楊建華,牛全麗,劉 帥

(1.山東省地質礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第二水文地質工程地質大隊/山東省魯北地質工程勘察院,山東 德州 253015;2.東營市自然資源和規(guī)劃局,山東 東營 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重的地區(qū)。其中濟陽、博興、高青、廣饒、夏津、寧津等16縣777個村受危害人口65萬余人[1-4],出現(xiàn)氟骨癥、氟斑、尿氟等癥狀,嚴重危害當?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、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、樂陵市、慶云縣以及濱州市和濟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、水位、水量等[7]。

2.1 水質指標

研究區(qū)內(nèi)水質普遍較差,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,將礦化度標準值擴大到2 g/L;硝酸鹽對人體健康影響較大,本次嚴格按照《生活飲用水衛(wèi)生標準(GB5749-2006)》中規(guī)定的20 mg/L(以N計)作為飲用水水質標準;氟離子含量根據(jù)《生活飲用水衛(wèi)生標準(GB5749-2006)》中小型集中式供水和分散式供水水質指標中規(guī)定的1.2 mg/L作為飲用水水質標準[8]。

2.2 水位指標

研究區(qū)深層地下水開采歷史悠久,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)劃深層地下水開采區(qū)域時,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)測數(shù)據(jù),地面沉降與深層地下水水頭之間的線性相關系數(shù)為-0.906,呈高度負相關,兩者之間的關系可以通過一個三階多項式表示(圖2)。通過對趨勢線的前后段做切線,兩切線相交于水頭埋深106 m左右,表明當水頭埋深超過106 m時,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)深層地下水開采量最大允許埋深為106 m,為了計算趨于保守,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系曲線圖

圖3 淺層地下水分質計算分區(qū)圖

2.3 水量指標

區(qū)內(nèi)淺層地下水與外界水量交換積極,水循環(huán)強烈,對水資源利用有積極意義。符合上述水質標準的區(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)水均衡計算,符合水質要求淺層地下水可開采量共計6.26×108m3/a,其中各計算區(qū)的可開采量分別為2.86×108m3/a、1.68×108m3/a、1.36×108m3/a、0.36×108m3/a(見表1)。

表1 淺層水水質達標范圍的可開采量

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)域地下水資源量對改水措施起著積極意義。根據(jù)計算結果,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,可開采量共計1 032.47×104m3/a,Ⅰ1-Ⅰ3各計算子區(qū)的可開采量為847.31×104m3/a、121.23×104m3/a、 63.93×104m3/a(見表2)。

表2 深層地下水水質達標可開采量

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)由于天然水質較差或污染使得不能直接作為飲用水源,因此,區(qū)劃時應以供水水質是否合格作為主要區(qū)劃原則。

3.1.2 可持續(xù)開發(fā)利用原則

地下水資源在區(qū)域內(nèi)分布不均,各縣(市)地下水開采程度不一,重點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、水質惡化、海(咸)水入侵等一系列地質環(huán)境問題。根據(jù)區(qū)內(nèi)地下水的開發(fā)利用現(xiàn)狀,應根據(jù)可持續(xù)開發(fā)利用的原則,進行地下水供水區(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,以水質是否達標為基準進行研究區(qū)的一級區(qū)劃。研究區(qū)內(nèi)水質普遍較差,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,參考以往研究成果,將礦化度標準值擴大到2 g/L;硝酸鹽對人體健康影響較大,本次嚴格按照《生活飲用水衛(wèi)生標準(GB5749-2006)》中規(guī)定的20 mg/L(以N計)作為飲用水水質標準;氟離子含量根據(jù)《生活飲用水衛(wèi)生標準(GB5749-2006)》中小型集中式供水和分散式供水水質指標中規(guī)定的1.2 mg/L作為飲用水水質標準。

圖4 深層地下水分質計算分區(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,則通過降氟處理達到標準后,可作為飲用水開發(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),當氟離子濃度較大時,工程改水后降氟效果不是很大,即使降氟成功,但一段時間后氟離子含量仍會回升,因此當氟離子含量較大時,以改變施工工藝方式并不能成功降氟,需經(jīng)過水處理進行除氟。而“氟離子濃度到達何值時,深層地下水可通過改變其成井施工工藝達到降氟目的”的專項研究較少,目前并沒有一個明確的界限值。根據(jù)山東省以往施工經(jīng)驗,預計氟含量在2.0 mg/L以內(nèi)時,可通過工程措施降氟使之達到飲用水標準或略高于標準,飲用不會對人體造成較大影響。因此,本次將2.0 mg/L作為可供過改變施工工藝達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)進行一級區(qū)劃的劃分,分為:直接開發(fā)利用區(qū)、工程降氟開發(fā)利用區(qū)、水處理開發(fā)利用區(qū)、非適宜飲用區(qū)。

除水質要求外,可持續(xù)開發(fā)利用也是進行地下水安全供水區(qū)劃的重要原則。區(qū)內(nèi)一些因地下水的開發(fā)已引起了一系列的水文地質問題,這些地區(qū)調減地下水開采勢在必行;有些地區(qū)或采補平衡或開采并未對環(huán)境產(chǎn)生嚴重影響,這些地區(qū)應以維持現(xiàn)狀為宜;而有些地區(qū)地下水賦存條件好,但開采程度不大,為使資源得到充分利用,這些地區(qū)可適當擴大地下水的開采。

圖5 地下水開發(fā)利用區(qū)劃圖

4 安全供水區(qū)劃

本次水資源開發(fā)利用區(qū)劃參考了農(nóng)村飲用水安全衛(wèi)生評價指標體系的要求,嚴格按照可持續(xù)開發(fā)利用原則,并綜合考慮了水質、水量、取水方便程度及供水保證程度等因素。水質評價過程中既采用綜合水質評價法,又參考單項指標法(一票否決制法,即地下水中某些單項因子濃度超過標準限值即為不適宜水質);根據(jù)含水介質特征及水文地質條件,評價區(qū)域富水性及可開采模數(shù);以地下水開發(fā)利用現(xiàn)狀為基礎,對開采潛力進行分析;區(qū)劃中盡量避免遠距離輸水管網(wǎng)的建設。根據(jù)本次魯北高氟區(qū)地下水調查評價結果,結合該區(qū)高氟水分布現(xiàn)狀及供水需求,制定了地下水開發(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],則成井過程中對以上含氟量較高的層位進行有效隔水處理,可降低開采井中氟離子的含量。

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

6 結語

本文通過水質指標、水位指標、水量指標分析,以水質優(yōu)先、可持續(xù)開發(fā)利用為原則,進行了研究區(qū)淺層地下水、深層地下水安全供水區(qū)劃劃分,劃分為14個供水小區(qū),并從水質、水量、取水方便程度及供水保證程度四個方面論證了開發(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),為其他類似區(qū)域地下水規(guī)劃提供了參考。