建集中式污水处理设施,存在生活污水乱排乱放现象。农村生活垃圾虽然采用村收集、乡运输、市统一集中无害化处理,但依然存在个别回收不及时,乱排乱放现象。以上情况,导致乱排污水和垃圾污染物随大气降水进入土壤及浅层地下水中,加剧了对土壤及浅层地下水环境的污染,污染因子主要为硝酸盐、亚硝酸盐、氨氮等。

4.4 农业污染源

农业污染源主要包括农用化肥污染源、农药污染源、规模化畜禽养殖污染源。根据调查,区内COD排放总量为2 909.47 t/a,全氮排放总量为135.20 t/a,全磷排放总量为41.76 t/a。种植业对水体的污染途径多以地表径流的方式,残留于土壤中的农药、化肥等污染物质随降雨、灌溉等过程下渗入含水层或被带入河流中,进而造成地下水和地表水体的环境污染。农药在农业生产中具有两面性,一方面减少病虫害,提高粮食产量,另一方面则是污染环境。据研究表明,目前我国农药喷施仅10%被有效利用,约90%会进入周围环境中,造成污染现象。养殖场的动物粪便被广泛的用于农田耕作中,会对区内土壤及浅层地下水造成污染,污染因子为硝酸盐、亚硝酸盐、氨氮等。

4.5 不同含水层之间串通

通许县浅层地下水的水质普遍较差,分别为IV类水、Ⅴ类水和劣Ⅴ类水,超标因子多达11项,大部分地区氟化物超标。深层地下水为只有一处监测点的氟化物超标,分析判断存在地质原生或是浅层地下水的污染物越流补给的原因。因为在长期的开采深层地下水的条件下,天然的水压平衡会发生变化,变化后地下水负压下降,形成一定规模的地下水降深漏斗,引发地面沉降和地裂缝[12]。随着地裂缝的不断发展,或者开采井分层止水效果不好,不同深度含水层之间会形成发生水力联系的通道[13]。浅层地下水在重力作用下会通过这些水力联系通道越流补给深层含水层,进而污染深层地下水的水质,造成地下水环境恶化。

5 问题分析及针对性措施

通许县主要的供水水源是深层地下水,水源较为单一,而深层地下水的补给来源少且途径较远,导致中深层地下水长期处于超采状态。随着经济发展,区内地下水的开采量仍在不断增加,造成深层地下水位持续下降,超采状况愈发严重。浅层地下水普遍受到了不同程度的污染,地下水环境差,且不同指标的污染程度不同,水质较差。区内处理污水能力不能满足需要处理的生活污水量,生活污水存在乱排乱放,造成浅层地下水污染日趋严重。随着浅层地下水和深层地下水之间水位差的不断增大,在的重力作用下,浅层地下水向深层含水层越流的风险性不断增大,深层地下水遭受污染的风险性也将随之增大。针对以上问题,提出下列控制措施:

(1)坚持以水定城、以水定产、以水定人、以水定地的“四定方案”来指导通许县的城市发展,在地下水超采区要严禁新建高耗水的建设项目,控制刚需之外的地下水开采量。同时,着重推进中水、雨水、洪水资源化设施建设,构建多源调配水网,科学配置生活、生态、生产用水,提高水资源利用效率,已建项目采取节水措施,控制水资源的总开采量。

(2)积极建设引黄工程、利用南水北调水中线水源等[14],扩大除深层地下水之外的其他水源的供水量,以逐渐减少区域地下水的开采量,控制地下水严重超采的局面[12]。

(3)增加县域内污水处理厂数量,并推进乡镇及村庄的集中式污水回收设施的建设,增强污水回收和处理能力,污水不处理或处理不达标不排放。积极发展绿色农业技术,严格控制使用农药、化肥的数量和质量,逐步改善浅层地下水的环境状况。

(4)建立完善的地下水监测网,对深层地下水位、水质、取水量及环境地质现象进行长期监测,以便及时准确地了解地下水环境动态,为保护地下水环境提供指导[15]。

6 结语

黄淮平原的多数县城,例如开封市通许县,受地质原生、工业污染源、生活污染源、农业污染源等因素的影响,浅层地下水的总硬度、锰、溶解性总固体、硫酸盐、碘化物、氟化物、钠、菌落总数、浑浊度、总氮和砷等11项评价因子超标,水环境状况较差,亟需治理恢复;深层地下水水质有2项评价因子超标,水环境相对较好,但存在受浅层水越流补给污染的风险,需要采取控制措施。通许县供水水源以中深层地下水为主,水源形式比较单一,地下水超采现象比较严重,造成区域地下水环境状况愈发严峻。针对地下水严重超采情况,需要采取改善水资源利用规划、开发地下水之外的供水水源等措施,控制地下水的开采量。同时,建立完善的地下水环境监测网,信息细化指导对地下水资源利用和对地下水环境的保护[16]。