1. 齊齊哈爾市地下水水質評價與污染預警
一、研究區概況
(一)自然地理與社會經濟概況
研究區位於松嫩平原西部齊齊哈爾市內,嫩江東側,北臨富裕縣,東接林甸和杜爾伯特蒙古族自治縣,南部是泰來縣。研究區地理坐標:東經123°53′~124°15′,北緯47°10 ′~47°24′,東西長27.39 km,南北寬26.32 km,總面積為720.9 km2,海拔高度一般在200~500 m 之間。地形以平原為主,地勢呈馬蹄型,東南兩側高、中間低,由北向南逐漸降低。齊齊哈爾市屬寒溫帶大陸性季風氣候,南部屬溫暖乾旱農業氣候區,中部屬溫和半乾旱農業氣候區,北部屬溫涼半濕潤農業氣候區。年平均氣溫在0.7~4.2℃之間,南北相差3.5℃左右。年降水量在400~550 mm 之間,年平均無霜期122~151 d。齊齊哈爾地區土壤主要有暗棕壤、黑土、黑鈣土、草甸土、沼澤土、草甸鹼土、砂土。齊齊哈爾市大部分土壤具有熱量高、透性好、質地輕的特點。
齊齊哈爾市是以重型機械、冶金工業為主體的東北地區老工業基地之一,是黑龍江省第二大城市,具有包括化工、輕工、紡織、建材、食品、電子、醫葯等門類齊全的工業體系,是黑龍江省西部地區的政治、經濟、科技、文化教育、商貿中心和重要的交通樞紐,全市轄7個區、1個市、8個縣,人口561.1×104人(市區143.9×104人)。
(二)水文地質概況
齊齊哈爾市位於嫩江低平原,地貌上跨越沖積傾斜平原、沖積-河谷平原、沖積-湖積低平原3個地貌單元。水文地質條件較為復雜,地層由巨厚的白堊紀、新近紀陸相碎屑岩沉積物和第四紀砂、砂礫石為主的鬆散堆積物組成。
研究區第四系鬆散堆積物較厚,一般160~190 m。在40~60 m處普遍存在一層弱透水的亞粘土或亞砂土層,厚度一般小於7 m,將區內含水層分隔成水力特徵有明顯差異的上部潛水和下部承壓水。上部潛水含水層厚度24.3~43.0 m,含水介質以砂礫石為主,次為中粗砂、中細砂,夾數層亞粘土、亞砂土透鏡體,水位埋深2~5 m,水量豐富,單井涌水量大於2000 m3/d。下部承壓水含水層較厚,中更新統含水層厚度一般70~85 m,含水介質為含礫中粗砂、砂礫石,下更新統含水層厚度一般20~50 m,含水介質為含礫中粗砂、中細砂。水位埋深3~5 m,水量較豐富,北部單井涌水量大於2000 m3/d,南部及東南部單井涌水量1200~2000 m3/d。
潛水主要補給來源為大氣降水滲入補給、河水滲入補給、側向徑流補給及灌溉水回滲補給,主要排泄方式是人工開采、蒸發、越流補給承壓水。承壓水的主要補給來源為上部潛水的越流補給、側向徑流補給,主要排泄方式為人工開采和側向徑流排泄。
區內第四系潛水和承壓水均為中性低礦化重碳酸型淡水。pH 值一般在6.6~8.36之間;TDS潛水為230~800 mg/L,承壓水為140~380 mg/L;總硬度:潛水120~500 mg/L,承壓水90~170 mg/L;水化學類型兩者基本相同,均以HCO3-Ca、HCO3-Ca—Na、HCO3-Na—Ca型為主,其次為HCO3-Ca—Mg型水。由於潛水已經受到比較嚴重的污染,水化學類型變得比較復雜,在中心城區-大民屯-榆樹屯一帶形成了一種以含大量硝酸鹽和氯化物為特徵的污染水化學類型。另外,受原生環境影響,含水層中普遍有淤泥質亞粘土夾層,其淤泥質中有機質分解,形成還原環境,使介質中高價鐵、錳還原成低價鐵、錳,因此,地下水中鐵、錳含量普遍較高,但含量年變化不大。
(三)地下水水質監測數據
本次研究水質監測數據主要來源於齊齊哈爾市地質環境監測站設置的地下水動態長觀井1998~2002年枯水期的水質分析結果,水質監測點共31個,其中潛水14個、承壓水17個(表13—14、表13—15)。監測的項目主要有pH、總硬度、氨氮、硝酸鹽、亞硝酸鹽、砷、汞、鉻、鉛、氟、鎘、鐵、錳、硫酸鹽、氟化物、銅、鋅、碘化物等。齊齊哈爾市地下水水質評價與污染預警系統,實現了對這些監測數據的增加、修改、刪除、查詢等基本管理功能,見圖13—7。
表13—14 齊齊哈爾市地下水潛水水質監測資料統計表
表13—15 齊齊哈爾市地下水承壓水水質監測資料統計表
(四)研究區空間信息
空間信息包括研究區地理底圖、岩性分布圖、地下水水質預警參數分區圖、水源地及污染源分布圖和土地利用現狀圖(見圖13—8~圖13—10)。
圖13—7 齊齊哈爾地區地下水水質監測數據管理
圖13—8 研究區空間信息界面
圖13—9 研究區地形示意圖
原比例尺1:50000
圖13—10 研究區包氣帶岩性分布示意圖
原比例尺1∶50000
二、齊齊哈爾市地下水水質評價
採用國家標准、模糊綜合評判、BP神經網路三種方法分別對每年的潛水和承壓水進行評價。評價結果既有數據表格,也有等值線和等值面圖。如圖13—11是2002年潛水採用BP神經網路評價方法得到的評價結果表格,圖13—12是1998年潛水採用國家標准綜合評價得到的等值線圖。
圖13—11 2002年潛水BP神經網路評價結果
圖13—12 1998年潛水國家標准綜合評價等值線示意圖
評價結果表明,齊齊哈爾市地下水水質具有以下特點:
(1)區內超標組分有:氨氮、硝酸鹽、亞硝酸鹽、砷、總硬度、氯化物、硫酸鹽、鐵、錳。
(2)「三氮」污染嚴重,14個潛水監測點中氨氮超標的有10個,最高含量2.35 mg/L(100號點2000年),超水質標準的8倍;硝酸鹽超標的有7個,最高含量444.12 mg/L(228號點2002年),超水質標準的4倍;亞硝酸鹽超標的有12個,最高含量1.680 mg/L(2號點2002年),超水質標準的24.6倍。
(3)局部地方總硬度超標(15、27、228號點),最高含量1043.67 mg/L(228號點2002年);局部地方砷超標(2、27、183號點),最高含量0.079 mg/L(27號點2001年)。
(4)區內地下水中鐵、錳含量普遍較高,這主要是受原生環境控制,區內含水層中多有淤泥質亞粘土夾層,其淤泥質中有機質分解,形成還原環境,使介質中高價鐵、錳還原成低價鐵、錳物質,因此,地下水中鐵、錳含量普遍較高,但歷年變化不大。
三、齊齊哈爾市地下水水質預測
利用系統提供的灰色模型GM(1,1)和時間序列分析兩種預測模型,可以對全部井的水質同時進行預測,也可以根據年份、點號、水期、水層等條件對特定井的水質進行預測。其中灰色模型GM(1,1)適合於對水質進行中短期預測,見圖13—13。時間序列分析適合於對水質進行中長期預測,利用時間序列分析進行預測之前,除了要選擇預測的點號,水期及含水層之外,還要為預測設置相應的權值。權值的設定范圍理論上為0~1,但在應用中權值的設定應根據客觀具體情況。如果相臨年份之間的數據差異比較大時,設置較大的權值;反之,設置較小的權值。一般權值大小不宜超過0.3,見圖13—14。
四、齊齊哈爾地區地下水污染風險評價
(一)含水層固有脆弱性評價
將含水層固有脆弱性評價的7個評價因子數據進行處理,繪成7張圖件。
圖13—13 灰色預測結果
圖13—14 時間序列分析預測結果
(1)含水層埋深D
含水層埋深信息主要來自鑽孔數據,利用克里金插值後得到含水層埋深空間分布圖,然後按照評價標准表13—2重新分類。齊齊哈爾地區潛水含水層埋深一般在2~5 m,含水層埋深分級見圖13—15。
(2)凈補給量R
凈補給量=降水入滲系數×多年平均有效降雨量(mm),齊齊哈爾地區的多年平均有效降雨量為419.9 mm,入滲系數按大小分為五個區,自西向東依次為0.30、0.05、0.23、0.18、0.07。將計算結果按照評價標准重新分類後得到凈補給量分級圖,見圖13—16。
圖13—15 含水層埋深分級示意圖
圖13—16 凈補給量分級示意圖
(3)含水層介質類型A
齊齊哈爾地區含水層岩性主要為砂礫石、細砂夾礫石、細砂、含礫中粗砂、含礫中細砂、含礫粗砂、中砂、粉細砂及含礫中砂土,其對應的特徵值見表13—16。含水層介質類型分級見圖13—17。
表13—16 含水層介質類型特徵值
(4)土壤介質類型S
齊齊哈爾地區土壤介質類型主要有砂、亞砂土、亞粘土、黃土狀亞粘土、雜填土。其對應的特徵值見表13—17。含水層介質類型分級見圖13—18。
表13—17 土壤介質類型分級標准
圖13—17 含水層介質類型分級示意圖
圖13—18 土壤介質類型分級示意圖
(5)地形坡度T
地形坡度是由高程點高程通過空間分析中的表面分析而計算出的坡度圖,齊齊哈爾地區坡度分級見圖13—19。
(6)包氣帶介質類型J
齊齊哈爾地區包氣帶介質類型主要有砂、亞砂土、黃土狀亞粘土、亞粘土。其對應的特徵值見表13—18。包氣帶介質類型分級見圖13—20。
表13—18 包氣帶介質類型特徵值
圖13—19 地形坡度分級示意圖
圖13—20 包氣帶介質類型分級示意圖
(7)含水層滲透系數C
含水層滲透系數劃分為四個區,其分級標准參考表13—2,級別與脆弱性結論的對應關系見表13—19,分級見圖13—21。
表13—19 級別與脆弱性結論的對應關系
將得到的各評價指標的分類圖按下列公式加權疊加,得出齊齊哈爾地區含水層固有脆弱性分區圖,見圖13—22。
圖13—21 含水層滲透系數分級示意圖
圖13—22 齊齊哈爾地區含水層固有脆弱性分區示意圖
(二)污染源荷載風險評價
齊齊哈爾市污染源荷載風險評價是以2000年的資料進行的,該市2000年污染物排放總量為33 044.39 t,其中化學需氧量21 149.77 t,懸浮物11 576.81 t,石油類223.31 t,揮發酚59.46 t,氰化物103.39 t,六價鉻2.04 t,砷7.30 t,硫化物15.05 t。主要排污區是龍沙區。
市區化肥農葯使用情況(1999年),化肥施用量13 750 t,其中氮肥7563 t、鉀肥2275 t、磷肥953 t、復合肥2959 t、農葯使用量295 t。
工業固體廢物與城市垃圾:固體廢物主要集中在鐵鋒區和龍沙區。「九五」工業固體廢物共15種,1335.58×104t,其中以粉煤灰、爐渣、冶煉廢渣、危險廢物、尾礦為主,計950.41×104t,占總量的71.31%。2000年各種固體廢物如下:危險廢物3.3206×104t,冶煉廢渣9.30×104t,粉煤灰125.04×104t,爐渣54.01×104t,煤矸石0.01×104t,其他68.63×104t,合計260.31×104t。
2000年固體廢物利用情況:危險廢物2.68×104t,冶煉廢渣7.58×104t,粉煤灰74.83×104t,爐渣53.85×104t,其他64.46×104t,合計203.41×104t。
「九五」末期,危險廢物的數量由初期的8.878×104t下降到3.3206×104t,綜合利用量2.68× 104t,利用率為80.71%,處置量0.6403×104t,處置率為99.99%,排放量0.000226×104t,僅占總量的0.0068%。危險廢物的產生主要分布在富拉爾基、龍沙和碾子山區的機械電氣、電子設備製造業和其他行業。區域分布高度集中,富拉爾基區占危險廢物總量的99.86%。
2000年生活垃圾產生量71×104t,其中填埋處理21.7×104t,一般處理14.2×104t,簡易處理35.1×104t。齊齊哈爾市廢水排放量見表13—20。
表13—20 齊齊哈爾市廢水排放量(單位:104t)
齊齊哈爾北三區(鐵鋒區、龍沙區、建華區)共有紅星、黎明、向陽生活垃圾處理廠三座,南山垃圾堆放場一座。其中黎明垃圾處理廠和南山垃圾堆放場佔地面積大於30 000 m2,紅星垃圾處理廠佔地面積40 000 m2(3個池子)。向陽垃圾處理廠佔地面積20 000 m2。紅星、黎明、向陽三座垃圾無害化處理廠的衛生填埋區共計6個,總建築面積121900 m2,容積1 463 000 m3。從2000年5月12日起紅星、黎明、向陽三座無害化處理廠陸續建成投入使用,日處理生活垃圾800 t,到目前為止共處理中心城區生活垃圾近100×104t、吸排垃圾滲濾液12.5×104t、建築垃圾150 000 m3。2003年10月1日醫療廢物集中處置項目正式開工建設,建成投入使用後,中心城區醫療廢物將實行無害化集中處置。
齊齊哈爾市城市氧化塘始建於1970年,位於市中心區域西南17.5 km的舊江套處,氧化塘西側靠嫩江左岸,尾部和嫩江接通。全部工程由明渠、氧化-儲存塘、閘門、抽水泵站等構築物組成,明渠全長6 km,渠與塘首結合部設泵站一座,塘首至塘尾泄水閘門全長9.3 km。
氧化塘北起新立屯黃沙灘,南至昂昂溪區大五福瑪,占舊河道面積8 km2,平均水面約5.6 km2,豐水期近7 km2。它承擔著城區60×104人口的城市混合污水的自理凈化。齊齊哈爾氧化塘建塘初期日接納污水10×104m3,經1986年改建,日接納污水達25×104m3。1998年受嫩江大洪水破壞,1999年修復清淤後,日接納污水能力達46×104m3。因此齊齊哈爾地區主要的污染源為紅星、黎明、向陽生活垃圾處理廠、工人屯工業固體廢棄物堆放場以及氧化塘和排污渠。系統運行後,得到的齊齊哈爾地區污染源荷載風險見圖13—23。
(三)污染危害性評價
根據齊齊哈爾土地利用現狀圖,將居民所在地的地下水視為飲用,菜地、水田、農田等區域的地下水視為非飲用,其餘地區為不使用。系統得到的齊齊哈爾地區污染危害性見圖13—24。
(四)污染風險評價
將含水層固有脆弱性、污染源荷載風險、污染危害性評價結束後,將三者綜合考慮疊加,得到齊齊哈爾地區污染風險圖,具體評價方法見表13—10,通過計算機運算,評價結果見圖13—25。其中「0」表示低風險,「1」表示中等風險,「2」表示高污染風險。
圖13—23 齊齊哈爾地區污染源荷載風險示意圖
圖13—24 齊齊哈爾地區污染危害性示意圖
五、齊齊哈爾地下水污染預警
地下水污染預警綜合考慮了地下水水質現狀、地下水水質變化趨勢、地下水污染風險三方面的因素,共有45種可能出現的狀態,通過計算機的分析計算可以確定不同的狀態。預警的結果用警度來表達,「0」表示「無警」;「1」~「4」依次為「輕度預警」、「中度預警」、「重度預警」和「巨度預警」,結果表示地下水的污染的威脅程度越來越嚴重。
(一)單項預警
通過地下水水質評價發現,齊齊哈爾地區地下水中的氨氮、硝酸鹽、亞硝酸鹽、砷、總硬度、鐵、錳超標現象比較嚴重,其中鐵、錳主要受原生環境控制,歷年變化不大。因此對於水質單因子預警可對氨氮、硝酸鹽、砷進行預警。
以砷為例,首先從資料庫中提取評價因子的濃度值,其次根據國家標准(GB/T14848—93)進行觀測井中該因子的水質現狀評價,通過空間插值得到該因子在研究區的空間分布圖作為水質現狀結果,見圖13—26。然後利用Daniel的Spearman秩相關系數法分析觀測井中該因子濃度多年變化趨勢,空間插值後得到變化趨勢分布圖,見圖13—27;最後由現狀分布圖、變化趨勢圖,污染風險圖經計算機系統分析計算後獲得預警結果圖,見圖13—28。
圖13—25 齊齊哈爾地區污染風險示意圖
圖13—26 齊齊哈爾地區砷現狀分布示意圖
圖13—27 齊齊哈爾地區砷變化趨勢示意圖
圖13—28 齊齊哈爾地區砷污染預警結果示意圖
研究區大部分區域砷濃度不超標,但西南部有三個觀測井砷濃度達到五類水標准,而且多年監測結果表明有進一步惡化的趨勢,因此該區域屬於巨警區,污染十分嚴重。另外市區附近砷濃度符合三類水標准,歷年無明顯變化趨勢,但污染風險高,因此該區域屬於重警區,需重點關注。
氨氮、硝酸鹽污染預警結果見圖13—29,氨氮污染面積較小,硝酸鹽污染十分嚴重,部分區域總硬度屬於重警。
圖13—29 齊齊哈爾地區氨氮、硝酸鹽污染預警結果示意圖
(二)綜合預警
圖13—30是齊齊哈爾地區地下水水質現狀圖,由圖可以看出,研究區東部淺層地下水水質為三類水,研究區西部淺層地下水水質為四類水,已無法飲用。通過分析各監測井的水質污染綜合指數變化趨勢,顧甸車站附近的27號監測井的水質有所好轉,位於查哈諾村的41號監測井的水質呈惡化趨勢,其餘監測井的水質無明顯變化,見圖13—31。圖13—32為齊齊哈爾地區地下水污染預警圖,由於該地區淺層地下水普遍已經遭受了污染,地下水中三氮的濃度達到了四類或五類水的標准,所以計算結果受地下水的現狀影響較大,在市區及附近以重度、巨度預警為主。在市區東部預警以輕度、中度為主。
圖13—30 齊齊哈爾地區地下水水質現狀示意圖
圖13—31 齊齊哈爾地區地下水水質變化趨勢分布示意圖
圖13—32 齊齊哈爾地區地下水污染預警結果示意圖
實際上,地下水污染預警系統應該用於地下水未污染的地區,以起到預防污染的作用。而在齊齊哈爾地下水普遍遭受不同程度污染的地區,使用污染預警系統的作用和意義受到限制,發揮不出預警作用。
(三)齊齊哈爾地下水污染原因及防治措施
1.地下水污染原因
齊齊哈爾地區第四系潛水受到較嚴重的污染,主要污染原因有以下幾點:
(1)地下水污染預警的巨警、重警區大部分靠近氧化塘、嫩江和勞動湖,地下水動態監測資料證實嫩江和勞動湖常年補給地下水,被污染塘、江、湖水直接滲透污染了第四系潛水。
(2)區內含水層埋深一般小於4.5 m,包氣帶岩性多為亞粘土、亞砂土和粉細砂,區內工業滲坑、井、生活污水井遍布,每年有11 720 t工業廢水和生活污水通過滲坑、滲井滲入地下,造成了地下水污染。
(3)近郊區菜田和農業區長期大量施用農葯、化肥,據統計每年使用化肥達17 531 t、農葯178 t,這些化肥、農葯灌溉水或雨水下滲污染地下水。
(4)工業廢渣、生活垃圾等固體廢物的堆放和土地填埋是地下水的重要的點污染源,據統計區內每年排放工業廢渣186×104t,生活垃圾63 t。這些廢渣和垃圾未經無害化處理,大多無防滲措施,在大氣降水的淋濾作用下,可產生大量的含多種污染物質的滲濾液,這些滲濾液向下通過包氣帶可直接滲入含水層中,是造成第四系潛水污染的重要途徑。
2.地下水污染防治措施
(1)嚴禁工業廢水超標排放,提高氧化塘和排污染渠道的防滲標准,防止污水滲入地下。
(2)加速城市排水設施建設,完善排水系統,逐步取消城市生活污水滲井和簡易廁所,嚴禁採用滲坑(井)的形式排放工業廢水。
(3)加快城市垃圾處理廠建設,提倡科學種田,合理施肥(可增加施肥次數,減少每次的施肥量),適量灌溉。
(4)搞好城市綠化,不僅可美化環境、調節氣候,還能吸收土壤中的氨氮,減少對地下水的污染。
2. 富氫水作用
鍾南山院士在2016年4月16日世界胸科大會上發言指出「氫分子主要針對慢性疾病,最基本的是抗氧化應激的加強作用,不是單純修復作用,有利於機體恢復,理念是對因治療而不是對症治療」。
中國氫水研究領軍人物第二軍醫大學孫學軍教授認為:「根據目前初步掌握的數據和信息,發現富氫水對80%以上的老年便秘患者有確定的效果,對惡性腫瘤治療副作用、尿毒症、動脈硬化和代謝綜合征患者都具有明顯效果,如果這些現象確定無疑,那麼氫氣在控制人類慢性疾病方面肯定會帶來難以估量的貢獻。」
日本著名醫學博士林秀光在他的著作《生命之水:富氫水排毒》中寫道:「富氫水,即含豐富H2(分子氫)的水進入到我們的體內,那麼活性氧就會被H(原子氫)即活性氫分解、消除。也就是說,富氫水進入我們的體內後,將體內不斷產生的活性氧逐個消除掉。」
產生富氫水的方法:
1、氫水棒,又稱水素水棒。由日本引入。利用鎂和水反應產生氫氣。將氫水棒放入裝有飲用水的容器中,氫水棒周圍就會產生氫氣小氣泡。 在密閉容器中使用氫水棒效果 稍好些。如果在敞開式容器中使用,氫氣很容易從水中逸出。
2、富氫水機(濾芯式),裡面裝有PP棉、活性炭、鎂粒子或者托瑪琳等濾芯,當水流經過鎂粒子濾芯或者托瑪琳微電解濾芯時,產生微量氫氣隨水流一起流出。
3、電解式富氫水機,採用電解水的方法,通常我們 說的電解水機就是其中一種,在過去的幾十年期間,電解水一直被認為可以針對某些疾病有輔助治療效果。在日本,電解水是通過國家衛生管理部門認可和推廣的。過去的理論認為電解水之所以具有醫學效應,是因為電解後的水具有弱鹼性、小分子團結構。自從發現氫分子醫學效應以後,目前認為電解水效應的本質也是氫氣效應。
4、瓶裝或者袋裝富氫水,這種成品富氫水,是通過特殊工藝將高純度的氫氣溶解在純凈水或者其它礦泉水中,然後密封在容器里而製成。氫氣濃度取決於製造工藝,一般可以做到0.5~0.8PPM,採用高壓工藝方法可以達到 3PPM甚至更高。
5、固體富氫水保健品,目前這種產品以日本引進為主。膠囊形式的包裝,膠囊裡面是粉狀的白色粉末。負氫離子膠囊就是其中的一種。
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4. 富文鄉的環境整治
富文鄉地理位置獨特,自然風光優美。隨著淳安縣生態建設步伐的加快和「百千工程」的深入實施,富文鄉產業結構進一步調整優化、環境基礎設施逐步完善、村容村貌得到有效改觀。來自工業企業、農業面源、農村三產服務業農居點等各類生活污水未經有效處置就直排河道,造成區域部分河道水質富營養化,並在一定程度上影響了富文鄉飲用水源安全。 富文鄉創建成為中國環境優美鄉鎮,在相關部門通過加大監管力度、拆除排污口專項行動等一系列舉措,使工業廢水污染得到有效控制。富文鄉已順利完成畜禽養殖禁養任務並積極探索出適合區域特點的水產養殖污水處理管理模式。在農村生活污水處理上,採取了「集中處理」和「分散處理」相結合的運作模式,一方面通過城鎮化的推進,藉助集鄉改造、道路建設等工程,帶動富文鄉區域污水管道鋪設、逐步完善富文鄉污水收集管網。另一方面,結合富文鄉人口居住分散的實情,推廣運行成本較低的農村小型生活污水處理工程,對農村生活污水進行有效處理,力爭富文鄉生活污水集中處理率達到70%。盤谷鄉採取政府鼓勵、「以獎代補」的方式,大力引導企業承擔社會責任,快速提升農村生活污水處理率。