（环境科学专业论文）曹妃甸地区地下水脆弱性评价.pdf

a s s e s s m e n to fv u l n e r a b i l i t yi ng r o u n d w a t e ri nt h e c a o f e i d i a na r e a ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e df o rt h ed e g r e eo fm a s t e r c a n d i d a t e ：s u ny a o s u p e r v i s o r ：p r o f w a n gw e n k e c h a n g a nu n i v e r s i t y , x i a n ，c h i n a 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出 重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本论文中不包含任 何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：勿卜瑶 论文知识产权权属声明 加，年多月1 日 本人在导师指导下所完成的论文相关的职务作品，知识产权归属学校。 学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权利。 本人离校后发表或使用学位论文或该论文直接相关的学术论文或成果时， 署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：孙循 导师签 妣年石月日 铷c d 年6 月fb 摘要 水资源是发展国民经济不可缺少的重要自然资源。在水质污染问题中，地下水水质 污染日趋严重。水质污染导致的直接后果就是可利用资源量日渐减少，加剧了水资源供 应危机，直接影响工农业的生产和国民经济的发展，对生态系统和人类健康造成危害。 曹妃甸地处唐山南部的渤海湾西岸，位于天津港和京唐港之间，为大型深水港口建设和 临港产业发展提供了优越条件。其特殊的地理位置，决定了它在我国国民经济发展中的 重要性，也决定了该区地下水脆弱性评价的重要性。 论文研究的主要内容如下： 1 分析和总结了目前国内外地下水脆弱性的概念、影响因素以及评价方法的研究现 状和水平，指出了目前地下水脆弱性研究存在的一些问题。 2 在分析和研究了曹妃甸地区地质、地貌和水文地质条件等自然地理条件的前提 下，综合曹妃甸地区地下水开采利用和地下水污染现状，提出适合研究区的地下水脆弱 性评价方法。 3 建立地下水脆弱性评价体系和评价标准，选用d r a s t i c 和模糊综合评价两种方 法评价该区域地下水的脆弱性。 4 利用了m a p g i s 编制了曹妃甸地区地下水脆弱性评价图以及影响因素系列图，为 实行地下水的保护和管理提供了科学依据。 5 对d r a s t i c 和模糊综合评价两种方法及价结果进行比较，编制曹妃甸地区地下 水脆弱性评价图。 关键词：地下水脆弱性d r a s t i c模糊数学 a b s t r a c t w a t e ri st od e v e l o pt h en a t i o n a le c o n o m yi n d i s p e n s a b l ei m p o r t a n tn a t u r a lr e s o u r c e s i n w a t e rp o l l u t i o np r o b l e m s ，g r o u n d w a t e rp o l l u t i o nb e c o m e sm o r ea n dm o r es e r i o u s w a t e r p o l l u t i o nc a u s e da v a i l a b l er e s o u r c e sd w i n d l i n g ，i n c r e a s e ds u p p l yo fw a t e r , a n dd i r e c t l ya f f e c t s t h ec r i s i so fp r o d u c t i o na n dd e v e l o p m e n to fn a t i o n a le c o n o m y , o fe c o s y s t e ma n dh u m a n h e a l t hh a z a r d c a o f e i d i a nl o c a t e di nt h es o u t h e r nb o ab a yt a n g s h a n ，l o c a t e di nt i a n j i na n d w e s tj i n g t a n gh a v e nf o rl a r g ed e e p w a t e rp o r t ，b e t w e e nt h ec o n s t r u c t i o na n dd e v e l o p m e n to f p o r t - v i c i n i t yi n d u s t r yp r o v i d e ss u p e r i o r c o n d i t i o n s i t ss p e c i a l g e o g r a p h i c a lp o s i t i o n ， d e t e r m i n e si t sd e v e l o p m e n to fn a t i o n a le c o n o m yi nc h i n a , t h ei m p o r t a n c eo ft h eg r o u n d w a t e r v u l n e r a b i l i t yt ot h ei m p o r t a n c eo ft h ee v a l u a t i o n 1 1 1 em a i nt h e s i sr e a d sa sf o l l o w s ： f i r s t l y , t h i sp a p e ra n a l y z e da n ds u m m a r i z e dt h ec u r r e n ts i t u a t i o no ft h ec o n c e p t ， c l a s s i f i c a t i o n , i n f l u e n c i n gf a c t o r s ，a n da s s e s s m e n tm e t h o d so ng r o u n d w a t e rv u l n e r a b i l i t ya t h o m ea n da b r o a d ，a n dp o i n t e do u ts o m ep r o b l e m se x i s t e di ng r o u n d w a t e rv u l n e r a b i l i t y r e s e a r c h e s s e c o n d l y ，t h i sp a p e ra n a l y z e d a n ds t u d i e do ft h ec a o f e i d i a n g e o l o g i c a l ， g e o m o r p h o l o g i c a la n dh y d r o g e o l o g i c a lc o n d i t i o n so ft h ep r e m i s eo fn a t u r a la n dg e o g r a p h i c a l c o n d i t i o n s ，c o m p r e h e n s i v ee x p l o i t a t i o no fg r o u n d w a t e ra n dg r o u n d w a t e rp o l l u t i o ns i t u a t i o ni n c a o f e i d i a n , p u t t i n gf o r w a r dt h eg r o u n d w a t e rv u l n e r a b i l i t ya s s e s s m e n tm e t h o df o rt h es t u d y a r e a t h i r d l y , t h ee s t a b l i s h m e n to fg r o u n d w a t e rv u l n e r a b i l i t ya s s e s s m e n ts y s t e ma n de v a l u a t i o n c r i t e r i a , s e l e c t i o nd r a s t i ca n df u z z ym a t h e m a t i c si st w ow a y st oe v a l u a t et h er e g i o n v u l n e r a b i l i t yi ng r o u n d w a t e r f o u r t h l y , p r e p a r e du s i n gt h em a p o i s t ow o r ko u tt h ec a o f e i d i a nv u l n e r a b i l i t ym a p so f g r o u n d w a t e ra n dt h ef a c t o r ss e r i e sm a pf o rt h ei m p l e m e n t a t i o no fg r o u n d w a t e rp r o t e c t i o na n d m a n a g e m e n tp r o v i d eas c i e n t i f i cb a s i s f i f l h l y , t h ee v a l u a t i o nm e t h o d o l o g ya n dt h er e s u l t so fd r a s t i ca n df u z z ym a t h e m a t i c s m e t h o dw e r ec o m p a r e d ，a n dd r a w i n gt h ec a o f e i d i a nv u l n e r a b i l i t ym a po fg r o u n d w a t e r k e yw o r d s ： g r o u n d w a t e r v u l n e r a b i l i t y d r a s t i c f u z z ym a t h e m a t i c sm e t h o d 目录 第一章绪论l 1 1 研究的目的及意义1 1 2 国内外研究状况及其存在的问题1 1 2 1 地下水脆弱性概念。2 1 2 2 地下水脆弱性评价指标体系3 1 2 3 地下水脆弱性评价方法一3 1 2 4 存在的问题4 1 3 本课题的研究内容、方法及技术路线5 1 3 1 研究内容及方法5 1 3 2 技术路线5 1 3 3 完成的工作量5 嚣 第二章曹妃甸地区的自然状况6 2 1 地理位置及研究范围。6 2 2 自然地理条件：6 、2 2 1 地形地貌6 2 2 2 气象与水文兰。7 2 2 3 地质8 2 3 水文地质条件一9 2 3 1 第四系松散岩类孔隙水。9 2 3 2 新近系碎屑岩类孔隙裂隙水1 2 2 4 地下水资源及开发利用现状1 2 2 5 地下水污染概况。1 4 第三章地下水脆弱性评价l6 3 1 地下水脆弱性分析1 6 3 1 1 地形地貌因素18 3 1 2 地质因素1 8 3 1 3 水文地质因素18 3 1 4 土地利用类型19 3 2 地下水脆弱性评价指标体系的建立及评价标准2 0 3 2 1 评价指标体系2 0 3 2 2 脆弱性评价分级及标准n 1 1 蚴嚣3 4 。弱1 2 3 3 3 地下水脆弱性评价方法选取2 4 3 3 1 d r a s t i c 方法2 6 3 3 2 模糊数学综合评价3 5 第四章曹妃甸地区脆弱性评价4 0 4 1 地下水脆弱性评价结果对比分析4 0 4 1 1d r a s t i c 方法4 0 4 1 2 模糊数学综合评价4 0 4 1 3 最终脆弱性评价结果4 0 4 2 地下水污染的防治措施4 1 结论与建立4 3 结论4 3 j 童议4 3 参考文献4 4 致谢4 7 长安大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究的目的及意义 地下水作为重要的水资源之一，是许多国家工业、农业和生活用水的主要水源i l 引。 它在保证居民生活用水和社会经济发展的生态环境平衡等方面，起到了不可替代的作 用。前人的各项监测资料和报告表明，我国大多数地区的地下水已经受到了不同程度的 污染。因此，开展对地下水脆弱性的研究工作就显得尤为重要了。 曹妃甸地处唐山南部的渤海湾西岸，位于天津港和京唐港之间。“面向大海有深槽， 背靠陆地有滩涂”是曹妃甸最明显的自然地理特征，是渤海湾唯一不需开挖航道和港池 即可建设3 0 万吨级大型泊位的“钻石级 港址，被誉为“国宝之地”，为大型深水港口 建设和临港产业发展提供了优越条件。曹妃甸工程1 9 9 2 年开始谋划，2 0 0 2 年开发建设全 面启动。先后被列为河北省“一号工程 、国家首批发展循环经济试点产业园区。2 0 0 6 年3 月，被列入国家“十一五 发展规划。国家对其定位是：国际性能源原材料集疏枢 纽港、国家重化工业基地、国家商业性能源储备和调配中心、国家循环经济示范区。它 的建设将对华北区域经济的发展产生巨大的拉动作用，对京津冀地区产业结构的优化调 整提供有力支撑，并将成为环渤海经济增长的引擎。在国家打造环渤海“中国经济第三 极”的战略背景下，滨海新区和曹妃甸是渤海湾地区耀眼的双子星座。 2 0 0 6 年7 月底，国家主席胡锦涛考察了曹妃甸工业区，并指出：“一定要按照科学 发展观的要求，着眼长远、整体规划，扬长避短、发挥优势，加快科技进步和创新，狠 抓节约资源、保护环境，着力推进经济结构调整和产业优化升级，高起点、高质量、高 水平地把曹妃甸工业区规划好、建设好、使用好，使之成为科学发展的示范区。 随着曹妃甸地区大规模建设的进行，填海造地、临港工业、港口设施建设，以及油 田开发等对地质环境保障提出了高要求。地下水作为重要供水水源和生态系统的重要支 撑，是维持水系统良性循环的重要保障，本文针对地下水环境开展脆弱性评价具有重要 的现实意义。 本文的目的是通过开展对曹妃甸地区地下水脆弱性的评价，划分地下水脆弱性不同 程度区，为该评价区内的地下水资源管理和保护工作提供科学依据，以求更快更好地促 进曹妃甸地区经济的快速发展。 1 2 国内外研究状况及其存在的问题 1 9 6 8 年m a r g a t 在其文章中首次提出了“地下水脆弱性”这术语。此后，m a r g a t 和 第一章绪论 a l b i n e t 先后用图件来描述地下水对污染的脆弱程度，借此唤醒了人类社会对地下水污染 问题的危险意识【9 , 1 0 】。 国内外对水资源系统脆弱性的研究主要集中在气候变化对水资源脆弱性的影响评 价上，对地表水资源脆弱性的研究很少【1 2 。2 。此外，关于地下水脆弱性的研究起步还要 更晚一些，但是发展很快。 1 2 1 地下水脆弱性概念 地下水脆弱性一般被分为固有( 天然) 脆弱性( i n t r i n s i cv u l n e r a b i l i t y ) 和特殊( 综 合) 脆弱性( s p e c i f i cv u l n e r a b i l i t y ) 。固有脆弱性指的是天然状态下含水层对污染所表现 出的内部固有的敏感性。它不考虑污染源或者污染物的性质和类型，是静态的、不可变 和人为不可控制的。特殊脆弱性是对特定的污染物或者人类活动所表现的敏感属性。它 与污染源和人类活动有关，是动态的、可变和人为可以控制的。对固有脆弱性和特殊脆 弱性也可以理解为，对于某一给定的含水层，其固有脆弱性是恒定的，而特殊脆弱性随 污染物或污染源的不同而变化【l l 】。 “地下水脆弱性”的概念最早出现于2 0 世纪6 0 年的欧洲。不同的研究机构和学者对 于“地下水脆弱性，有着不同的理解，也给出了不同的定义口m 0 1 。a l b i n e t 认为脆弱性是水 文地质条件的函划4 】；林山杉在其地下水脆弱性的概念及评价一文中指出v r a n a 认 为脆弱性是地表及地下自然条件的负责性对污染物由地表向含水层迁移的影响性， p a l m q u i s t 认为脆弱性是由于人类活动和污染物的存在【3 l 】；由n d o e r f l i g e r ，e y j e a n n i n 和e z w a h l e n 的 1 0g l ，最高达3 0g l 左 右，在垂向上中部咸水体最咸。浅层地下水含氟量一般为0 4 1 0m i 扎。在曹妃甸工业区， 浅层地下水为咸水，水化学类型为c 1 - n a 型，矿化度1 1 2 2g l ，p h 值6 8 ，总硬度 1 9 2 3 9 耻江，f 含量 o 1 删皿。 浅层地下水动态特征主要有潮汐降水入渗型、降水入渗型和农业灌溉型。 潮汐降水入渗型：地下水水位具有变化较大、周期性的特点，同时由于受到降水 和潮汐的共同影响，主要分布在沿海几百米范围内。 降水入渗型：此区域内地下水主要接受来自大气降水的入渗补给，以水平径流为主 要排泄方式，蒸发消耗量相对较少。受大气降水影响较大，年内水位变幅较大且不均匀。 在降水比较集中的时间内，水位波动较大；在无降水的季节，地下水位呈连续变化。 农业灌溉型：受当地农业生产活动的影响，与水田的灌溉时间紧密联系，地下水位 变化较大。在灌溉期间，地下水位接近地表，灌溉停止后水位迅速回落，其它时间内则 l o 长安大学硕士学位论文 主要受降水蒸发等自然因素控制。 2 、深层地下水 2 0 0 2 年6 月，评价区内的滦南、乐亭大部分地区深层地下水头埋深为1 0 2 0 m ，局部 小于1 0 m 。丰南为2 0 - 4 0 m ，局部由于唐山市集中开采影响，地下水埋深为4 0 5 0 m 。唐海 南部为冀东油田集中开采区，已形成地下水头降落漏斗，地下水头埋深3 0 5 0 m ，北部为 1 0 3 0 m 。南堡一带深层地下水头埋深4 0 5 0 m ( 图2 5 ) 。 同1 9 7 5 年相比，曹妃甸地区深层地下水水头埋深平均由4 2 m 降到2 5 7 m 。其中，山 前平原由2 6 m 下降n 5 2 0 m ，局部地区达3 0 m 以上，下降速率小于0 6 9 m a ；丰南、唐海 滨海地段水头下降幅度可达2 5 5 0 m ，下降速率在0 6 9 至1 3 9 m a 之间。近岸滨海深层地下 水下降幅度一般小于2 5 m ，下降速率约为0 6 9 m a 。 窿 悄 ，蓐簪，t 蝴 _ ， 日 重驻 霹艺 厂。_ r - 熵 - - t _ m 1 一- - r h 碑 一一 t 图2 5 深层地。f 水等水压线及埋深图 深层地下水的水化学分区规律明显，山前平原由于地下水径流条件较好，循环较强 烈，形成低矿化度的h c 0 3 型水，水化学类型为h c o a - c a m g - * h c 0 3 c a n a 型水，矿化度 一般 0 5g i l ；滨海平原颗粒变细，径流条件变差，水化学类型变为s 0 4 h c 0 3 - n a 或 s 0 4 h c 0 3 c i - n a 型水。 曹妃甸区内深层地下水是当地重要的用水来源，一般受开采类型的控制可分为： 饮用水开采型：地下水水位年内变化较大，具有较强的规律性，整体上在农业灌溉 和饮用水开采较大时期，地下水位较低；其他时间则相对较为稳定，变化较小。同时， 1 1 第二章曹妃甸地区的自然状况 水位变幅还受到该井开采量与开采频率的控制，开采量大、频率高，地下水位变化大； 反之则变幅很小。 农业灌溉型：地下水位年内变化较大，水位埋深最大时一般出现在灌溉高峰期( 5 月8 月) ；在其他时间，由于开采量的骤然减少，地下水位逐渐恢复。 绿化用水开采型：水位年内变化幅度相对较小，其他特征同农业灌溉型。 2 3 2 新近系碎屑岩类子l 隙裂隙水 1 、明化镇上段含水组 顶界埋深4 5 0 - 4 9 0 m ，底板埋深7 4 6 8 8 6 m ，沉积厚度约3 0 0 - 4 0 0 m ，含水岩性以砂岩、 含砾砂岩为主，夹粉砂岩，局部地段夹砂砾岩或砾岩，地层微固结半固结，含水层一 般7 2 5 层，最多者达4 5 - 8 2 层，单层厚度一般2 1 0 m ，砂层占地层总厚度的3 0 5 0 ，平 均孔隙度为3 0 3 3 ，涌水量4 6 9 1 m 3 h ，单位涌水量1 1 8 2 9 2 m 3 h m ，矿化度1 1 - 1 6 9 l ， 属h c 0 3 - n 卿c 1 - n a 型水，井口实测水温2 7 3 8 ，属低温热水。 2 、明化镇下段含水组 底板埋深9 6 0 1 3 6 3 m ，沉积厚度约2 0 0 5 3 5 m ，含水岩性以砂岩、含砾砂岩为主，粉 砂岩次之，局部地段以粉砂岩为主，地层微固结半固结，含水层一般1 3 2 4 层，最多达 3 8 层，单层厚度1 0 1 0 0 m ，涌水量1 5 - 4 0m 3 h ，单位涌水量0 6 5 1 4 2m 3 h m ，矿化度 1 2 2 5 室l ，属c i - n a 型水，井1 3 实测水温3 5 3 9 ，属低温中低温热水。 3 、馆陶含水组 底界埋深1 2 0 0 2 3 0 0 m 。在隆起区缺失或沉积厚度较小；在凹陷区沉积厚度较大， 约2 0 0 - 4 2 0 m 。含水岩性以砂岩、含砾砂岩、砂砾岩、砾岩为主，夹粉砂岩，局部以粉 砂岩为主。含水层4 2 3 层不等，单层厚度2 0 1 0 0 m ，砂层占地层总厚度的4 0 7 0 ， 平均孔隙度为2 0 3 3 ，涌水量5 1 8 0m 3 h ，单位涌水量1 8 6 2 0 5n 1 3 h m ，矿化度1 6 6 9 g l ，属c 1 - n a 型水，井1 2 1 实测水温4 5 c 8 3 c ，属中低一中温热水。 2 4 地下水资源及开发利用现状 曹妃甸新区范围内的丰南区、滦南县、唐海县、乐亭县地下水补给资源总量 5 3 9 7 9 x 1 0 8 m 3 a ，平均补给资源模数1 1 1 4 x 1 0 4 m 3 a k m 2 ；开采资源总量为3 8 5 3 7 x 1 0 8 m 3 a ， 平均可开采模数7 9 5 x 1 0 4 m 3 a k m 2 。表2 3 详细地列出了该区内的地下水资源量。 1 2 长安大学硕士学位论文 天然资源模 开采资源 县 面积 补给量 天然资源开采资源 补给模数数模数 量量 区( k m 2 ) ( 1 0 4 m 3 a )( 1 0 4 m 3 a k m 2 )( 1 0 4 m 3 a k( 1 0 4 m 3 ( 1 0 4 m 3 a )( 1 0 4 m 3 a ) l n 2 )a k m 2 ) 滦 1 2 7 01 9 2 1 81 7 6 1 41 8 0 7 31 5 1 31 3 8 7 1 4 2 3 南 唐 海 7 0 0 4 4 0 6 4 3 5 42 0 6 4 6 2 96 2 22 9 5 乐 1 3 0 81 3 6 5 01 2 8 0 59 3 3 41 0 4 49 7 97 1 4 亭 丰 1 5 6 81 6 7 0 51 5 9 9 09 0 6 61 0 6 51 0 2 05 7 8 南 厶 口 4 8 4 65 3 9 7 95 0 7 6 33 8 5 3 7 1 1 1 4 1 0 4 8 7 9 5 计 由表可以分析得出，地下水补给模数与可开采模数均呈自山前至滨海平原逐渐减小 趋势，山前平原1 0 3 0 x 1 0 4 m 3 a k m 2 ，山前平原与滨海平原过渡地段5 1 0 x 1 0 4 m 3 a k m 2 ， 滨海平原 2 5 m 。地下 水水位埋深影响污染物在包气带中的滞留时间的长短。通常情况下，地下水位埋深越 大，地表污染物到达含水层所需时间越长，在运移过程中与氧气接触的时间越长、被 稀释的机会也就越大