楊建華,牛全麗,劉 帥

(1.山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局第二水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)/山東省魯北地質(zhì)工程勘察院,山東 德州 253015;2.東營(yíng)市自然資源和規(guī)劃局,山東 東營(yíng) 257091)

魯北地區(qū)地處黃河下游沖積平原地帶,飲用水源為深層地下水及黃河水,深層地下水中氟含量普遍偏高,造成氟中毒,屬于深層地下高氟水型地氟病病區(qū),是全省受地氟病危害比較嚴(yán)重的地區(qū)。其中濟(jì)陽(yáng)、博興、高青、廣饒、夏津、寧津等16縣777個(gè)村受危害人口65萬(wàn)余人[1-4],出現(xiàn)氟骨癥、氟斑、尿氟等癥狀,嚴(yán)重危害當(dāng)?shù)厝罕姷纳徒】礫5-6]。高氟地下水直接威脅廣大人民群眾的飲用安全,此研究高氟深層地下水的分布及成因,對(duì)尋求低氟淡水具有重要的意義。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于山東省北部,京滬鐵路以東,黃河以北,北至河北省,東、東南與東營(yíng)、淄博為鄰。主要包括德州市德城區(qū)、陵縣、平原縣、禹城市、齊河縣、臨邑縣、寧津縣、樂(lè)陵市、慶云縣以及濱州市和濟(jì)南市黃河以北的縣區(qū),面積約15 095 km2。

2 地下水安全供水影響因素分析

影響魯北地區(qū)地下水安全供水區(qū)劃的影響因素包括水質(zhì)、水位、水量等[7]。

2.1 水質(zhì)指標(biāo)

研究區(qū)內(nèi)水質(zhì)普遍較差,地下水中礦化度小于1 g/L的區(qū)域很小,根據(jù)魯北地區(qū)特殊的地域特點(diǎn),將礦化度標(biāo)準(zhǔn)值擴(kuò)大到2 g/L;硝酸鹽對(duì)人體健康影響較大,本次嚴(yán)格按照《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)(GB5749-2006)》中規(guī)定的20 mg/L(以N計(jì))作為飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn);氟離子含量根據(jù)《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)(GB5749-2006)》中小型集中式供水和分散式供水水質(zhì)指標(biāo)中規(guī)定的1.2 mg/L作為飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)[8]。

2.2 水位指標(biāo)

研究區(qū)深層地下水開(kāi)采歷史悠久,形成了地下水降落漏斗(圖1),深層地下水大量開(kāi)采,地下水水位持續(xù)下降是本區(qū)不均勻沉降發(fā)生的主要誘因[9],因此,規(guī)劃深層地下水開(kāi)采區(qū)域時(shí),需考慮水位的影響。據(jù)德州市1991-2006年地面沉降與地下水水頭埋深監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),地面沉降與深層地下水水頭之間的線性相關(guān)系數(shù)為-0.906,呈高度負(fù)相關(guān),兩者之間的關(guān)系可以通過(guò)一個(gè)三階多項(xiàng)式表示(圖2)。通過(guò)對(duì)趨勢(shì)線的前后段做切線,兩切線相交于水頭埋深106 m左右,表明當(dāng)水頭埋深超過(guò)106 m時(shí),地面沉降的速率隨著水位埋深的增加急劇增大。因此,區(qū)內(nèi)深層地下水開(kāi)采量最大允許埋深為106 m,為了計(jì)算趨于保守,本次最大允許水位埋深取值為100 m[10]。

圖2 德城區(qū)地面沉降量與深層地下水水位關(guān)系曲線圖

圖3 淺層地下水分質(zhì)計(jì)算分區(qū)圖

2.3 水量指標(biāo)

區(qū)內(nèi)淺層地下水與外界水量交換積極,水循環(huán)強(qiáng)烈,對(duì)水資源利用有積極意義。符合上述水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的區(qū)域主要位于陵縣、寧津縣、惠民縣等縣區(qū)的北部地區(qū)以及禹城市、齊河縣、商河縣等大片區(qū)域(圖3),分布面積共約4 442.33 km2,根據(jù)水均衡計(jì)算,符合水質(zhì)要求淺層地下水可開(kāi)采量共計(jì)6.26×108m3/a,其中各計(jì)算區(qū)的可開(kāi)采量分別為2.86×108m3/a、1.68×108m3/a、1.36×108m3/a、0.36×108m3/a(見(jiàn)表1)。

表1 淺層水水質(zhì)達(dá)標(biāo)范圍的可開(kāi)采量

研究區(qū)深層地下水氟離子濃度普遍為大于1.2 mg/L,只有禹城市、齊河縣、商河縣附近區(qū)域以及研究區(qū)東南部區(qū)域氟離子含量在0～1.2 mg/L之間(圖4);而在沾化縣附近有全咸水分布區(qū)外,其它都為礦化度小于2 g/L的區(qū)域,該區(qū)域地下水資源量對(duì)改水措施起著積極意義。根據(jù)計(jì)算結(jié)果,深層地下水中,礦化度和氟離子濃度都符合條件的區(qū)域面積共約1 769.95 km2,可開(kāi)采量共計(jì)1 032.47×104m3/a,Ⅰ1-Ⅰ3各計(jì)算子區(qū)的可開(kāi)采量為847.31×104m3/a、121.23×104m3/a、 63.93×104m3/a(見(jiàn)表2)。

表2 深層地下水水質(zhì)達(dá)標(biāo)可開(kāi)采量

3 地下水安全供水區(qū)劃原則及方法

3.1 區(qū)劃原則

3.1.1 水質(zhì)優(yōu)先原則

研究區(qū)內(nèi)有些地方存在適宜飲用的地下水,可以直接作為安全供水水源,但一些地區(qū)由于天然水質(zhì)較差或污染使得不能直接作為飲用水源,因此,區(qū)劃時(shí)應(yīng)以供水水質(zhì)是否合格作為主要區(qū)劃原則。

3.1.2 可持續(xù)開(kāi)發(fā)利用原則

地下水資源在區(qū)域內(nèi)分布不均,各縣(市)地下水開(kāi)采程度不一,重點(diǎn)供水水源地及富水地段,因地下水超采引發(fā)了地下水水位下降、地面沉降、水質(zhì)惡化、海(咸)水入侵等一系列地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題。根據(jù)區(qū)內(nèi)地下水的開(kāi)發(fā)利用現(xiàn)狀,應(yīng)根據(jù)可持續(xù)開(kāi)發(fā)利用的原則,進(jìn)行地下水供水區(qū)劃,使之在不影響環(huán)境的前提下得到最大利用。

3.2 區(qū)劃方法

根據(jù)以上區(qū)劃原則,以水質(zhì)是否達(dá)標(biāo)為基準(zhǔn)進(jìn)行研究區(qū)的一級(jí)區(qū)劃。研究區(qū)內(nèi)水質(zhì)普遍較差,地下水中礦化度小于1 g/L的區(qū)域很小,根據(jù)魯北地區(qū)特殊的地域特點(diǎn),參考以往研究成果,將礦化度標(biāo)準(zhǔn)值擴(kuò)大到2 g/L;硝酸鹽對(duì)人體健康影響較大,本次嚴(yán)格按照《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)(GB5749-2006)》中規(guī)定的20 mg/L(以N計(jì))作為飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn);氟離子含量根據(jù)《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)(GB5749-2006)》中小型集中式供水和分散式供水水質(zhì)指標(biāo)中規(guī)定的1.2 mg/L作為飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

圖4 深層地下水分質(zhì)計(jì)算分區(qū)圖

表3 地下水安全供水區(qū)劃一覽表

另外,若地下水中只有氟離子含量超標(biāo),則通過(guò)降氟處理達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)后,可作為飲用水開(kāi)發(fā)利用。而根據(jù)降氟方式的不同可分為工程降氟區(qū)與水處理除氟區(qū),當(dāng)氟離子濃度較大時(shí),工程改水后降氟效果不是很大,即使降氟成功,但一段時(shí)間后氟離子含量仍會(huì)回升,因此當(dāng)氟離子含量較大時(shí),以改變施工工藝方式并不能成功降氟,需經(jīng)過(guò)水處理進(jìn)行除氟。而“氟離子濃度到達(dá)何值時(shí),深層地下水可通過(guò)改變其成井施工工藝達(dá)到降氟目的”的專(zhuān)項(xiàng)研究較少,目前并沒(méi)有一個(gè)明確的界限值。根據(jù)山東省以往施工經(jīng)驗(yàn),預(yù)計(jì)氟含量在2.0 mg/L以內(nèi)時(shí),可通過(guò)工程措施降氟使之達(dá)到飲用水標(biāo)準(zhǔn)或略高于標(biāo)準(zhǔn),飲用不會(huì)對(duì)人體造成較大影響。因此,本次將2.0 mg/L作為可供過(guò)改變施工工藝達(dá)到降氟目的的分界線。

綜上,根據(jù)礦化度、硝酸根、氟離子濃度將研究區(qū)進(jìn)行一級(jí)區(qū)劃的劃分,分為:直接開(kāi)發(fā)利用區(qū)、工程降氟開(kāi)發(fā)利用區(qū)、水處理開(kāi)發(fā)利用區(qū)、非適宜飲用區(qū)。

除水質(zhì)要求外,可持續(xù)開(kāi)發(fā)利用也是進(jìn)行地下水安全供水區(qū)劃的重要原則。區(qū)內(nèi)一些因地下水的開(kāi)發(fā)已引起了一系列的水文地質(zhì)問(wèn)題,這些地區(qū)調(diào)減地下水開(kāi)采勢(shì)在必行;有些地區(qū)或采補(bǔ)平衡或開(kāi)采并未對(duì)環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重影響,這些地區(qū)應(yīng)以維持現(xiàn)狀為宜;而有些地區(qū)地下水賦存條件好,但開(kāi)采程度不大,為使資源得到充分利用,這些地區(qū)可適當(dāng)擴(kuò)大地下水的開(kāi)采。

圖5 地下水開(kāi)發(fā)利用區(qū)劃圖

4 安全供水區(qū)劃

本次水資源開(kāi)發(fā)利用區(qū)劃參考了農(nóng)村飲用水安全衛(wèi)生評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的要求,嚴(yán)格按照可持續(xù)開(kāi)發(fā)利用原則,并綜合考慮了水質(zhì)、水量、取水方便程度及供水保證程度等因素。水質(zhì)評(píng)價(jià)過(guò)程中既采用綜合水質(zhì)評(píng)價(jià)法,又參考單項(xiàng)指標(biāo)法(一票否決制法,即地下水中某些單項(xiàng)因子濃度超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)限值即為不適宜水質(zhì));根據(jù)含水介質(zhì)特征及水文地質(zhì)條件,評(píng)價(jià)區(qū)域富水性及可開(kāi)采模數(shù);以地下水開(kāi)發(fā)利用現(xiàn)狀為基礎(chǔ),對(duì)開(kāi)采潛力進(jìn)行分析;區(qū)劃中盡量避免遠(yuǎn)距離輸水管網(wǎng)的建設(shè)。根據(jù)本次魯北高氟區(qū)地下水調(diào)查評(píng)價(jià)結(jié)果,結(jié)合該區(qū)高氟水分布現(xiàn)狀及供水需求,制定了地下水開(kāi)發(fā)利用區(qū)劃(表3、圖5)。

5 降氟方法

(1)工程降氟:采用改變成井施工工藝的方式進(jìn)行降氟處理[11]。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)不同層位的巖土含氟量不同,且粘土層含氟量較高[1],則成井過(guò)程中對(duì)以上含氟量較高的層位進(jìn)行有效隔水處理,可降低開(kāi)采井中氟離子的含量。

(2)水處理除氟:建議以沸石除氟法進(jìn)行降氟處理。雖初次投資較大,但有越用越好的趨勢(shì),適合長(zhǎng)期使用,可以在高氟區(qū)進(jìn)行廣泛推廣。

6 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)水質(zhì)指標(biāo)、水位指標(biāo)、水量指標(biāo)分析,以水質(zhì)優(yōu)先、可持續(xù)開(kāi)發(fā)利用為原則,進(jìn)行了研究區(qū)淺層地下水、深層地下水安全供水區(qū)劃劃分,劃分為14個(gè)供水小區(qū),并從水質(zhì)、水量、取水方便程度及供水保證程度四個(gè)方面論證了開(kāi)發(fā)利用區(qū)劃的可行性,為區(qū)內(nèi)不同地區(qū)地下水安全供水提供了參考依據(jù),為其他類(lèi)似區(qū)域地下水規(guī)劃提供了參考。