巖溶型地?zé)嵛菜欧艑?duì)周邊環(huán)境的影響①

陳剛

中化地質(zhì)礦山總局山東地質(zhì)勘查院，山東 濟(jì)南 250013

目前清潔能源的開(kāi)發(fā)利用較為熱門(mén)，地?zé)豳Y源作為一種清潔能源，近幾年的開(kāi)發(fā)利用推廣力度較大。林溦等2016年研究認(rèn)為地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)利用可產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、環(huán)境效益[1]，但由于開(kāi)發(fā)地?zé)峋辔挥谑姓芫W(wǎng)尚未覆蓋的城市郊區(qū)，多數(shù)地?zé)峋嬖谖菜苯优欧艈?wèn)題。開(kāi)發(fā)利用方式的不合理也產(chǎn)生了較多的環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題，如：地面沉降、地?zé)豳Y源衰竭、地?zé)崴泻Τ煞治廴?、熱污染等[2]。由于地?zé)峋_(kāi)發(fā)將地下深處成分復(fù)雜的物質(zhì)伴隨地?zé)崴粠У降乇韀3]，張林1996年發(fā)現(xiàn)國(guó)內(nèi)許多地?zé)峋蟹科撸话阍?0.5～17.0mg/L之間，地?zé)嵛菜欧艑?duì)環(huán)境造成氟污染問(wèn)題[4]。

康鳳新2020年研究認(rèn)為巖溶熱儲(chǔ)分布廣、單井涌水量大、溫度高、易回灌等特點(diǎn)，逐漸成為我國(guó)北方地?zé)衢_(kāi)發(fā)的主要熱儲(chǔ)層之一[5]。濟(jì)南作為“溫泉之都”，地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)利用程度較高，其中濟(jì)北地?zé)崽餅閰^(qū)內(nèi)重要的地?zé)衢_(kāi)發(fā)熱門(mén)地區(qū)[6]。該層地?zé)崴|(zhì)量較好，汞、鎘、鉻、砷、鉛等重金屬污染物含量極微，不含揮發(fā)性酚與氰化物，COD、NO3-、NO2-、NH4+含量低，不含大腸菌群[6-7]。

為查明地?zé)嵛菜欧艑?duì)周邊環(huán)境的影響，本次研究選擇濟(jì)北地?zé)崽镩_(kāi)發(fā)利用程度較高的某地?zé)峋?，從地?zé)嵛菜欧艑?duì)周邊地表水、淺層地下水的主要離子、“三氮”、重金屬、有機(jī)物及對(duì)表層土壤的影響進(jìn)行分析，本研究對(duì)減少與避免地?zé)崆鍧嵞茉撮_(kāi)發(fā)利用過(guò)程中產(chǎn)生的環(huán)境污染問(wèn)題具有借鑒意義。

1 研究區(qū)概況

1.1 地質(zhì)

研究區(qū)屬黃河沖積平原。地勢(shì)平坦，總體南高北低。地表水、地下水總體自南向北徑流。區(qū)內(nèi)廣泛分布全新世黃河沖積物，為一套灰黃色粉砂土、粉質(zhì)亞砂土、紅棕色-紅褐色亞粘土組合，黃河河床、河漫灘相，厚度10～30m。巖性類(lèi)型決定了研究區(qū)表層土壤防污性能較差。

1.2 水文地質(zhì)

研究區(qū)含水巖組主要為松散巖類(lèi)孔隙含水巖組。垂向上分為三類(lèi)亞組：淺層潛水含水亞組，中層承壓含水亞組和深層承壓含水亞組。本次研究對(duì)象為淺層潛水（30m以淺），下稱(chēng)“淺層地下水”。

該含水層，區(qū)內(nèi)廣泛分布，底界面埋藏較淺，淡水厚度較薄，小于20m。含水層巖性多為粉砂或粉細(xì)砂，其顆粒無(wú)明顯的韻律變化，含水層埋藏不穩(wěn)定，層次多，單層厚度 0～4.2m。水位埋深2～4m，水位年變幅小于2m，富水性較弱，單井涌水量小于 500m3/d。水質(zhì)較差，地下水礦化度1～2g/L。主要補(bǔ)給來(lái)源為地表水和降水入滲，向下游徑流和蒸發(fā)排泄[8]。

1.3 水化學(xué)類(lèi)型

研究區(qū)淺層地下水化學(xué)類(lèi)型復(fù)雜，從陰離子化學(xué)類(lèi)型來(lái)看，主要以HCO3型為主，次為HCO3·SO4型。從平面分布來(lái)看，研究區(qū)淺層地下水陰離子以HCO3為主，沿地下水流向總體呈現(xiàn) HCO3·SO4型→SO4·Cl型→HCO3·Cl型間隔分布的特征（圖1）。

圖1 研究區(qū)淺層地下水陰離子類(lèi)型分布圖Fig.1 Distribution of anion types in shallow groundwater in the study area

1.4 地?zé)岬刭|(zhì)

區(qū)域上研究區(qū)屬魯西地?zé)釁^(qū)，位于濟(jì)南北部地?zé)崽锉边吘?，齊廣斷裂上盤(pán)。該熱儲(chǔ)層以?shī)W陶紀(jì)灰?guī)r含水巖層為最佳層狀熱儲(chǔ)，奧陶系埋藏條件在區(qū)域北傾單斜構(gòu)造的背景下，總體由南而北逐漸深埋[9]。

1.5 地?zé)峋_(kāi)發(fā)利用現(xiàn)狀

本次研究地?zé)峋?，位于?jì)陽(yáng)區(qū)濟(jì)陽(yáng)街道恒建康養(yǎng)城院內(nèi)，2012年左右開(kāi)始開(kāi)發(fā)利用，井深1473.55m，熱儲(chǔ)為奧陶紀(jì)灰?guī)r，井口出口水溫57℃，用于溫泉洗浴，未見(jiàn)回灌井，日接待量為100～200人/d，開(kāi)采量為 600m3/d，排放量為600m3/d，排放口出水溫度42℃。該處遠(yuǎn)離市區(qū)，未見(jiàn)污水管網(wǎng)，院內(nèi)未見(jiàn)污水處理措施，洗浴后的尾水直接排放至康養(yǎng)城西南角的溝里。張爾匡認(rèn)為對(duì)地下熱水資源的開(kāi)發(fā)必須全面規(guī)劃，配套管網(wǎng)設(shè)施應(yīng)與地?zé)衢_(kāi)發(fā)相匹配，盡量減少尾水排放造成的環(huán)境污染問(wèn)題[10]。

1.6 生態(tài)環(huán)境背景

研究區(qū)及周邊主要是生態(tài)療養(yǎng)區(qū)，建有老年康養(yǎng)城，無(wú)明顯的污染源，地下水、土壤基本處于背景值，故本次研究選擇生態(tài)背景基本空白的地方，便于對(duì)比分析地?zé)崴_(kāi)采對(duì)周邊環(huán)境的影響。

2 樣品采集與測(cè)試

2.1 樣品采集

采樣考慮地?zé)峋鞅狈较蛴写笏潞?，淺層地下水局部流向基本垂直于大寺河。本次于枯水期采集大寺河地表水1件（B3），地?zé)嵩?件（Q55原水），排放尾水1件（Q55尾水），沿地下水流向500m采集地下水1件（洼里王村Q56）；沿地下水流向2500m采集地下水1件（官家坊村Q54），淺層地下水樣品選擇深度20～30m機(jī)、民井，抽水30分鐘井筒內(nèi)全部為新水后，采樣，封瓶，冷藏，3日內(nèi)送檢，進(jìn)行全分析、有機(jī)污染分析。地?zé)嵛菜欧劈c(diǎn)（T54）、500m點(diǎn)（洼里王村T55）、2500m點(diǎn)（官家坊村T53）采集地表土壤樣片各1件，采樣深度 0～40cm，進(jìn)行重金屬分析。采樣點(diǎn)位置見(jiàn)圖2。

圖2 采樣點(diǎn)分布圖Fig 2 Distribution map of sampling points

2.2 樣品測(cè)試

水樣采集按照《水質(zhì)采樣、樣品的保存和管理技術(shù)規(guī)定》執(zhí)行[11]。

樣品測(cè)試委托中國(guó)冶金地質(zhì)總局山東局測(cè)試中心，該中心具備國(guó)土資源部地質(zhì)勘查巖礦鑒定與巖礦測(cè)試甲級(jí)資質(zhì)。

主要檢測(cè)設(shè)備包括：PHS-3E酸度計(jì)(YQ005)、ICE3500原子吸收分光光度計(jì)(YQ003)、GCMS QP2020氣質(zhì)聯(lián)用儀(YQ147)、Trace 1300-ISQ氣相色譜質(zhì)譜儀(YQ131)、UV752N紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)（YQ137）、TU-1810紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)（YQ059）、722G 分光光度計(jì)（YQ134）、X Series2電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(YQ006)、AFS-2202a型雙道原子熒光光度計(jì)（YQ002）。

檢測(cè)主要依據(jù)。水樣：《地下水質(zhì)檢驗(yàn)方法》[12]、《飲用天然礦泉水檢驗(yàn)方法》[13]、《水質(zhì) 揮發(fā)性有機(jī)物的測(cè)定 吹掃捕集/氣相色譜-質(zhì)譜法》[14]。土樣：NY/T 1121.2-2006《土壤檢測(cè) 第2部分 土壤pH的測(cè)定》、GB/T 22105-2008《土壤質(zhì)量 總汞、總砷、總鉛的測(cè)定》[15]、HJ 803-2016《土壤和沉積物 12種金屬元素的測(cè)定》[16]。

3 結(jié)果與討論

3.1 主要離子含量比較

枯水期地?zé)嵩?、尾水及周邊地表水、淺層地下水樣品測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 地?zé)嵛菜爸苓叡O(jiān)測(cè)點(diǎn)樣品主要離子測(cè)試結(jié)果一覽表Table 1 List of main ion test results of geothermal tail water and peripheral monitoring point samples

3.1.1 地?zé)嵩c尾水比較

由表1可見(jiàn)，地?zé)嵩c尾水主要離子含量基本一致，僅Na+、Cl-稍有變化，由溫泉洗浴引起，但變化不大（圖3）。

圖3 地?zé)嵩⑽菜饕x子含量對(duì)比折線(xiàn)圖Fig.3 Comparison graph of main ion content of geothermal raw water and tail water

3.1.2 地?zé)嵛菜c周邊淺層地下水、地表水比較

與周邊淺層地下水、地表水相比，地?zé)嵛菜蠳a+、SO42-、TDS明顯偏高，其余主要離子相差不大。如直接排放，會(huì)對(duì)周邊淺層地下水、地表水水質(zhì)產(chǎn)生一定影響（圖4）。

圖4 地?zé)嵛菜c周邊地表水、淺層地下水主要離子含量對(duì)比折線(xiàn)圖Fig.4 Graph comparing main ion content of surface water and shallow groundwater in geothermal tail water

3.2 三氮含量比較

地?zé)嵩?、尾水及周邊地表水、淺層地下水枯水期NO3-、NO2-、NH4+含量測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 地?zé)嵛菜爸苓叡O(jiān)測(cè)點(diǎn)三氮含量一覽表Table 2 List of tri-nitrogen contents in geothermal tail water and peripheral monitoring points

由表2可見(jiàn)地?zé)嵩?、尾水及周邊淺層地下水三氮中，NO3-、NO2-含量基本變化不大，但NH4+含量變化較大，地?zé)嵩蠳H4+含量小于檢出限，而尾水中NH4+含量3.00mg/L，大于《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[17]Ⅴ類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)限值1.50mg/L（圖5）。大寺河地表水因沿途人類(lèi)活動(dòng)產(chǎn)生的污染累加，NO3-、NO2-含量遠(yuǎn)高于地?zé)嵩?、尾水及周邊淺層地下水，但NH4+含量與地?zé)嵛菜嘟荒芘懦械責(zé)嵛菜苯优欧胖链笏潞拥目赡堋?/p>

圖5 地?zé)嵩?、尾水三氮含量?duì)比折線(xiàn)圖Fig.5 Graph comparing contents of geothermal raw water,tail water and three nitrides

對(duì)比表 2數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，地?zé)嵩轿菜?NH4+含量明顯升高，但距離排放點(diǎn)500m遠(yuǎn)的洼里王村觀(guān)測(cè)點(diǎn)NH4+含量在檢出限以下，說(shuō)明該處地?zé)嵛菜?NH4+較高對(duì)周邊淺層地下水的影響范圍一般小于500m。該處滲透介質(zhì)巖性的具體影響有待進(jìn)一步研究。

3.3 重金屬及氟含量比較

地?zé)嵩?、尾水及周邊地表水、淺層地下水重金屬含量測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。

由表3可見(jiàn)，尾水和原水中重金屬含量均較少，僅尾水中砷含量 0.003mg/L，Ⅲ類(lèi)＞尾水＞I類(lèi)，原水和尾水中的其他重金屬離子含量均低于I類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)限值。

表3 地?zé)嵛菜爸苓叡O(jiān)測(cè)點(diǎn)重金屬及氟含量一覽表Table 3 List of heavy metals and fluorine content of geothermal tail water and peripheral monitoring point samples

對(duì)比地?zé)嵛菜c周邊觀(guān)測(cè)點(diǎn)重金屬含量來(lái)看，地?zé)嵛菜畬?duì)周邊淺層地下水重金屬含量未見(jiàn)明顯影響。周邊淺層地下水中氟含量甚至高于地?zé)嵛菜c張林1996年許多地?zé)峋蟹科卟⒉灰恢耓4]，分析原因?yàn)檠芯繀^(qū)蒸發(fā)量大于降水量，淺層地下水處于蒸發(fā)濃縮狀態(tài)，故淺層地下水中氟含量高于地?zé)嵛菜?/p>

3.4 有機(jī)物含量比較

本次研究對(duì)上述監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行了有機(jī)指標(biāo)測(cè)試，測(cè)試項(xiàng)目為《地下水污染地質(zhì)調(diào)查評(píng)價(jià)規(guī)范》[18]規(guī)定的必測(cè)項(xiàng)目：鹵代烴、氯代苯、單環(huán)芳烴、有機(jī)氯農(nóng)藥、多環(huán)芳烴5類(lèi)16項(xiàng)，所有有機(jī)檢測(cè)項(xiàng)目均低于檢出限（表4），說(shuō)明該地?zé)峋責(zé)嵛菜欧艑?duì)周邊環(huán)境有機(jī)污染一般無(wú)影響。

表4 地?zé)嵛菜爸苓叡O(jiān)測(cè)點(diǎn)有機(jī)物含量一覽表Table 4 List of organic content of geothermal tail water and peripheral monitoring point samples

續(xù)表4

3.5 對(duì)表層土壤的影響

地?zé)嵛菜欧劈c(diǎn)、500m外的洼里王村、2500m外的官家坊村3處表層土壤樣測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 地?zé)嵛菜欧劈c(diǎn)及周邊表土重金屬含量一覽表Table 5 List of heavy metal content of geothermal tail water and peripheral topsoil

由表5可見(jiàn)，地?zé)嵛菜欧劈c(diǎn)及周邊表層土中重金屬含量較為相近，未見(jiàn)該處地?zé)嵛菜欧艑?duì)表層土壤中重金屬含量產(chǎn)生明顯影響。對(duì)比3個(gè)土壤監(jiān)測(cè)點(diǎn)重金屬含量及所占比重基本一致（圖6）。

圖6 地?zé)嵛菜欧劈c(diǎn)及周邊表土重金屬含量隨距離變化直方圖Fig.6 Bar graph of heavy metal content of geothermal tail water discharge point and peripheral topsoil with distancec

3.6 對(duì)周邊氣溫的影響

根據(jù)研究區(qū)氣象資料，研究區(qū)歷年平均氣溫14.2℃，7月份最高平均氣溫27.4℃，1月份最低平均氣溫-1.4℃。該地?zé)峋猛緸闇厝丛。诔隹谒疁?7℃，排放口出水溫度42℃，高于當(dāng)?shù)啬昶骄鶜鉁?4.2℃，可能對(duì)周邊氣溫產(chǎn)生輕微的熱污染。

4 結(jié)論

（1）研究區(qū)巖溶型地?zé)崴|(zhì)較好，尾水中的SO42-、TDS、NH4+高于周邊淺層地下水含量，直接排放會(huì)對(duì)周邊地表水、淺層地下水水質(zhì)產(chǎn)生一定影響。

（2）地?zé)嵛菜?NH4+對(duì)周邊淺層地下水的影響范圍一般小于500m。

（3）地?zé)嵛菜苯优欧艑?duì)周邊淺層地下水重金屬含量一般無(wú)影響；對(duì)周邊表層土壤重金屬含量一般無(wú)影響。

（4）地?zé)嵛菜欧艤囟雀哂诋?dāng)?shù)啬昶骄鶜鉁兀瑢?duì)周邊大氣可能形成輕微的熱污染。

（5）尾水排放對(duì)周邊的淺層地下水的影響機(jī)理以及在各類(lèi)滲透介質(zhì)中的彌散系數(shù)有待進(jìn)一步的研究。