福建廈門市地下水質量及開發(fā)利用建議

李政紅,郝奇琛,李亞松,李劍鋒,朱玉晨,李 倩

(1.中國地質科學院水文地質環(huán)境地質研究所,河北 石家莊 050061;2.自然資源部地下水科學與工程重點實驗室,河北 石家莊 050061;3.河北省地礦局第八地質大隊(河北省海洋地質資源調查中心),河北 秦皇島 066000)

水資源是人類賴以生存的基礎性資源,是國民經濟和社會經濟可持續(xù)發(fā)展的重要戰(zhàn)略資源。廈門市雖然降雨量豐富,但淡水資源仍非常匱乏[1-3],市區(qū)供水以地表水為主,對區(qū)域外調水依賴程度高。據廈門市水資源公報,2019年區(qū)域外調入水量和地下水供水量占總供水量的比例分別為57.29%和6.39%。作為閩西南經濟協作區(qū)的發(fā)展核心,廈門市整體發(fā)展已經上升為國家戰(zhàn)略,水資源需求量也隨之逐年增加。預測分析顯示,在保持現有用水和節(jié)水力度條件下,2030年廈門市存在較大的水資源供水缺口,最大缺水量(特枯水年)高達5.12×108m3,供水形勢嚴峻,水資源短缺成為制約其經濟可持續(xù)發(fā)展的重要問題。2019年廈門市地下水資源量為2.987×108m3,開采量占可開采量的14.6%,開采程度很低,尚有一定的利用前景,在緩解供水矛盾、應對突發(fā)事件中具有重要補充和應急作用。地下水質量直接影響著補充和后備水源的供水能力和供水安全,影響著城市可持續(xù)發(fā)展。近年來,部分學者雖對廈門市地下水質量進行了相關研究,如黃浩等[4]分析了廈門島西水東調工程對海島地下水質量的影響,發(fā)現工程沿線150～800 m范圍內地下水的鹽度產生了明顯變化;林玉錦等[5]通過31組地下水水樣評價了廈門市地下水質量,評價表明12 組良好、19 組較差;伍成成[6]分析了廈門市同安區(qū)淺層地下水質量狀況,發(fā)現地下水質量主要受原生地質環(huán)境的Fe、Mn元素以及人為引起的“三氮”污染影響,但以往研究幾乎未對全市域地下水質量進行過調查評價和系統(tǒng)研究,且水質評價指標均未包含有機指標。本文依托2019年中國地質調查局的“廈漳泉同城化地區(qū)綜合地質調查項目(簡稱廈漳泉項目)”,通過全面的地下水有機和無機水化學分析評價,查明了廈門市地下水質量現狀,為該市地下水合理開發(fā)利用和保障飲水安全提供了重要依據。

1 研究區(qū)概況

廈門市位于臺灣海峽西岸中部、閩南金三角的中心,屬亞熱帶海洋性季風氣候,氣候溫和濕潤,多年平均氣溫20.9 ℃。全市土地面積1 700.61 km2,海域面積約390 km2,海岸線總長約為234 km。市域由陸地、海洋和島嶼組成,陸地總體地勢由西北向東南傾斜。西北部為中山、低山區(qū),海拔較高;向南過渡至丘陵地帶,海拔降低;南面是海洋、廈門島和鼓浪嶼,海拔一般10 m以下。2019年底廈門市常住人口429萬人,其中城鎮(zhèn)人口383萬人。2020年GDP約6 384.02億元,占福建省的14.5 %。廈門有豐富的海洋生物資源,金屬礦藏資源較缺乏,淡水資源匱乏。

廈門市水系發(fā)育,河網密集,呈樹枝狀分布,徑流方向自西北向東南。其河流特點為徑流量小、水流短、河道窄、河床淺。河流水量隨季節(jié)變化大,河水含沙量低。地下水主要賦存于松散巖類孔隙含水層、風化殘積孔隙裂隙含水層、基巖裂隙含水層。松散巖類孔隙水包括沖洪積孔隙水和海積孔隙水。沖洪積孔隙水分布于河谷兩側階地及山前洪積扇,含水層巖性為砂、礫石及礫卵石等,厚度3～9 m,一般二級階地區(qū)單位涌水量<20 m3/(d·m)、一級階地區(qū)單位涌水量為20～200 m3/(d·m)。海積孔隙水分布于海岸及河口地帶,含水層巖性為淤泥質砂、中粗砂等,厚度不大。風化殘積孔隙裂隙水分布于殘積臺地及山前坡腳地帶,含水層巖性為碎石、角礫,厚度一般為10～20 m,一般單位涌水量均<10 m3/(d·m)?；鶐r裂隙水分布于山區(qū)基巖裂隙及斷層中,其富水性受構造斷裂控制,含水性極不均一,一般單位涌水量均<10 m3/(d·m)。地下水主要補給來源為大氣降水,其次為地表水。

近二十年來,廈門市年均水資源量為13.412×108m3。以戶籍人口計算,2019年人均水資源量為419 m3,屬絕對貧水區(qū)。城市供水90%以上為地表水,城鎮(zhèn)居民用水量最大,為2.289×108m3,占總用水量的33.59 %。2015年8月廈門市政府為加強地下水管理劃定了地下水禁采區(qū)和限采區(qū),廈門市大部分區(qū)域禁采、限采地下水,僅在城市供水系統(tǒng)未覆蓋的一些邊遠地區(qū)的家庭以地下水作為生活用水。

2 研究方法

2.1 樣品采集與測試

1.地下水;2.地表水

2.2 分析方法

根據《GB/T14848—2017地下水質量標準》[9](簡稱 “地下水標準”)和《GB 8537—2018食品安全國家標準飲用天然礦泉水》[10](簡稱 “礦泉水標準”)對地下水質量進行綜合評價。按照“地下水標準”規(guī)定的方法進行地下水質量單指標、分類指標及綜合評價,目的是評價地下水是否適合飲用,并獲取地下水質量影響因子。按照“礦泉水標準”規(guī)定的方法進行礦泉水水質評價,目的是評價地下水是否可評定為礦泉水。

采用超標率分析某指標的超標程度。按公式(1)計算:

超標率(%)=超標點總數/樣品總數×100%,

(1)

采用影響程度分析影響地下水質量的主要因子及程度。根據地下水綜合質量評價結果,按公式(2)和公式(3)分別計算各指標對Ⅳ、Ⅴ類水的影響程度。

影響程度(%)=指標(i)Ⅳ類水樣本點數/Ⅳ類水樣本點總數×100 %,

(2)

影響程度(%)=指標(i)Ⅴ類水樣本點數/Ⅴ類水樣本點總數×100 %。

(3)

3 地下水質量評價

3.1 評價指標

參與地下水質量評價的指標共55項(表1)。

表1 地下水質量評價參評指標表

3.2 評價結果

“地下水標準”評價研究表明,廈門市平原區(qū)地下水質量總體一般,無Ⅰ類水。按樣品數量統(tǒng)計,可以直接飲用的(Ⅱ—Ⅲ類水)占23.0 %,主要分布在翔安區(qū)的新店鎮(zhèn)、新圩鎮(zhèn),同安區(qū)的新民鎮(zhèn),集美區(qū)的灌口鎮(zhèn)等山前殘積臺地和河流的沖積階地。經過適當處理可以飲用的(Ⅳ類水)占59.8 %,在研究區(qū)廣泛分布。不能飲用的(V類水)占17.2 %,主要分布在翔安區(qū)的新店鎮(zhèn)、新圩鎮(zhèn),集美區(qū)的后溪鎮(zhèn)等工業(yè)區(qū)、農業(yè)區(qū)及人口密集分布區(qū)(圖2)。

1.Ⅱ類水;2.Ⅲ類水;3.Ⅳ類水;4.Ⅴ類水

地下水有機指標好于無機指標。半揮發(fā)性有機指標最好,5項指標在地下水均未檢出。在20個樣品中檢出揮發(fā)性有機指標,占樣品總數的25.3 %,檢出指標包括1,2-二氯乙烯、氯苯、鄰二氯苯、對二氯苯、1,2-二氯乙烷、1,2-二氯丙烷、甲苯、乙苯、溴仿、苯、三氯甲烷、三氯乙烯和二氯甲烷等13 項,除采自同安區(qū)的1個水點二氯甲烷為Ⅳ類外,其余指標均未超過Ⅲ類水標準限值。

表2 地下水質量評價結果統(tǒng)計

3.3 影響因子及成因分析

3.3.1 影響因子

圖3 地下水質量主要影響因子的影響程度柱狀圖

3.3.2 成因分析

(1)環(huán)境地質因素。地下水中Fe、Mn和pH值含量較高,主要與原生地質環(huán)境有關[11]。研究區(qū)土壤由燕山期花崗巖類巖石風化而成?；◢弾r屬酸性巖漿巖,在高溫多雨的氣候條件下,由其風化淋濾形成的土壤一般呈酸性(5.0≤pH值<6.5)[12-13]。地下水中Fe、Mn的水文地球化學特性受pH值和氧化還原反應影響很大,pH值從6增加到8,Fe在水中的溶解度減少106倍[14]。研究區(qū)黏土層中含有較多的還原性Fe、Mn元素[15],地下水pH值范圍為5.31～10.03,平均值為6.63,多為弱酸性水。在偏酸性環(huán)境,地下水循環(huán)、運移過程中溶解了巖石中的Fe、Mn,從而形成高Mn、高Fe的地下水。

圖4 ρ(NO3-)與ρ(K+)、ρ(Cl-)的相關關系圖

鉛污染主要是由于礦山的開采、冶煉,玻璃、電纜、顏料等的生產,砷酸鉛農藥和含鉛汽油的使用等人類活動導致的[21]。

4 礦泉水水質評價

“礦泉水標準”評價研究表明,廈門市地下水H2SiO3和Sr含量普遍較高(圖5,圖6)。地下水中H2SiO3的含量范圍為5.44～98.64 mg/L,平均值為33.08 mg/L,變異系數為0.63,與“礦泉水標準”規(guī)定的H2SiO3≥25.0 mg/L的界限要求相比,50個樣品達到標準界限要求。地下水中Sr含量范圍為0.006～2.128 mg/L,平均值為0.29 mg/L,變異系數為0.93,與“礦泉水標準”規(guī)定的Sr≥0.20 mg/L的界限要求相比,50個樣品達到標準界限要求。

1.<12.5 mg/L;2.12.5～25.0 mg/L;3.25.0～37.5 mg/L;4.37.5～50.0 mg/L;5.50.0～75.0 mg/L;6.≥75.0 mg/L

1.<0.1 mg/L;2.0.1～0.2 mg/L;3.0.2～0.4 mg/L;4.0.4～0.6 mg/L;5.0.6～1.0 mg/L;6.≥1.0 mg/L

地下水H2SiO3或Sr含量達到“礦泉水標準”界限要求的樣品共計63個,其中有17個樣品同時滿足了“地下水標準”Ⅱ、Ⅲ類水標準限值要求。17個樣品中達到H2SiO3和Sr含量界限要求的樣品分別為11個和13個,其中7個樣品同時達到H2SiO3和Sr含量界限要求。另外,部分水樣還含有Li、Zn、溴化物、碘化物、游離二氧化碳等有益微量組分,且各元素均在允許范圍內。

11個含高H2SiO3樣品pH值為6.54～7.16,TDS為131.5～556.8 mg/L,游離CO2為11.08～41.05 mg/L,水化學類型包含HCO3-Ca·Na型、HCO3·Cl-Na·Ca型、HCO3·SO4-Ca·Na型和Cl-Na型。13個含高Sr元素樣品pH值為6.55～7.16,TDS為201.2～556.8 mg/L,游離CO2為18.88～41.05 mg/L,水化學類型包含HCO3-Ca·Na型、HCO3·Cl-Ca·Na型、HCO3·SO4-Ca·Na型、SO4·Cl·HCO3-Na·Ca型、Cl·SO4·HCO3-Na·Ca型和Cl-Na型。分析結果表明,這17個含H2SiO3、Sr元素的地下水樣品是具pH值適中、低礦化特征的優(yōu)質天然礦泉水,兼有飲用和醫(yī)療價值。

5 開發(fā)利用建議

基于“優(yōu)質優(yōu)用,按需開采”和保障居民飲水安全的原則,綜合分析地下水質量、地下水質量影響因子、礦泉水水質評價結果,將廈門市地下水開發(fā)利用分為科學有序開采、適度開采、應急開采、限制開采和不宜開采5個等級(表3)。

表3 地下水可開發(fā)利用分級表

由地下水開發(fā)利用分級圖(圖7)可見,廈門市地下水具有一定的開發(fā)利用潛力。結合廈門市地下水開發(fā)利用現狀、水資源供需形勢,提出以下開發(fā)利用建議。

(1)科學有序開采礦泉水資源。H2SiO3具有軟化血管、維持血管壁彈性、防止心血管動脈硬化、緩和細胞衰老等功能;適量補充Sr元素對老年性骨質疏松有保護作用?！皬B漳泉項目”采集的87組地下水樣品中,開發(fā)利用分級為一級的占19.5%。因此,建議在含H2SiO3、Sr元素優(yōu)質礦泉水的分布區(qū)開展水資源評價工作,科學有序開發(fā)利用優(yōu)質礦泉水資源,使其產生最大附加值。

(2)適度開采水質優(yōu)良的地下水。在城市供水系統(tǒng)末端,供水保障不足、存在季節(jié)性缺水的區(qū)域,適量開采水質優(yōu)良的地下水補充供水缺口。“廈漳泉項目”在同安區(qū)瓊坑村、東塘埔、苧溪橋施工的探采結合井解決了3個村莊約3 000人的飲用水問題,以及部分牲畜、灌溉用水,有效提升了當地安全供水保障能力,社會效益顯著。

(3)應急利用原生水質較差的地下水。廈門市原生劣質水占比較高,“廈漳泉項目”采集的87組地下水樣品中,開發(fā)利用分級為三級的占33.3%。僅受原生地質環(huán)境影響的劣質地下水,可采用適當處理方法去除有害物質后飲用,或短期作為應急飲用水源。如僅有Fe、Mn元素超標的水,可采用高錳酸鉀復合劑預氧化法、曝氣接觸氧化法、化學氧化法、超濾膜法等[22]降低水中Fe、Mn的含量,使之達標后可作為生活飲用水。因此,建議在原生劣質水分布區(qū)開展地下水基礎環(huán)境調查評價,提出區(qū)域地下水-地表水聯合調配優(yōu)化方案。

6 結論

(2)有益人體健康的H2SiO3、Sr微量組分在廈門市地下水中含量普遍較高。在采集的87組樣品中,19.5%的樣品優(yōu)于“地下水標準”Ⅲ類水標準和“礦泉水標準”H2SiO3或Sr元素的標準,是兼有飲用和醫(yī)療價值的含H2SiO3、Sr元素的優(yōu)質飲用天然礦泉水。

(3)基于“優(yōu)質優(yōu)用,按需開采”和保障居民飲水安全的的原則,分類提出了開發(fā)利用地下水的建議,包括科學有序開采優(yōu)質礦泉水、適度開采水質優(yōu)良水、應急利用原生水質較差水等,為進一步發(fā)揮地下水的經濟社會效益提供參考。