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西南巖溶地區(qū)地下水污染及防治途徑

2014-04-08 11:58:06張軍以王臘春馬小雪
水土保持通報 2014年2期
關(guān)鍵詞:西南巖溶垃圾

張軍以,王臘春,馬小雪,張 麗

(1.南京大學 地理與海洋科學學院,江蘇 南京210093;2.貴州師范學院 地理與旅游學院,貴州 貴陽550018)

我國西南巖溶區(qū)地處亞熱帶暖濕—溫濕季風氣候區(qū),同時受西南及東南季風的影響,降水豐富,石灰?guī)r等碳酸鹽巖分布廣泛,可溶巖分布面積達1.14×106km2,出露面積7.80×105km2,西南巖溶石山地區(qū)面積約6.20×105km2[1],主要集中分布在滇、黔、桂等省份。該區(qū)域也是我國珠江、長江及元江等河流上游重要的生態(tài)屏障區(qū),生態(tài)地位重要。區(qū)內(nèi)巖溶作用強烈,裂隙、溶隙、落水洞發(fā)育強烈,地表水與地下水交換迅速,地表滲漏嚴重。降水入滲補給系數(shù)達0.4~0.8,比北方地區(qū)高出0.3~0.5[2]。加之區(qū)內(nèi)水土流失、石漠化等環(huán)境問題造成的地表植被減少,地表涵養(yǎng)水源能力較弱,地表水難以儲存,易出現(xiàn)“工程型”缺水等用水安全問題。2010年僅滇桂黔石漠化地區(qū)中的廣西片區(qū)就有325.4萬農(nóng)村人口存在飲水安全問題;云南片區(qū)有36.6萬戶約150萬人飲水不安全;貴州省同年飲水不安全人口達1 016萬,其中超過500萬人分布在滇桂黔巖溶片區(qū)的貴州石漠化片區(qū)[3]。強烈?guī)r溶作用形成的地表地下二元三維儲水結(jié)構(gòu),成為優(yōu)良的儲水體,造成地表水缺乏,而地下水豐富。此外,巖溶地下水資源可采資源量及開采潛力大,但由于巖溶地區(qū)地形地貌破碎、地表土壤層相對較薄且分布異質(zhì)性高,相對于東部平原地區(qū),巖溶地區(qū)常缺少天然防滲或過濾層,地表水和地表污染物很容易通過裂隙、落水洞等直接進入地下含水層或地下河,造成巖溶地下水污染。因此,本研究通過對西南巖溶地區(qū)地下水污染現(xiàn)狀及特點進行深入分析的基礎(chǔ)上,探討了西南巖溶地區(qū)地下水污染的防治對策。

1 西南巖溶地下水資源及開發(fā)利用概況

我國西南巖溶山區(qū)涵蓋廣西、貴州、云南、廣東、湖南、湖北、四川及重慶8省(市、區(qū)),位于100°34′—114°10′E,22°00′—30°04′N 之間,東西1 380km,南北1 010km,覆蓋部分珠江流域及長江流域,總面積約7.60×105km2?,F(xiàn)已探明地下水天然資源量為1.76×1011m3/a,允許開采量為6.21×109m3/a,已開采量為9.03×109m3/a,總體開采利用率為14.54%,剩余資源潛力為5.31×1010m3/a,其中長江流域2.50×1010m3/a,珠江流域2.57×1010m3/a,國際諸河(元江流域)2.44×109m3/a[4]??梢娢髂蠋r溶山區(qū)地下水資源豐富,開發(fā)利用潛力巨大。此外,巖溶山區(qū)發(fā)育的地下河是優(yōu)良的地下水水源,易于開發(fā)利用,成本相對較低且水質(zhì)較好。我國南方主要巖溶地區(qū),已知3 358條巖溶地下河系統(tǒng),僅枯季流量就達4.20×1010m3/a,目前僅開發(fā)利用8%~15%[5],剩余開發(fā)利用潛力巨大。在滇、黔、桂巖溶分布密集區(qū),地下水總允許開采量3.06×1010m3/a,其中云南省開采利用率較高,已開采利用3.61×109m3/a,占總可開采總量的33.94%。貴州及廣西兩省利用率較低,僅為11.54%及6.87%。而作為滇、黔、桂三省巖溶山區(qū)地下水開采利用率最高的云南省,2011年水資源公報顯示該省河道外供水量1.47×1010m3,其中地表水資源供水量占96%,地下水僅占3%,地下水占供水總量的比重嚴重偏低。總體上,西南巖溶山區(qū)地下水資源豐富,但目前開發(fā)利用水平較低,有待于進一步的開發(fā)利用。

2 西南巖溶地下水污染現(xiàn)狀及特點

西南巖溶地下水污染主要以人為污染為主,且人類活動導致的生態(tài)環(huán)境問題已造成地下水資源減少。據(jù)廣西、云南、湘西、貴州等省區(qū)實測資料顯示,從20世紀80年代至今,地下水資源約減少了10%,而同期的降水量沒有明顯變化,主要是由人類經(jīng)濟活動、砍伐森林、開荒種地所致。西南地區(qū)地形崎嶇破碎,平壩耕地稀少,生態(tài)環(huán)境脆弱,石漠化嚴重,人地矛盾尖銳,如我國巖溶地貌分布集中的云南、貴州、廣西3省石漠化面積達88 091.7km2,其中重度石漠化面積就占25.8%,達22 719.81km2。同時,2011年3省平均人口密度158人/km2,比同期全國平均人口密度高出18人,但3省人均GDP 20 228元,僅為同期全國平均水平的57.7%[6-9],社會經(jīng)濟正處于工業(yè)化快速發(fā)展階段,人類活動對生態(tài)環(huán)境的影響強度不斷增強。脆弱的自然生態(tài)環(huán)境條件,加之強烈的人類活動勢必對區(qū)域地下水水環(huán)境造成嚴重影響,不合理的排污活動導致地下水資源的嚴重污染乃至水環(huán)境的惡化。

2.1 以城市為中心,污染物質(zhì)趨于復雜

西南巖溶山區(qū)社會經(jīng)濟發(fā)展相對落后,隨著國家西部大開發(fā)的深入推進,社會經(jīng)濟發(fā)展水平迅速提高,尤其是工業(yè)化進程較快的省會及各級中心城市。經(jīng)濟的迅速發(fā)展,城市規(guī)模及人口迅猛增長,對資源的消耗急劇增加,如貴州省能源消費總量由2006年的5.58×107t標準煤增加到2011年的8.36×107t標準煤,年均增長10%,且能源結(jié)構(gòu)不合理,污染較大的原煤占能源消耗比重的48.8%,天然氣僅占0.6%[8]。同時城市發(fā)展產(chǎn)生的各類生活生產(chǎn)污水、垃圾的不合理排放也造成了地下水的嚴重污染,尤其是在中小城市廢水及垃圾處理率低,大量生活垃圾不經(jīng)處理無序堆放,垃圾發(fā)酵產(chǎn)生的浸出液含有多種劇毒物質(zhì),對地下水環(huán)境造成嚴重污染,并直接影響到人體健康,如重慶市彭水縣垃圾無序堆放導致地下河水體中的優(yōu)先控制污染物PAEs(鄰苯二甲酸酯類)濃度高達233.5ng/L,高致癌物質(zhì)PAHs(多環(huán)芳烴)濃度為51.4ng/L[10],表明地下河正在遭受垃圾滲濾液的嚴重污染,且污染物質(zhì)趨于復雜多樣化。

2.2 工礦開采及“三廢”污染嚴重

西南地區(qū)是我國有色金屬資源分布集中區(qū),有色金屬資源豐富,如云南省個舊市的錫礦、東川區(qū)的銅礦及鈦礦等,有“有色金屬王國”之稱;廣西省銦金屬儲量世界第一,有“有色金屬之鄉(xiāng)”的美譽。在優(yōu)勢礦產(chǎn)資源開采及深加工過程中,企業(yè)往往注重短期經(jīng)濟效益,忽視生態(tài)環(huán)境效益,不注重排污處理或要求不嚴格,造成大量有害物質(zhì)(廢水、廢氣、廢渣浸出液)通過地表裂隙等迅速滲透到地下,造成地下水嚴重污染。如廣西省鳳山縣的金牙金礦,因廢棄尾礦壩的砷、硫污染,已造成金牙鄉(xiāng)1 000余人砷中毒及稻田減產(chǎn),并影響到下游石馬湖水庫與三門海地下河。取樣檢測結(jié)果顯示,金牙金礦尾礦壩滲水砷含量近0.4 mg/L,高于飲用水許可標準含量70多倍[10];廣西省黑水河流域的錳礦開發(fā),同樣對流域地下水造成嚴重污染,導致位于地下河出口的湖潤鎮(zhèn)水廠,錳含量超標約59倍[10]。由于地表水的相對缺乏,地下水已逐漸成為西南巖溶地區(qū)農(nóng)村及城市重要的飲用水水源,若不能對污染源進行有效控制及治理,將使地下水水質(zhì)惡化,對人體健康造成威脅,易導致區(qū)域大面積重金屬中毒事件的發(fā)生。

2.3 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的面源污染導致地下水污染范圍廣

西南巖溶地區(qū)由于成土母質(zhì)的特殊性,成土速率極低,生成厚度1cm的土壤約需2 000~3 000a以上[11],且土層分布不連續(xù),土壤貧瘠。而西南巖溶地區(qū)城鄉(xiāng)二元結(jié)構(gòu)突出,農(nóng)村人口比重大,農(nóng)民在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中為獲得穩(wěn)定的收成,大量使用化肥及農(nóng)藥。如貴州省2011年化肥及農(nóng)藥使用量分別為535.95和8.24kg/hm2,其中化肥使用量高出同期全國平均使用量184.45kg/hm2(全國平均351.50kg/hm2)[8],比全國平均水平高出52.48%。此外,地形破碎、耕地分布零散,造成大面積的地下水污染。研究表明,高強度的土地利用可導致地下水水質(zhì)惡化[12],地下水水質(zhì)污染分布與土地利用格局分布具有一致性[13]。西南巖溶山區(qū)由于表層儲水介質(zhì)的孔隙率、裂隙率高,降水入滲透率比北方地區(qū)高0.3~0.5[2],如廣西省弄拉等地的表層巖溶帶裂隙率達60%,降雨入滲系數(shù)可達0.7[14],而山東土門巖溶區(qū)的降水入滲系數(shù)僅為0.3[14]。加之地表土壤層較薄,甚至缺乏土壤等過濾層,化肥、農(nóng)藥及農(nóng)家肥的不合理使用,遇降水極易下滲進入地下水環(huán)境,造成地下水環(huán)境污染。同時,在不同復種指數(shù)農(nóng)作區(qū)(低復種指數(shù)到高復種指數(shù))的研究顯示,隨著復種指數(shù)的提高,淺層地下水中NO-3,NH+4,PO3-4、高錳酸鉀指數(shù)及SO2-4 含量依次增大,呈上升趨勢[15]。整體上,高強度的耕地利用差異和耕地分布的分散增加了對地下水污染的影響范圍,易造成大面積的地下水污染。

2.4 農(nóng)村生活垃圾污染

巖溶山區(qū)環(huán)境相對閉塞,社會經(jīng)濟發(fā)展水平低,農(nóng)村生活垃圾一般不經(jīng)處理隨意堆放,村寨糞土,垃圾亂倒,污水亂潑,畜禽亂跑等現(xiàn)象突出。據(jù)2006—2007年全國農(nóng)村飲用水與環(huán)境衛(wèi)生調(diào)查數(shù)據(jù)顯示,全國農(nóng)村人均日生活性垃圾量為0.86kg,人均日生產(chǎn)性垃圾量為2.03kg[16]??紤]到西南巖溶地區(qū)農(nóng)村社會經(jīng)濟發(fā)展水平較低,人均垃圾產(chǎn)生量低于全國平均水平,按其人均GDP占全國平均水平的比重(57.7%)計算人均生活、生產(chǎn)性垃圾產(chǎn)生量,分別為0.50和1.71kg/d。僅巖溶面積分布最集中的云南、貴州、廣西三省2011年農(nóng)村人口7 886萬人(農(nóng)村人口按2012年中國統(tǒng)計年鑒中城鎮(zhèn)與鄉(xiāng)村統(tǒng)計區(qū)分)[9]計算,日均產(chǎn)生生活性垃圾39 430t,生產(chǎn)性垃圾134 850.6t,鄉(xiāng)村垃圾處理率極低,幾乎全部以隨意排放的方式進入到巖溶環(huán)境中。同時,隨著農(nóng)村經(jīng)濟發(fā)展水平的提高,農(nóng)村垃圾向復雜化、城市化發(fā)展趨勢顯著,已由傳統(tǒng)的易腐爛降解為主發(fā)展為以難降解的有毒有害垃圾為主。垃圾主要由傳統(tǒng)的可降解有機物類(瓜皮、雜草、廢布/紙等)轉(zhuǎn)化為以難降解的化學廢棄物(塑料薄膜、廢棄電池、化學纖維等),種類及成分日趨復雜多樣化,對環(huán)境污染日益嚴重。此外,更為嚴重的是巖溶山區(qū)農(nóng)民往往將生活垃圾、動物尸體等直接丟棄到地下河天窗,垃圾在地下河道浸泡、發(fā)酵,尤其是廢舊電池、農(nóng)獸藥殘留等對地下河水體造成嚴重污染,嚴重威脅到巖溶地下洞腔系統(tǒng)中的生物多樣性及區(qū)域居民的身體健康。

3 巖溶地下水污染防治調(diào)控途徑

3.1 加強巖溶地區(qū)地下水調(diào)查研究力度及定位監(jiān)測

西南巖溶地區(qū)巖溶作用強烈,地下巖溶地貌發(fā)育良好,地下河分布廣泛。但目前大部分地下河情況不清,資源不明,部分在未開發(fā)利用時已受到嚴重污染。因此,應(yīng)加大對西南巖溶地區(qū)地下水資源調(diào)查,掌握西南巖溶地區(qū)主要地下河系統(tǒng)的水文流域匯水面積、排泄區(qū)域及流域社會經(jīng)濟發(fā)展狀況、農(nóng)業(yè)發(fā)展模式等,開展巖溶地下水環(huán)境脆弱性調(diào)查評價,摸清重要流域的主要工業(yè)污染源、生活污染源、農(nóng)業(yè)污染源,包括各類污染源的主要污染物、年排放量、污染物的傳輸擴散途徑等,為將來劃定合理的流域治理及保護規(guī)劃提供科學依據(jù)。同時,在位于重要中心城鎮(zhèn)飲用水水源地、人口密集的糧食主產(chǎn)區(qū)的主要地表河、地下河水源水質(zhì)進行定位觀測,建設(shè)西南巖溶地區(qū)地下水水質(zhì)與環(huán)境地質(zhì)信息監(jiān)測系統(tǒng),及時掌握相關(guān)水資源水質(zhì)、水量變化情況,確保區(qū)域生產(chǎn)生活用水安全。

3.2 加強保護地下河、地下水水環(huán)境的教育宣傳,提高村民水環(huán)境保護意識

西南巖溶地區(qū)尤其是巖溶山區(qū)社會經(jīng)濟落后,農(nóng)民受教育程度普遍不高,如貴州省人均受教育程度僅7.41a,低于全國平均水平1.64a[3]。鄉(xiāng)村村民對生態(tài)環(huán)境保護意識普遍不高,尤其是村民對巖溶地下水環(huán)境的認識更加不足,對“看不見”的巖溶地下水環(huán)境的認知及保護意識淡薄,導致農(nóng)村生活垃圾隨意傾倒到落水洞、地下河天窗等。因此,應(yīng)加強宣傳,通過印制圖文并茂的展板、圖書資料等各類形式的宣傳教育材料,使村民能直觀地認識到巖溶地下水環(huán)境的重要性及自身不合理活動對巖溶地下水造成的污染和破壞,進一步讓村民了解認識到巖溶地下水環(huán)境污染破壞后,對自身身體健康及生產(chǎn)生活的影響,增強村民約束自我行為的意識及保護地下水環(huán)境的迫切性。

3.3 調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu),關(guān)停巖溶地區(qū)重污染企業(yè)及推進農(nóng)村垃圾集中處理

西南地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展正處于工業(yè)化的初中期階段,制造業(yè)內(nèi)部構(gòu)成由輕型工業(yè)的迅速增長轉(zhuǎn)向以重型工業(yè)的迅速增長為主的發(fā)展階段,如云、貴、川、桂4省三大產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)中,第二產(chǎn)業(yè)平均比重為46.4%[6-8],與全國平均水平持平。要改變傳統(tǒng)工業(yè)化高能耗,高污染的路子,尤其要改變西南地區(qū)低水平粗放式開采有色金屬礦產(chǎn)資源的現(xiàn)狀,政府應(yīng)利用用地審批、稅收、金融等方面的政策傾斜,通過市場機制推進循環(huán)型、節(jié)約型經(jīng)濟的發(fā)展,進一步優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)。在企業(yè)排污方面,強化監(jiān)督管理,嚴禁不達標排放及使用滲井、滲坑排放等,實現(xiàn)排污溝渠硬化,防止污染滲漏,嚴格控制污染源。巖溶地下水污染存在治理困難、成本極高且周期長等特點,要堅持“預防為主,治理為輔”的原則,從源頭上防治地下水的污染。同時,在西南巖溶地區(qū)地下水水環(huán)境的特殊背景下,以“生態(tài)效應(yīng)優(yōu)先,兼顧經(jīng)濟效益”的原則,堅決關(guān)停淘汰一批落后的重污染型工業(yè)企業(yè)及生產(chǎn)工藝,加速產(chǎn)業(yè)升級換代,對部分污染嚴重的產(chǎn)業(yè)進行限期整改或升級。此外,西南地區(qū)城市化水平低且落后于工業(yè)化發(fā)展進程,主要由于工業(yè)結(jié)構(gòu)對勞動力的吸納能力不足,因此政府應(yīng)有計劃地加快推進城鎮(zhèn)化進程,加快農(nóng)村居民點聚居建設(shè),推進鄉(xiāng)村小城鎮(zhèn)化進程,建立集中的城鎮(zhèn)及農(nóng)村垃圾處理設(shè)施,提高垃圾處理率,減少農(nóng)村垃圾對巖溶地下水環(huán)境的污染。

3.4 大力發(fā)展有機生態(tài)農(nóng)業(yè),減少化肥農(nóng)藥對地下水的污染

巖溶地區(qū)地表水地下水交換迅速且缺乏土壤等有效過濾層,傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)大量使用化肥農(nóng)藥,極易隨降水進入地下管網(wǎng)系統(tǒng),不僅造成化肥等使用效益的降低且造成地下水的污染。研究表明,巖溶地區(qū)隨著土地利用方式的變化,地下水質(zhì)量也出現(xiàn)一定程度的下降,如林地轉(zhuǎn)變?yōu)楦兀?7]。賈亞男[13]等對貴州省水城盆地1980—2003年20a多間巖溶水水質(zhì)的研究表明,地下水質(zhì)污染區(qū)分布與土地利用分布具有一致性。因此,巖溶地區(qū)適宜大力發(fā)展無公害的有機生態(tài)農(nóng)業(yè),減少化肥農(nóng)藥的使用量。此外,要對農(nóng)田渠道進行硬化處理,減少滲漏。

3.5 農(nóng)村生態(tài)環(huán)境進行綜合治理及地下水污染治理技術(shù)攻關(guān)

巖溶山區(qū)農(nóng)村存在生活垃圾、廢水隨意堆放、排放的現(xiàn)狀。應(yīng)以國家新農(nóng)村建設(shè)為契機,對村寨新建房屋進行統(tǒng)一規(guī)劃,修建統(tǒng)一的污水排放渠道,建設(shè)村寨污水溝渠及統(tǒng)一處理點、垃圾固定存放點,并提高溝渠防滲標準。針對人畜糞便的污染,進行無害化衛(wèi)生廁所改造,并推進農(nóng)村沼氣工程建設(shè),變廢為寶。沼氣滿足農(nóng)戶生活能源需要,沼渣/液用來肥田,不僅易于農(nóng)作物吸收,且減少營養(yǎng)元素的流失,促進資源的高效利用,減少對地下水的污染。同時,地下水污染治理技術(shù)一直是水污染治理領(lǐng)域的難題之一,缺少成熟可供推廣的技術(shù)模式。巖溶地區(qū)地表水與地下水交換迅速,巖溶作用強烈且地表土壤等過濾層相對缺失,地下水易受到地表污染物的直接污染,應(yīng)根據(jù)巖溶地區(qū)水環(huán)境的特殊性,有針對性地加強投入,對巖溶地下水污染治理相關(guān)技術(shù)手段及技術(shù)體系進行攻關(guān)研究。如地下水污染的風險評價及檢測,地下水污染的數(shù)值模擬,污染物的擴散遷移途徑,地下水污染的同位素研究等關(guān)鍵技術(shù)。

4 結(jié)論

西南巖溶地區(qū)的水資源保護不僅關(guān)系到區(qū)域生態(tài)環(huán)境建設(shè),更關(guān)系到社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展,同時作為我國長江、珠江兩大水系的上游匯流地區(qū),水環(huán)境、水資源的保護對保證下游生產(chǎn)生活用水安全具有重要的意義。巖溶地區(qū)特殊的地表地下“二元三維”儲水結(jié)構(gòu)及發(fā)達的管網(wǎng)系統(tǒng),使地表水與地下水交換迅速,易導致地表水缺乏,出現(xiàn)干旱及“工程型”缺水,并且污染源更易擴散,增加了治理難度,使地下水污染不同于一般平原地區(qū),監(jiān)測治理難度更大。巖溶含水體中裂\溶隙水,若無管網(wǎng)與相鄰地下水存在水力聯(lián)系,其自身更新速度較慢,污染在短時間內(nèi)難以恢復,增加了治理難度。另一方面,深入推進巖溶地區(qū)針對水土流失、石漠化、森林退化等生態(tài)環(huán)境問題的生態(tài)修復工程建設(shè),對提高巖溶地區(qū)涵養(yǎng)水源、保水固土能力具有重要作用,有利于提高山區(qū)水資源的可持續(xù)利用。此外,在當前巖溶地下水開發(fā)利用技術(shù)不成熟,開發(fā)利用存在一定難度的情況下,部分巖溶地下水已出現(xiàn)較嚴重的污染,因此要以“保護優(yōu)先,適度開發(fā)”為原則,加大對巖溶地區(qū)重要流域的水量水質(zhì)監(jiān)測及保護,可考慮通過適當生態(tài)移民,劃定部分重要巖溶地區(qū)為水源保護區(qū),實行嚴格保護。

致謝:本文引用了國土資源部中國地質(zhì)調(diào)查局“西南巖溶石山地區(qū)地下水與環(huán)境地質(zhì)調(diào)查”計劃項目成果“西南巖溶石山地區(qū)地下水勘查與生態(tài)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查評價報告”的部分數(shù)據(jù)資料,特此說明并表示感謝。

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