福建厦门市地下水质量及开发利用建议

李政红,郝奇琛,李亚松,李剑锋,朱玉晨,李 倩

(1.中国地质科学院水文地质环境地质研究所,河北 石家庄 050061;2.自然资源部地下水科学与工程重点实验室,河北 石家庄 050061;3.河北省地矿局第八地质大队(河北省海洋地质资源调查中心),河北 秦皇岛 066000)

水资源是人类赖以生存的基础性资源,是国民经济和社会经济可持续发展的重要战略资源。厦门市虽然降雨量丰富,但淡水资源仍非常匮乏[1-3],市区供水以地表水为主,对区域外调水依赖程度高。据厦门市水资源公报,2019年区域外调入水量和地下水供水量占总供水量的比例分别为57.29%和6.39%。作为闽西南经济协作区的发展核心,厦门市整体发展已经上升为国家战略,水资源需求量也随之逐年增加。预测分析显示,在保持现有用水和节水力度条件下,2030年厦门市存在较大的水资源供水缺口,最大缺水量(特枯水年)高达5.12×108m3,供水形势严峻,水资源短缺成为制约其经济可持续发展的重要问题。2019年厦门市地下水资源量为2.987×108m3,开采量占可开采量的14.6%,开采程度很低,尚有一定的利用前景,在缓解供水矛盾、应对突发事件中具有重要补充和应急作用。地下水质量直接影响着补充和后备水源的供水能力和供水安全,影响着城市可持续发展。近年来,部分学者虽对厦门市地下水质量进行了相关研究,如黄浩等[4]分析了厦门岛西水东调工程对海岛地下水质量的影响,发现工程沿线150～800 m范围内地下水的盐度产生了明显变化;林玉锦等[5]通过31组地下水水样评价了厦门市地下水质量,评价表明12 组良好、19 组较差;伍成成[6]分析了厦门市同安区浅层地下水质量状况,发现地下水质量主要受原生地质环境的Fe、Mn元素以及人为引起的“三氮”污染影响,但以往研究几乎未对全市域地下水质量进行过调查评价和系统研究,且水质评价指标均未包含有机指标。本文依托2019年中国地质调查局的“厦漳泉同城化地区综合地质调查项目(简称厦漳泉项目)”,通过全面的地下水有机和无机水化学分析评价,查明了厦门市地下水质量现状,为该市地下水合理开发利用和保障饮水安全提供了重要依据。

1 研究区概况

厦门市位于台湾海峡西岸中部、闽南金三角的中心,属亚热带海洋性季风气候,气候温和湿润,多年平均气温20.9 ℃。全市土地面积1 700.61 km2,海域面积约390 km2,海岸线总长约为234 km。市域由陆地、海洋和岛屿组成,陆地总体地势由西北向东南倾斜。西北部为中山、低山区,海拔较高;向南过渡至丘陵地带,海拔降低;南面是海洋、厦门岛和鼓浪屿,海拔一般10 m以下。2019年底厦门市常住人口429万人,其中城镇人口383万人。2020年GDP约6 384.02亿元,占福建省的14.5 %。厦门有丰富的海洋生物资源,金属矿藏资源较缺乏,淡水资源匮乏。

厦门市水系发育,河网密集,呈树枝状分布,径流方向自西北向东南。其河流特点为径流量小、水流短、河道窄、河床浅。河流水量随季节变化大,河水含沙量低。地下水主要赋存于松散岩类孔隙含水层、风化残积孔隙裂隙含水层、基岩裂隙含水层。松散岩类孔隙水包括冲洪积孔隙水和海积孔隙水。冲洪积孔隙水分布于河谷两侧阶地及山前洪积扇,含水层岩性为砂、砾石及砾卵石等,厚度3～9 m,一般二级阶地区单位涌水量<20 m3/(d·m)、一级阶地区单位涌水量为20～200 m3/(d·m)。海积孔隙水分布于海岸及河口地带,含水层岩性为淤泥质砂、中粗砂等,厚度不大。风化残积孔隙裂隙水分布于残积台地及山前坡脚地带,含水层岩性为碎石、角砾,厚度一般为10～20 m,一般单位涌水量均<10 m3/(d·m)。基岩裂隙水分布于山区基岩裂隙及断层中,其富水性受构造断裂控制,含水性极不均一,一般单位涌水量均<10 m3/(d·m)。地下水主要补给来源为大气降水,其次为地表水。

近二十年来,厦门市年均水资源量为13.412×108m3。以户籍人口计算,2019年人均水资源量为419 m3,属绝对贫水区。城市供水90%以上为地表水,城镇居民用水量最大,为2.289×108m3,占总用水量的33.59 %。2015年8月厦门市政府为加强地下水管理划定了地下水禁采区和限采区,厦门市大部分区域禁采、限采地下水,仅在城市供水系统未覆盖的一些边远地区的家庭以地下水作为生活用水。

2 研究方法

2.1 样品采集与测试

1.地下水;2.地表水

2.2 分析方法

根据《GB/T14848—2017地下水质量标准》[9](简称 “地下水标准”)和《GB 8537—2018食品安全国家标准饮用天然矿泉水》[10](简称 “矿泉水标准”)对地下水质量进行综合评价。按照“地下水标准”规定的方法进行地下水质量单指标、分类指标及综合评价,目的是评价地下水是否适合饮用,并获取地下水质量影响因子。按照“矿泉水标准”规定的方法进行矿泉水水质评价,目的是评价地下水是否可评定为矿泉水。

采用超标率分析某指标的超标程度。按公式(1)计算:

超标率(%)=超标点总数/样品总数×100%,

(1)

采用影响程度分析影响地下水质量的主要因子及程度。根据地下水综合质量评价结果,按公式(2)和公式(3)分别计算各指标对Ⅳ、Ⅴ类水的影响程度。

影响程度(%)=指标(i)Ⅳ类水样本点数/Ⅳ类水样本点总数×100 %,

(2)

影响程度(%)=指标(i)Ⅴ类水样本点数/Ⅴ类水样本点总数×100 %。

(3)

3 地下水质量评价

3.1 评价指标

参与地下水质量评价的指标共55项(表1)。

表1 地下水质量评价参评指标表

3.2 评价结果

“地下水标准”评价研究表明,厦门市平原区地下水质量总体一般,无Ⅰ类水。按样品数量统计,可以直接饮用的(Ⅱ—Ⅲ类水)占23.0 %,主要分布在翔安区的新店镇、新圩镇,同安区的新民镇,集美区的灌口镇等山前残积台地和河流的冲积阶地。经过适当处理可以饮用的(Ⅳ类水)占59.8 %,在研究区广泛分布。不能饮用的(V类水)占17.2 %,主要分布在翔安区的新店镇、新圩镇,集美区的后溪镇等工业区、农业区及人口密集分布区(图2)。

1.Ⅱ类水;2.Ⅲ类水;3.Ⅳ类水;4.Ⅴ类水

地下水有机指标好于无机指标。半挥发性有机指标最好,5项指标在地下水均未检出。在20个样品中检出挥发性有机指标,占样品总数的25.3 %,检出指标包括1,2-二氯乙烯、氯苯、邻二氯苯、对二氯苯、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 项,除采自同安区的1个水点二氯甲烷为Ⅳ类外,其余指标均未超过Ⅲ类水标准限值。

表2 地下水质量评价结果统计

3.3 影响因子及成因分析

3.3.1 影响因子

图3 地下水质量主要影响因子的影响程度柱状图

3.3.2 成因分析

(1)环境地质因素。地下水中Fe、Mn和pH值含量较高,主要与原生地质环境有关[11]。研究区土壤由燕山期花岗岩类岩石风化而成。花岗岩属酸性岩浆岩,在高温多雨的气候条件下,由其风化淋滤形成的土壤一般呈酸性(5.0≤pH值<6.5)[12-13]。地下水中Fe、Mn的水文地球化学特性受pH值和氧化还原反应影响很大,pH值从6增加到8,Fe在水中的溶解度减少106倍[14]。研究区黏土层中含有较多的还原性Fe、Mn元素[15],地下水pH值范围为5.31～10.03,平均值为6.63,多为弱酸性水。在偏酸性环境,地下水循环、运移过程中溶解了岩石中的Fe、Mn,从而形成高Mn、高Fe的地下水。

图4 ρ(NO3-)与ρ(K+)、ρ(Cl-)的相关关系图

铅污染主要是由于矿山的开采、冶炼,玻璃、电缆、颜料等的生产,砷酸铅农药和含铅汽油的使用等人类活动导致的[21]。

4 矿泉水水质评价

“矿泉水标准”评价研究表明,厦门市地下水H2SiO3和Sr含量普遍较高(图5,图6)。地下水中H2SiO3的含量范围为5.44～98.64 mg/L,平均值为33.08 mg/L,变异系数为0.63,与“矿泉水标准”规定的H2SiO3≥25.0 mg/L的界限要求相比,50个样品达到标准界限要求。地下水中Sr含量范围为0.006～2.128 mg/L,平均值为0.29 mg/L,变异系数为0.93,与“矿泉水标准”规定的Sr≥0.20 mg/L的界限要求相比,50个样品达到标准界限要求。

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含量达到“矿泉水标准”界限要求的样品共计63个,其中有17个样品同时满足了“地下水标准”Ⅱ、Ⅲ类水标准限值要求。17个样品中达到H2SiO3和Sr含量界限要求的样品分别为11个和13个,其中7个样品同时达到H2SiO3和Sr含量界限要求。另外,部分水样还含有Li、Zn、溴化物、碘化物、游离二氧化碳等有益微量组分,且各元素均在允许范围内。

11个含高H2SiO3样品pH值为6.54～7.16,TDS为131.5～556.8 mg/L,游离CO2为11.08～41.05 mg/L,水化学类型包含HCO3-Ca·Na型、HCO3·Cl-Na·Ca型、HCO3·SO4-Ca·Na型和Cl-Na型。13个含高Sr元素样品pH值为6.55～7.16,TDS为201.2～556.8 mg/L,游离CO2为18.88～41.05 mg/L,水化学类型包含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。分析结果表明,这17个含H2SiO3、Sr元素的地下水样品是具pH值适中、低矿化特征的优质天然矿泉水,兼有饮用和医疗价值。

5 开发利用建议

基于“优质优用,按需开采”和保障居民饮水安全的原则,综合分析地下水质量、地下水质量影响因子、矿泉水水质评价结果,将厦门市地下水开发利用分为科学有序开采、适度开采、应急开采、限制开采和不宜开采5个等级(表3)。

表3 地下水可开发利用分级表

由地下水开发利用分级图(图7)可见,厦门市地下水具有一定的开发利用潜力。结合厦门市地下水开发利用现状、水资源供需形势,提出以下开发利用建议。

(1)科学有序开采矿泉水资源。H2SiO3具有软化血管、维持血管壁弹性、防止心血管动脉硬化、缓和细胞衰老等功能;适量补充Sr元素对老年性骨质疏松有保护作用。“厦漳泉项目”采集的87组地下水样品中,开发利用分级为一级的占19.5%。因此,建议在含H2SiO3、Sr元素优质矿泉水的分布区开展水资源评价工作,科学有序开发利用优质矿泉水资源,使其产生最大附加值。

(2)适度开采水质优良的地下水。在城市供水系统末端,供水保障不足、存在季节性缺水的区域,适量开采水质优良的地下水补充供水缺口。“厦漳泉项目”在同安区琼坑村、东塘埔、苎溪桥施工的探采结合井解决了3个村庄约3 000人的饮用水问题,以及部分牲畜、灌溉用水,有效提升了当地安全供水保障能力,社会效益显著。

(3)应急利用原生水质较差的地下水。厦门市原生劣质水占比较高,“厦漳泉项目”采集的87组地下水样品中,开发利用分级为三级的占33.3%。仅受原生地质环境影响的劣质地下水,可采用适当处理方法去除有害物质后饮用,或短期作为应急饮用水源。如仅有Fe、Mn元素超标的水,可采用高锰酸钾复合剂预氧化法、曝气接触氧化法、化学氧化法、超滤膜法等[22]降低水中Fe、Mn的含量,使之达标后可作为生活饮用水。因此,建议在原生劣质水分布区开展地下水基础环境调查评价,提出区域地下水-地表水联合调配优化方案。

6 结论

(2)有益人体健康的H2SiO3、Sr微量组分在厦门市地下水中含量普遍较高。在采集的87组样品中,19.5%的样品优于“地下水标准”Ⅲ类水标准和“矿泉水标准”H2SiO3或Sr元素的标准,是兼有饮用和医疗价值的含H2SiO3、Sr元素的优质饮用天然矿泉水。

(3)基于“优质优用,按需开采”和保障居民饮水安全的的原则,分类提出了开发利用地下水的建议,包括科学有序开采优质矿泉水、适度开采水质优良水、应急利用原生水质较差水等,为进一步发挥地下水的经济社会效益提供参考。