（水利工程专业论文）天津市地下水质量评价及氟吸附研究.pdf

中文摘要地下水是天津市的重要供水水源，约占供水总量的三分之一。地下水是天津市广大农村地区生活、农业灌溉的唯一水源。受自然条件的制约和人类活动的影响，天津市的地下水质量状况并不理想，因此对天津市地下水水质进行全面的调查研究，确定合理的地下水质量评价方法，研究影响地下水水质的组分的分布规律是很有必要的。本文根据2 0 0 1 年1 0 月对天津市平原区浅层地下水和深层地下水的第二含水组的地下水取样的水质化验结果，采用多种目前常用的水质评价方法，对天津市地下水质量进行评价。结果表明，常规组分以及微量组分中的氟、锰、铁等原生组分超标是造成天津市地下水水质总体质量较差的主要原因。采用模糊数学评价方法与采用内梅罗指数评价的水质评价结果相近，其中模糊数学方法评价结果更优，天津市地下水质量地下水水质以i i 类为主。本文根据地下水取样的水质化验结果，本文对主要超标组分空间分布规律进行研究，结果表明，t d s 与氯离子空间分布上呈现较好的相关性。氟离子、t d s 与氯离子空间分布与地下水流动方向有一定的相关性。铵根离子浓度分布浅层地下水中离散程度较大，深层地下水离散程度较小，深浅层地下水中铵根离子超标并可能不是由于共同原因造成。硫酸根离子呈现北低南高分带性可能与地下水流动与大陆咸化作用有关。铁、锰是地下水中的原生组分，铁锰是非毒理性指标，仅影响口感，经氧化处理后可除去，因此地下水中铁、锰不是影响水质的主要组分。天津市大部分地区地下水氟含量超标。传统观点认为长期饮用高氟地下水是氟病害的主要原因。氟在自然界存在由粮食作物进入人体的这一途径，因此研究土壤中的氟的行为更具现实意义。本文通过氟的吸附试验，初步探讨氟的吸附行为，确定符合天津市这种弱碱性地下水环境下的氟吸附动力学模型，以及更接近实际条件下的等温吸附模型，为进一步研究在碱性环境下氟在地下水一土壤一生物之间的迁移规律，治理氟病害做初步的尝试。关键词：地下水质量评价超标组分氟吸附a b s t r a c ta si m p o r t a n tw a t e rs o u r c e t h eg r o u n d w a t e ri sa p p r o x i m a t e l yc o m p o s e s1 3o ft h ew a t e rs u p p l yi nt l a n j i n w i t ht h en a t u r a lc o n d i t i o nr e s t r i c t i o na n dt h eh u m a n i t ya c t i v i t y , g m u l l d w a t 盯q u a l i t yc o n d i t i o ni sn o tw e l l t h e r e f o r e i t sn e c e s s i t yt oi n v e s t i g a t ea n ds t u d yt h eg r e e dw a t e rq u a l i t y , a n dd e t e r m i n ew h a t st h er e a s o n a b l ee v a l u a t i o nm e t h o d , a n dr e s e a r c hd i s t r i b u t e dr u l eo fm a i ni n f l u e n c ec o m p o n e n ta b o u tg r o u n dw a t e rq u a l i t y a c c o r d i n gt oc h e m i c a le x a m i n a t i o nr e s u l to fs h a l l o wg r o u n d w a t e ra n ds e c o n dc o n f i n e dw a t e ri no c t o b e r , 2 0 0 1 m a n yk i n d se v a l u a f i o nm e t h o d su s e d t h er e s u l t sa r et i l a t t h ec o n v e n t i o n a lc o m p o n e n ta n dt h em i c r oc o m p o n e n ta sw e l la sf l u o r i d e ,m a n g a n e s e , i r o ne x c e e di sm a i nr e a s o no fb a d q u a l i t yo fg r o u n d w a t e r f u z z ym a t h e m a t i c sm e t h o di sm o r es u p e r i o r t l 坨g r o u n d w a t e r q u a l i t ym a i nr a n ki sf r o mit 0w i t ht h ee x a m i n a t i o nr e s u l t ，m a i n l ye x c e e d sc o m p o n e n td i s t r i b u t i o nr u l es h o w st h a t ：t d sa n di nt h ec h l o r i d ei o ns p a t i a ld i s t i l b u t i o np r e s e n t st h eg o o dr e l e v a n c e t h ef l u o r i d ei o n t d sa n dt h ec h l o f t d ei o ns p a t i a ld i s t r i b u t i o nh a v et h ec e r t a i nr e l e v a n c ew i t l lg r o u n d w a t e rf l o w i nt h ea m m o m u mr o o ti o ns e p a r a t e dt h ed e g r e ei ns h a l l o wg r o u n d w a t e ri sd i f f e r e n ti n - d e p t hg r o u n d w a t e r t h es u l f a t er a d i c a li o ns h o w sh i g h ti ns o u t ha n dl o wi nn o r t hi sp o s s i b l er e l a t ew i t ht h eg r o u n dw a t e rf l o w sa n dt h em a i n l a n ds a l t yf u n c t i o n t h ei r o na n dt h em a n g a n e s ea r ep r i m a r yc o m p o n e n ti nt h eg r o u n d w a t e r , a n da r en o tm a i nc o m p o n e n t a f f e a st h ew a t e rq u a l i t y f l u o r i d ee x c e e d st h ea l l o w e df i g u r ei ng r o u n d w a t e ri n - f i a n j i nm a j o r i t ya r e a st h et r a d i t i o n a lv i e w p o i n t st h o u g h td r i n k sw a t e ro fh i g l lf l u o r i d ei sm a i nr e a s o no f t h ef l u o r i d ed i s e a s e ，b u tt h ew a yi se x i s tt h a tf l u o r i d ee n t e r st h eh u m a nb o d yb yt h eg r a i nc r o p si nt h en a t u r e t h e r e f o r er e s e a r c ho fs o i if l u o r i d eb e h a v i o rh a st h ep r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e n i sa r t i c l et h r o u g ht h ef l u o r i d ea d s o r p t i o ne x p e r i m e n li n i t i a l l yd i s c u s s e st h ef l u o r i d ea d s o r p t i o nb e h a v i o r , d e t e r m i n e df l u o r i d ea d s o r p t i o nd y n a m i c sm o d e l a n dt h eu n i f o r mt e m p e r a t u r ea d s o r p t i o nm o d e lc o n f o r m st ot i a n j i n a n ds t u d i e sm i g r a t i o nr u l eo ft h ef l u o r i d ea m o n gg r o u n d w a t e r ，s o i la n db i o l o g y , m a k e st h ep r e l i m i n a r ya t t e m p tf o rd e a lf l u o r i d ed i s e a g e f o rf u r t h e r k e yw o r d s ：g r o u n d w a t e r q u a l i t ye v a l u a t i o nf l u o r i d ee x c e e d sc o m p o n e n ta d s o r p t i o n独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得云洼左堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：策蕊絮签字日期：加年月形日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解云鎏太堂有关保留、使用学位论文的规定。特授权丞洼太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印、或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件或磁盘。( 保密的学位论文在解密后适用本教授说明)学位论文作者签名策成锰导师签名汤场必签字日期：砌，年月2 re t签字日期：纱g 年6 月形日第一章前言1 1 选题背景及意义第一章前言水是人类社会得以生存和发展必不可少的物质。作为水资源的重要组成部分，地下水资源以其稳定的供水量、良好的水质等独有的特点在国民经济建设、人民生活和生态环境方面起着相当重要的作用。资源环境问题一直是经济社会发展亟待解决的首要问题，而地下水资源作为资源中不可或缺的一个重要组成部分，其开发利用前景一直受到人们的关注。在许多国家的城市及某些干旱半干早地区，以地下水作为主要饮用水的比重已经相当可观。美国1 3 亿居民( 占人口的5 0 ) 的饮用水供给来自地下水，所有5 0 个州都在利用地下水；原苏联6 3 的城市只用地下水作为饮用水，2 1 的城市地表水和地下水联合使用作为饮用水；英国的饮用水中，地下水量已达到3 0 ；2 0 0 3年4 月初结束的中国新轮地下水资源评价结果表明，在全国6 6 8 个城市中，依靠地下水供水的有4 0 0 多个，约占全国城市供水的7 1 ，其中以地下水水源地作为主要供水水源的城市超过6 0 。由此可见，地下水资源对整个人类的生存起到了相当显著的作用。工业化进程的推进，农业产业化的发展，人民生活水平的提高，一方面需要更多的水资源量，但另一方面，又普遍造成地表水体和浅层地下水的污染，使得水资源的供需矛盾日渐突出。地下水是天津市的重要供水水源，年均供水量7 3 6 x1 0 8m 3 ，占供水总量的3 0 3 。天津市地下水资源由两部分组成：浅层地下水和深层地下水。浅层地下水除北部全淡水区水质较好外，其中南部广大地区浅层地下水为微咸水和咸水。自上个世纪六十年代后期开始近4 0 年的开采深层地下水，使地下水原生状态发生巨大变化，地下水水质变化受其影响尤为严重，势必影响以地下水为主要供水水源地区的供水安全。目前关于天津的地下水水质评价及污染机理研究的文献尚不是很多，研究内容多侧重水质分布、评价也多限于功能的评价，对于污染机理的研究仅见于铅、铵氮等影响地下水水质的微量组分的研究，铅和铵氮是影响天津市地下水水质的非主要组分，以1 9 9 2 年与2 0 0 1 年的水质分析资料为例，1 9 9 2 年尚有局部地区铅检出超标，而2 0 0 1 年则未有铅检出超标。相对于铅和铵氮而言，氟、t d s 、氯等组分对地下水水质的影响更大，尤其氟超标广泛存在于浅层地下水及深层地下水中。据统计，天津市涉及使用高氟地下水的人口近2 0 0 百万，然而关于氟污染机理研究的文献少之又少。本文在前人地下水的研究成果的基础上，试通过目前较为常用几种典型的水质评价模型，试对天津市的地下水质量进行全面评价，旨在了解天津市地下水质量状况，查清的主要影响地下水水质的主要组分，特别针对主要超标组分的空间分布特征进行分析，研究其空间分布规律及内在联系。第一章前言尤其对影响天津市水质状况的重要组分之一的氟离子吸附机理作了初步研究，旨在揭示弱碱环境下高氟地下水成因与土壤对氟吸附的相互关系。总之，对天津市地下水质量评价、超标组分分布特征以及弱碱环境下氟的吸附研究，对揭示天津市地下水总体质量状况，地下水资源合理开发及高氟地下水治理等具有客观的现实意义。1 2 国内外研究现状我国是地下水开发利用最早的国家之一，早在公元前2 0 0 0 多年的尧代就流传有“日出而做，日入而息，凿井而饮，耕田而食”的歌谣。在营子地员篇中有对各种地形和岩性如何布井及水质的论述。解放后，随国民经济的迅速恢复和发展，对地下水的需求增强，有关地下水开发利用的理论与实践都得到长足的发展。人类对自身活动对地下水环境的影响的认识源于大规模开发地下水后所产生的一系列环境后果，1 9 7 2 年联合国第一次人类环境会议将水资源列为影响社会危机的重要因素之一，资源与环境问题成为人类社会所面临的主要问题。地下水研究也从早期的地下水资源寻找与勘察、地下水资源水量评价评价以及局限于水的用途和功能评价的水质评转向环境影响、水质综合评价、污染机理等的研究。目前关于地下水质量评价的文献有很多，早期的地下水质量评价多限于功能评价，即为某种需要而对地下水进行评价，如农业灌溉水质评价，饮用水的水质评价等等，均依据所给出的标准来评价作为某种用途的地下水水质是否合格。中后期则多侧重地下水的环境质量评价，其中比较多是污染评价及环境质量评价等，每种评价的侧重点各不相同。目前最常用的地下水水质评价方法是国标f法，其方法优点在于简单，易理解掌握使用；缺点是国标f 法经验公式，f 为人为赋值，在使用中存在评价结果在相邻区域相差几个等级的突变现象，显然不符合地下水水质的渐变的特性。模糊数学理论诞生于1 9 6 5 年，已经广泛地应用到了许多科学技术领域。我国是比较早的应用模糊数学理论进行地下水评价国家之一。模糊数学方法是处理地下水这类具有“模糊性”现象比较理想的方法，模糊综合评判可以给出水质自然归类，比较好解决随机采样、分析误差和水质标准边界模糊对水质评价的影响问题，因此在地下水水质评价中有较广泛的应用。如：韩银富等使用模糊数学的评价方法对宝应县地下水质量进行评价；涂向阳等应用模糊数学方法对海水入侵地下水水质评价等等。模糊综合评判的难点在于权重确定，好在经多年对该方法的应用，摸索出一些方法解决权重合理分配和可比性问题。涉及到人类活动对地下水水质的污染方面的研究主要包括无机盐污染、微量金属及非金属污染、生物污染、有机污染等。国内外对地下水中的无机离子组分的调查研究较为详尽。研究内容较为广泛，涉及到水质调查、水质评价、水化学2第一章前言类型、水化学成因、污染机理等多方面的研究。研究方向的选择一般针对某一地区突显的水文地球化学问题，对其成因机理进行深入研究。关于氟的吸附机理的研究，国外所见文献较多，如g u p t a 等( 1 9 8 2 ) ，o m u e t t i 和j o n e s ，( 1 9 7 7 ) 等，利用l a n g m u i r 模型和f r e u n d l i c h 模型对土壤对氟的吸附进行描述，认为，在平衡溶液氟浓度小于2 0 m g i 时，酸性土壤对氟的吸附符合l a n g m u i r 方程和f r e u n d l i c h 方程；c d a n i e l p e e k 和v v v o l k ( 1 9 8 5 ) 根据对各种酸碱性土壤所做的氟等温吸附试验认为在平衡溶液氟浓度小于3 6 3 6 m g l 时，土壤氟吸附符合l a n g m u i r 方程和f r e u n d l i c h 方程；b o w e r h 和h a t c h e r ( 1 9 6 7 ) 通过试验提出各种矿物成分对氟的吸附能力的秩序；o m u e t t i 和j o n e s ，( 1 9 7 7 ) ，d a n i e l 等( 1 9 8 5 )p e r r o t t 等( 1 9 7 6 ) 研究了土壤p h 值和铝对氟吸附的影响等等。相对国内所见文献相对较少，沈阿林，崔转玲等( 1 9 9 7 ) 对中南地区6 种土壤8 个层次的氟吸附和解吸进行研究，结果表明：l a n g m u i r ，f r e u n d i l i c h 和t e m k i n 方程对土壤吸附氟均有较好的拟合性；杨军耀( 1 9 9 7 ) 对轻壤质和中壤质潮土的土壤氟吸附动力学模型进行研究以及弱碱性上壤对碱性高氟水的氟吸附现象等温吸附试验资料与等温吸附线拟合研究；吴卫红( 2 0 0 2 ) 以浙江省典型的水稻土和红壤等为样本，研究了土一水气界面间氟的迁移机理及其生态效应是目前对氟的迁移规律较为全面和系统研究文献。1 3 本文研究内容在调查分析研究区的地下水水质状况基础上，采用目前较为常用的地下水水质评价方法，对地下水的水质进行评价，并对影响地下水水质的主要超标组分的空间分布特征、氟的吸附规律进行探讨研究。在地下水水质研究过程中，野外取样和室内试验密切配合，查明地下水超标组分的统计特征以及空问分布特征。具体研究内容如下：1 、调查地下水目前的地下水状况，分析取样点的数据的合理性，确定参与水质评价的取样点。2 、比较目前应用较广的几种水质评价方法，分别评价现状地下水质量，并对不同评价方法的评价结果进行比较，确定适合研究区水质评价的评价方法以及采用该方法的水质评价结果。3 、分析影响地下水水质的主要超标组分的统计特征以及空间分布特征，揭示影响研究区地下水水质的主要原因。4 、比较目前研究吸附常用的几种模型，揭示氟吸附动力特征规律，通过试验比对等温吸附模型的拟合结果，确定适合研究区碱性、弱碱环境下吸附模型以及吸附规律。3第二章背景概况2 1 自然背景特征2 1 1 地理位置第二章背景概况天津市位于华北平原东北部，海河流域的下游，东临渤海，北依燕山，西部和南部与河北省接壤。地理坐标介于北纬3 8 。3 3 5 7 ”4 0 。1 4 5 7 ”，东经1 1 6 。4 270 5 ”1 1 8 。0 3 3 1 ”之间，南北长1 8 6 公里，东西宽1 0 1 3 公里，海岸线长1 5 5 公里。全市总面积1 1 9 1 9 7 平方公里，其中平原占9 3 9 山区和丘陵占6 1 9 6 。图2 - 1 天津市交通位置图2 1 2 地貌、气象、水文特征天津地势的总轮廓大致是由北西向南东倾斜，地貌特征有山地、丘陵、平原、海岸带等多种地貌类型。山地主要是剥蚀中低山区。中山的绝对高度大于8 0 0 米，主要分布在蓟县东北部与河北遵化县、兴隆县接界一带；低山的绝对高度为2 0 0 8 0 0 米，主要分布在中山外围，蓟县北部地区。丘陵主要是侵蚀丘陵区，一般高度为海拔5 0 2 0 0 米，主要分布在中、低山的外围。平原是天津陆地的主体部份，分布于燕山4第二章背景概况之南至渤海之滨的广大地区，按成因、地面组成物质又可分为洪积、冲积倾斜平原，冲积平原，海积、冲积平原，海积平原四种类型。天津市地处海河流域下游，流经本市的行洪河道有1 9 条，河道总长1 0 9 5 1公里，排沥河道7 9 条，总长1 3 6 3 4 公里，分属海河流域的北三河水系、永定河水系、大清河水系、海河干流水系、黑龙港运东水系和漳卫南运河水系。天津市气候特征主要受季风影响，属暖温带半湿润大陆性季风型气候，四季分明：春季干旱多风，夏季炎热多雨，秋季晴朗凉爽，冬季干燥寒冷。多年年平均气温在1 2 左右，极端最高气温为4 2 7 ( 1 9 4 2 年6 月1 5 日) ，极端最低气温为- 2 7 4 c ( 1 9 6 6 年) 。全市年平均风速为2 5 米秒，大于或等于1 7 米秒的大风天数，除蓟县为1 7 天外，多在3 1 5 3 天之间。天津市的多年平均降水量在7 2 0 5 6 0 毫米之间，由北向南递减。年内降水集中在七、八月份，约占全年降水量的6 5 左右。天津市多年平均蒸发能力为1 0 0 0 1 1 0 0 毫米，在地区上的分布由北向南递增。天津市的干旱指数从北到南分布为1 2 0 2 0 8 。2 2 社会经济天津市是我国北方重要的工业和港口城市、交通枢纽和内外贸易集散地。2 0 0 0 年全市户籍人口9 1 2 0 0 万人，其中城镇人口5 3 2 5 0 万人，农业人口3 7 9 5 0万人，国内生产总值1 6 3 9 3 6 亿元，工业总产值3 0 8 0 7 4 亿元，农业总产值1 5 6 3 0亿元。2 3 地质及水文地质条件2 3 1 地质条件1 、基岩地质( 1 ) 地层研究区内基岩地层和第四系地层发育较为齐全，基岩地层中缺失古生界上奥陶一下石碳系、中生界三迭系和新生界第三系古新统地层。( 2 ) 构造天津地处华北地台东部，研究区内北部处于阴山天山纬向构造体系与新华夏构造体系的交接部位：中部和南部地区以新华夏构造体系为主体贯穿南北，共有四个三级构造单元，平原区基底宝坻一蓟运河断裂以北为唐山隆起，以南自西向东依次为冀中拗陷、沧县隆起、黄骅拗陷等。区域内地质构造的基本格局主要形成于印支运动、燕山运动和晚近期的地质构造运动，印支运动主要表现为褶皱5第二章背景概况运动，元古代和古生代沉积形成的基岩地层受到强烈挤压，形成一系列北东向紧密排列的褶皱体系；燕山运动则主要表现为断裂作用，切割了印支运动形成的褶皱体系，并伴有非常强烈的岩浆活动。晚近期的构造运动主要表现为继承性的升降差异运动，持续性运动的结果迸一步加剧了构造隆起和构造断凹之间的高程差距，并直接制约第四系地层的沉积过程，基岩面较大的起伏变化，不仅影响到第四系地层的结构和厚度，也影响到含水层的发育及分布特征。图2 - 2天津市地质构造简图6第二章背景概况2 、第四纪地质研究区内笫四系地层广为分布发育，其沉积厚度变化较大，明显受其下伏基底起伏构造的控制。北部山丘区第四系地层零星分布于基岩剥蚀台地、山问沟谷、山间盆地底部以及河谷两侧的河漫滩、一级阶地。平原区第四系地层自北向南沉积厚度由9 0 m 逐渐增大到4 3 0 m 。自下而上从下更新统至全新统发育较为齐全。( 1 ) 下更新统( q 。) ：为一套河、湖相沉积的杂色粘性土夹细砂、粉砂和中砂多层结构。上段以湖相、洼淀相沉积粘性土为主，夹细砂、粉砂和中砂；下段一、为深湖、河流相灰色粘土与灰白色中砂、细砂、粉砂互层。宝坻一蓟运河断裂以北底界埋深3 0 0 m - - - 3 6 0 m ，层厚约4 5 m 。宝坻蓟运河断裂以南底界埋深3 7 04 2 9 m ，层厚约2 0 0 m 。( 2 ) 中更新统( 如) ：以湖相、洼淀相灰色粘土沉积为主。宝坻一蓟运河断裂以北底界埋深1 2 7 n r - - 2 2 8 m ，层厚约5 0 1 0 0 i i l ，为湖相、洼淀相灰色粘土夹数层洪冲积相粗砂、中砂和细砂。宝坻一蓟运河断裂以南底界埋深1 0 8 1 9 0 m ，层厚约1 2 0 m ，顶部夹第海侵层，并赋存河口相粉砂、亚砂、亚粘土；下段洼淀相、湖相深色粘土夹滨海相、河流相砂层。( 3 ) 上更新统( 如) ：以洼淀相、河流相为主。宝坻一蓟运河断裂以北底界埋深6 0 n t - - 1 2 0 m ，层厚约6 0 l l o m ，自上而下为洪积、冲积、洼淀、沼泽相沉积，棕黄色、灰色粗砂、中砂、细砂夹深色粘土及淤泥。宝坻一蓟运河断裂以南底界埋深5 9 一_ 6 8 m ，层厚约4 0 - - 5 0 l i l ，赋存有第1 i 、第1 i i 海侵层，以粘性土为主，砂层不发育。( 4 ) 上更新统( 饥) ：宝坻一蓟运河断裂以北底界埋深6 r 2 0 m ，下部为冲积洪积中砂、细砂、粉砂、上部为灰黄色亚粘土和粘土。宝坻一蓟运河断裂以南底界埋深1 5 2 5 m ，层厚约2 0 m ，底界与第1 海侵层下界吻合，顶部为河漫滩与湖沼相灰褐色亚粘土，下部海侵层为深灰色淤泥质亚粘土、亚砂土和粉砂。底部赋存泥炭层。2 3 2 水文地质条件由于本论文以天津市平原区地下水为研究对象，故此只对研究区内水文地质条件作阐述。1 、孔隙含水层( 1 ) 孔隙潜水含水层孔隙潜水含水层及其包气带沉积形成于晚更新世和全新世，由全新统和晚更新统湖积、冲湖积相灰色、黄褐色粘土、粉质粘土、亚砂土及粉砂组成。一般埋藏深度位于5 2 5 m 以浅，受沉积环境控制，含水层及包气带的岩性宝坻一蓟运河断裂以北地区以冲积洪积中粗砂、中细砂、细砂为主，单井涌水量一般为5 7第二章背景概况3 0 m 3 h 。宝坻一蓟运河断裂以南地区以粉细砂、粉质粘土为主，透水性差，单井涌水量一般为小于5 m 3 h ，季节水位埋深变化于1 3 m 之间，水质较为复杂，宝坻一蓟运河断裂以北地区为淡水，以南片状分布微咸水、咸水，零星分布有岛状和带状淡水区。( 2 ) 孔隙承压水含水层承压含水层沉积形成于更新世早期。含水层介质由更新统地层组成。呈多层状结构特点，一般分为五个含水组。咸水含水岩组( s ) ：分布在宝坻蓟运河断裂以南地区，面积约s o s o i m 2 ，主要赋存在第四系中更新统上段至上更新统地层中，南部地区的大港、津南等地从中更新统至全新统地层均为咸水。底界埋深北部边界一般小于4 0 m ，向南逐渐加深，至大港最大深度约2 2 0 m 。岩相属海陆交互堆积或受海侵影响的陆相地层，以粘土夹粉细砂、粉砂为主的多层结构，透镜状分布。咸水含水组浅部为潜水一微承压性质，下部为承压水，单井涌水量5 5 0 m 3 h 。浅部水位埋深1 3 m ，深部水位埋深卜8 m ，最大2 0 m 。第二含水岩组( i i ) ：宝坻一蓟运河断裂以北赋存在上更新统至中更新统地层中，底界埋深2 0 - - 2 2 8 m ，以粗砂、中粗砂为主，由古州河、句河或山间间歇性河流搬运堆积形成。单井涌水量4 5 一l o om 3 h ，水位埋深3 1 5 m 。宝坻一蓟运河断裂以南地区中更新统地层中，底界埋深1 8 0 1 9 1 m ，以中砂、中粗砂、中细砂、为主，物源为古河流冲积搬运而来。单井涌水量1 0 _ _ 8 时h 。水位埋深57 0 m 。第三含水岩组( m ) ：分布在宝坻一蓟运河断裂以南地区，赋存在下更新统地层上段，底界埋深2 9 0 一3 1 5 m 。含水岩性以湖相、洼淀相兼冲积相粘土夹中砂、粉细砂和中砂构成含水层，砂层稳定性差。单井涌水量l o 4 耐h 。水位埋深2 0 _ 一l1 0 m 。第四含水岩组( i v ) ：分布在宝坻一蓟运河断裂以南地区，赋存在下更新统地层下段，底界埋深3 7 0 - - - 4 2 9 m 。含水岩性以湖相、河流交替堆积粘土夹中砂，粉细砂和中砂构成含水层。单井涌水量4 0 - - 8 0 m 3 h 。水位埋深4 0 1 0 0 m 。2 、隐伏基岩储水构造天津市平原区第四系地层以下，隐伏有基岩地层，埋深从十数米至数千米。其水文地质条件受构造和岩性控制。有开采价值的是分布于全谈水区浅埋碳酸盐岩地层形成的蓟县城关贮水构造、大康庄贮水构造、下仓贮水构造。单井涌水量一般在1 0 0 0 - - - 8 0 0 0m 3 d 。3 、地下水补给、径流、排泄天津市的地下水的补给来源主要是大汽降水、地表水、农业灌溉入渗等。平原区深层地下水来自上覆水体的越流补给。山前平原浅埋基岩贮水构造则来自于山区地下水的绕流补给和境外的侧向流入。8，；豁；，7；磐，一；l，；妻爹j；麓乙：；。髻磅搿# 辨；强鸳鞯二荔。荔：p毫，o。，、强；_争。1；：纩扣驴枇匝阻磊蟮留杈簧怪赞帐1 - n 由匝、弘一。”参t，j。z，磊缸骖l、；+；y、噶； ，#，2；，；，、：g 9鹈，弘狻妊缝彤绣辩麓一；：。，十，?，、，-一。：，、|，彦加弘a嘭誓辫砖蝮嚣；。卿#焉；丐t 第二章背景概况图2 3 _ 2天津市水文地质剖面图地下水径流与地形地貌、岩性，构造相关。平原区第四系孔隙水径流方向与地形地貌变化一致，由山前向平原，越往南径流条件越差，中南部地区的深层地下水径流不明显，但开采可改变地下水径流方向，尤其是地下水降落漏斗区体现尤为突出。平原区全淡区孔隙地下水排泄，以人工开采的方式为主，其次是蒸发。有l o第二章背景概况咸水区浅层地下水以蒸发排泄为主，浅层淡水分布区有少量开采；深层地下水主要是以人工开采的方式排泄。2 4 水资源开发利用2 4 1 地下水资源天津市地下水资源( 矿化度小于2 9 l ) 由三部分地下水组成，浅层孔隙水，深层承压孔隙水和基岩裂隙、孔隙岩溶水，全市地下水资源量7 3 0x1 0 督，其中浅层孔隙水4 2 1 x 1 0 m 3 ，分布在平原区；岩溶水1 2 1 1 0 8 m 3 ，分布在北部山区和基岩贮水构造中；深层承压水1 8 8 1 0 8 m 3 ，主要分布在宝坻一蓟运河断裂以南地区。表2 一l天津市地下水资源单位：1 0 8 m 3其中深层水资源分区合计浅层水岩溶、孔隙水承压淡水劁琏刑山区0 6 90 0 00 6 9海河北系平原4 2 03 6 80 5 20 6 8淀东清南平原0 5 30 5 30 0 01 2 0合计7 3 04 2 11 2 l1 8 82 4 2 地下水开发利用情况天津市平原中北部地区以开采i i 组水为主，南部地区则以开采i i i 一组地下水为主，全淡水区为i 、组水混合开采。市区、塘沽、汉沽、大港等地区，地下水主要供城市工业和生活，郊县地下水主要供农业灌溉和农村生活，城镇工业生活用水比例较小。天津市在六十年代中期以前，地下水开采相对较少。六十年代中期以后，是天津市地下水大规模开发利用阶段。1 9 8 0 以来，国民经济快速发展，用水量急剧增加，到2 0 0 0 年地下水开采量达8 2 3 x1 0 8 1 1 1 3 。据统计1 9 9 1 - - 2 0 0 0 年，全市共开采地下水7 3 5 9xl o m 。年平均开采量为7 3 6 x 1 0 w 。盘2誉甍如s、。凶謇i n88怛寸潺器搿g凼荨品n磊糸i 麴朱8斗一nn一寸n凶一a坦苫盆器蓦蓦爆寸寸l n寸雩凶芎n也一卜i i n挺高夏夏8g葛象毫馨一一一一兰p _凶卜坦8避寸凶西窿磊衣器锫谣nnp _一凶一窝擒栅暑n翘一一n凶卜嚣一墓寸世88锚高一一_岛瓮一一8丌啷：2n嫩喜葛磊磊艋寸寸砷客寸o 。卜l n襄拿8荟舢寸卜寸葛_ _毋凶导累芝等0客葛蜒ggg8瓮兰竺幅一一一一凶：合8十蟮夏豁容葛州一：=豳茜寸兰咕蕊型霉s88p _一2竺盎g夏蜜兽塞采窘盘露*廿竺竺璺旦2竺一t b 一。覃l 褂删眯散*卜簧廿oooi廿160_i悟瓣帐n 由僻赠毫略耜褂瓣第二章背景概况2 5 地下水地位和存在问题2 5 1 地位和作用天津市供水水源组成为：地表水、地下水、引滦水、外调水以及污水、海水。地下水平均年开采量7 3 6 亿立方米，占总供水量的3 0 。地下水是目前天津市除引滦水外最为稳定的水源，尤其在广大农村地区，地下水几乎是唯一的水源。因此地下水在保障天津市经济快速发展，社会稳定起着举足轻重的作用。表2 - 3 天津市1 9 9 1 2 0 0 0 年供水情况表单位：1 0 8 m 31 9 9 11 9 9 21 9 9 31 9 9 41 9 9 51 9 9 61 9 9 71 9 9 81 9 9 92 0 0 0供水水源篮盆妊焦矩矩生色矩盆地表水1 7 6 51 8 4 11 6 2 51 6 6 41 651 72 31 57 81 6 6 71 8 4 41 4 4 2其中：引滦水51 492 28 1 24 2 93 3 836 285 06 1 27 4 948 8地下水70 073 07 1 669 278 87 5 781 378 369 582 3海水替代淡0 3 003 003 003 0o3 0o3 003 00 3 00 3 00 3 0水总供水量2 4 9 52 6 0 l2 37 12 38 62 4 6 82 51 02 42 l2 4 8 02 56 92 29 52 5 2 地下水开发利用存在问题l 、区域性水位持续大幅下降目前，天津市由于长期大量开采地下水己形成市区、塘沽、汉沽、大港、静海、武清几个水位下降漏斗，特别是大港油田因采地下水回灌油层，北大港水库以南一带第四系含水层已处于疏于或半疏干状态。近几年，除市区、塘沽等地区以引滦水作替代水源，深层水开采量减少，各组含水层水位有所回升外，无外来水源的汉沽、大港、静海等地，水位下降仍很严重，如大港城建区年水位平均降幅仍在2 3 m ，静海地区在2 m 以上。2 、部分地区地面沉降严重天津市宝坻断裂以南的广大平原区自6 0 年代以来便出现地面沉降问题，面积约7 3 0 0 k m 2 。长期超量开采地下水是造成地面沉降的主要原因。沉降中心主要在市区、塘沽、汉沽、大港、及海河下游等地区。自1 9 5 9 年至1 9 9 8 年市区和塘沽区沉降中心累计沉降量分别达2 8 1 、3 0 9 m ，其中市区地面沉降值累计大于2 5 m 的面积为3 2 k m ：，中环线内累计沉降已大于1 5 m ；塘沽区低于海平面范围约6 k m 2 。塘沽区、汉沽区地面沉降减缓，1 9 9 8 年平均为1 4 m m a 和2 0 m m a ，大港第二章背景概况区略有增加。西青区、海河下游和官港地区近年来沉降严重，1 9 9 8 年平均为6 9 m a 和3 8 m a ，其中西青区后桑园沉降1 0 3 砌，咸水沽形成6 0 - 8 0 m m 的封闭曲线沉降区。3 、地下水水质恶化污灌区对浅层淡水的污染由于水资源严重缺乏，天津市自1 9 5 8 年开始大面积发展引水灌溉，直接利用污水灌溉的污灌区包括北塘排污河灌区、南大沽排污河灌区和北京排污河灌区。截至1 9 9 9 年，天津污灌区面积己达3 5 1 万亩，其中直接污灌面积达1 7 8 6万亩。所有这些污灌区都发生了不同程度的浅层地下淡水污染，其中北京排污河灌区尤其明显，据1 9 9 5 年天津环境监测中心对武清北部污灌区九口地下水井的监测检出1 4 0 多种诸如多环芳香烃类、氯酚类、酞酸酯类、杂环类、有机酸类、烷烃类、烯烃类等污染物；另外塘沽地区第1 i 含水组地下水有毒物质的检出率较高，显示己被污染；静海县大邱庄镇内地下水也受到污染。据研究发现，不论在南排污河灌区还是在北排污河灌区，恶性肿瘤死亡率均高于清水区。垃圾堆放场与污染河道对浅层淡水的污染未经无毒化处理的垃圾堆放场，经雨水淋滤作用产生的垃圾淋出液常含有多种有机、无机、有毒、有害成分以及细菌与病毒，它们对地表水体、地下水和包气带土层都具有强烈的污染作用。现在的城市市区及郊区几乎很难找到不受污染、达到饮用水标准的浅层潜水。不加处理的工业污水排入河道，首先污染河水，进而污染地下水，污染河道造成沿河岸两侧的浅层地下淡水的污染触目惊心。上覆咸水对深层淡水的污染天津市地处滨海平原，在漫长的地质历史时期，由于经受海进及大陆盐渍化的共同作用，浅部地层形成了大面积地下咸水，分布于市中南部地区。一般情况下，浅层咸水对深层地下水的影响仅仅表现在对邻层微量的越流补给，影响不大。但随着对下伏含水组开采强度的加大，水位持续下降，使得深层淡水与上覆咸水水头差加大，越流作用加剧，导致咸水加速下渗，引起深层水质变差。同时机井成井工艺不合理造成止水不佳、井管腐蚀、破裂、错口和管外上下串通，使大量咸水串入深层淡水，使得深层淡水中硫酸盐、总硬度、矿化度、氯离子都大幅度提高。市区、塘沽、汉沽第1 i 含水组上段、大港第1 i i 含水组水质均有逐渐咸化的趋势。第三章地下水质量评价第三章地下水质量评价3 1 野外取样情况为查明地下水的水质现状，于2 0 0 1 年l o 月对天津市平原区整个区域进行了浅层地下水和深层承压水第二含水组水质调查，共布置采样点1 2 2 个( 见图3 1 ) ，其中浅层地下水采样点5 2 个，深层承压水第二含水组采样点7 0 个，采样点位置平均分布兼顾重点开采地区并控制整个研究区。3 2 数据可靠性检验3 2 1 阴阳离子平衡检查阴阳离子平衡检查是依据电解液为电中性的这一条件，即溶液中的正离子电荷总数等于负离子总数。实际上地下水是一种复杂的电解溶液，因此遵循电中性条件。实际应用中常用此来检查水样分析结果的误差，其表达式为：e = 黼川。 。式中e 为电荷平衡误差( ) ，镌和肼。分别为阳离子和阴离子的摩尔浓度，z 为离子的电荷数。由于地下水中除了常量组分外，还有微量组分，因此e 的绝对值( 5 是允许的。表3 - 1水样阴阳离子平衡检查成果表、检验样本总数合格样本总数百分比不合格井号0 1 1 0 2 、0 3 1 0 6 、0 1 1 0 3浅层地下水5 24 68 8 4 60 3 1 0 7 、0 3 1 1 0 、0 5 1 0 3o l q 0 1 、0 7 1 1 0 2 、承压第二含水组7 06 69 4 2 80 2 1 1 0 3 、0 4 1 1 0 2合计1 2 21 1 29 1 8通过电荷平衡检验，浅层地下水的的水样检测结果合格率为8 84 6 ，承压水第二含水组水样检测结果的合格率为9 4 2 8 ，第二含水组的水样分析结果的可靠性高于浅层地下水，总体而言水质分析结果是可靠的。第三章地下水质量评价图3 - 1地下水取样点分布图1 6第三章地下水质量评价3 2 2 碳酸平衡关系检查碳酸平衡关系的检查，是依据碳酸平衡理论。在地f 水中碳酸以三种化合形态存在：1 、离碳酸，它以溶解c o ：( a q ) 或2 c o s 形态存在，水中以( 泐2 ( a q ) 为主，h 2 c o s比c o z ( a q ) 少的多，一般只有其总和的1 。2 、重碳酸，即h c o ；。3 、碳酸，即c 0 ：一。地下水中的碳酸的一个重要的来源是大气中的c o ，气体溶于水，其反应如下：c 0 2 ( g ) + h 2 0h c 0 2 0 9 ) + 日2 0 ( g )( 3 2 )c o z ( a q ) + 日2 d 付h 2 c o s ( a q )( 3 3 )联合( 3 2 ) 和( 3 3 ) 式，则c 0 2 ( g ) + h 2 0 付h 2 c o s ( a q )( 3 4 )以上反应式中“g ”代表气相，“a q ”代表液相。碳酸( h ，c o s ) 为二元弱酸，可进行二级离解h 2 c o s 付+ + h c o ；( 3 5 )k ：堕：! 【塑堕!( 3 0 ，)一= 一j ，1i n 2 c 0 3 】h c o ；付h + + c 0 ；一( 3 7 )足，：堕：! 婴a( 3 8 )【h c o ；】设d i c 为水中总溶解无机碳的浓度( m o l l )d i c = ( h 2 c o s ) + ( h c o s ) + ( 倒一)( 3 9 )三种碳酸的离解常数是随温度变化。温度恒定的状态下，在不同的p h 值条件下，三种形态的碳酸按一定比例分配，它们是p h 值的函数。据( 3 5 ) ，( 3 6 ) ，( 3 7 ) ，( 3 8 ) ，( 3 9 ) 联合整理，则a o = ( 1 + 南+ 西k k ，2 ) 1 枷。，q 廿等+ 斋) i l 。 口2 _ ( 1 + 罴+ 譬| 1 1 0 0( 3 其中a 。、a l 、a 2 分别为h 2 c 0 3 、h c o ；和；一所占碳酸( d i c ) 的百分数。依据( 3 1 0 ) ( 3 1 1 ) ( 3 1 2 ) ，在酸性水中何，c o s 占优势，碱性水中c o ：一占优势，偏酸、偏碱及中性水h c o ；占优势，当p h = 8 3 4 时该点的h c o ；达到最高值，约1 7第三章地下水质量评价占9 8 ，日：c o ，和c 口；一各仅占总碳酸含量的1 ，常规的分析方法是不能检出的，所以它是检查分析结果可靠性的一个标志。表3 _ 2 水样碳酸平衡检查成果表、检验样本总数合格样本总数百分比不合格井号浅层地下水5 25 21 0 0承压第二含水组7 07 01 0 0合计1 2 21 2 21 0 0通过碳酸平衡检验，所有的水样均合格。综合使用两种数据检验方法的检验结果，确定参加水质评价的水样数，浅层地下水为4 6 个，深层地下水为6 6 个。3 3 地下水水质评价方法概述地下水质量评价的方法有很多，多根据评价的目的而采用相应的评价方法。目前比较常用地下水质量评价方法有：国标f 法、指数法以及模糊数学法等。1 、国标f 法是根据我国地下水质量标准( g b t 1 4 8 4 8 - - 9 3 ) 介绍的一种方法，首先根据地下水质量监测资料中某项组分各次实测浓度a 与地下水质量标准值c n 的比值只，确定单项评价分值，然后按下列公式计算综合评价分值f 。f=f = 导肚寺善e式中：l 为各评价分值只中最大值，n 为进行评价的单项数目，f 为f 的平均值。根据f 的值可将地下水质量划分为五个级别。1 8( 3 1 3 )( 3 1 4 )( 3 1 5 )第三章地下水质