泉州市地下水功能區劃分

曹 陽,滕彥國,王金生,翟遠征,鄭潔瓊

1)北京師范大學水科學研究院,北京 100875;

2)地下水污染控制與修復教育部工程研究中心,北京 100875

泉州市地下水功能區劃分

曹 陽1,2),滕彥國1,2),王金生1,2),翟遠征1,2),鄭潔瓊1,2)

1)北京師范大學水科學研究院,北京 100875;

2)地下水污染控制與修復教育部工程研究中心,北京 100875

本文針對泉州市地下水資源的分布特點,依據全國地下水功能區劃分技術大綱,選取了地下水系統中具有代表性的驅動因子、狀態因子和響應因子,綜合地下水的資源供給功能、生態環境維持功能和地質環境穩定功能,將地下水功能區劃分為開發區、保護區和保留區,并以完整的水文地質單元為基礎,以防止泉州地下水污染和海水入侵為控制目標,依據地下水的生態水位閾值與產生環境地質災害的水位閾值理論,劃定泉州地區地下水管理水位,結合當地地下水資源特點及地下水管理與保護的實際需求,借鑒國內外類似地區地下水管理的經驗,研究提出地下水紅、黃、藍管理分區,為防止泉州市地下水污染和海水入侵以及指導地下水資源合理開發利用提供參考。

沿海地區;地下水;功能區劃;紅黃藍分區;合理利用

沿海地區是中國人口高度集中和經濟快速發展的地區,對淡水資源的過度需求導致超量開采地下水,引起海水入侵等環境問題(Reichard et al.,2005),沿海地下水系統是一個復雜系統,防止和控制海水入侵,需要對地下水進行科學管理(高玉芳等,2010),地下水不僅是水資源的一部分,而且對生態環境和地質環境具有不可替代的維持功能,片面強調地下水的資源功能,往往會導致其它功能的退化甚至喪失(聶振龍等,2007),地下水的質和量及其在時空上的變化對人類社會和環境所產生的作用或效應稱為地下水功能,地下水資源兼備資源供給功能,生態環境維持功能和地質環境穩定功能,各功能之間相互制約、相互促進,無論哪一個功能被過度利用,都會引起其它功能的相應變化(張光輝等,2006),因此地下水開發利用必須建立在地下水功能區劃基礎上,兼顧社會發展、環境保護與地下水功能維護,實現地下水各功能協調與可持續利用。

張光輝等(2008)從地下水功能及其表征因子的角度利用系統理論和層次分析法討論了地下水功能評價指標選取依據與原則;論述了地下水功能評價與地下水可持續開采量互為充分必要條件;并就目前地下水功能評價方法研究給出一套適合北方地區可行的指標集,將研究區域劃分為資源功能區、生態功能區和地質環境功能區(王金哲等,2008;張光輝等,2008;閆成云等,2007)。迄今為止,我國已先后制定了多個與水環境管理相關的功能區劃,現行的功能區劃在水資源利用、水環境改善和水生態保護中起到了關鍵性作用(周豐等,2007)。本次研究主要依據全國地下水功能區劃分技術大綱(中華人民共和國水利部,2005),圍繞地下水的資源功能,選取了地下水系統中具有代表性的驅動因子、狀態因子和響應因子,綜合地下水的生態環境維持功能和地質環境穩定功能,將地下水功能區劃分為開發區、保護區和保留區。

泉州市地處閩南廈漳泉沿海經濟開放區,是福建省改革開放和率先建立社會主義市場經濟體制的試驗區,是中國歷史上對外通商的重要港口,具有世界上不多的深水良港。早在周秦時期泉州市就已開始經濟開發,也是福建乃至全國發展最快、最具活力的地區之一。該區屬亞熱帶海洋性季風氣候,降雨量 60%~80%集中在 4—9月,區內地下水資源時空分布不均,泉州市區溪流眾多,發源于泉州市境內的流域面積100km2以上的河流有35條,流域面積7933km2。徑流流程短,主要發育晉江與木蘭溪、晉江東西溪之間、晉江西溪與汀溪和大盈溪等溪流間分水嶺。地貌形態類型復雜多樣,由山地向丘陵、侵蝕剝蝕臺地、濱海平原遞變,地下水受地形、地貌、植被等自然因素的制約,形成一定的時空分布(北京師范大學,2008)。

1 研究區地下水功能區劃分

地下水功能的基礎是以地下水為主體構成的一種特定的系統,即地下水系統,系統功能是系統內外相互關聯、相互作用的結果。水動力環境的改變,主要取決于兩方面的因素,一方面是含水層本身的內在因素,即含水層的補給能力和貯水能力,另一方面是外在因素,主要是降水量和開采強度等(張宗祜等,1997)。根據影響作用力來源的不同,地下水功能的影響因素分為自然因素和人為因素。自然因素包括基質、動能兩大因素(趙躍龍等,1998)。在地下水功能評價中,地下水功能的變化是通過地下水功能多種表征因子表現出來。因此,篩選地下水功能評價指標不僅要考慮地下水功能的影響因素,還要考慮地下水功能的表征因子。

1.1 地下水系統劃分

根據地下水的介質特性,本研究區地下水可劃分為松散巖類孔隙水、碎屑巖類孔隙裂隙水和基巖裂隙水,以松散巖類孔隙水為主。根據地形、構造、水系發育等特征,泉州市沿海地區地下水可分為五個子系統,各個地下水子系統有著相對獨立的補給、徑流和排泄條件,總體受地形地貌、水文氣象和地質條件的控制(圖1)。

圖1 泉州市地下水系統分布圖Fig.1 Distribution of groundwater system in Quanzhou

I區:晉江流域地下水子系統,分布范圍最廣,包括泉州-晉江平原,在流域北側和西北側接受山區降雨的大量補給,在晉江沿岸接受江水入滲補給,最終匯入大海。

II區:洛陽江地下水子系統,與地下水子系統I由小陽山—清源山—五臺尾山—大坪山地形分水嶺分割,山脈海拔130.8~531.0 m,地下水由北向南流動,最后經洛陽江匯入泉州灣。

III區:圍頭灣地下水子系統,北側與 I區由地形分水嶺分界,東側邊界為在晉江中部發育的南北向山脈的分水嶺,地下水由北向南流入圍頭灣。

IV區:惠安東沿海地下水子系統,與II區地下水子系統相鄰,由地表分水嶺阻隔,地下水由西側的山區向東側的海邊界流動。

V區:晉江南沿海地下水子系統。

1.2 地下水功能表征因子

地下水功能的表征因子是地下水循環系統的驅動因子群、狀態因子群和響應因子群,本次主要根據大綱選取了地下水可開采資源量、開發利用現狀、供給能力以及水質和環境變化因子等進行分析。

1.2.1 地下水可開采資源量及開發利用現狀

本次主要評價區內松散巖類孔隙水和基巖裂隙水水量、水質,在各地下水子系統基礎上計算各區地下水的補給和開采模數(表1),再以行政區范圍為單位計算泉州市區、石獅、晉江、南安和惠安5個一級計算區的地下水補給資源量和可開采量。

整個研究區多年平均地下水補給資源量為6.03×108m3,可開采資源量為2.24×108m3。其中南安市地下水補給資源量最多,為2.78×108m3,石獅市地下水補給資源量最少,為0.21×108m3。區內由于水文地質條件限制,單井涌水量較小,僅在地表水十分豐富的泉州平原晉江兩岸地下水單井涌水量大于10m3/d,其余地區地下水資源不足,可供集中開采的地下水十分有限,因此區域內主要以分散式地下水開發為主。

根據各市區地下水可開采量以及 2006年地下水開采情況,對現狀年的供用水進行了平衡分析,得出現狀情況下各市區地下水余缺量(表2)。

從上表可以看出,泉州市區地下水尚有開發潛力,其它市縣均出現超采現象。超采最嚴重的為石獅市,開采程度已達 390%,其次為晉江市,開采程度約為173%。長期粗放的地下水管理方式和不合理的地下水開采造成了區域地下水水質惡化,礦化度增加,淡水資源更加缺乏,直接影響居民的生活生產以及沿海地區經濟發展。

表1 泉州各地下水子系統補給模數及可開采模數分區表Table 1 Recharge modulus and exploitation modulus of groundwater subsystems in Quanzhou

表2 現狀年各市區供用水平衡分析結果Table 2 Water balance analyses in different areas for current year

1.2.2 地下水環境質量綜合評價

在研究區整理地下水水質樣 183組,結合《地下水質量標準》(GB14848-1993)(國家技術監督局,1993),對泉州市地下水水質評價共選取 16個評價指標:pH值、總硬度、溶解性總固體、硝酸根離子、氯離子、鐵、錳、銅、鋅、硝酸根離子、亞硝酸根離子、氨氮、氟化物、汞、六價鉻離子、鉛,運用內梅羅指數法進行地下水質量評價。

區內地下水水化學類型以 HCO3·Cl-Ca·K·Na 型為主,大部分水井中的細菌總數和大腸桿菌含量普遍超過飲用水水質標準,在海相地層中含有豐富的有機質,“三氮”含量普遍較高。同時在沿海地區存在眾多工農業以及人口,地下水存在大量污染,因此區域地下水水質普遍較差,以三類以及劣三類的地下水為主,地下水質量分區見圖2。

地下水開采同時造成地下水水位下降,沿海地區海水入侵,地下水不斷咸化,地質環境脆弱等問題。

1.2.3 潛在的生態環境問題

地下水位埋深變化對地下水水質脆弱性和水量脆弱性影響因素空間和時間上變化具有重要影響作用,因此對地下水系統脆弱性的兩個方面具有較強的影響關系(嚴明疆等,2006,2007,2009),以地下水防污性表示水位對地下水的影響主要表現在水質和水量兩個方面。

1)地下水水位下降

沿江兩岸和沿海地帶為埋深小于5 m的淺埋深區,山區埋深普遍大于 20 m,若按現狀開采,地下水水位持續下降,使部分取水工程出水量減少或報廢,需更換原取水設備,導致制水成本提高;同時,地下水水位下降,形成降落漏斗,水力坡度增大,加速了地下水的污染。

2)海水入侵

海岸帶過量抽取含水層中地下淡水,發生海水入侵,影響地下水水質及利用;同時由于地下淡水的開采,引起第四紀形成的埋藏于海相沉積物中的咸鹵水(沉積古海水)體向內陸推進。泉州市海水入侵主要發生在沿海地區松散巖類分布區,尤其是在晉江入海口以及洛陽江入海口發生明顯的海水入侵現象(圖3)。其中以泉州灣發生入侵面積最大。

基于以上對地下水系統的劃分,水資源量及開發利用現狀評價,地下水水質評價和開發利用潛在的問題,針對泉州地下水的主導功能,劃分功能區。

1.3 地下水功能區劃分原則

根據各地區地下水開發利用的實際情況,并以其不同主導功能為基礎,進行地下水功能區的劃分。堅持人水和諧、可持續利用的原則;保護優先、合理開發原則;統籌協調、全面兼顧原則;水量、水位和水質并重原則。

由于沿海地區地表水資源豐富,地下水資源對于生態功能的意義不明顯,因此本次劃分主要針對地下水的資源功能及地質環境功能進行開發區、保護區、保留區劃分。

1.4 地下水功能區劃分結果

開發區:將當前及規劃期內以開發利用為主的區域,劃分為開發區,屬一級功能區,主要位于南安市及泉州市松散巖類孔隙水分布區,包括地下水水源地及其周圍保護范圍。

保護區:存在環境地質、污染、過量開采問題的區域,或具有生態與環境保護意義,開采或排水易引發生態環境問題的地下水分布區,從緩解環境地質災害,保護現有水源方面討論,劃分為地質災害易發區,分布于易引起海水入侵的部分沿海地區、南安市周邊以及沿海地區易受污染的地區。

保留區:開發利用難度大或有一定的開發潛力但日常不開采,用于未來儲備的區域。劃分為不宜開采區和應急水源區兩個二級功能區,其中不宜開采區包括區內水質不達標以及不滿足長期供水需求,不具備開發利用條件的區域;應急水源地地下水賦存、開采及水質條件較好,日常情況下禁止大規模開采,僅在突發事件或特殊干旱時作為應急供水水源的區域。本次劃分結果如表3,功能分區見圖4。

地下水水位是反映地下水系統狀態的主要因子,是進行地下水動態監測與分析的主要項目之一,而地下水水位可方便地進行實時監測,直觀地反應地下水資源的變化,對地下水開采做出響應,通過地下水水位變化可了解區域地下水量的變化,因此采用水量與水位作為共同的控制指標,根據功能區劃分結果,針對地下水開發利用中存在的問題,對區域地下水進行紅黃藍區劃分,便于地下水開發、利用與管理。

2 紅黃藍分區

2.1 劃分依據

泉州市地下水多以裂隙水為主,松散巖類孔隙水主要分布于沿江兩岸,地層多以花崗巖為主,沒有區域性隔水層,如果地下水長期超采,地下水水位雖然處于下降狀態,但不會發生地面沉降、地面塌陷和地裂縫等現象,且區域地下水對生態環境的貢獻很小,地下水水位下降也不涉及生態環境惡化的問題,從泉州市實際情況出發,水位的劃分主要考慮以下三個方面:

(1)地下水水位下降,導致已污染的區域水力梯度增大,地下水污染加速,影響周邊地下水開發利用,以及生活生產安全的區域;

(2)在泉州市沿海易發生海水入侵地區,為防止地下水過量開采,水位下降引起海水倒灌,控制區域地下水水位保持一定的高度;

圖2 地下水資源開發利用量與水質分區圖Fig.2 Zoning of the exploitation and utilization of groundwater and quality of groundwater

圖3 泉州市海水入侵區分布現狀Fig.3 Distribution of seawater intrusion areas in Quanzhou

圖4 功能區劃分圖Fig.4 Zoning of groundwater functions

圖5 地下水紅黃藍管理分區圖Fig.5 Zoning of groundwater managements

(3)泉州市地下水在全區內水頭不連續,大多數地區屬于隔水地區,部分有薄層含水層,因此考慮在功能區劃分的基礎上進行地下水水位劃分。

2.2 劃定地下水管理水位

(1)紅線水位

表3 地下水功能區劃分表Table 3 Zoning of groundwater functions

紅線水位一般是指地下水開采量大于地下水可開采量,出現地下水位持續下降且水位降深等于含水層厚度三分之二時的水位值,或者對抬升型水位來講,地下水位抬升達到某個閥值,從而引起相關的生態環境問題時所對應的臨界水位值,首先考慮泉州市沿海地區發生海水入侵地區的水位:

湄洲灣附近海岸主要以剝蝕臺地為主,其上分布花崗巖類殘丘。沿海分布斷續窄長的堆積地貌濱海小平原,由于受海水影響,部分地區地下水以咸水為主,綜合考慮地下水礦化度受海水的影響以及豐水年枯水年地下水水位的變化,北部地區豐水年和枯水年水位變化不大,高差在0.5 m以內,因此以沿海地區地下水平均埋深,劃定北部沿海地區地下水控制水位為16.14 m;在湄洲灣南部地區,豐水年與枯水年地下水水位相差 0.5~1 m,取豐枯水年份的平均水位19.70 m作為該區水位控制的紅線;

泉州灣以泥質灘岸為主,地下水連通性差,因此發生海水入侵的區域水位差較大,取平均水位高程19.32 m作為限制水位;

圍頭灣以沙質海灘為主,海灣西部地下水交替循環較快,地下水資源相對較豐富,發生海水入侵的區域較小,地下水水位限制在11.95 m,東部海岸水位控制在39.62 m;

泉州各縣市地下水含水層較薄,基本在20 m以內,地下水埋藏淺,在0.5~4.5之間,區域地貌復雜,地形起伏大,地下水水位難以控制在一定范圍內,因此采用埋深控制,為防止已受污染地區地下水進一步擴散,將地下水埋深控制在4.5 m左右。

(2)藍線水位

藍線水位一般是指地下水采補平衡即地下水開采量等于地下水可開采量時的水位值,或者是指為了實現某一時期地下水管理目標而設定的期望水位值或閥值。除在污染區周圍設定紅線外,其余地區地下水開發利用不會造成特定的地下水污染以及其他災害,因此,在滿足地下水開發利用的區域不限制開采水位線。

2.3 地下水紅黃藍分區

以鄉鎮行政區單元邊界為界限,在地下水功能區劃分的基礎上進行地下水紅黃藍分區(圖5)。

紅區:根據地下水功能區劃分,將地下水海咸水入侵地區以及已受污染的地區劃分為紅區,紅區表明區域內地下水水位已低于警戒水位,超過了可持續開發、利用和保護限度,屬于禁采區,對于這些區域,需要實施最嚴格的地下水資源管理政策,以有效控制地下水資源的不合理開發和利用,積極開展地下水資源保護工作。

黃區:將易受污染的地區,以及地下水開發潛力不足的區域劃分為黃區,黃區表示區域內地下水水位接近警戒水位,地下水開發利用已經處在不可持續限度邊界的邊緣,屬于采補平衡區,需要實施嚴格的地下水管理政策;保證區域的水資源問題不進一步惡化并趨于好轉。因此,黃區屬于一個過渡區或預警區。其地下水資源己無進一步開發利用的潛力,按照嚴格的取水許可制度對地下水實施積極管理;

藍區:將地下水相對豐富的區域,以及開發利用不會產生環境地質問題的區域劃分為藍區,藍區表示區域地下水水位處于正常范圍內,其開發、利用和保護是可持續的,屬于可開采區,可實施常規的地下水資源管理政策。其地下水資源尚有進一步開發利用的潛力,按照正常的取水許可制度對地下水實施有效管理。

3 結論

1)在地下水系統劃分的基礎上,將泉州市地下水分為三個級別功能區:①三個一級功能區,開發區、保護區、保留區;②四個二級功能區,分散式開發利用區、地質災害易發區、不宜開采區、應急水源區;③六個三級功能區,分散式開發區、易受污染區、海咸水入侵區、已受污染區、不滿足水源地條件的地區和應急水源地。明確地下水的開發、保護以及保留的空間格局。

2)以防止地下水水位下降和海水入侵為目標,劃分地下水紅線水位:北部沿海地區為16.14 m;在湄洲灣南部地區19.70 m;泉州灣19.32 m;圍頭灣地下水水位限制在 11.95 m,東部海岸水位控制在39.62 m;各縣市地下水采用埋深控制,埋深在4.5 m左右。

3)在功能區劃分基礎上,考慮地下水水位,將地下水海咸水入侵地區以及已受污染的地區劃分為紅區;將易受污染的地區,以及地下水開發潛力不足的區域劃分為黃區;將開發利用地下水不會產生環境地質問題的區域劃分為藍區,并提出了相應的管理措施。

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The Division of Groundwater Function Zones in Quanzhou

CAO Yang1,2),TENG Yan-guo1,2),WANG Jin-sheng1,2),ZHAI Yuan-zheng1,2),ZHENG Jie-qiong1,2)
1)College of Water Sciences,Beijing Normal University,Beijing100875;
2)Engineering Research Center for Groundwater Pollution Control and Remediation,Ministry of Education,Beijing100875

This paper focused on the distribution of groundwater resources in coastal areas,and filtrated the evaluating indexes of groundwater functions from driving,state and response factors according to the nationwide technical outline for the division of groundwater function zones.These indexes were combined with the groundwater resource function,ecological function and geological environment function.Based on the hydro-geological unit,the authors divided the groundwater function zone into development zone,protection zone and reserve zone.The groundwater level was the dominant factor under consideration in order to prevent groundwater pollution and seawater intrusion.A major concern in the ecological groundwater level and threshold level producing geological disasters was to define the groundwater management level in Quanzhou,and then the function zone was segmented by the corresponding administrative boundaries of the city.Based on the basic unit of the groundwater function,the authors put forward red,yellow and blue subareas for regional groundwater management.This study provides the guidance of practical significance for preventing groundwater pollution and seawater intrusion as well as the rational use of groundwater resources in Quanzhou.

coastal area;groundwater;function zoning;red,yellow and blue subareas;rational utilization

P614.8;X32

A

10.3975/cagsb.2011.04.11

本文由國家“水體污染控制與治理”科技重大專項課題(編號:2009ZX07419-003)和環保公益性行業科研基金重大項目(編號:201009009)聯合資助。

2011-05-10;改回日期:2011-06-01。責任編輯:閆立娟。

曹陽,女,1984年生。博士研究生。主要從事地下水科學與工程研究。電話:010-58802738。E-mail:caoy84@163.com。

滕彥國,男,1974年生。博士生導師。主要從事地下水科學與工程研究。E-mail:teng1974@163.com。