姜寶良 林浩琦 李春娥

(1.華北水利水電大學(xué)，河南鄭州 450046；2.濟(jì)源市節(jié)約用水辦公室，河南濟(jì)源 459003)

濟(jì)源市是一個(gè)新興工業(yè)城市，是全國(guó)重要的鉛鋅深加工基地和電力能源基地，已形成鋼鐵、鉛鋅、能源、化工、機(jī)械制造和礦用電器六大支柱產(chǎn)業(yè)[1]，其主要工業(yè)企業(yè)大多分布在濟(jì)源盆地北部和西部的山前地帶。隨著社會(huì)的高速發(fā)展，人類對(duì)自然環(huán)境的干預(yù)亦日益強(qiáng)烈，原本受控于自然環(huán)境條件的地下水水質(zhì)，正越來越多地受到人類活動(dòng)的影響[2]。濟(jì)源盆地北部地下水化學(xué)類型由HCO3-Ca·Mg型和HCO3-Ca型演變?yōu)镠CO3·SO4-Ca·Mg型，造成了地下水污染。通過對(duì)濟(jì)源盆地地下水化學(xué)類型演變的研究，分析其影響因素，為環(huán)境及地下水保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)，對(duì)濟(jì)源市開展“碧水藍(lán)天”行動(dòng)具有深遠(yuǎn)影響。

1 濟(jì)源盆地自然地理概況

濟(jì)源盆地位于暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，總的特點(diǎn)是春季溫暖多風(fēng)，夏季炎熱多雨，秋季天高氣爽，冬季干冷少雪。

降水分布受地理位置和地形影響較大，一般由北向南遞減，山區(qū)由低向高遞增。由于山地對(duì)東南氣流有抬升作用，因而降水較多，山區(qū)降水多于平原和丘陵。

濟(jì)源境內(nèi)總的地貌特征是李八莊以東為山前傾斜平原，北部崇山峻嶺，西部群山連綿，南部丘陵起伏，形成了西高東低的簸箕形盆地(即濟(jì)源盆地)。其特殊的地形特征和氣候特點(diǎn)，不利于大氣中污染物的擴(kuò)散。

濟(jì)源盆地北部的孔山、太行山和萬洋山出露地層均為寒武-奧陶系碳酸鹽巖；南部丘陵區(qū)為第四系黃土，中東部平原區(qū)為第四系砂卵礫石、砂土、粉土和粉質(zhì)黏土。

濟(jì)源盆地地下水資源豐富，地下水類型主要有第四系松散巖類孔隙水和寒武-奧陶系碳酸鹽巖類裂隙巖溶水。松散巖類孔隙水主要分布在沁河和蟒河沖洪積扇區(qū)，主要受大氣降水入滲，河、渠水入滲及灌溉水回滲補(bǔ)給，以人工開采、徑流和蒸發(fā)排泄為主。孔隙地下水流向與地形坡向基本一致，為自西、西北向東及東南方向徑流[3]。碳酸鹽巖類裂隙巖溶水主要分布在克井盆地及其附近，主要受北部碳酸鹽巖裸露山區(qū)大氣降水入滲補(bǔ)給、沁河河水側(cè)向徑流補(bǔ)給。在克井山間盆地的出口處，第四系砂卵礫石與寒武-奧陶系灰?guī)r直接接觸，形成“天窗”，在天然條件下，巖溶水位高于孔隙水位，成為巖溶水的排泄途徑?？傊?，濟(jì)源盆地的地下水主要來源于大氣降水入滲補(bǔ)給。

2 濟(jì)源盆地地下水化學(xué)類型分布特征及其演變

2.1 天然狀態(tài)

2000年濟(jì)源盆地北部、西部和南部地下水化學(xué)類型為HCO3-Ca·Mg型和HCO3-Ca型；盆地中部局部水化學(xué)類型較復(fù)雜，有HCO3·SO4-Ca·Mg型、HCO3-Na·Ca·Mg型、HCO3·SO4-Ca·Na型、HCO3-Ca·Na型，人類活動(dòng)影響較小[10]。如圖1所示。

(1)北部地下水化學(xué)類型為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學(xué)類型為HCO3-Ca型。

(2)西北、西南部山丘區(qū)及山前沖洪積傾斜平原區(qū)地下水化學(xué)類型為HCO3-Ca型及HCO3-Ca·Mg型。

山區(qū)和沖洪積扇上部地勢(shì)較高，地面坡降大，徑流條件好，地下水運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，以淋濾作用為主，地下水化學(xué)類型為HCO3-Ca·Mg型和HCO3-Ca型。

(3)地勢(shì)平坦的平原中部，地下水運(yùn)動(dòng)緩慢，流徑距離長(zhǎng)，水位埋深較小，地下水中的離子不斷聚積，以濃縮作用和離子交換吸附作用為主，地下水化學(xué)類型為HCO3·SO4-Ca·Mg型、HCO3-Na·Ca·Mg型、HCO3·SO4-Ca·Na型、HCO3-Ca·Na型，其分布面積較小。

圖1 2000年濟(jì)源盆地地下水化學(xué)類型分布

2.2 現(xiàn)狀

目前，濟(jì)源盆地北部平原區(qū)和山區(qū)地下水化學(xué)類型均為HCO3·SO4-Ca·Mg型，南部的黃土丘陵前緣地帶為HCO3-Ca型和HCO3-Ca·Mg型[11]，如圖2所示。

圖2 2016年濟(jì)源盆地地下水化學(xué)類型分布

(1)北部：地下水化學(xué)類型均為HCO3·SO4-Ca·Mg型。盆地北部山前地帶，工業(yè)、農(nóng)業(yè)和人類活動(dòng)較少，特別是北部深山區(qū)，既沒有人類活動(dòng)，也沒有工業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)田灌溉，其地下水化學(xué)類型為HCO3·SO4-Ca·Mg型，其硝酸鹽、硫酸鹽、溶解性總固體及總硬度等均較高，見表1。

表1 珍珠泉和牛妖洞泉水質(zhì)分析結(jié)果 mg/L(pH值除外)

(2)西南部：地下水化學(xué)類型仍為HCO3-Ca型和HCO3-Ca·Mg型，為天然狀態(tài)的水質(zhì)類型。曲陽(yáng)水庫(kù)附近，地下水受水庫(kù)水質(zhì)影響，其類型為Cl·HCO3-Ca·Mg型。

(3)東南部：受蟒河地表水的影響，地下水化學(xué)類型為HCO3·SO4-Ca·Mg·Na型。

2.3 演變

(1)北部：地下水化學(xué)類型由HCO3-Ca·Mg型和HCO3-Ca型演變成HCO3·SO4-Ca·Mg型。

(2)西部：思禮鎮(zhèn)附近地下水化學(xué)類型由HCO3-Ca型演變成HCO3·SO4-Ca·Mg型；曲陽(yáng)湖附近地下水化學(xué)類型由HCO3-Ca型演變成Cl·HCO3-Ca·Mg型。

(3)東南部：地下水化學(xué)類型由HCO3-Ca·Mg型演變HCO3·SO4-Ca·Mg·Na型。

(4)南部：黃土丘陵區(qū)前緣仍保持天然狀態(tài)下的HCO3-Ca型和HCO3-Ca·Mg型。

總之，濟(jì)源盆地北部和東南部地下水化學(xué)類型變化較大，而南部黃土丘陵區(qū)基本無變化。

3 影響因素分析

一般情況下，地下水化學(xué)類型受地形地貌、地層巖性和水文地質(zhì)條件等因素的影響[4]。濟(jì)源盆地北、西部地下水化學(xué)類型的演變除受上述因素影響外，還受工業(yè)生產(chǎn)中排放到大氣中的CO2、SO2和NOx等污染物的影響。

3.1 濟(jì)源市工業(yè)發(fā)展情況

濟(jì)源市工業(yè)以火電、冶煉、焦化、鋼鐵、化工、建材等為主，其主要工業(yè)企業(yè)大多分布在濟(jì)源盆地的北部和西部的山前地帶。較快的經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度、不盡合理的產(chǎn)業(yè)布局，嚴(yán)重影響著濟(jì)源市的環(huán)境空氣質(zhì)量。

濟(jì)源市主要工業(yè)產(chǎn)品產(chǎn)量大幅度增加(特別是發(fā)電量、焦炭、鋼材、燒堿和粗鋼)。2004年以后，主要工業(yè)產(chǎn)品產(chǎn)量迅速增加。發(fā)電量由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；其它主要工業(yè)產(chǎn)品產(chǎn)量也均呈倍數(shù)增加。

濟(jì)源市煤炭消耗量從2000年前的低于40×104t，增加到2010年的1 000×104t，2013年達(dá)到高峰值1 500×104t，近年來有所下降，2015年下降到1 300×104t。

濟(jì)源市工業(yè)生產(chǎn)的快速發(fā)展，一方面消耗了大量的水資源和煤炭；另一方面又排出大量的廢水、廢氣和廢渣，直接或間接地影響地下水水質(zhì)。而廢氣中的CO2、SO2和NOx等污染物是濟(jì)源盆地北部地下水化學(xué)類型變化的主要原因[5]。

3.2 濟(jì)源市大氣主要污染物排放情況

工業(yè)生產(chǎn)中燃煤、石油和天然氣排放出大量SO2，NOx，煙(粉)塵等污染物，導(dǎo)致空氣被嚴(yán)重污染。濟(jì)源市主要大氣污染物排放量如圖3所示。

圖3 濟(jì)源市大氣污染物排放量動(dòng)態(tài)曲線

由圖3可知：濟(jì)源市大氣中SO2排放量1998～2003年呈逐年下降趨勢(shì)，2003～2005年增加到6.05×104t，2005～2007年穩(wěn)定在6×104t左右，2008年突減到3.61×104t，2008～2010年增加到4.55×104t，之后呈緩慢下降趨勢(shì)；NOx排放量從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，之后呈逐年下降趨勢(shì)，至2015年下降到3.78×104t。

根據(jù)濟(jì)源市歷年主要工業(yè)產(chǎn)品產(chǎn)量、煤炭消耗量、大氣污染物排放量，推測(cè)地下水化學(xué)類型是從2005年開始發(fā)生變化，由HCO3型演變成了HCO3·SO4型。雖然濟(jì)源市采取的節(jié)能減排措施產(chǎn)生了一定的效果，但總的環(huán)境質(zhì)量形勢(shì)仍不容樂觀。

3.3 大氣污染物對(duì)地下水的影響

濟(jì)源盆地地形北高南低，三面環(huán)山，屬暖溫帶季風(fēng)氣候，受季風(fēng)影響顯著。夏季盛行東南風(fēng)，將空氣輸送到太行山前受阻，發(fā)生爬坡抬升和風(fēng)向切變作用，形成氣旋，致使云雨天氣頻發(fā)，降雨量增大[12]。又由于其簸箕狀地形和特殊的氣候條件，致使分布在北部和西部山前的工廠在生產(chǎn)中排放的廢氣不易擴(kuò)散，易隨降水滲入地下，對(duì)地下水產(chǎn)生影響。

根據(jù)《河南省環(huán)境狀況公報(bào)(2006～2016年)》，濟(jì)源市除2012年、2013年、2015和2016年未發(fā)生酸雨現(xiàn)象外，其他7年均發(fā)生酸雨現(xiàn)象，酸雨發(fā)生頻率在河南省屬最高。雖然濟(jì)源市近兩年未發(fā)生酸雨現(xiàn)象，但是其排放的SO2、CO2和NOx濃度均超過Ⅱ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)空氣環(huán)境質(zhì)量的影響不容小覷。

大氣中CO2、SO2和NOx遇降水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使降水中的H+、CO32-、SO42-和NO3-含量均增加。大氣降水中的H+含量越多，pH值就越小，酸性也就越強(qiáng)[6]。當(dāng)pH值小于5.6時(shí)，就形成酸雨。

例如：珍珠泉水化學(xué)類型由HCO3-Ca·Mg型演變成HCO3·SO4-Ca·Mg型。其硫酸鹽、硝酸鹽、總硬度和溶解性總固體等均大幅度增加。其中，硫酸鹽和硝酸鹽含量變化最為明顯，硫酸鹽由1990年的38.91 mg/L增加到2013年的112.60 mg/L、2016年的126.80 mg/L；硝酸鹽由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，見表1。

3.4 地表水對(duì)地下水的影響

濟(jì)源盆地東南部地下水受蟒河地表水(已被污染)補(bǔ)給，對(duì)地下水水質(zhì)產(chǎn)生影響[7]。

濟(jì)源盆地東南部的蟒河地表水污染嚴(yán)重，根據(jù)蟒河趙禮莊斷面(W5)和南官莊斷面(W2)2016年水質(zhì)分析結(jié)果得出，其水化學(xué)類型分別為SO4·HCO3·Cl-Na·Ca型和HCO3·Cl·SO4-Ca·Mg·Na型，氨氮、總氮、亞硝酸鹽氮和總磷超標(biāo)，均為劣Ⅴ類[8]。

受被污染的蟒河水影響，濟(jì)源盆地的東南部(GW2)地下水化學(xué)類型較復(fù)雜，為HCO3·SO4-Ca·Mg·Na型，地下水質(zhì)量較差，硝酸鹽氮和總硬度超標(biāo)，均為Ⅴ類[9]。

曲陽(yáng)水庫(kù)(W4)水化學(xué)類型為Cl·SO4-Ca·Mg型，水質(zhì)類別為劣Ⅴ類，其氨氮、總氮為劣Ⅴ類，總磷為Ⅳ類，其中Cl-含量較高[8]。受水庫(kù)水質(zhì)的影響，曲陽(yáng)湖附近(GW10)地下水化學(xué)類型由HCO3-Ca型演變成Cl·HCO3-Ca·Mg型，地下水質(zhì)量較差，總硬度為Ⅴ類，氯化物為Ⅳ類[9]。

4 地下水防護(hù)措施

4.1 大氣污染防護(hù)措施

堅(jiān)持全民共治，源頭防治，持續(xù)實(shí)施大氣污染防治行動(dòng)，倡導(dǎo)綠色低碳的發(fā)展方式和生活方式，是減少大氣污染的有效途徑。

(1)加強(qiáng)工業(yè)企業(yè)大氣污染綜合治理，推進(jìn)集中供熱、“煤改氣”和“煤改電”工程建設(shè)。

(2)加強(qiáng)脫硫、脫硝、高效除塵、柴油機(jī)(車)排放凈化，以及新能源汽車和智能電網(wǎng)等方面的技術(shù)研發(fā)，推進(jìn)技術(shù)成果的轉(zhuǎn)化應(yīng)用。

(3)構(gòu)建清潔低碳、安全高效的能源體系，加快清潔能源替代利用，推進(jìn)煤炭清潔利用，提高燃煤使用效率。

(4)調(diào)整產(chǎn)業(yè)布局，優(yōu)化空間格局，完善法律法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)，提高環(huán)境監(jiān)管能力。

(5)建立監(jiān)測(cè)預(yù)警應(yīng)急體系，妥善應(yīng)對(duì)重污染天氣。

4.2 地表水保護(hù)措施

(1)進(jìn)行糞類污水綜合利用，嚴(yán)控養(yǎng)殖廢水污染。

(2)結(jié)合城市發(fā)展和農(nóng)村人居環(huán)境，完善管網(wǎng)建設(shè)，確保生活污水“應(yīng)收盡收”，得到有效處理。

(3)因地制宜，多措并舉，開展河道綜合整治和河流生態(tài)修復(fù)。

(4)推動(dòng)城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施新建、擴(kuò)建及提標(biāo)改造。

(5)重點(diǎn)整治重污染河流，積極開展生態(tài)修復(fù)工作。

(6)集中治理工業(yè)集聚區(qū)水污染，加快城市黑臭水體治理。

(7)加快水污染防治，實(shí)施流域環(huán)境綜合治理。

5 結(jié)論

濟(jì)源盆地的地下水化學(xué)類型變化較大，尤其是濟(jì)源盆地北、西部，由HCO3-Ca型和HCO3-Ca·Mg型演變成了HCO3·SO4-Ca·Mg型。地下水化學(xué)類型改變的主要原因是：濟(jì)源市規(guī)模較大的工廠分布在北部和西部山前地帶，主要工業(yè)產(chǎn)品產(chǎn)量迅速增加，燃煤量迅速增大，導(dǎo)致大氣中的CO2、SO2和NOx等大量增加；濟(jì)源盆地特殊的地理環(huán)境和氣象因素等不利于污染物擴(kuò)散，空氣中的CO2、SO2和NOx等隨降雨滲入地下，與地層中的礦物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使地下水化學(xué)類型發(fā)生變化，地下水中的Ca2+、Mg2+、HCO3-、SO42-和NO3-含量增加，地下水的總硬度和溶解性總固體也相應(yīng)增大。

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