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黄河下游岸边浅层地下水环境演化研究

系统分析了郑州北郊水源地多年来的地下水水位和水质资料，认为该水源地浅层地下水水质良好。同时，对20多年来在人类活动条件下黄河岸边浅层地下水动力场、水化学组分的演变进行了研究，结果表明：黄河水与岸边浅层地下水联系密切，黄河水质的好坏直接影响着浅层地下水的水质；人为开采改变了岸边浅层地下水的流场特征，同时也改变了岸边浅层地下水水化学组分，岸边浅层地下水水质朝着恶化的方向发展。
    郑州北郊水源地位于黄河南岸，距离市区20km，其允许开采量为20万m3/d。郑州市城市供水的50%～60%来自地下水源，地下水环境的变化直接影响着城市的发展和居民的身体健康。笔者通过对水源地地下水水质、水量的调查，了解浅层地下水水质现状，分析人类活动条件下黄河岸边浅层地下水动力场、化学场的演变特征以及黄河对水源地地下水质的影响，以期为保护浅层地下水资源提供依据。
    1　黄河郑州段水文地质条件
    1.1　含水层分布特征
    郑州北郊水源地位于黄河冲积扇中上部。黄河冲积扇埋藏有丰富的地下水资源，地下水贮存于粗颗粒相的细中砂、中粗砂、含砾粗砂含水层中。根据含水层埋藏及水力特征，可将地下水划分为浅层潜水、浅层微承压水和深层承压水。浅层潜水由于埋藏浅，受河水及大气降水入渗补给，冲积扇中上部及河流主槽地带的含水层颗粒粗、厚度大、富水性好、透水性强且水质优良，因此是城市供水的首选水源。
    浅层水是该区的主要含水层，也是水源地的目的开采层位。含水层底板埋深：南部及西部，28～50m；北部及东部，60～75m。其地层岩性主要为全新统和中更新统、晚更新统黄河冲积的粉细砂、细中砂、中粗砂。含水层厚度一般为30～50m，自西向东、自南向北，含水层
厚度由薄变厚，含水层颗粒一般由北向南变细。根据含水层埋藏条件及水力特征，可将其划分为上、下两段含水层组，之间有粉质黏土、黏土隔水层存在，上层水为潜水，下层水为微承压水。潜水层岩性以全新统沉积的粉细砂、细砂为主，多含淤泥质，厚3～10m，底板多由粉土组成。水位埋深一般为1～3m，高出下层微承压水0.5m左右。该层一般无单独开采，但降水入渗通过该层越流补给微承压含水层。微承压水层岩性以更新统中砂、细砂、中粗砂、含砾粗砂等为主，在含水层较厚的北部夹有1～2层粉土，其中一层较稳定，其顶板埋深为33～42m，厚2～5m，部分地段粉土缺失，上下含水层组相连形成统一水位。该含水层厚度一般为30～50m，自北而南变薄。水源地单井出水量为140～220m3/h。
    1.2　地下水补给、径流、排泄特征
    现行黄河为“地上悬河”，河床底部是近代黄河沉积物——细粒相的泥质粉细砂，与岸边含水砂层相连。根据地下水流场、放射性同位素氚、氢氧稳定性同位素组成特点综合分析，认为黄河侧渗补给两岸地下水的影响范围郑州剖面黄河南岸约为5.1km，北岸约为6.4km；中牟—新乡剖面南岸约为13.7km，北岸约为18.0km；开封剖面南岸约为13.1km，北岸约为23.2km；濮阳剖面西岸约为19.2km［1］。以上资料表明，北岸含水层颗粒粗、导水性强，黄河对其影响较南岸远。地下水除受黄河水补给外，还受大气降水入渗补给、农业灌溉入渗补给、渠道渗漏入渗补给及西部山区侧向径流补给。地下水排泄以径流、蒸发和开采为主。天然条件下区内浅层地下水位埋深浅，蒸发强烈。开采后除河边线有蒸发消耗外，其他地段基本无蒸发量。
    2　浅层地下水流场特征及其变化
    2.1　浅层地下水水位动态特征
    在天然状态下，浅层地下水主要受水文、气象因素制约，随着距离黄河水边线的距离由近至远，浅层地下水受黄河的影响由强渐弱。地下水动态类型亦随之由水文型、气象-水文型、
水文-气象型过渡到气象型。在人类活动影响下，黄河岸边地下水水位的动态特征受开采强度、开采规律的控制，由水文型变化为水文-开采型。地下水流向的总趋势为西北—东南，地下水动态主要受开采、黄河及气象因素制约。水源地开采区地下水位升降与开采量密切相关，并在开采量较大、开采井位置相对集中时形成开采降落漏斗。
    2.2　地下水流场特征及其变化
    为了说明几年来地下水流场变化情况，可将1978年的地下水流场图作为参考，当时地下水开采量较小，仅在西部木马村菜区形成一个小椭圆形漏斗。漏斗中心水位埋深4.25m，标高86.55m，87m等水位线闭合面积约为1.5km2，区内尚未形成大的地下水开采漏斗，基本上可以代表大规模开采地下水以前的流场特征。地下水径流以黄河迎宾馆—张弓庄—西唐王—姚店堤为界，这条线以北的地下水流向为北西—南东，水力坡度在0.6‰～1.5‰之间；以南流向则为南西—北东，水力坡度在0.25‰～2.00‰之间，二者汇集后流向为东南。
    从1995年地下水等水位线图可以看出，地下水流向以杓袁—唐王—刘江庄—刘集为边界，这条线以北地下水流向为北—南东，水力坡度在0.7‰～2.5‰之间，在唐王—马头岗—大贺庄一带形成一个椭圆形降落漏斗，漏斗中心水位埋深4.96m，水位标高81.78m。83m等水位线闭合面积约为14km2。与1978年相比，区内地下水位大部分下降0.5～4.0m，平均下降2.0m；近黄河地带水位下降0.5～1.5m，靠近市区柳林村一带水位下降2.20～3.10m，马头岗—大贺庄—小贺庄—新石桥村一带水位下降2.2～4.0m。区内东南部姚桥—陈三桥一带地下水位变化不大。
    从1999年流场图可以看出，唐王—大贺庄—姚店堤一带形成一个椭圆形降落漏斗，漏斗中心水位埋深6.0～8.0m，水位标高79～81m，82m等水位线闭合面积约为30km2。另外，在黄岗庙渔塘集中带也形成了一个降落漏斗，83m等水位线闭合面积约为6.0km2，与1995年同期流场相比，监测区外围水位下降0.03～1.28m，平均下降0.37m。水源地开采后，地下水流场发生了明显的变化，从水源地2004年地下水位等值线图可以看出，在凌庄滩地中、
东部形成一个椭圆形降落漏斗区，漏斗中心水位埋深10m左右；在西马林村—姚店堤—刘江庄一带，形成一个椭圆形降落漏斗区，漏斗中心水位埋深8～10m，标高77m左右；与水源地建设期同时段地下水流场相比，降落漏斗面积、漏斗中心水位埋深均有明显增大。
    总之，自1978年以来，随着地下水开采量的不断增加，地下水位下降0.5～4.0m，年平均下降0.10m。特别是1994年以后，渔业开采逐年增多，致使漏斗逐年增大，漏斗中心水位逐年下降。1994～1998年，漏斗面积增大了近16km2，中心水位下降了1.04m。地下水位逐年下降这一趋势值得重视。
    3　浅层地下水水化学组分特征及其变化
    3.1　水化学组分的空间变化特征
    为了研究浅层地下水主要化学组分的空间变化特征，笔者根据水源地多年水质监测资料进行了分析，认为：1978年，黄河大堤以南沿河地带由于地下水水力坡度大，黄河水与地下水交替循环快，因此地下水水化学特征与黄河水极为相近，矿化度为0.34～0.44g/L，总硬度为220.45～311.30mg/L，水化学类型为HCO3-Ca?Mg?Na或Ca?Na?Mg型；中部地下水处于南北地下水径流汇合地带，径流条件差，矿化度、硬度均有所增高，矿化度为0.55～0.66g/L，总硬度为397.34～463.74mg/L，水化学类型为HCO3-Ca或Ca?Mg型；南部东风渠两岸由于引污水灌溉入渗，因此使浅层地下水遭受了不同程度的污染，矿化度为0.72～0.99g/L，总硬度大于446mg/L，Cl-含量为104～155mg/L。祭城镇庙张村等地下水Hg含量为0.002～0.010mg/L，超出了生活饮用水标准，出现了HCO3?Cl-Na?Ca或Mg?Na?Ca型水。1994年以来，地下水水质自北向南具有明显的水平分带，近黄河地带为HCO3-Ca?Mg?Na或Ca?Na?Mg型，向南过渡到HCO3-Ca或Ca?Na型。矿化度也由近河地带的0.5g/L左右过渡到远河地带的1.0g/L左右，自北向南有明显的增大趋势，研究区北、中部矿化度逐年升高。南部局部地带地下水的矿化度超过1.0g/L，出现了HCO3?Cl型，HCO3?Cl?SO4型水等，这些水化学类型及高矿化度与局部污染源及污染程度有关。

    水源地开采以来，浅层地下水的水化学类型主要为HCO3-Ca?Mg?Na型或Na?Mg型，据地下水水质监测分析成果，浅层地下水矿化度为0.37～1.48g/L，多年平均值为0.81g/L，pH值为7.05～8.70，总硬度为236～591.59mg/L，属低矿化弱碱性淡水。黄河水水化学组分中Na+、Cl-、SO42-等含量明显高于地下水，Fe3+、Mn2+及总硬度明显低于地下水，其他组分差异不大。地下水中Na+、Cl-、SO42-、Ca2+、HCO3-、总硬度的含量自北向南有逐渐增高趋势，这与黄河水补给地下水有关：距离黄河越近，其影响越大；越远影响则越小。
    综上所述，从1979年至今，黄河以南浅层地下水化学类型仍以重碳酸型为主，没有大的变化。地下水水质自北向南具有明显的水平分带，由近黄河地带的HCO3-Ca?Na?Mg或Ca?Mg?Na型向南逐渐变为HCO3-Ca?Na或HCO3-Ca型。矿化度自北向南有明显的增大趋势。南部东风渠沿岸污灌区浅层水已遭受不同程度的污染，水化学类型复杂，出现了HCO3?Cl型水，Hg含量超出饮用水标准。目前监测区北、中部矿化度比水源地初勘、勘探阶段有所升高，在南部局部污灌区矿化度超过1.0g/L，出现了HCO3?Cl?SO4型水及HCO3?Cl型水，表明这些地带污染程度及面积比过去有明显的加大。
    3.2　水化学组分随时间的变化
不同深度含水层地下水中离子含量变化显著，浅层潜水（＜30m）中Na+、Ca2+、Cl-、HCO3-、NO3-的含量及总硬度、矿化度均高于浅层微承压水（30～80m）中的离子含量。
    1978年以前，地下水水化学特征主要受各种天然条件（包括地质条件、水文地质条件、水文地球化学条件、水文条件及气候条件等）控制。但进入20世纪80年代后，人类活动的增强使研究区内河渠污染严重，水质均为Ⅴ类。目前浅层地下水受其影响不大，但从长远看，Cl-、SO42-、HCO3-、硝酸盐含量及总硬度均有逐年增高趋势，浅层地下水存在潜在的污染。总之，人类活动的直接影响是引起研究区地下水化学组分变化的主要因素［2～4］。
    4　结　语

黄河下游岸边浅层地下水与黄河水有密切的联系，人为开采地下水加剧了河水对地下水的补给，对地下水的水质产生影响。20多年来，地下水开采量日益增加，导致地下水水位逐年下降，破坏了地下水天然流场的平衡；另一方面，人类活动产生的污染物进入地下水，使地下水的化学组分浓度增高，水质有恶化趋势。表现为Cl-、SO42-、HCO3-、硝酸盐含量及总硬度均有逐年增高趋势，且SO42-增速大于Cl-。因此，研究黄河近岸浅层地下水水位和水质的时空变化规律，科学合理地开发利用黄河水资源是十分必要的。
    参考文献：
    ［1］赵云章.黄河水对两侧地下水补给范围的初步研究［J］.人民黄河，2003(1).
    ［2］Clark，John William.Supply and pollution control［M］.New York:New York Harper and Row，1997.
    ［3］马力珊.苏南太湖水系农业面源污染及其控制对策研究［M］.北京:环境科学出版社，1997.
    ［4］高超，张桃林.欧洲国家控制农业养分水环境的管理措施［J］.农村生态环境.1999（2）.