鲁北高氟区地下水安全供水区划研究

杨建华,牛全丽,刘 帅

(1.山东省地质矿产勘查开发局第二水文地质工程地质大队/山东省鲁北地质工程勘察院,山东 德州 253015;2.东营市自然资源和规划局,山东 东营 257091)

鲁北地区地处黄河下游冲积平原地带,饮用水源为深层地下水及黄河水,深层地下水中氟含量普遍偏高,造成氟中毒,属于深层地下高氟水型地氟病病区,是全省受地氟病危害比较严重的地区。其中济阳、博兴、高青、广饶、夏津、宁津等16县777个村受危害人口65万余人[1-4],出现氟骨症、氟斑、尿氟等症状,严重危害当地群众的生命和健康[5-6]。高氟地下水直接威胁广大人民群众的饮用安全,此研究高氟深层地下水的分布及成因,对寻求低氟淡水具有重要的意义。

1 研究区概况

研究区位于山东省北部,京沪铁路以东,黄河以北,北至河北省,东、东南与东营、淄博为邻。主要包括德州市德城区、陵县、平原县、禹城市、齐河县、临邑县、宁津县、乐陵市、庆云县以及滨州市和济南市黄河以北的县区,面积约15 095 km2。

2 地下水安全供水影响因素分析

影响鲁北地区地下水安全供水区划的影响因素包括水质、水位、水量等[7]。

2.1 水质指标

研究区内水质普遍较差,地下水中矿化度小于1 g/L的区域很小,根据鲁北地区特殊的地域特点,将矿化度标准值扩大到2 g/L;硝酸盐对人体健康影响较大,本次严格按照《生活饮用水卫生标准(GB5749-2006)》中规定的20 mg/L(以N计)作为饮用水水质标准;氟离子含量根据《生活饮用水卫生标准(GB5749-2006)》中小型集中式供水和分散式供水水质指标中规定的1.2 mg/L作为饮用水水质标准[8]。

2.2 水位指标

研究区深层地下水开采历史悠久,形成了地下水降落漏斗(图1),深层地下水大量开采,地下水水位持续下降是本区不均匀沉降发生的主要诱因[9],因此,规划深层地下水开采区域时,需考虑水位的影响。据德州市1991-2006年地面沉降与地下水水头埋深监测数据,地面沉降与深层地下水水头之间的线性相关系数为-0.906,呈高度负相关,两者之间的关系可以通过一个三阶多项式表示(图2)。通过对趋势线的前后段做切线,两切线相交于水头埋深106 m左右,表明当水头埋深超过106 m时,地面沉降的速率随着水位埋深的增加急剧增大。因此,区内深层地下水开采量最大允许埋深为106 m,为了计算趋于保守,本次最大允许水位埋深取值为100 m[10]。

图2 德城区地面沉降量与深层地下水水位关系曲线图

图3 浅层地下水分质计算分区图

2.3 水量指标

区内浅层地下水与外界水量交换积极,水循环强烈,对水资源利用有积极意义。符合上述水质标准的区域主要位于陵县、宁津县、惠民县等县区的北部地区以及禹城市、齐河县、商河县等大片区域(图3),分布面积共约4 442.33 km2,根据水均衡计算,符合水质要求浅层地下水可开采量共计6.26×108m3/a,其中各计算区的可开采量分别为2.86×108m3/a、1.68×108m3/a、1.36×108m3/a、0.36×108m3/a(见表1)。

表1 浅层水水质达标范围的可开采量

研究区深层地下水氟离子浓度普遍为大于1.2 mg/L,只有禹城市、齐河县、商河县附近区域以及研究区东南部区域氟离子含量在0～1.2 mg/L之间(图4);而在沾化县附近有全咸水分布区外,其它都为矿化度小于2 g/L的区域,该区域地下水资源量对改水措施起着积极意义。根据计算结果,深层地下水中,矿化度和氟离子浓度都符合条件的区域面积共约1 769.95 km2,可开采量共计1 032.47×104m3/a,Ⅰ1-Ⅰ3各计算子区的可开采量为847.31×104m3/a、121.23×104m3/a、 63.93×104m3/a(见表2)。

表2 深层地下水水质达标可开采量

3 地下水安全供水区划原则及方法

3.1 区划原则

3.1.1 水质优先原则

研究区内有些地方存在适宜饮用的地下水,可以直接作为安全供水水源,但一些地区由于天然水质较差或污染使得不能直接作为饮用水源,因此,区划时应以供水水质是否合格作为主要区划原则。

3.1.2 可持续开发利用原则

地下水资源在区域内分布不均,各县(市)地下水开采程度不一,重点供水水源地及富水地段,因地下水超采引发了地下水水位下降、地面沉降、水质恶化、海(咸)水入侵等一系列地质环境问题。根据区内地下水的开发利用现状,应根据可持续开发利用的原则,进行地下水供水区划,使之在不影响环境的前提下得到最大利用。

3.2 区划方法

根据以上区划原则,以水质是否达标为基准进行研究区的一级区划。研究区内水质普遍较差,地下水中矿化度小于1 g/L的区域很小,根据鲁北地区特殊的地域特点,参考以往研究成果,将矿化度标准值扩大到2 g/L;硝酸盐对人体健康影响较大,本次严格按照《生活饮用水卫生标准(GB5749-2006)》中规定的20 mg/L(以N计)作为饮用水水质标准;氟离子含量根据《生活饮用水卫生标准(GB5749-2006)》中小型集中式供水和分散式供水水质指标中规定的1.2 mg/L作为饮用水水质标准。

图4 深层地下水分质计算分区图

表3 地下水安全供水区划一览表

另外,若地下水中只有氟离子含量超标,则通过降氟处理达到标准后,可作为饮用水开发利用。而根据降氟方式的不同可分为工程降氟区与水处理除氟区,当氟离子浓度较大时,工程改水后降氟效果不是很大,即使降氟成功,但一段时间后氟离子含量仍会回升,因此当氟离子含量较大时,以改变施工工艺方式并不能成功降氟,需经过水处理进行除氟。而“氟离子浓度到达何值时,深层地下水可通过改变其成井施工工艺达到降氟目的”的专项研究较少,目前并没有一个明确的界限值。根据山东省以往施工经验,预计氟含量在2.0 mg/L以内时,可通过工程措施降氟使之达到饮用水标准或略高于标准,饮用不会对人体造成较大影响。因此,本次将2.0 mg/L作为可供过改变施工工艺达到降氟目的的分界线。

综上,根据矿化度、硝酸根、氟离子浓度将研究区进行一级区划的划分,分为:直接开发利用区、工程降氟开发利用区、水处理开发利用区、非适宜饮用区。

除水质要求外,可持续开发利用也是进行地下水安全供水区划的重要原则。区内一些因地下水的开发已引起了一系列的水文地质问题,这些地区调减地下水开采势在必行;有些地区或采补平衡或开采并未对环境产生严重影响,这些地区应以维持现状为宜;而有些地区地下水赋存条件好,但开采程度不大,为使资源得到充分利用,这些地区可适当扩大地下水的开采。

图5 地下水开发利用区划图

4 安全供水区划

本次水资源开发利用区划参考了农村饮用水安全卫生评价指标体系的要求,严格按照可持续开发利用原则,并综合考虑了水质、水量、取水方便程度及供水保证程度等因素。水质评价过程中既采用综合水质评价法,又参考单项指标法(一票否决制法,即地下水中某些单项因子浓度超过标准限值即为不适宜水质);根据含水介质特征及水文地质条件,评价区域富水性及可开采模数;以地下水开发利用现状为基础,对开采潜力进行分析;区划中尽量避免远距离输水管网的建设。根据本次鲁北高氟区地下水调查评价结果,结合该区高氟水分布现状及供水需求,制定了地下水开发利用区划(表3、图5)。

5 降氟方法

(1)工程降氟:采用改变成井施工工艺的方式进行降氟处理[11]。经研究发现不同层位的岩土含氟量不同,且粘土层含氟量较高[1],则成井过程中对以上含氟量较高的层位进行有效隔水处理,可降低开采井中氟离子的含量。

(2)水处理除氟:建议以沸石除氟法进行降氟处理。虽初次投资较大,但有越用越好的趋势,适合长期使用,可以在高氟区进行广泛推广。

6 结语

本文通过水质指标、水位指标、水量指标分析,以水质优先、可持续开发利用为原则,进行了研究区浅层地下水、深层地下水安全供水区划划分,划分为14个供水小区,并从水质、水量、取水方便程度及供水保证程度四个方面论证了开发利用区划的可行性,为区内不同地区地下水安全供水提供了参考依据,为其他类似区域地下水规划提供了参考。