濟源盆地地下水化學類型演變的影響因素分析

姜寶良 林浩琦 李春娥

(1.華北水利水電大學，河南鄭州 450046；2.濟源市節約用水辦公室，河南濟源 459003)

濟源市是一個新興工業城市，是全國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、機械制造和礦用電器六大支柱產業[1]，其主要工業企業大多分布在濟源盆地北部和西部的山前地帶。隨著社會的高速發展，人類對自然環境的干預亦日益強烈，原本受控于自然環境條件的地下水水質，正越來越多地受到人類活動的影響[2]。濟源盆地北部地下水化學類型由HCO3-Ca·Mg型和HCO3-Ca型演變為HCO3·SO4-Ca·Mg型，造成了地下水污染。通過對濟源盆地地下水化學類型演變的研究，分析其影響因素，為環境及地下水保護提供科學依據，對濟源市開展“碧水藍天”行動具有深遠影響。

1 濟源盆地自然地理概況

濟源盆地位于暖溫帶大陸性季風氣候區，總的特點是春季溫暖多風，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，山區由低向高遞增。由于山地對東南氣流有抬升作用，因而降水較多，山區降水多于平原和丘陵。

濟源境內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(即濟源盆地)。其特殊的地形特征和氣候特點，不利于大氣中污染物的擴散。

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

濟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，主要受大氣降水入滲，河、渠水入滲及灌溉水回滲補給，以人工開采、徑流和蒸發排泄為主。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大氣降水入滲補給、沁河河水側向徑流補給。在克井山間盆地的出口處，第四系砂卵礫石與寒武-奧陶系灰巖直接接觸，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。總之，濟源盆地的地下水主要來源于大氣降水入滲補給。

2 濟源盆地地下水化學類型分布特征及其演變

2.1 天然狀態

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

(1)北部地下水化學類型為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類型為HCO3-Ca型。

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

山區和沖洪積扇上部地勢較高，地面坡降大，徑流條件好，地下水運動強烈，以淋濾作用為主，地下水化學類型為HCO3-Ca·Mg型和HCO3-Ca型。

(3)地勢平坦的平原中部，地下水運動緩慢，流徑距離長，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年濟源盆地地下水化學類型分布

2.2 現狀

目前，濟源盆地北部平原區和山區地下水化學類型均為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年濟源盆地地下水化學類型分布

(1)北部：地下水化學類型均為HCO3·SO4-Ca·Mg型。盆地北部山前地帶，工業、農業和人類活動較少，特別是北部深山區，既沒有人類活動，也沒有工業生產和農田灌溉，其地下水化學類型為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分析結果 mg/L(pH值除外)

(2)西南部：地下水化學類型仍為HCO3-Ca型和HCO3-Ca·Mg型，為天然狀態的水質類型。曲陽水庫附近，地下水受水庫水質影響，其類型為Cl·HCO3-Ca·Mg型。

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

2.3 演變

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

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

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

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

總之，濟源盆地北部和東南部地下水化學類型變化較大，而南部黃土丘陵區基本無變化。

3 影響因素分析

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

3.1 濟源市工業發展情況

濟源市工業以火電、冶煉、焦化、鋼鐵、化工、建材等為主，其主要工業企業大多分布在濟源盆地的北部和西部的山前地帶。較快的經濟發展速度、不盡合理的產業布局，嚴重影響著濟源市的環境空氣質量。

濟源市主要工業產品產量大幅度增加(特別是發電量、焦炭、鋼材、燒堿和粗鋼)。2004年以后，主要工業產品產量迅速增加。發電量由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；其它主要工業產品產量也均呈倍數增加。

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

濟源市工業生產的快速發展，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。而廢氣中的CO2、SO2和NOx等污染物是濟源盆地北部地下水化學類型變化的主要原因[5]。

3.2 濟源市大氣主要污染物排放情況

工業生產中燃煤、石油和天然氣排放出大量SO2，NOx，煙(粉)塵等污染物，導致空氣被嚴重污染。濟源市主要大氣污染物排放量如圖3所示。

圖3 濟源市大氣污染物排放量動態曲線

由圖3可知：濟源市大氣中SO2排放量1998～2003年呈逐年下降趨勢，2003～2005年增加到6.05×104t，2005～2007年穩定在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；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，至2015年下降到3.78×104t。

根據濟源市歷年主要工業產品產量、煤炭消耗量、大氣污染物排放量，推測地下水化學類型是從2005年開始發生變化，由HCO3型演變成了HCO3·SO4型。雖然濟源市采取的節能減排措施產生了一定的效果，但總的環境質量形勢仍不容樂觀。

3.3 大氣污染物對地下水的影響

濟源盆地地形北高南低，三面環山，屬暖溫帶季風氣候，受季風影響顯著。夏季盛行東南風，將空氣輸送到太行山前受阻，發生爬坡抬升和風向切變作用，形成氣旋，致使云雨天氣頻發，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中排放的廢氣不易擴散，易隨降水滲入地下，對地下水產生影響。

根據《河南省環境狀況公報(2006～2016年)》，濟源市除2012年、2013年、2015和2016年未發生酸雨現象外，其他7年均發生酸雨現象，酸雨發生頻率在河南省屬最高。雖然濟源市近兩年未發生酸雨現象，但是其排放的SO2、CO2和NOx濃度均超過Ⅱ級標準，對空氣環境質量的影響不容小覷。

大氣中CO2、SO2和NOx遇降水發生化學反應，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[6]。當pH值小于5.6時，就形成酸雨。

例如：珍珠泉水化學類型由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 地表水對地下水的影響

濟源盆地東南部地下水受蟒河地表水(已被污染)補給，對地下水水質產生影響[7]。

濟源盆地東南部的蟒河地表水污染嚴重，根據蟒河趙禮莊斷面(W5)和南官莊斷面(W2)2016年水質分析結果得出，其水化學類型分別為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，均為劣Ⅴ類[8]。

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

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

4 地下水防護措施

4.1 大氣污染防護措施

堅持全民共治，源頭防治，持續實施大氣污染防治行動，倡導綠色低碳的發展方式和生活方式，是減少大氣污染的有效途徑。

(1)加強工業企業大氣污染綜合治理，推進集中供熱、“煤改氣”和“煤改電”工程建設。

(2)加強脫硫、脫硝、高效除塵、柴油機(車)排放凈化，以及新能源汽車和智能電網等方面的技術研發，推進技術成果的轉化應用。

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

(4)調整產業布局，優化空間格局，完善法律法規標準，提高環境監管能力。

(5)建立監測預警應急體系，妥善應對重污染天氣。

4.2 地表水保護措施

(1)進行糞類污水綜合利用，嚴控養殖廢水污染。

(2)結合城市發展和農村人居環境，完善管網建設，確保生活污水“應收盡收”，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修復。

(4)推動城鎮污水處理設施新建、擴建及提標改造。

(5)重點整治重污染河流，積極開展生態修復工作。

(6)集中治理工業集聚區水污染，加快城市黑臭水體治理。

(7)加快水污染防治，實施流域環境綜合治理。

5 結論

濟源盆地的地下水化學類型變化較大，尤其是濟源盆地北、西部，由HCO3-Ca型和HCO3-Ca·Mg型演變成了HCO3·SO4-Ca·Mg型。地下水化學類型改變的主要原因是：濟源市規模較大的工廠分布在北部和西部山前地帶，主要工業產品產量迅速增加，燃煤量迅速增大，導致大氣中的CO2、SO2和NOx等大量增加；濟源盆地特殊的地理環境和氣象因素等不利于污染物擴散，空氣中的CO2、SO2和NOx等隨降雨滲入地下，與地層中的礦物發生化學反應，使地下水化學類型發生變化，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增大。

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[9] 國家技術監督局.GB/T 14848—1993 地下水質量標準[S].北京:中國標準出版社，1994

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[11] 華北水利水電大學，河南省濟源市水利局.濟源市水資源綜合規劃修編[Z].濟源：河南省濟源市水利局，2017

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