河北地區污水灌溉面積

❶ 高碑店污水處理廠回用方案研究

北京位於華北平原的北端，地處中國水資源十分貧乏的北方，是一個嚴重缺水的城市。北京人均佔有水資源量僅300m3左右，為全國人均水資源佔有量的1/8，世界人均水資源量的1/32。平水年水資源量約42億m3，其中地下水24億m3，地表水18億m3，枯水年水資源約33億m3。目前年用水量已達到平水年水資源量。迄今為止，地下水已嚴重超采，市區范圍內形成了1000多km2的漏斗區，地下水位連年下降，為此對地下水已經限采。
根據北京市國民經濟和社會發展遠景目標綱要和城市總體規劃，對北京市生活、工業、農業和城市河湖環境需水量進行預測，2020年全市需水量將達到60多億m3，年缺水約20億m3。因此，城市水資源供需不平衡和水資源短缺已成為制約北京社會經濟發展的重要因素。為了實現北京市國民經濟可持續發展戰略，緩解北京市面臨的21世紀城市發展和可利用水資源的矛盾，北京市政府決定開發城市污水資源作為城市第二水源。高碑店污水處理廠污水回用工程於1999年列入北京市政府《關於北京市環境污染治理目標與對策》（京政辦函〔1999〕）十大研究課題中，1999年3月至8月完成該項目的前期研究工作並完成了可行性研究，1999年10月完成項目立項和審批；2000年1月完成該工程的初步設計和審批工作，2月完成施工圖設計，4月開始施工，目前該工程施工已基本完成，預計今年上半年將正式啟用。該工程是將高碑店污水處理廠二級出水提升用於河道取水的工業用水，替代清潔水源、改善河道景觀，並將部分二級出水經深度處理後用於市政雜用（如道路噴灑、綠地澆灌等），替代自來水，達到城市污水資源化和改善河道水質的目的。回用水涉及的區域范圍，東至公路一環，西至西三環，南至南四環，北至長安街。地區面積為141km2。回用水用戶涉及到工業、公園綠化和河湖補水、道路噴灑等。本文主要分析該工程的技術方案和研究成果。
高碑店污水處理廠情況
高碑店污水處理廠是目前我國最大的污水處理廠，一期工程於1993年10月24日竣工投產，一期工程處理能力50萬m3/d。二期工程於1999年年底竣工投產。目前處理能力為100萬m3/d。高碑店污水處理廠污水系統流域面積96平方公里，服務人口240萬人，匯集北京市南部城區的大部分生活污水、東郊工業區、使館區和化工路的全部污水。該處理廠採用前置缺氧段活性污泥法工藝，即在推流式曝氣池前設置缺氧段，其目的是改善污泥性質，防止污泥膨脹。目前高碑店污水處理廠二級出水直接排入通惠河下游，除每年約5500萬m3用於農業灌溉外，剩餘的處理水每年超過3億m3沒有得到利用，根據我們對該廠出水的幾次實測和該廠提供的1999年出水水質分析結果，其出水達到設計要求，出水水質水量穩定，其二級出水多數參數已接近相關的回用水水質標准.但高碑店污水處理廠二級出水中氨氮和磷的含量還偏高，主要是該廠立項較早，當時在國家城市污水處理廠排放標准中還沒有除氮脫磷的要求。因此該廠一期處理工藝中未設除磷脫氮設施。
可能應用對象分析
潛在工業用戶高碑店污水處理廠內部用水高碑店污水處理廠已建規模為1萬m3/d的廠內回用水工程，主要用於污泥脫水沖洗濾布、檢修、噴灑、澆灑綠地、洗車用水水源等，該用水應優先保證。華能熱電廠華能熱電廠位於高碑店污水處理廠對面。高碑店污水處理廠至華能熱電廠之間鋪設了兩條直徑800mm的管道，同時該廠內部的深度處理站也已經建成。華能熱電廠提供的最新數據表明，該廠現計劃四台機組冷卻補水全部使用高碑店污水處理廠二級出水作為水源，並通過本廠深度處理站處理後再利用，以保證冷卻水水質。該廠實際可利用高碑店污水處理廠二級出水為7.68萬m3/d，該用水應優先保證。北京市第一熱電廠北京市第一熱電廠是一座高溫高壓熱電廠，位於通惠河北側，距離高碑店污水處理廠僅幾公里。該廠共有循環泵4台，每台循環水量為4.15 立方米/秒，循環泵房設在通惠河北岸，冷卻水是開放式循環，正常生產情況下有三台泵運行，所需水量約12 m3/s（即104萬m3/d）。其補水量約26 - 34.6萬m3/d，平均補水量30.3萬m3/d。考慮到目前河道水質現況，為保持河道水質上游仍需來水，北京市第二熱電廠部分慣流退水仍能用於第一熱電廠，在近期方案中第一熱電廠回用高碑店污水處理廠處理水用水量僅考慮為20萬m3/d。在遠期工程方案中，第二熱電廠採用封閉式循環冷卻方式運轉，耗水量將大大減少，第二熱電廠不再有慣流退水供第一熱電廠使用。因此，在遠期工程方案中第一熱電廠回用高碑店污水處理廠處理水用水量將在近期方案規模基礎上擴大10萬m3/d。北京市水源六廠北京市水源六廠距高碑店污水處理廠僅幾公里,此廠是為工業提供用水的河水廠，廠內建有規模為17萬m3/d的深度處理設施。而1998水源六廠供水情況僅為4.7萬m3/d，其中化工實驗廠1.5萬m3/d，有機化工廠0.6萬m3/d，化工二廠0.7萬m3/d，蒸汽廠0.3萬m3/d，焦化廠1.6萬m3/d。該廠進水取自通惠河。高碑店污水處理廠二級出水可直接供水源六廠使用。在近期方案中，東郊工業區和焦化廠利用高碑店污水處理廠處理水的水量為5萬m3/d，市政雜用水5萬m3/d。在遠期方案中，水源六廠再擴大7萬m3/d。通州工廠用水通州距高碑店污水處理廠約八公里。通州現有工廠120多家，包括化工、機械、紡織、造紙和食品等行業，用水量較大的工廠有造紙七廠、東方化工廠、通州氮肥廠和北京日用化學二廠等。通州的工廠共可使用再利用水量7萬m3/d。市政雜用水城市雜用用水在北京市污水綜合利用研究中一直未引起人們的重視，本研究中我們調查了沿通惠河、南護城河主要公園綠化面積、城市綠化、城市道路的噴灑用水量等，並多次走訪了市園林和環衛管理部門，具體調查結果如下：3.2.1 公園綠化及河湖用水沿河道主要公園有龍潭湖公園、北京游樂園、天壇公園、陶然亭公園、大觀園和萬壽公園，主要公園合計面積約267萬m2，公園綠化用水量約0.534萬m3/d。除外，上述公園河湖補水用水約2.3萬m3/d，沖廁用水約460 m3/d。所以主要公園總用水量約2.88萬m3/d。城市綠化用水在回用水供水范圍內有多處城市集中綠地，由於位置較為分散，在目前狀況下很難嚴格計算出回用於城市綠化的水量。故重點考慮集中在道路兩旁隔離帶和沿河道兩岸較集中的綠地，按北京市總體規劃估算城市綠化用水量約0.2萬m3/d 。道路路面噴灑用水據北京市規劃路網指標，其主幹路和次幹路的道路面積約5868萬平方米。目前可噴灑3389萬平方米，目前城市道路噴灑由市和區環衛部門負責，水源全部為自來水，取水點為固定的自來水消火栓。但按環衛部門道路噴灑水車取水半徑，並非所有可噴灑道路都能用高碑店污水處理廠處理水來代替。在方案中，城市雜用水將在水源六廠進行深度處理，深度處理後的出水用管道自水源六廠沿護城河輸送到西便門和廣安門。若在原有水源六廠供水管網中加設取水口，則可用高碑店污水處理廠處理水來噴灑的道路東至公路一環，西至西三環以西，東西長約23.5km。按環衛部門道路噴灑水車取水半徑3km計，南北長可達6km，可噴灑的地區面積為141km2。按北京市城市規劃設計研究院1992年《北京市總體規劃》研究成果，公路一環內道路用地率在1991年前為3.82%，到2010年將達13.43%。若在近期方案中道路用地率按10%計，則用高碑店污水處理廠處理水噴灑道路面積約14.1km2，根據環衛部門提供的噴灑道路的用水指標,每立方米水可噴灑2500 m2道路面積，則一天一次噴灑道路的需水量為0.564萬m3/d。目前北京市許多路面一天噴灑兩次。按市政府治理大氣環境污染，減少城市空氣灰塵量的要求，未來北京市路面噴灑要求達到一天三次。為此，在近期方案中按每天噴灑道路兩次考慮，則需水量約為1.13萬m3/d。近期方案市政雜用水規模上述市政雜用水合計約4.21萬m3/d，其中城市綠化及道路噴灑用水量為1.33萬m3/d；公園用水為2.88萬m3/d。考慮到不可預見水量和管網漏失率，近期方案中市政雜用水規模為5萬m3/d。3.3 農業灌溉用水高碑店污水處理廠農業灌溉區包括東南郊、朝陽、雙橋和通州四個灌區，分布在朝陽和通州通惠河兩岸的14個鄉和2個農場，現況灌溉面積20.21萬畝。農作物以糧、菜為主，其中糧田面積16.9萬畝，佔83%；菜田面積1.72萬畝，佔9%；林果及其它作物面積1.59萬畝，佔8%。農業灌溉需用水量約48萬m3/d，目前從官廳和密雲兩大水庫供給指標水及工業退水水量約10萬m3/d，採用地下水約19萬m3/d，從通惠河取水水量約19萬m3/d。高碑店閘下遊河道補水通惠河下游高碑店閘至北運河蒸發滲漏、一年八次換水和河道兩側綠化需水量約3.6萬m3/d。
回用技術方案
用戶用水優化分配
高碑店污水處理廠處理水優先保證廠內回用水1萬m3/d、華能熱電廠冷卻用水7.68萬m3/d、市政雜用水5萬m3/d、通過水源六廠供東郊工業區和焦化廠用水量5萬m3/d和第一熱電廠20萬m3/d，共計38.68萬m3/d。在遠期工程實施前，剩餘的高碑店污水處理廠處理水除用於高碑店閘至北運河兩側綠化和河道補水3.6萬m3/d外，還可以用於農業灌溉48萬m3/d，最後用於通州工廠7萬m3/d,總計97.28萬m3/d。在遠期工程方案實施後，第一熱電廠擴大用水量10萬m3/d，水源六廠擴大用水量7萬m3/d；剩餘的高碑店污水處理廠處理水用於高碑店閘至北運河兩側綠化和河道補水3.6萬m3/d、農業灌溉40.72萬m3/d,總計100萬m3/d。工程規模本工程方案主要考慮高碑店閘上游的回用水用戶，通過近期工程方案實施後才能利用高牌店污水處理廠處理水的用戶對象為：第一熱電廠20萬m3/d，市政雜用水5萬m3/d，通過水源六廠供東郊工業區和焦化廠用水量5萬m3/d。因此，近期工程方案規模為30萬m3/d。遠期工程方案規模將由近期工程方案規模30萬m3/d擴大到47萬m3/d。主要增加的用戶對象為：第一熱電廠用水規模擴大10萬m3/d，水源六廠擴大用水量7萬m3/d。工程方案高碑店污水處理廠二沉池出水經新建泵站（規模47萬m3/d）提升後用兩條管道分別輸送到高碑店湖（規模30萬m3/d）和水源六廠（規模17萬m3/d）。送至高碑店湖的處理水供北京第一熱電廠用水；送至水源六廠的處理水在該廠進行深度處理後，一部分通過水源六廠現有供水系統供給東郊工業區和焦化廠；一部分通過新建管道輸送到西便門和東便門。在水源六廠現有供水管道和新建管道沿線設取水口，供市政雜用取水。
回用水水質技術保障措施
高碑店污水處理廠改造由於高碑店污水處理廠出水中氮和磷的含量較高會直接影響回用水水質，必須對該廠進行技術改造，進一步提高該廠出水水質。2000年5月完成了該廠改造工程可行性研究。改造規模為50萬m3/d，即對高碑店污水處理廠一期工程（50萬m3/d）進行改造。該改造工程分兩步進行。第一步改造後使出水水質優於目前第一熱電廠冷卻水取水水源高碑店湖的水質，出水中BOD、COD、總磷和氨氮分別達到10mg/l、40mg/l、1mg/l和10mg/l。第二步改造使該廠50萬m3/d滿足高碑店湖Ⅳ類水體的水質要求。主要改造工作量包括曝氣池改造和污泥處理系統的改造。原曝氣池為1/12為厭氧區，其餘為好氧區，改造後將原池2/9為缺氧區及厭氧區（水力停留時間共為2h），其中進水端分出一停留時間為15min的強化吸附區。其餘仍為好氧區（水力停留時間7.25h）。原污泥系統中剩餘污泥泵入初沉池，其混合污泥再進污泥濃縮池濃縮後消化脫水，因濃縮污泥池停留時間太長（3d），處於厭氧狀態，磷又被釋放出來，通過上清液回到污水中，因此達不到除磷的目的。改造後，原有濃縮池改為濃縮酸化池，濃縮酸化池上清液做為碳源排入水處理系統；將消化池上清液和脫水機濾液及沖洗水收集後進行化學除磷。目前高碑店污水處理廠改造方案正在審批過程中，市政府將對改造工程單獨立項，其投資（約2511萬元）也不列入污水回用工程。深度處理措施高碑店污水處理廠二級出水水質水量穩定，達到設計要求，但還不能滿足市政雜用水標准，而綠化用水和道路噴灑等市政雜用水水質對人類健康和城市環境會產生影響，因此，市政雜用水必須在回用前進行深度處理，以滿足相應標准。在方案確定中通過不同廠址比較，將深度處理選擇在水源六廠。水源六廠現有日處理能力17萬m3/d的深度處理設施，主要採用機械加速澄清、砂濾和消毒等工藝處理過程。根據該廠提供的出水水質，其出水可滿足相應用戶要求。由於北京市工業結構的調整，目前該廠平均實際供水量不足5萬m3/d，尚有12萬m3/d處理能力沒有得到利用。另外，水源六廠離市政雜用水用戶較近,市政雜用水深度處理設在水源六廠利用其剩餘處理能力，可滿足市政雜用水近、遠期規模需求，在該廠深度處理後的水質能滿足市政雜用水水質要求。
主要工程內容和投資
本工程總投資33668萬元（不包括高碑店污水處理廠改造費用），其中征地拆遷費10000萬元,工程費用為19260萬元，工程建設內容主要為：（1）高碑店污水處理廠內47萬m3/d的泵站一座。（2）高碑店污水處理廠至高碑店湖輸水管：DN1800mm，長1480m。（3）高碑店污水處理廠至水源六廠管道：DN1400mm，長4766m。（4）市政雜用水配水管：DN1200mm，長6791m；DN1000mm，長1431m；DN800mm，長4615m；DN600mm，長2845m；D=500mm，長2880m。（5）水源六廠改造：包括蓄水池清淤和護砌、污泥池擴建、水泵改造、進出水口的改造、增加自控和電氣設備等。園林供水支線管道。
工程經濟效益分析
本工程總投資33668萬元，其中10000萬元為政府撥款，其餘為貸款（公司融資）。在考慮污水資源費0.20元/m3和水源六廠原有資產成本與利稅0.73元/m3的條件下，水價計算分析結果為：第一熱電廠用水水價0.31元/m3，市政雜用用水水價1.92元/m3，東郊工業區用水水價1.21元/m3。本工程完成後每年可節約清潔水資源16673萬m3，節約自來水3650萬m3/a，相當於節約了建設一座10萬m3/d的自來水廠的投資4億元。該工程能達到開源節流的目的，能為北京市城市綠化面積擴大和道路噴灑壓塵創造條件，對環境綜合治理具有較大的作用，環境的改善還會帶來了周圍地區的土地增值。
結論和討論
(1) 北京市是一個嚴重缺水型城市，合理利用高碑店污水處理廠處理水資源，對實現北京市國民經濟可持續性發展、緩解北京市面臨的21世紀城市發展和可利用水資源的矛盾具有重要意義。(2) 高碑店污水處理廠回用工程方案充分考慮了北京市城市水系、園林、道路及工業布局現狀，具有可實施性。(3) 高碑店污水處理廠污水回用工程能達到開源節流的目的，可以在一定程度上緩解北京城市水資源緊缺的局面，能為北京市城市綠化面積的擴大和道路噴灑壓塵創造條件，對環境綜合治理具有較大的作用。(4) 本工程總投資33668萬元,工程費用為19260萬元。按政府投資1億元，其餘為公司融資計算，在考慮水資源費0.20元/m3和水源六廠制水成本條件下，則回用水水價為：供第一熱電廠售水水價為0.31元/m3，供市政雜用售水水價為1.92元/m3,供東郊工業區售水水價為1.21元/m3。(5) 建議制定有關法規和政策，促進城市污水回用設施的發展。應盡快編制北京市回用水設施發展規劃，以便在相應的市政工程中鋪設回用水管道等設施，使城市污水回用設施逐步完善。
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❹ 人類活動對區域水質變化影響

水體的天然水質，主要取決於流域內的岩石、土壤和植物等因素，以及在水循環過程中發生的物理、化學、生物等作用。在進入水體中的各種廢物量超過水體的自凈能力時，水體的功能就會遭到破壞，即引起了水質污染。以污染源進入水體的形式，分為點污染源和面污染源。河北省的污染源調查結果（表16-8）表明：污染物總量基本保持穩定，工業廢水是河北省水資源污染的最主要污染源。1980年河北省污水處理率石、唐、邯僅為15%～25%，到1990年污水處理率全省為33%，大多數廢水未經處理直接排入江河湖庫中。在地表水受到污染的同時，它本身也成了地下水的污染源。由於過量開采地下水，使河北平原區域地下水的水流場和水化學場發生變化，從而進一步加速了區域地下水水質惡化趨勢。下面對地表水和地下水的情況分別加以論述。

表16-8 河北省污染源統計表

（據王秀蘭和陸中央，1998）

一、人類活動對河北平原地表水水質影響

（一）天然地表水水質簡介

河北省地表水礦化度的分布特點是：平原區高於山區，河流下游高於上游。青縣至慶雲以東沿海平原河道的礦化度大於1000mg/L；中部平原大部分河道的礦化度為500～1000mg/L，局部地區大於1000mg/L。地表水礦化度的年內變化情況是：非汛期平均礦化度大於汛期平均礦化度，前者約為後者的1.3倍。從多年變化情況來看，一般是豐水年礦化度低，枯水年礦化度高。近年來連續乾旱，用水量不斷增加，礦化度有增加的趨勢。河北省大部分河流屬於重碳酸鹽類水，並且以重碳酸鹽鈣質水為主，只有在少數地區為其他類型的水，如子牙河獻縣為氯化鈉Ⅲ型水，滏陽河衡水站為硫酸鈉Ⅱ型水。在20世紀50年代，河北省各河流的水質狀況良好，子牙河水系及南運河的部分水化學指標如表16-9所示。

表16-9 1958年子牙河水系和南運河部分站點的水化學數據（mg·L^-1）

（二）地表水的污染狀況及趨勢分析

1980年以來河北省進行的幾次大的地表水資源評價，評價河長為5500～7500 km。再結合省內歷年水資源公報評價結果，可以較全面地反映出河北省地表水水質（表16-10）。平原區大部分河流受城鎮排污的影響，水體污染嚴重，多為超三級水質，影響水質的主要污染物為高錳酸鹽指數、氨氮、揮發酚等，超標嚴重而又普遍（鞏無祿，1995；於鳳蘭等，1994；國家環境保護局，1991）。1994年海河流域內的湖泊、水庫等重要水源地水體沒有一個水體符合I類標准。符合Ⅱ、Ⅲ類標准水體的水庫有15個。與1980年和1986年相比，有機污染的趨勢不斷加重。各水源地水庫中，西大洋、冊田、崗南、黃壁庄、王快等水庫水質呈惡化趨勢，官廳水庫則有嚴重惡化趨勢（王裕瑋，1997）。由於水資源缺乏，中下游平原地區的河流基本乾涸無天然徑流，城鎮排出的污水得不到任何稀釋，形成了不少污水河，如保定的府河、石家莊的交河、滄州的滄浪渠、邢台的牛尾河和唐山的陡河等。另外一些河流雖然有一定的基流，但因排污量很大，污染仍非常嚴重，如衛河、南運河、洋河、漳河上游、灤河潘家口上遊河段。

表16-10 河北省地表水水質評價

（據王秀蘭和陸中央，1998；於鳳蘭等，1994）

（三）影響地表水水質的因素及改善途徑

以上的研究表明河北平原的地表水已受到了嚴重的污染。水中主要污染質與人類生產排放廢水中的主要成分相一致，即COD、NH₃-N和酚。對地表水的污染直接影響到人類生存環境的質量，同時被污染的地表水構成了地下水的污染源。徑污比，即天然徑流量與排污量的比值，它既反映水體受污染的程度，同時也反映了水體的自凈能力。從表16-11可以看出，徑污比既受排污量的控制，又與當年的天然徑流量有關。因近十幾年排污量基本保持穩定，但逐年的天然徑流量都小於多年平均值，致使我省徑污比一直較低。據國外資料，徑污比應為25～30才能保證水體能夠自凈而不受污染。而我省的污水得不到足夠的稀釋，使得地表水污染一直較重。徑流量屬自然因素，因此，我們要在污水排放量的控制上和污水中主要污染組分的治理上下工夫。

表16-11 徑污比變化

（據王秀蘭和陸中央，1998）

二、人類活動對河北平原地下水水質影響

一些學者研究指出，表徵地下水化學環境變質程度的最重要指標為①地下水中主要化學組分絕對含量的增加或降低；②酸鹼環境的改變；③氧化還原環境的改變。這些指標中的任何一項的急劇變化都說明了地下水化學環境發生了全面變質，也說明整個水岩系統發生了根本改變。而某些有害組分的增高或降低，只說明了水岩系統的個別因素發生了變化。另外，在地下水化學環境演化研究中，獲得准確表徵氧化還原環境變化和酸鹼環境變化的指標相當不易，而表示主要組分變化的指標相對容易獲得。基於上述認識以及研究區的資料情況，本次研究主要通過探討地下水硬度升高的各種機理，來研究人類活動影響下河北平原地下水水質（主要是淺層地下水）的演化情況（畢二平等，2001）。

（一）天然地下水水質簡介

河北平原區地下水化學類型復雜，根據礦化度的空間分布可以劃分為全淡水、淺層淡水、微鹹水、鹹水、深層淡水等。全淡水分布在山前平原，礦化度一般小於1g/L，局部地區大於1g/L，水化學類型以重碳酸鹽類為主。淺層淡水賦存於中東部平原第一含水組內，沿河道呈帶狀或島狀分布，水化學類型為重碳酸鹽、硫酸鹽和氯化物類水。微鹹水在中東部平原與淺層淡水相間分布，水化學類型與淺層淡水相近，礦化度為2～5g/L，鹹水分布在中東部平原和濱海平原區，礦化度大於5g/L，濱海地區最高達35g/L，水化學類型從西向東由硫酸鹽類水過渡為氯化物類水。深層淡水分布在中東部平原鹹水層之下，礦化度一般小於2g/L，東部為2g/L，以重碳酸鈣鏷型水為主。

（二）地下水的污染狀況

1.廣大河北平原地區地下水污染

河北平原地下水污染主要分布在城市和河道附近。據河北省環境總站截止到1995年的觀測資料，河北平原地下水未污染區面積55034km²，占 75.46%；輕污染區面積14777km²，佔20.26%；中等污染區面積2656km²，佔3.64%；嚴重污染區面積462km²，佔0.63%。地下水中以總硬度、礦化度、三氮和氟超標比較普遍（李文體，1995；鞏元祿，1995）。據1990年對全省152 眼淺層地下水井的調查顯示，總硬度超標的井數佔65%，氯離子超標的井數佔39%，主要分布在中南部平原；有17%的井氟化物超標，主要分布在廊坊和滄州的部分地區；其他污染物質超標較少，邢台市南大郭和灤城縣樓底，揮發酚有較高的超標值檢出，安新橋獅子高錳酸鉀鹽指數有較高超標值檢出，其他指標沒有出現嚴重超標現象（鞏元祿，1995）。

河北平原淺層地下水污染現狀如表16-12所示。從宏觀上看，河北平原地下水污染呈加重趨勢，地下水的污染面積和主要污染物含量都有增加趨勢，由於近年來採取了一系列控制措施，部分城市的污染速度有所減緩，但隨著鄉鎮企業的迅速發展，整體上地下水的污染仍呈加重趨勢，而且污染點分散，不易監測控制。

表16-12 河北平原淺層地下水污染現狀統計表

2.河北平原主要城市地下水污染

河北平原主要城市地下水普遍受到不同程度的污染。1960～1985年主要城市地下水硬度一般升高8～10德國度（段永候等，1993）。據1980和1979年地下水水質分析成果，在石家莊市市區及南部，硬度普遍升高達25～30 德國度。對石家莊市地下水的研究表明，硬度與TDS、

、

、F^-、COD和Cl^-的關聯性很好，關聯系數均在0.93以上。

城市地下水中的砷、氰化物、酚、3-N、鉻、細菌等的污染則呈點狀分布，屬於點狀污染和個別項目嚴重超標，且污染范圍主要分布於城市工業區及排污區兩側的地下水中（李文體，1995）。在污灌區的地下水污染較明顯，如滏陽河污灌區，污灌面積119.84萬畝，每年引污水量1.87億t。由於常年污灌，地下水檢出有

、

，酚、Cr⁶⁺等，地下水質量已降為Ⅳ、Ⅴ類水。

於鳳蘭等（1994）通過河北省主要城市地下水水質資料的分析（表16-13），初步將污染歸結為三類：①以硬度為代表的鹽類污染；②酚、氟、

等有毒元素的超標；③總大腸菌群超標。這反映了河北平原的城市地下水污染特徵，也基本上反映了廣大平原區地下水主要污染的基本特徵。只是由於城市和廣大平原區上人類活動強度的不同，各指標的超標情況而有所不同。

表16-13 河北平原城市地下水水質評價結果匯總表（1988～1990）

（據於鳳蘭等，1994，有刪略）

註：K_i為i項污染物在污染中的污染分擔率（%），K_i=P_ij/P_j×100%；P_ij為i項污染質的污染指數；P_j為某地下水綜合污染指數；P_j=∑C_i/C_io×X_m；C_i為i項檢出濃度平均值；C_io為i項污染物的評價標准；X_m為i項污染物的超標率；採用評價標准：GB5749-85。P＜2，較清潔；P為2～10，屬輕度；P為10～50，屬中度污染；P為50～100，屬重度污染，P＞100，屬水質嚴重污染。

3.銨是河北平原地下水明顯污染的標志

從表16-12中我們可以發現：三氮是河北平原淺層地下水中的主要污染質，在重污染區的主要超標組分是

。A.И.謝列日尼科夫等（1994）指出「銨是地表水和地下水明顯污染的標志」。由於人類的生存和活動，使天然水中進入了大量的它原來沒有或很少的化學物質。地表水和地下水搬運這些物質，促使這些固相（土壤、岩石、水流和分散暈）以及生物群中不斷聚集或重新分配；銨氧化後轉變為

，但在自然條件下，這種轉變很緩慢，由於

趨向脫氣並因吸附而轉變為固相，所以這種轉變不能完全實現；由

轉變為

的逆向還原過程更難進行，這是因為這一過程中同時形成了N₂和N₂O，這意味著脫氣作用及很大一部分氮從含水層中逸出，結果是天然水中的銨具有很大的獨立性，與氮的其他溶解形式無關；富含有機質的岩石中的地下水，尤其煤田和油田的地下水，天然銨含量相當高，地下水和地表水中的天然銨基本上都是外來的，根據地質情況不難識別，大量的

是因環境污染而於現代進入地下水中的。水中高含量的

是有害的，但更有害的是與銨伴生的毒性有機質和無機質以及會使人類和牲畜發病的生物病原體。這里通過圖16-3和圖16-4的對比來探討此論斷在河北平原地下水研究中的應用。通過兩幅圖的對比，我們可以發現重污染區和嚴重污染區的區域范圍與

的高值區有著極好的對應關系，主要分布在：邯鄲的東部地區、邢台東北的巨鹿—寧晉一帶、吳橋—南皮一帶、滄州和黃驊一帶、永清地區和唐山的東南部地區。因此，可以認為

是河北平原地下水明顯污染的標志。它將是今後的區域生態環境地質調查工作的一個簡易而有效的指標。

區域地下水演化過程及其與相鄰層圈的相互作用

（據項目38-1-4成果，1987）

圖16-4 河北平原淺層地下水污染程度圖

（據項目38-1-4-1成果，1987）

（三）人類活動對河北平原地下水水質演化的影響

通過以上分析，我們發現硬度是人類活動影響河北平原地下水水質演化的一個特徵性水化學指標。這里針對河北平原的實際情況，擬通過人類活動（大量開采地下水和生產生活排污等）對硬度升高各種機理的影響，來探討人類活動對區域地下水水質演化的影響。

1.硬度升高機理

對於人類活動影響下地下水硬度升高的機理，在以往的文獻中（王東勝等，1998；蔡緒貽和佘雲平，1993；丁開寧，1996）已有不少論述，下面是對硬度升高機理的歸納。

1）鈣鎂的來源

岩層中的鈣鎂碳酸鹽（方解石和白雲石）及石膏是地下水中鈣鎂的最主要來源。有關礦物的存在與否及量的多少對地下水硬度的高低有著決定性的影響。如河北平原中部地層中的石膏夾層（陳望和等，1987）無疑會對它所賦存或流經的地下水的硬度產生巨大的影響。

2）CO₂分壓與硬度的升高

在污水排放的匯集區、污灌區及排污溝渠兩側，工業和生活污水中大量有機物滲入地下水以後，在生物降解作用下，產生大量CO₂，因而往往使地下水中CO₂分壓升高，使碳酸鹽溶解度大大提高，使地下水硬度升高（蔡緒貽，1993；丁開寧，1996）。由超采地下水所造成的人工氧化環境更會加速有機質的分解。同時水文地球化學模擬的結果也表明：隨CO₂分壓的升高，地下水的pH值降低，Ca、²⁺

、方解石等礦物的溶解量不斷升高（蔡緒貽，1993；王東勝，1998）。

這里要指出的是，在邢台—河間一帶的地下水富CO₂帶上，由人類活動引起的CO₂分壓的升高對硬度的影響是否超過了本地自然條件的影響，還應在以後的工作中進一步探討。

3）鹽效應

如地下水TDS增加，離子強度也就隨著增加，活度系數反而減小，因而難溶碳酸鹽飽和度減小，溶解度增加，硬度升高，即鹽效應。在含有大量Cl^-、Na⁺、Ca²⁺等的工業廢水進入到地下水中後，會產生鹽效應，使鈣鎂難溶鹽的溶解度增大，引起地下水硬度升高。這種作用在城市的污水匯集地或高礦化度污水排放地表現得較為明顯，如石家莊市西部的電化廠硬度高異常區。

4）離子對與硬度升高

可與Ca²⁺和Mg²⁺形成相當數量的離子對，離子對的形成可以減少自由Ca²⁺和Mg²⁺濃度，使方解石、白雲石溶度積減小，進而促使水中溶解更多的Ca²⁺和Mg²⁺，使地下水硬度升高。例如：石家莊地下水中

、

在總Ca²⁺、Mg²⁺中所佔比例明顯高於對照區，是地下水硬度較高的原因之一。

5）陽離子交替吸附作用

人們排放的污水中含有大量的Na⁺，污水垂直下滲過程中，與粘性土層中的吸附性Ca、Mg之間發生陽離子交替吸附作用。同時污水中的²⁺²⁺

也可以從土體中交換出Ca²⁺和Mg²⁺，使地下水硬度升高。

6）酸性溶濾作用

在使用化肥的廣大平原地區，土壤中NH₃的含量明顯增高。超采地下水形成的地下水降落漏斗使包氣帶不斷加厚，這種人工氧化環境加速了硝化作用和其他礦物的氧化作用（尤其是硫化物），使得環境的pH值降低（丁開寧，1996；王東勝，1998），從而使溶濾作用加強，促進難溶鹽溶解而導致地下水永久硬度的升高。在一些地區，人類排放的酸性廢水是引起局部地區地下水硬度升高的原因之一。另外，酸雨對地下水硬度的升高也有促進作用。

7）高硬度地表水的直接補給是引起局部地點硬度較高的原因之一。

2.人類活動對河北平原地下水水質演化的影響

人類活動對河北平原的影響可以認為是人類活動引起區域水文地質條件改變而對地下水水質產生了影響，具體表現為：①大量抽取地下水引起區域地下水動力條件改變；②各種人類活動綜合引起的地下水水化學場的改變。

1）大規模開采地下水是河北平原地下水水質惡化的誘因

通過對河北平原地下水硬度升高機理的分析認為：大量抽取地下水引起河北平原地下水水質惡化的最主要誘發因素，其原因是：由於抽取地下水，催化或激發了引起地下水硬度升高的各種機制。由於強烈的地下水開采，在潛水已被疏乾的地區，含水層氧化還原條件發生了變化，使地層中積累的有機物氧化分解作用增強，當入滲水途經土體中含有大量Ca的地段時，就會溶解部分的Ca，使pH值降低。同時，區域性地下水降落漏斗的形成產生了鹽分的往復式積累和污染質的下滲。

地下水大規模開采使地下水位急劇下降加速了地層中鈣鎂碳酸鹽的溶解，導致了地下水硬度的升高。據河北省環境總站1995年以前的觀測資料，河北平原由於地下水開采使得地下水的總硬度和礦化度普遍升高。其中井深小於100m的淺層地下水升高最為明顯，200～300m的深層淡水次之；而100～200m深的以鹹水為主的地下水和400m以上的開采量較小的地下水硬度和礦化度變化較小。

由於水動力條件和化學環境條件變化，地下水與岩石之間的相互作用會形成新的平衡條件下的產物。如河北平原高氟水主要分布在中東部平原，隨著地下水水位的下降，粘性土中的氟離子在釋水過程中大量進入含水層，使河北平原深層地下水中的氟離子出現升高的趨勢。

2）人類污染增加了地下水的污染質來源

河北平原地下水水質超標的原因有二：一是先天不足（F超標），地下水本底值超標；二是人類污染。河北平原地下水污染特點是：地下水中的污染質主要來自有機物的腐爛、農家肥、化肥的使用，以及農灌污水，局部區域受工業廢水的影響；沿排污河道兩側及匯合處，以及工業比較發達的城鎮附近地下水污染較重；地下水污染程度與本區水文地質條件的變化規律相吻合，即由山前平原到濱海平原污染逐漸加重。

1991年，全省排污廢水量20.14億t，其中直接排入河流中的污水量15.99億t，或排入滲井、滲坑或蒸發消耗，全省較大污灌區52處，污灌面積700萬畝，每年直接引灌污水量6億多噸（李文體，1995）。這些廢污水構成了地下水的人為污染來源。

3）各種人類活動綜合作用使地下水硬度升高

綜合分析硬度升高的機理和河北平原上的人類活動形式不難發現，在硬度升高機理中，起主要作用的是環境地質條件，過量開采地下水和人類的環境污染是引起地下水硬度升高的重要影響因素，也說明了把硬度作為各種人類活動綜合作用對地下水水質演化影響特徵指標是合適的，其升高機理尚需進行深入的研究，這是因為引起地下水硬度升高的原因是復雜的，在具體條件不同的各種地段，起主導作用的因素也會有所不同，但一般是多種因素共同作用的結果。

（四）石家莊市地下水環境質量評價

河北平原的城市往往是所在地地下水降落漏斗的中心，同時在環境污染嚴重的城區和郊區的污灌土層中，人為地積累了大量易溶鹽，或目前還在向土體中滲入污染物，引起了地下水硬度升高。另外，生活污染物中大量存在的Cl^-和由生活有機廢棄物中轉化來的

以及工業污染物中含量較高的

是造成城區及其附近永久硬度較高的高硬度地下水的重要原因。下面主要從石家莊市地下水硬度升高來探討城市地下水的污染問題。

隨著社會經濟的發展，人類活動（如地下水的大量開采和污染物的排放）已經不同程度地影響到了地下水。由於地下水是石家莊市的主要供水水源，查清石家莊市地下水環境質量現狀，將會為城市環境管理和規劃工作提供一定的科學依據。

1.對地下水環境質量的綜合評價

依據中華人民共和國國家技術監督局發布的地下水質量標准（GB/T 14848-93），利用石家莊市1991～1997年的地下水環境質量監測資料，對地下水環境質量進行了評價。石家莊市地下水污染起始值如表16-14所示。選擇評價的水質監測項目有：pH值、總硬度、高錳酸鹽指數、銨氮、亞硝酸鹽、硝酸鹽、揮發酚、氰化物、砷、汞、鉻（六價）、鉛、鎘、氟化物、硫酸鹽、氯化物、溶解性總固體、總大腸菌群。對1991～1997年的水質監測的評價結果如表16-15所示：水質屬優良和良好監測點的百分比隨時間呈下降的趨勢，而水質較差和極差監測點的百分比則呈上升的趨勢。因此，區內地下水環境質量是向著惡化的方向發展的。

表16-14 石家莊市地下水污染起始值表

表16-15 1991～1997年間不同水質類別監測點的百分數

2.單項組分的超標情況

依據GB/T 14848-93的地下水質量分類標准，將對地下水進行單項組分評價時劃歸為Ⅳ和Ⅴ類的組分定為超標組分。對超標單項組分的統計結果如表16-16所示：超標的組分主要是總硬度，氰化物和六價鉻則是極個別超標。此外，總大腸菌群在不少監測點的地下水中也是超標項目。依據這個統計結果可將人類活動對本區地下水的污染劃分為：①各種人類活動綜合引起的以總硬度超標為主（礦化度次之）的鹽污染，分布較普遍；②主要受廠礦等污染源影響的氰化物和六價鉻等有毒物質超標為主的污染，只在個別監測點發現，呈點狀分布；③主要受人類生活污水影響引起的總大腸菌群超標，在不少監測點中存在這個問題。

表16-16 超標單項組分的統計

註：統計樣本總數為438個。

3.人類活動對石家莊市地下水環境質量演化的影響

1）污染源

石家莊市80%以上的污水由市區東明渠和西明渠排放，這些渠系無任何防滲措施。污水的明渠排放、污灌和市區生活污水的污坑排放是石家莊市地下水化學環境惡化的主要原因。污水的長期滲漏導致了化學組分含量普遍偏高。

2）開采地下水的影響

由於石家莊地下水總硬度是主要超標指標，可以通過探討總硬度升高的機理，來了解地下水環境質量的演化情況。造成地下水硬度升高的Ca²⁺、Mg²⁺離子，除個別污染源來自工業和生活廢物外，主要是土壤及其下層沉積物中鈣、鎂易溶鹽、難溶鹽和交換性鈣、鎂向地下水中的轉移。地下水硬度升高的機理有陽離子交替吸附、酸性溶濾、CO₂分壓升高、鹽效應和硝化作用等。不同的機理由於人類活動影響的方式和強度在各地方的差異，對地下水硬度升高所起的作用是不同的。

對比鐵絲廠、塔冢與黃壁庄的預測結果，就會發現位於市區的前二者的總硬度的升高幅度要大一些。當然，這和市區大量排放的污染物緊密相關，同時也和地下水開采分不開。

石家莊市位於滹沱河沖洪積扇頂的軸部，包氣帶基本以沙性土為主。其包氣帶的結構及岩性利於水資源的補給，但從防污性能的角度而言則相對較差。近年來，由於地下水的過量開采，包氣帶厚度逐漸增大，在1959年石家莊市地下水埋深一般3～5m，目前，在漏斗中心埋深大於35m。同時地下水開采改變了地下水的流向，在地下水漏斗未形成前，石家莊市地下水流向是由西北向東南，而目前主要是以向漏斗中心匯集的方向而流動。

丁開寧等（1996）指出：地下水位降落漏斗的形成和發展，是導致引起地下水硬度升高的陽離子交替吸附作用、酸性溶濾作用、碳酸溶濾作用等進一步加強的最重要的誘發因素（劉俊等，1994）。這里就地下水開采對影響鹽效應機理的Cl^-濃度升高方面加以討論。

將本地地下水含水層作為一個系統，Cl^-的主要來源有：地下水流入帶進的Cl^-，降水Cl^-，地表污水灌溉加入的Cl^-，人畜排泄物中的Cl^-，各種生產活動排入的Cl^-。Cl^-的輸出主要有：抽水帶走的Cl^-，流出該系統地下水帶走的Cl^-。

由於降落漏斗的形成和擴展，改變了地下水的動力條件，流出地下水系統的水越來越少，也即流出系統地下水帶走的Cl^-越來越少，系統Cl^-輸出就主要是抽水帶走這一項了，而Cl^-的各輸入項卻不會有減少的可能，特別是人畜排泄物中的Cl^-會隨著人口的增多而增加，因此，含水層系統中的Cl^-儲量會越來越多，同時抽出水的氯含量也會逐漸升高。系統中流出水量越少，系統中的Cl^-就升高得越快。因為Cl^-是保守離子的代表，所以被Cl^-嚴重污染的地下水，只有靠用淡水來取代鹹水才能消除污染。同時，人類活動也會引起其他化學組分含量的增加。地下水礦化度也會不斷升高，從而加強引起硬度升高的鹽效應作用，使地下水水質更加迅速地惡化。

三、小結

（1）人類活動（水利工程、生產排污等）對不同生態環境產生的影響不同。水利工程主要從物理條件的改變方面影響浮游生物和植物，隨著運營時間的增長，由於庫區產生的有機物，它也會從化學方面產生影響。對河流的污染抑制了浮游生物、植物種類和數量，如府河中主要是耐污類浮游生物，高等植物的消失等，對水庫窪淀的影響主要是人類排放的N、P引起富營養化從而影響了浮游生物的群落結構。渤海的河口地區和近海地區是生態環境效應敏感區，水利工程和生產排污往往會引起魚類減少和赤潮等生態環境效應。

（2）提出了人類活動影響下地質災害環境效應區概念。大規模開采地下水在不同環境效應敏感區產生災害類型不同，這說明對於同一種人類活動在不同環境效應敏感區會有不同的表現，這同時說明了自然地質、地理條件是河北平原地質災害的主控因素，而人類活動只是誘發因素。在一定時間段內（從地質災害的觀測之日至今），人類活動是重要因素，但不能排除在更小尺度的時間段內，在某些地區的自然因素仍會表現主要影響因素，如開采地下水引起的地面沉降中觀測到的地面隆起現象。因此，要從不同時段、不同地區的角度來分析具體的環境效應。

（3）①地表水污染受徑流和人類活動的影響，污水治理是根本途徑。②對地下水的污染，在人類活動強度較強的城市地區，污染較重，各種元素的含量也較高，但砷、酚、汞、鉻、氰等的污染呈點狀分布。研究把區域地下水普遍升高的總硬度作為各種人類活動綜合影響下地下水水質演化的特徵性指標，通過對引起硬度升高的各種機理的分析，探討了各種人類活動影響下河北平原地下水水質的演化。由於人類生活污水的排放，使得城市地區和廣大平原地區的淺層地下水的生物學指標大腸菌群和細菌總數超標。同時，研究表明了

是河北平原地下水明顯污染的標志。③以石家莊地區為重點，研究了地表水的污染狀況，並把人類活動對地下水的污染分為以硬度升高為代表的普遍的鹽污染、以酚等毒理學指標超標為代表的點狀污染和主要由生活污水引起的細菌學指標超標的污染。

綜上所述，人類活動是目前影響河北平原區域地下水水質演化的重要因素，但在一些地區，如邢台-河間帶的富CO₂帶，人類活動對地下水水質演化的影響程度，尚需進一步研究。