李政紅,郝奇琛,李亞松,李劍鋒,朱玉晨,李 倩

(1.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所,河北 石家莊 050061;2.自然資源部地下水科學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河北 石家莊 050061;3.河北省地礦局第八地質(zhì)大隊(duì)(河北省海洋地質(zhì)資源調(diào)查中心),河北 秦皇島 066000)

水資源是人類賴以生存的基礎(chǔ)性資源,是國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要戰(zhàn)略資源。廈門市雖然降雨量豐富,但淡水資源仍非常匱乏[1-3],市區(qū)供水以地表水為主,對(duì)區(qū)域外調(diào)水依賴程度高。據(jù)廈門市水資源公報(bào),2019年區(qū)域外調(diào)入水量和地下水供水量占總供水量的比例分別為57.29%和6.39%。作為閩西南經(jīng)濟(jì)協(xié)作區(qū)的發(fā)展核心,廈門市整體發(fā)展已經(jīng)上升為國(guó)家戰(zhàn)略,水資源需求量也隨之逐年增加。預(yù)測(cè)分析顯示,在保持現(xiàn)有用水和節(jié)水力度條件下,2030年廈門市存在較大的水資源供水缺口,最大缺水量(特枯水年)高達(dá)5.12×108m3,供水形勢(shì)嚴(yán)峻,水資源短缺成為制約其經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要問(wèn)題。2019年廈門市地下水資源量為2.987×108m3,開(kāi)采量占可開(kāi)采量的14.6%,開(kāi)采程度很低,尚有一定的利用前景,在緩解供水矛盾、應(yīng)對(duì)突發(fā)事件中具有重要補(bǔ)充和應(yīng)急作用。地下水質(zhì)量直接影響著補(bǔ)充和后備水源的供水能力和供水安全,影響著城市可持續(xù)發(fā)展。近年來(lái),部分學(xué)者雖對(duì)廈門市地下水質(zhì)量進(jìn)行了相關(guān)研究,如黃浩等[4]分析了廈門島西水東調(diào)工程對(duì)海島地下水質(zhì)量的影響,發(fā)現(xiàn)工程沿線150～800 m范圍內(nèi)地下水的鹽度產(chǎn)生了明顯變化;林玉錦等[5]通過(guò)31組地下水水樣評(píng)價(jià)了廈門市地下水質(zhì)量,評(píng)價(jià)表明12 組良好、19 組較差;伍成成[6]分析了廈門市同安區(qū)淺層地下水質(zhì)量狀況,發(fā)現(xiàn)地下水質(zhì)量主要受原生地質(zhì)環(huán)境的Fe、Mn元素以及人為引起的“三氮”污染影響,但以往研究幾乎未對(duì)全市域地下水質(zhì)量進(jìn)行過(guò)調(diào)查評(píng)價(jià)和系統(tǒng)研究,且水質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)均未包含有機(jī)指標(biāo)。本文依托2019年中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局的“廈漳泉同城化地區(qū)綜合地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目(簡(jiǎn)稱廈漳泉項(xiàng)目)”,通過(guò)全面的地下水有機(jī)和無(wú)機(jī)水化學(xué)分析評(píng)價(jià),查明了廈門市地下水質(zhì)量現(xiàn)狀,為該市地下水合理開(kāi)發(fā)利用和保障飲水安全提供了重要依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

廈門市位于臺(tái)灣海峽西岸中部、閩南金三角的中心,屬亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候,氣候溫和濕潤(rùn),多年平均氣溫20.9 ℃。全市土地面積1 700.61 km2,海域面積約390 km2,海岸線總長(zhǎng)約為234 km。市域由陸地、海洋和島嶼組成,陸地總體地勢(shì)由西北向東南傾斜。西北部為中山、低山區(qū),海拔較高;向南過(guò)渡至丘陵地帶,海拔降低;南面是海洋、廈門島和鼓浪嶼,海拔一般10 m以下。2019年底廈門市常住人口429萬(wàn)人,其中城鎮(zhèn)人口383萬(wàn)人。2020年GDP約6 384.02億元,占福建省的14.5 %。廈門有豐富的海洋生物資源,金屬礦藏資源較缺乏,淡水資源匱乏。

廈門市水系發(fā)育,河網(wǎng)密集,呈樹(shù)枝狀分布,徑流方向自西北向東南。其河流特點(diǎn)為徑流量小、水流短、河道窄、河床淺。河流水量隨季節(jié)變化大,河水含沙量低。地下水主要賦存于松散巖類孔隙含水層、風(fēng)化殘積孔隙裂隙含水層、基巖裂隙含水層。松散巖類孔隙水包括沖洪積孔隙水和海積孔隙水。沖洪積孔隙水分布于河谷兩側(cè)階地及山前洪積扇,含水層巖性為砂、礫石及礫卵石等,厚度3～9 m,一般二級(jí)階地區(qū)單位涌水量<20 m3/(d·m)、一級(jí)階地區(qū)單位涌水量為20～200 m3/(d·m)。海積孔隙水分布于海岸及河口地帶,含水層巖性為淤泥質(zhì)砂、中粗砂等,厚度不大。風(fēng)化殘積孔隙裂隙水分布于殘積臺(tái)地及山前坡腳地帶,含水層巖性為碎石、角礫,厚度一般為10～20 m,一般單位涌水量均<10 m3/(d·m)。基巖裂隙水分布于山區(qū)基巖裂隙及斷層中,其富水性受構(gòu)造斷裂控制,含水性極不均一,一般單位涌水量均<10 m3/(d·m)。地下水主要補(bǔ)給來(lái)源為大氣降水,其次為地表水。

近二十年來(lái),廈門市年均水資源量為13.412×108m3。以戶籍人口計(jì)算,2019年人均水資源量為419 m3,屬絕對(duì)貧水區(qū)。城市供水90%以上為地表水,城鎮(zhèn)居民用水量最大,為2.289×108m3,占總用水量的33.59 %。2015年8月廈門市政府為加強(qiáng)地下水管理劃定了地下水禁采區(qū)和限采區(qū),廈門市大部分區(qū)域禁采、限采地下水,僅在城市供水系統(tǒng)未覆蓋的一些邊遠(yuǎn)地區(qū)的家庭以地下水作為生活用水。

2 研究方法

2.1 樣品采集與測(cè)試

1.地下水;2.地表水

2.2 分析方法

根據(jù)《GB/T14848—2017地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[9](簡(jiǎn)稱 “地下水標(biāo)準(zhǔn)”)和《GB 8537—2018食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)飲用天然礦泉水》[10](簡(jiǎn)稱 “礦泉水標(biāo)準(zhǔn)”)對(duì)地下水質(zhì)量進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。按照“地下水標(biāo)準(zhǔn)”規(guī)定的方法進(jìn)行地下水質(zhì)量單指標(biāo)、分類指標(biāo)及綜合評(píng)價(jià),目的是評(píng)價(jià)地下水是否適合飲用,并獲取地下水質(zhì)量影響因子。按照“礦泉水標(biāo)準(zhǔn)”規(guī)定的方法進(jìn)行礦泉水水質(zhì)評(píng)價(jià),目的是評(píng)價(jià)地下水是否可評(píng)定為礦泉水。

采用超標(biāo)率分析某指標(biāo)的超標(biāo)程度。按公式(1)計(jì)算:

超標(biāo)率(%)=超標(biāo)點(diǎn)總數(shù)/樣品總數(shù)×100%,

(1)

采用影響程度分析影響地下水質(zhì)量的主要因子及程度。根據(jù)地下水綜合質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果,按公式(2)和公式(3)分別計(jì)算各指標(biāo)對(duì)Ⅳ、Ⅴ類水的影響程度。

影響程度(%)=指標(biāo)(i)Ⅳ類水樣本點(diǎn)數(shù)/Ⅳ類水樣本點(diǎn)總數(shù)×100 %,

(2)

影響程度(%)=指標(biāo)(i)Ⅴ類水樣本點(diǎn)數(shù)/Ⅴ類水樣本點(diǎn)總數(shù)×100 %。

(3)

3 地下水質(zhì)量評(píng)價(jià)

3.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)

參與地下水質(zhì)量評(píng)價(jià)的指標(biāo)共55項(xiàng)(表1)。

表1 地下水質(zhì)量評(píng)價(jià)參評(píng)指標(biāo)表

3.2 評(píng)價(jià)結(jié)果

“地下水標(biāo)準(zhǔn)”評(píng)價(jià)研究表明,廈門市平原區(qū)地下水質(zhì)量總體一般,無(wú)Ⅰ類水。按樣品數(shù)量統(tǒng)計(jì),可以直接飲用的(Ⅱ—Ⅲ類水)占23.0 %,主要分布在翔安區(qū)的新店鎮(zhèn)、新圩鎮(zhèn),同安區(qū)的新民鎮(zhèn),集美區(qū)的灌口鎮(zhèn)等山前殘積臺(tái)地和河流的沖積階地。經(jīng)過(guò)適當(dāng)處理可以飲用的(Ⅳ類水)占59.8 %,在研究區(qū)廣泛分布。不能飲用的(V類水)占17.2 %,主要分布在翔安區(qū)的新店鎮(zhèn)、新圩鎮(zhèn),集美區(qū)的后溪鎮(zhèn)等工業(yè)區(qū)、農(nóng)業(yè)區(qū)及人口密集分布區(qū)(圖2)。

1.Ⅱ類水;2.Ⅲ類水;3.Ⅳ類水;4.Ⅴ類水

地下水有機(jī)指標(biāo)好于無(wú)機(jī)指標(biāo)。半揮發(fā)性有機(jī)指標(biāo)最好,5項(xiàng)指標(biāo)在地下水均未檢出。在20個(gè)樣品中檢出揮發(fā)性有機(jī)指標(biāo),占樣品總數(shù)的25.3 %,檢出指標(biāo)包括1,2-二氯乙烯、氯苯、鄰二氯苯、對(duì)二氯苯、1,2-二氯乙烷、1,2-二氯丙烷、甲苯、乙苯、溴仿、苯、三氯甲烷、三氯乙烯和二氯甲烷等13 項(xiàng),除采自同安區(qū)的1個(gè)水點(diǎn)二氯甲烷為Ⅳ類外,其余指標(biāo)均未超過(guò)Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)限值。

表2 地下水質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

3.3 影響因子及成因分析

3.3.1 影響因子

圖3 地下水質(zhì)量主要影響因子的影響程度柱狀圖

3.3.2 成因分析

(1)環(huán)境地質(zhì)因素。地下水中Fe、Mn和pH值含量較高,主要與原生地質(zhì)環(huán)境有關(guān)[11]。研究區(qū)土壤由燕山期花崗巖類巖石風(fēng)化而成?；◢弾r屬酸性巖漿巖,在高溫多雨的氣候條件下,由其風(fēng)化淋濾形成的土壤一般呈酸性(5.0≤pH值<6.5)[12-13]。地下水中Fe、Mn的水文地球化學(xué)特性受pH值和氧化還原反應(yīng)影響很大,pH值從6增加到8,Fe在水中的溶解度減少106倍[14]。研究區(qū)黏土層中含有較多的還原性Fe、Mn元素[15],地下水pH值范圍為5.31～10.03,平均值為6.63,多為弱酸性水。在偏酸性環(huán)境,地下水循環(huán)、運(yùn)移過(guò)程中溶解了巖石中的Fe、Mn,從而形成高M(jìn)n、高Fe的地下水。

圖4 ρ(NO3-)與ρ(K+)、ρ(Cl-)的相關(guān)關(guān)系圖

鉛污染主要是由于礦山的開(kāi)采、冶煉,玻璃、電纜、顏料等的生產(chǎn),砷酸鉛農(nóng)藥和含鉛汽油的使用等人類活動(dòng)導(dǎo)致的[21]。

4 礦泉水水質(zhì)評(píng)價(jià)

“礦泉水標(biāo)準(zhǔn)”評(píng)價(jià)研究表明,廈門市地下水H2SiO3和Sr含量普遍較高(圖5,圖6)。地下水中H2SiO3的含量范圍為5.44～98.64 mg/L,平均值為33.08 mg/L,變異系數(shù)為0.63,與“礦泉水標(biāo)準(zhǔn)”規(guī)定的H2SiO3≥25.0 mg/L的界限要求相比,50個(gè)樣品達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)界限要求。地下水中Sr含量范圍為0.006～2.128 mg/L,平均值為0.29 mg/L,變異系數(shù)為0.93,與“礦泉水標(biāo)準(zhǔn)”規(guī)定的Sr≥0.20 mg/L的界限要求相比,50個(gè)樣品達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)界限要求。

1.<12.5 mg/L;2.12.5～25.0 mg/L;3.25.0～37.5 mg/L;4.37.5～50.0 mg/L;5.50.0～75.0 mg/L;6.≥75.0 mg/L

1.<0.1 mg/L;2.0.1～0.2 mg/L;3.0.2～0.4 mg/L;4.0.4～0.6 mg/L;5.0.6～1.0 mg/L;6.≥1.0 mg/L

地下水H2SiO3或Sr含量達(dá)到“礦泉水標(biāo)準(zhǔn)”界限要求的樣品共計(jì)63個(gè),其中有17個(gè)樣品同時(shí)滿足了“地下水標(biāo)準(zhǔn)”Ⅱ、Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)限值要求。17個(gè)樣品中達(dá)到H2SiO3和Sr含量界限要求的樣品分別為11個(gè)和13個(gè),其中7個(gè)樣品同時(shí)達(dá)到H2SiO3和Sr含量界限要求。另外,部分水樣還含有Li、Zn、溴化物、碘化物、游離二氧化碳等有益微量組分,且各元素均在允許范圍內(nèi)。

11個(gè)含高H2SiO3樣品pH值為6.54～7.16,TDS為131.5～556.8 mg/L,游離CO2為11.08～41.05 mg/L,水化學(xué)類型包含HCO3-Ca·Na型、HCO3·Cl-Na·Ca型、HCO3·SO4-Ca·Na型和Cl-Na型。13個(gè)含高Sr元素樣品pH值為6.55～7.16,TDS為201.2～556.8 mg/L,游離CO2為18.88～41.05 mg/L,水化學(xué)類型包含HCO3-Ca·Na型、HCO3·Cl-Ca·Na型、HCO3·SO4-Ca·Na型、SO4·Cl·HCO3-Na·Ca型、Cl·SO4·HCO3-Na·Ca型和Cl-Na型。分析結(jié)果表明,這17個(gè)含H2SiO3、Sr元素的地下水樣品是具pH值適中、低礦化特征的優(yōu)質(zhì)天然礦泉水,兼有飲用和醫(yī)療價(jià)值。

5 開(kāi)發(fā)利用建議

基于“優(yōu)質(zhì)優(yōu)用,按需開(kāi)采”和保障居民飲水安全的原則,綜合分析地下水質(zhì)量、地下水質(zhì)量影響因子、礦泉水水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果,將廈門市地下水開(kāi)發(fā)利用分為科學(xué)有序開(kāi)采、適度開(kāi)采、應(yīng)急開(kāi)采、限制開(kāi)采和不宜開(kāi)采5個(gè)等級(jí)(表3)。

表3 地下水可開(kāi)發(fā)利用分級(jí)表

由地下水開(kāi)發(fā)利用分級(jí)圖(圖7)可見(jiàn),廈門市地下水具有一定的開(kāi)發(fā)利用潛力。結(jié)合廈門市地下水開(kāi)發(fā)利用現(xiàn)狀、水資源供需形勢(shì),提出以下開(kāi)發(fā)利用建議。

(1)科學(xué)有序開(kāi)采礦泉水資源。H2SiO3具有軟化血管、維持血管壁彈性、防止心血管動(dòng)脈硬化、緩和細(xì)胞衰老等功能;適量補(bǔ)充Sr元素對(duì)老年性骨質(zhì)疏松有保護(hù)作用?！皬B漳泉項(xiàng)目”采集的87組地下水樣品中,開(kāi)發(fā)利用分級(jí)為一級(jí)的占19.5%。因此,建議在含H2SiO3、Sr元素優(yōu)質(zhì)礦泉水的分布區(qū)開(kāi)展水資源評(píng)價(jià)工作,科學(xué)有序開(kāi)發(fā)利用優(yōu)質(zhì)礦泉水資源,使其產(chǎn)生最大附加值。

(2)適度開(kāi)采水質(zhì)優(yōu)良的地下水。在城市供水系統(tǒng)末端,供水保障不足、存在季節(jié)性缺水的區(qū)域,適量開(kāi)采水質(zhì)優(yōu)良的地下水補(bǔ)充供水缺口?！皬B漳泉項(xiàng)目”在同安區(qū)瓊坑村、東塘埔、苧溪橋施工的探采結(jié)合井解決了3個(gè)村莊約3 000人的飲用水問(wèn)題,以及部分牲畜、灌溉用水,有效提升了當(dāng)?shù)匕踩┧Ｕ夏芰?社會(huì)效益顯著。

(3)應(yīng)急利用原生水質(zhì)較差的地下水。廈門市原生劣質(zhì)水占比較高,“廈漳泉項(xiàng)目”采集的87組地下水樣品中,開(kāi)發(fā)利用分級(jí)為三級(jí)的占33.3%。僅受原生地質(zhì)環(huán)境影響的劣質(zhì)地下水,可采用適當(dāng)處理方法去除有害物質(zhì)后飲用,或短期作為應(yīng)急飲用水源。如僅有Fe、Mn元素超標(biāo)的水,可采用高錳酸鉀復(fù)合劑預(yù)氧化法、曝氣接觸氧化法、化學(xué)氧化法、超濾膜法等[22]降低水中Fe、Mn的含量,使之達(dá)標(biāo)后可作為生活飲用水。因此,建議在原生劣質(zhì)水分布區(qū)開(kāi)展地下水基礎(chǔ)環(huán)境調(diào)查評(píng)價(jià),提出區(qū)域地下水-地表水聯(lián)合調(diào)配優(yōu)化方案。

6 結(jié)論

(2)有益人體健康的H2SiO3、Sr微量組分在廈門市地下水中含量普遍較高。在采集的87組樣品中,19.5%的樣品優(yōu)于“地下水標(biāo)準(zhǔn)”Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)和“礦泉水標(biāo)準(zhǔn)”H2SiO3或Sr元素的標(biāo)準(zhǔn),是兼有飲用和醫(yī)療價(jià)值的含H2SiO3、Sr元素的優(yōu)質(zhì)飲用天然礦泉水。

(3)基于“優(yōu)質(zhì)優(yōu)用,按需開(kāi)采”和保障居民飲水安全的的原則,分類提出了開(kāi)發(fā)利用地下水的建議,包括科學(xué)有序開(kāi)采優(yōu)質(zhì)礦泉水、適度開(kāi)采水質(zhì)優(yōu)良水、應(yīng)急利用原生水質(zhì)較差水等,為進(jìn)一步發(fā)揮地下水的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益提供參考。