河北地区污水灌溉面积

❶ 高碑店污水处理厂回用方案研究

北京位于华北平原的北端，地处中国水资源十分贫乏的北方，是一个严重缺水的城市。北京人均占有水资源量仅300m3左右，为全国人均水资源占有量的1/8，世界人均水资源量的1/32。平水年水资源量约42亿m3，其中地下水24亿m3，地表水18亿m3，枯水年水资源约33亿m3。目前年用水量已达到平水年水资源量。迄今为止，地下水已严重超采，市区范围内形成了1000多km2的漏斗区，地下水位连年下降，为此对地下水已经限采。
根据北京市国民经济和社会发展远景目标纲要和城市总体规划，对北京市生活、工业、农业和城市河湖环境需水量进行预测，2020年全市需水量将达到60多亿m3，年缺水约20亿m3。因此，城市水资源供需不平衡和水资源短缺已成为制约北京社会经济发展的重要因素。为了实现北京市国民经济可持续发展战略，缓解北京市面临的21世纪城市发展和可利用水资源的矛盾，北京市政府决定开发城市污水资源作为城市第二水源。高碑店污水处理厂污水回用工程于1999年列入北京市政府《关于北京市环境污染治理目标与对策》（京政办函〔1999〕）十大研究课题中，1999年3月至8月完成该项目的前期研究工作并完成了可行性研究，1999年10月完成项目立项和审批；2000年1月完成该工程的初步设计和审批工作，2月完成施工图设计，4月开始施工，目前该工程施工已基本完成，预计今年上半年将正式启用。该工程是将高碑店污水处理厂二级出水提升用于河道取水的工业用水，替代清洁水源、改善河道景观，并将部分二级出水经深度处理后用于市政杂用（如道路喷洒、绿地浇灌等），替代自来水，达到城市污水资源化和改善河道水质的目的。回用水涉及的区域范围，东至公路一环，西至西三环，南至南四环，北至长安街。地区面积为141km2。回用水用户涉及到工业、公园绿化和河湖补水、道路喷洒等。本文主要分析该工程的技术方案和研究成果。
高碑店污水处理厂情况
高碑店污水处理厂是目前我国最大的污水处理厂，一期工程于1993年10月24日竣工投产，一期工程处理能力50万m3/d。二期工程于1999年年底竣工投产。目前处理能力为100万m3/d。高碑店污水处理厂污水系统流域面积96平方公里，服务人口240万人，汇集北京市南部城区的大部分生活污水、东郊工业区、使馆区和化工路的全部污水。该处理厂采用前置缺氧段活性污泥法工艺，即在推流式曝气池前设置缺氧段，其目的是改善污泥性质，防止污泥膨胀。目前高碑店污水处理厂二级出水直接排入通惠河下游，除每年约5500万m3用于农业灌溉外，剩余的处理水每年超过3亿m3没有得到利用，根据我们对该厂出水的几次实测和该厂提供的1999年出水水质分析结果，其出水达到设计要求，出水水质水量稳定，其二级出水多数参数已接近相关的回用水水质标准.但高碑店污水处理厂二级出水中氨氮和磷的含量还偏高，主要是该厂立项较早，当时在国家城市污水处理厂排放标准中还没有除氮脱磷的要求。因此该厂一期处理工艺中未设除磷脱氮设施。
可能应用对象分析
潜在工业用户高碑店污水处理厂内部用水高碑店污水处理厂已建规模为1万m3/d的厂内回用水工程，主要用于污泥脱水冲洗滤布、检修、喷洒、浇洒绿地、洗车用水水源等，该用水应优先保证。华能热电厂华能热电厂位于高碑店污水处理厂对面。高碑店污水处理厂至华能热电厂之间铺设了两条直径800mm的管道，同时该厂内部的深度处理站也已经建成。华能热电厂提供的最新数据表明，该厂现计划四台机组冷却补水全部使用高碑店污水处理厂二级出水作为水源，并通过本厂深度处理站处理后再利用，以保证冷却水水质。该厂实际可利用高碑店污水处理厂二级出水为7.68万m3/d，该用水应优先保证。北京市第一热电厂北京市第一热电厂是一座高温高压热电厂，位于通惠河北侧，距离高碑店污水处理厂仅几公里。该厂共有循环泵4台，每台循环水量为4.15 立方米/秒，循环泵房设在通惠河北岸，冷却水是开放式循环，正常生产情况下有三台泵运行，所需水量约12 m3/s（即104万m3/d）。其补水量约26 - 34.6万m3/d，平均补水量30.3万m3/d。考虑到目前河道水质现况，为保持河道水质上游仍需来水，北京市第二热电厂部分惯流退水仍能用于第一热电厂，在近期方案中第一热电厂回用高碑店污水处理厂处理水用水量仅考虑为20万m3/d。在远期工程方案中，第二热电厂采用封闭式循环冷却方式运转，耗水量将大大减少，第二热电厂不再有惯流退水供第一热电厂使用。因此，在远期工程方案中第一热电厂回用高碑店污水处理厂处理水用水量将在近期方案规模基础上扩大10万m3/d。北京市水源六厂北京市水源六厂距高碑店污水处理厂仅几公里,此厂是为工业提供用水的河水厂，厂内建有规模为17万m3/d的深度处理设施。而1998水源六厂供水情况仅为4.7万m3/d，其中化工实验厂1.5万m3/d，有机化工厂0.6万m3/d，化工二厂0.7万m3/d，蒸汽厂0.3万m3/d，焦化厂1.6万m3/d。该厂进水取自通惠河。高碑店污水处理厂二级出水可直接供水源六厂使用。在近期方案中，东郊工业区和焦化厂利用高碑店污水处理厂处理水的水量为5万m3/d，市政杂用水5万m3/d。在远期方案中，水源六厂再扩大7万m3/d。通州工厂用水通州距高碑店污水处理厂约八公里。通州现有工厂120多家，包括化工、机械、纺织、造纸和食品等行业，用水量较大的工厂有造纸七厂、东方化工厂、通州氮肥厂和北京日用化学二厂等。通州的工厂共可使用再利用水量7万m3/d。市政杂用水城市杂用用水在北京市污水综合利用研究中一直未引起人们的重视，本研究中我们调查了沿通惠河、南护城河主要公园绿化面积、城市绿化、城市道路的喷洒用水量等，并多次走访了市园林和环卫管理部门，具体调查结果如下：3.2.1 公园绿化及河湖用水沿河道主要公园有龙潭湖公园、北京游乐园、天坛公园、陶然亭公园、大观园和万寿公园，主要公园合计面积约267万m2，公园绿化用水量约0.534万m3/d。除外，上述公园河湖补水用水约2.3万m3/d，冲厕用水约460 m3/d。所以主要公园总用水量约2.88万m3/d。城市绿化用水在回用水供水范围内有多处城市集中绿地，由于位置较为分散，在目前状况下很难严格计算出回用于城市绿化的水量。故重点考虑集中在道路两旁隔离带和沿河道两岸较集中的绿地，按北京市总体规划估算城市绿化用水量约0.2万m3/d 。道路路面喷洒用水据北京市规划路网指标，其主干路和次干路的道路面积约5868万平方米。目前可喷洒3389万平方米，目前城市道路喷洒由市和区环卫部门负责，水源全部为自来水，取水点为固定的自来水消火栓。但按环卫部门道路喷洒水车取水半径，并非所有可喷洒道路都能用高碑店污水处理厂处理水来代替。在方案中，城市杂用水将在水源六厂进行深度处理，深度处理后的出水用管道自水源六厂沿护城河输送到西便门和广安门。若在原有水源六厂供水管网中加设取水口，则可用高碑店污水处理厂处理水来喷洒的道路东至公路一环，西至西三环以西，东西长约23.5km。按环卫部门道路喷洒水车取水半径3km计，南北长可达6km，可喷洒的地区面积为141km2。按北京市城市规划设计研究院1992年《北京市总体规划》研究成果，公路一环内道路用地率在1991年前为3.82%，到2010年将达13.43%。若在近期方案中道路用地率按10%计，则用高碑店污水处理厂处理水喷洒道路面积约14.1km2，根据环卫部门提供的喷洒道路的用水指标,每立方米水可喷洒2500 m2道路面积，则一天一次喷洒道路的需水量为0.564万m3/d。目前北京市许多路面一天喷洒两次。按市政府治理大气环境污染，减少城市空气灰尘量的要求，未来北京市路面喷洒要求达到一天三次。为此，在近期方案中按每天喷洒道路两次考虑，则需水量约为1.13万m3/d。近期方案市政杂用水规模上述市政杂用水合计约4.21万m3/d，其中城市绿化及道路喷洒用水量为1.33万m3/d；公园用水为2.88万m3/d。考虑到不可预见水量和管网漏失率，近期方案中市政杂用水规模为5万m3/d。3.3 农业灌溉用水高碑店污水处理厂农业灌溉区包括东南郊、朝阳、双桥和通州四个灌区，分布在朝阳和通州通惠河两岸的14个乡和2个农场，现况灌溉面积20.21万亩。农作物以粮、菜为主，其中粮田面积16.9万亩，占83%；菜田面积1.72万亩，占9%；林果及其它作物面积1.59万亩，占8%。农业灌溉需用水量约48万m3/d，目前从官厅和密云两大水库供给指标水及工业退水水量约10万m3/d，采用地下水约19万m3/d，从通惠河取水水量约19万m3/d。高碑店闸下游河道补水通惠河下游高碑店闸至北运河蒸发渗漏、一年八次换水和河道两侧绿化需水量约3.6万m3/d。
回用技术方案
用户用水优化分配
高碑店污水处理厂处理水优先保证厂内回用水1万m3/d、华能热电厂冷却用水7.68万m3/d、市政杂用水5万m3/d、通过水源六厂供东郊工业区和焦化厂用水量5万m3/d和第一热电厂20万m3/d，共计38.68万m3/d。在远期工程实施前，剩余的高碑店污水处理厂处理水除用于高碑店闸至北运河两侧绿化和河道补水3.6万m3/d外，还可以用于农业灌溉48万m3/d，最后用于通州工厂7万m3/d,总计97.28万m3/d。在远期工程方案实施后，第一热电厂扩大用水量10万m3/d，水源六厂扩大用水量7万m3/d；剩余的高碑店污水处理厂处理水用于高碑店闸至北运河两侧绿化和河道补水3.6万m3/d、农业灌溉40.72万m3/d,总计100万m3/d。工程规模本工程方案主要考虑高碑店闸上游的回用水用户，通过近期工程方案实施后才能利用高牌店污水处理厂处理水的用户对象为：第一热电厂20万m3/d，市政杂用水5万m3/d，通过水源六厂供东郊工业区和焦化厂用水量5万m3/d。因此，近期工程方案规模为30万m3/d。远期工程方案规模将由近期工程方案规模30万m3/d扩大到47万m3/d。主要增加的用户对象为：第一热电厂用水规模扩大10万m3/d，水源六厂扩大用水量7万m3/d。工程方案高碑店污水处理厂二沉池出水经新建泵站（规模47万m3/d）提升后用两条管道分别输送到高碑店湖（规模30万m3/d）和水源六厂（规模17万m3/d）。送至高碑店湖的处理水供北京第一热电厂用水；送至水源六厂的处理水在该厂进行深度处理后，一部分通过水源六厂现有供水系统供给东郊工业区和焦化厂；一部分通过新建管道输送到西便门和东便门。在水源六厂现有供水管道和新建管道沿线设取水口，供市政杂用取水。
回用水水质技术保障措施
高碑店污水处理厂改造由于高碑店污水处理厂出水中氮和磷的含量较高会直接影响回用水水质，必须对该厂进行技术改造，进一步提高该厂出水水质。2000年5月完成了该厂改造工程可行性研究。改造规模为50万m3/d，即对高碑店污水处理厂一期工程（50万m3/d）进行改造。该改造工程分两步进行。第一步改造后使出水水质优于目前第一热电厂冷却水取水水源高碑店湖的水质，出水中BOD、COD、总磷和氨氮分别达到10mg/l、40mg/l、1mg/l和10mg/l。第二步改造使该厂50万m3/d满足高碑店湖Ⅳ类水体的水质要求。主要改造工作量包括曝气池改造和污泥处理系统的改造。原曝气池为1/12为厌氧区，其余为好氧区，改造后将原池2/9为缺氧区及厌氧区（水力停留时间共为2h），其中进水端分出一停留时间为15min的强化吸附区。其余仍为好氧区（水力停留时间7.25h）。原污泥系统中剩余污泥泵入初沉池，其混合污泥再进污泥浓缩池浓缩后消化脱水，因浓缩污泥池停留时间太长（3d），处于厌氧状态，磷又被释放出来，通过上清液回到污水中，因此达不到除磷的目的。改造后，原有浓缩池改为浓缩酸化池，浓缩酸化池上清液做为碳源排入水处理系统；将消化池上清液和脱水机滤液及冲洗水收集后进行化学除磷。目前高碑店污水处理厂改造方案正在审批过程中，市政府将对改造工程单独立项，其投资（约2511万元）也不列入污水回用工程。深度处理措施高碑店污水处理厂二级出水水质水量稳定，达到设计要求，但还不能满足市政杂用水标准，而绿化用水和道路喷洒等市政杂用水水质对人类健康和城市环境会产生影响，因此，市政杂用水必须在回用前进行深度处理，以满足相应标准。在方案确定中通过不同厂址比较，将深度处理选择在水源六厂。水源六厂现有日处理能力17万m3/d的深度处理设施，主要采用机械加速澄清、砂滤和消毒等工艺处理过程。根据该厂提供的出水水质，其出水可满足相应用户要求。由于北京市工业结构的调整，目前该厂平均实际供水量不足5万m3/d，尚有12万m3/d处理能力没有得到利用。另外，水源六厂离市政杂用水用户较近,市政杂用水深度处理设在水源六厂利用其剩余处理能力，可满足市政杂用水近、远期规模需求，在该厂深度处理后的水质能满足市政杂用水水质要求。
主要工程内容和投资
本工程总投资33668万元（不包括高碑店污水处理厂改造费用），其中征地拆迁费10000万元,工程费用为19260万元，工程建设内容主要为：（1）高碑店污水处理厂内47万m3/d的泵站一座。（2）高碑店污水处理厂至高碑店湖输水管：DN1800mm，长1480m。（3）高碑店污水处理厂至水源六厂管道：DN1400mm，长4766m。（4）市政杂用水配水管：DN1200mm，长6791m；DN1000mm，长1431m；DN800mm，长4615m；DN600mm，长2845m；D=500mm，长2880m。（5）水源六厂改造：包括蓄水池清淤和护砌、污泥池扩建、水泵改造、进出水口的改造、增加自控和电气设备等。园林供水支线管道。
工程经济效益分析
本工程总投资33668万元，其中10000万元为政府拨款，其余为贷款（公司融资）。在考虑污水资源费0.20元/m3和水源六厂原有资产成本与利税0.73元/m3的条件下，水价计算分析结果为：第一热电厂用水水价0.31元/m3，市政杂用用水水价1.92元/m3，东郊工业区用水水价1.21元/m3。本工程完成后每年可节约清洁水资源16673万m3，节约自来水3650万m3/a，相当于节约了建设一座10万m3/d的自来水厂的投资4亿元。该工程能达到开源节流的目的，能为北京市城市绿化面积扩大和道路喷洒压尘创造条件，对环境综合治理具有较大的作用，环境的改善还会带来了周围地区的土地增值。
结论和讨论
(1) 北京市是一个严重缺水型城市，合理利用高碑店污水处理厂处理水资源，对实现北京市国民经济可持续性发展、缓解北京市面临的21世纪城市发展和可利用水资源的矛盾具有重要意义。(2) 高碑店污水处理厂回用工程方案充分考虑了北京市城市水系、园林、道路及工业布局现状，具有可实施性。(3) 高碑店污水处理厂污水回用工程能达到开源节流的目的，可以在一定程度上缓解北京城市水资源紧缺的局面，能为北京市城市绿化面积的扩大和道路喷洒压尘创造条件，对环境综合治理具有较大的作用。(4) 本工程总投资33668万元,工程费用为19260万元。按政府投资1亿元，其余为公司融资计算，在考虑水资源费0.20元/m3和水源六厂制水成本条件下，则回用水水价为：供第一热电厂售水水价为0.31元/m3，供市政杂用售水水价为1.92元/m3,供东郊工业区售水水价为1.21元/m3。(5) 建议制定有关法规和政策，促进城市污水回用设施的发展。应尽快编制北京市回用水设施发展规划，以便在相应的市政工程中铺设回用水管道等设施，使城市污水回用设施逐步完善。
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❹ 人类活动对区域水质变化影响

水体的天然水质，主要取决于流域内的岩石、土壤和植物等因素，以及在水循环过程中发生的物理、化学、生物等作用。在进入水体中的各种废物量超过水体的自净能力时，水体的功能就会遭到破坏，即引起了水质污染。以污染源进入水体的形式，分为点污染源和面污染源。河北省的污染源调查结果（表16-8）表明：污染物总量基本保持稳定，工业废水是河北省水资源污染的最主要污染源。1980年河北省污水处理率石、唐、邯仅为15%～25%，到1990年污水处理率全省为33%，大多数废水未经处理直接排入江河湖库中。在地表水受到污染的同时，它本身也成了地下水的污染源。由于过量开采地下水，使河北平原区域地下水的水流场和水化学场发生变化，从而进一步加速了区域地下水水质恶化趋势。下面对地表水和地下水的情况分别加以论述。

表16-8 河北省污染源统计表

（据王秀兰和陆中央，1998）

一、人类活动对河北平原地表水水质影响

（一）天然地表水水质简介

河北省地表水矿化度的分布特点是：平原区高于山区，河流下游高于上游。青县至庆云以东沿海平原河道的矿化度大于1000mg/L；中部平原大部分河道的矿化度为500～1000mg/L，局部地区大于1000mg/L。地表水矿化度的年内变化情况是：非汛期平均矿化度大于汛期平均矿化度，前者约为后者的1.3倍。从多年变化情况来看，一般是丰水年矿化度低，枯水年矿化度高。近年来连续干旱，用水量不断增加，矿化度有增加的趋势。河北省大部分河流属于重碳酸盐类水，并且以重碳酸盐钙质水为主，只有在少数地区为其他类型的水，如子牙河献县为氯化钠Ⅲ型水，滏阳河衡水站为硫酸钠Ⅱ型水。在20世纪50年代，河北省各河流的水质状况良好，子牙河水系及南运河的部分水化学指标如表16-9所示。

表16-9 1958年子牙河水系和南运河部分站点的水化学数据（mg·L^-1）

（二）地表水的污染状况及趋势分析

1980年以来河北省进行的几次大的地表水资源评价，评价河长为5500～7500 km。再结合省内历年水资源公报评价结果，可以较全面地反映出河北省地表水水质（表16-10）。平原区大部分河流受城镇排污的影响，水体污染严重，多为超三级水质，影响水质的主要污染物为高锰酸盐指数、氨氮、挥发酚等，超标严重而又普遍（巩无禄，1995；于凤兰等，1994；国家环境保护局，1991）。1994年海河流域内的湖泊、水库等重要水源地水体没有一个水体符合I类标准。符合Ⅱ、Ⅲ类标准水体的水库有15个。与1980年和1986年相比，有机污染的趋势不断加重。各水源地水库中，西大洋、册田、岗南、黄壁庄、王快等水库水质呈恶化趋势，官厅水库则有严重恶化趋势（王裕玮，1997）。由于水资源缺乏，中下游平原地区的河流基本干涸无天然径流，城镇排出的污水得不到任何稀释，形成了不少污水河，如保定的府河、石家庄的交河、沧州的沧浪渠、邢台的牛尾河和唐山的陡河等。另外一些河流虽然有一定的基流，但因排污量很大，污染仍非常严重，如卫河、南运河、洋河、漳河上游、滦河潘家口上游河段。

表16-10 河北省地表水水质评价

（据王秀兰和陆中央，1998；于凤兰等，1994）

（三）影响地表水水质的因素及改善途径

以上的研究表明河北平原的地表水已受到了严重的污染。水中主要污染质与人类生产排放废水中的主要成分相一致，即COD、NH₃-N和酚。对地表水的污染直接影响到人类生存环境的质量，同时被污染的地表水构成了地下水的污染源。径污比，即天然径流量与排污量的比值，它既反映水体受污染的程度，同时也反映了水体的自净能力。从表16-11可以看出，径污比既受排污量的控制，又与当年的天然径流量有关。因近十几年排污量基本保持稳定，但逐年的天然径流量都小于多年平均值，致使我省径污比一直较低。据国外资料，径污比应为25～30才能保证水体能够自净而不受污染。而我省的污水得不到足够的稀释，使得地表水污染一直较重。径流量属自然因素，因此，我们要在污水排放量的控制上和污水中主要污染组分的治理上下工夫。

表16-11 径污比变化

（据王秀兰和陆中央，1998）

二、人类活动对河北平原地下水水质影响

一些学者研究指出，表征地下水化学环境变质程度的最重要指标为①地下水中主要化学组分绝对含量的增加或降低；②酸碱环境的改变；③氧化还原环境的改变。这些指标中的任何一项的急剧变化都说明了地下水化学环境发生了全面变质，也说明整个水岩系统发生了根本改变。而某些有害组分的增高或降低，只说明了水岩系统的个别因素发生了变化。另外，在地下水化学环境演化研究中，获得准确表征氧化还原环境变化和酸碱环境变化的指标相当不易，而表示主要组分变化的指标相对容易获得。基于上述认识以及研究区的资料情况，本次研究主要通过探讨地下水硬度升高的各种机理，来研究人类活动影响下河北平原地下水水质（主要是浅层地下水）的演化情况（毕二平等，2001）。

（一）天然地下水水质简介

河北平原区地下水化学类型复杂，根据矿化度的空间分布可以划分为全淡水、浅层淡水、微咸水、咸水、深层淡水等。全淡水分布在山前平原，矿化度一般小于1g/L，局部地区大于1g/L，水化学类型以重碳酸盐类为主。浅层淡水赋存于中东部平原第一含水组内，沿河道呈带状或岛状分布，水化学类型为重碳酸盐、硫酸盐和氯化物类水。微咸水在中东部平原与浅层淡水相间分布，水化学类型与浅层淡水相近，矿化度为2～5g/L，咸水分布在中东部平原和滨海平原区，矿化度大于5g/L，滨海地区最高达35g/L，水化学类型从西向东由硫酸盐类水过渡为氯化物类水。深层淡水分布在中东部平原咸水层之下，矿化度一般小于2g/L，东部为2g/L，以重碳酸钙镤型水为主。

（二）地下水的污染状况

1.广大河北平原地区地下水污染

河北平原地下水污染主要分布在城市和河道附近。据河北省环境总站截止到1995年的观测资料，河北平原地下水未污染区面积55034km²，占 75.46%；轻污染区面积14777km²，占20.26%；中等污染区面积2656km²，占3.64%；严重污染区面积462km²，占0.63%。地下水中以总硬度、矿化度、三氮和氟超标比较普遍（李文体，1995；巩元禄，1995）。据1990年对全省152 眼浅层地下水井的调查显示，总硬度超标的井数占65%，氯离子超标的井数占39%，主要分布在中南部平原；有17%的井氟化物超标，主要分布在廊坊和沧州的部分地区；其他污染物质超标较少，邢台市南大郭和滦城县楼底，挥发酚有较高的超标值检出，安新桥狮子高锰酸钾盐指数有较高超标值检出，其他指标没有出现严重超标现象（巩元禄，1995）。

河北平原浅层地下水污染现状如表16-12所示。从宏观上看，河北平原地下水污染呈加重趋势，地下水的污染面积和主要污染物含量都有增加趋势，由于近年来采取了一系列控制措施，部分城市的污染速度有所减缓，但随着乡镇企业的迅速发展，整体上地下水的污染仍呈加重趋势，而且污染点分散，不易监测控制。

表16-12 河北平原浅层地下水污染现状统计表

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德国度（段永候等，1993）。据1980和1979年地下水水质分析成果，在石家庄市市区及南部，硬度普遍升高达25～30 德国度。对石家庄市地下水的研究表明，硬度与TDS、

、

、F^-、COD和Cl^-的关联性很好，关联系数均在0.93以上。

城市地下水中的砷、氰化物、酚、3-N、铬、细菌等的污染则呈点状分布，属于点状污染和个别项目严重超标，且污染范围主要分布于城市工业区及排污区两侧的地下水中（李文体，1995）。在污灌区的地下水污染较明显，如滏阳河污灌区，污灌面积119.84万亩，每年引污水量1.87亿t。由于常年污灌，地下水检出有

、

，酚、Cr⁶⁺等，地下水质量已降为Ⅳ、Ⅴ类水。

于凤兰等（1994）通过河北省主要城市地下水水质资料的分析（表16-13），初步将污染归结为三类：①以硬度为代表的盐类污染；②酚、氟、

等有毒元素的超标；③总大肠菌群超标。这反映了河北平原的城市地下水污染特征，也基本上反映了广大平原区地下水主要污染的基本特征。只是由于城市和广大平原区上人类活动强度的不同，各指标的超标情况而有所不同。

表16-13 河北平原城市地下水水质评价结果汇总表（1988～1990）

（据于凤兰等，1994，有删略）

注：K_i为i项污染物在污染中的污染分担率（%），K_i=P_ij/P_j×100%；P_ij为i项污染质的污染指数；P_j为某地下水综合污染指数；P_j=∑C_i/C_io×X_m；C_i为i项检出浓度平均值；C_io为i项污染物的评价标准；X_m为i项污染物的超标率；采用评价标准：GB5749-85。P＜2，较清洁；P为2～10，属轻度；P为10～50，属中度污染；P为50～100，属重度污染，P＞100，属水质严重污染。

3.铵是河北平原地下水明显污染的标志

从表16-12中我们可以发现：三氮是河北平原浅层地下水中的主要污染质，在重污染区的主要超标组分是

。A.И.谢列日尼科夫等（1994）指出“铵是地表水和地下水明显污染的标志”。由于人类的生存和活动，使天然水中进入了大量的它原来没有或很少的化学物质。地表水和地下水搬运这些物质，促使这些固相（土壤、岩石、水流和分散晕）以及生物群中不断聚集或重新分配；铵氧化后转变为

，但在自然条件下，这种转变很缓慢，由于

趋向脱气并因吸附而转变为固相，所以这种转变不能完全实现；由

转变为

的逆向还原过程更难进行，这是因为这一过程中同时形成了N₂和N₂O，这意味着脱气作用及很大一部分氮从含水层中逸出，结果是天然水中的铵具有很大的独立性，与氮的其他溶解形式无关；富含有机质的岩石中的地下水，尤其煤田和油田的地下水，天然铵含量相当高，地下水和地表水中的天然铵基本上都是外来的，根据地质情况不难识别，大量的

是因环境污染而于现代进入地下水中的。水中高含量的

是有害的，但更有害的是与铵伴生的毒性有机质和无机质以及会使人类和牲畜发病的生物病原体。这里通过图16-3和图16-4的对比来探讨此论断在河北平原地下水研究中的应用。通过两幅图的对比，我们可以发现重污染区和严重污染区的区域范围与

的高值区有着极好的对应关系，主要分布在：邯郸的东部地区、邢台东北的巨鹿—宁晋一带、吴桥—南皮一带、沧州和黄骅一带、永清地区和唐山的东南部地区。因此，可以认为

是河北平原地下水明显污染的标志。它将是今后的区域生态环境地质调查工作的一个简易而有效的指标。

区域地下水演化过程及其与相邻层圈的相互作用

（据项目38-1-4成果，1987）

图16-4 河北平原浅层地下水污染程度图

（据项目38-1-4-1成果，1987）

（三）人类活动对河北平原地下水水质演化的影响

通过以上分析，我们发现硬度是人类活动影响河北平原地下水水质演化的一个特征性水化学指标。这里针对河北平原的实际情况，拟通过人类活动（大量开采地下水和生产生活排污等）对硬度升高各种机理的影响，来探讨人类活动对区域地下水水质演化的影响。

1.硬度升高机理

对于人类活动影响下地下水硬度升高的机理，在以往的文献中（王东胜等，1998；蔡绪贻和佘云平，1993；丁开宁，1996）已有不少论述，下面是对硬度升高机理的归纳。

1）钙镁的来源

岩层中的钙镁碳酸盐（方解石和白云石）及石膏是地下水中钙镁的最主要来源。有关矿物的存在与否及量的多少对地下水硬度的高低有着决定性的影响。如河北平原中部地层中的石膏夹层（陈望和等，1987）无疑会对它所赋存或流经的地下水的硬度产生巨大的影响。

2）CO₂分压与硬度的升高

在污水排放的汇集区、污灌区及排污沟渠两侧，工业和生活污水中大量有机物渗入地下水以后，在生物降解作用下，产生大量CO₂，因而往往使地下水中CO₂分压升高，使碳酸盐溶解度大大提高，使地下水硬度升高（蔡绪贻，1993；丁开宁，1996）。由超采地下水所造成的人工氧化环境更会加速有机质的分解。同时水文地球化学模拟的结果也表明：随CO₂分压的升高，地下水的pH值降低，Ca、²⁺

、方解石等矿物的溶解量不断升高（蔡绪贻，1993；王东胜，1998）。

这里要指出的是，在邢台—河间一带的地下水富CO₂带上，由人类活动引起的CO₂分压的升高对硬度的影响是否超过了本地自然条件的影响，还应在以后的工作中进一步探讨。

3）盐效应

如地下水TDS增加，离子强度也就随着增加，活度系数反而减小，因而难溶碳酸盐饱和度减小，溶解度增加，硬度升高，即盐效应。在含有大量Cl^-、Na⁺、Ca²⁺等的工业废水进入到地下水中后，会产生盐效应，使钙镁难溶盐的溶解度增大，引起地下水硬度升高。这种作用在城市的污水汇集地或高矿化度污水排放地表现得较为明显，如石家庄市西部的电化厂硬度高异常区。

4）离子对与硬度升高

可与Ca²⁺和Mg²⁺形成相当数量的离子对，离子对的形成可以减少自由Ca²⁺和Mg²⁺浓度，使方解石、白云石溶度积减小，进而促使水中溶解更多的Ca²⁺和Mg²⁺，使地下水硬度升高。例如：石家庄地下水中

、

在总Ca²⁺、Mg²⁺中所占比例明显高于对照区，是地下水硬度较高的原因之一。

5）阳离子交替吸附作用

人们排放的污水中含有大量的Na⁺，污水垂直下渗过程中，与粘性土层中的吸附性Ca、Mg之间发生阳离子交替吸附作用。同时污水中的²⁺²⁺

也可以从土体中交换出Ca²⁺和Mg²⁺，使地下水硬度升高。

6）酸性溶滤作用

在使用化肥的广大平原地区，土壤中NH₃的含量明显增高。超采地下水形成的地下水降落漏斗使包气带不断加厚，这种人工氧化环境加速了硝化作用和其他矿物的氧化作用（尤其是硫化物），使得环境的pH值降低（丁开宁，1996；王东胜，1998），从而使溶滤作用加强，促进难溶盐溶解而导致地下水永久硬度的升高。在一些地区，人类排放的酸性废水是引起局部地区地下水硬度升高的原因之一。另外，酸雨对地下水硬度的升高也有促进作用。

7）高硬度地表水的直接补给是引起局部地点硬度较高的原因之一。

2.人类活动对河北平原地下水水质演化的影响

人类活动对河北平原的影响可以认为是人类活动引起区域水文地质条件改变而对地下水水质产生了影响，具体表现为：①大量抽取地下水引起区域地下水动力条件改变；②各种人类活动综合引起的地下水水化学场的改变。

1）大规模开采地下水是河北平原地下水水质恶化的诱因

通过对河北平原地下水硬度升高机理的分析认为：大量抽取地下水引起河北平原地下水水质恶化的最主要诱发因素，其原因是：由于抽取地下水，催化或激发了引起地下水硬度升高的各种机制。由于强烈的地下水开采，在潜水已被疏干的地区，含水层氧化还原条件发生了变化，使地层中积累的有机物氧化分解作用增强，当入渗水途经土体中含有大量Ca的地段时，就会溶解部分的Ca，使pH值降低。同时，区域性地下水降落漏斗的形成产生了盐分的往复式积累和污染质的下渗。

地下水大规模开采使地下水位急剧下降加速了地层中钙镁碳酸盐的溶解，导致了地下水硬度的升高。据河北省环境总站1995年以前的观测资料，河北平原由于地下水开采使得地下水的总硬度和矿化度普遍升高。其中井深小于100m的浅层地下水升高最为明显，200～300m的深层淡水次之；而100～200m深的以咸水为主的地下水和400m以上的开采量较小的地下水硬度和矿化度变化较小。

由于水动力条件和化学环境条件变化，地下水与岩石之间的相互作用会形成新的平衡条件下的产物。如河北平原高氟水主要分布在中东部平原，随着地下水水位的下降，粘性土中的氟离子在释水过程中大量进入含水层，使河北平原深层地下水中的氟离子出现升高的趋势。

2）人类污染增加了地下水的污染质来源

河北平原地下水水质超标的原因有二：一是先天不足（F超标），地下水本底值超标；二是人类污染。河北平原地下水污染特点是：地下水中的污染质主要来自有机物的腐烂、农家肥、化肥的使用，以及农灌污水，局部区域受工业废水的影响；沿排污河道两侧及汇合处，以及工业比较发达的城镇附近地下水污染较重；地下水污染程度与本区水文地质条件的变化规律相吻合，即由山前平原到滨海平原污染逐渐加重。

1991年，全省排污废水量20.14亿t，其中直接排入河流中的污水量15.99亿t，或排入渗井、渗坑或蒸发消耗，全省较大污灌区52处，污灌面积700万亩，每年直接引灌污水量6亿多吨（李文体，1995）。这些废污水构成了地下水的人为污染来源。

3）各种人类活动综合作用使地下水硬度升高

综合分析硬度升高的机理和河北平原上的人类活动形式不难发现，在硬度升高机理中，起主要作用的是环境地质条件，过量开采地下水和人类的环境污染是引起地下水硬度升高的重要影响因素，也说明了把硬度作为各种人类活动综合作用对地下水水质演化影响特征指标是合适的，其升高机理尚需进行深入的研究，这是因为引起地下水硬度升高的原因是复杂的，在具体条件不同的各种地段，起主导作用的因素也会有所不同，但一般是多种因素共同作用的结果。

（四）石家庄市地下水环境质量评价

河北平原的城市往往是所在地地下水降落漏斗的中心，同时在环境污染严重的城区和郊区的污灌土层中，人为地积累了大量易溶盐，或目前还在向土体中渗入污染物，引起了地下水硬度升高。另外，生活污染物中大量存在的Cl^-和由生活有机废弃物中转化来的

以及工业污染物中含量较高的

是造成城区及其附近永久硬度较高的高硬度地下水的重要原因。下面主要从石家庄市地下水硬度升高来探讨城市地下水的污染问题。

随着社会经济的发展，人类活动（如地下水的大量开采和污染物的排放）已经不同程度地影响到了地下水。由于地下水是石家庄市的主要供水水源，查清石家庄市地下水环境质量现状，将会为城市环境管理和规划工作提供一定的科学依据。

1.对地下水环境质量的综合评价

依据中华人民共和国国家技术监督局发布的地下水质量标准（GB/T 14848-93），利用石家庄市1991～1997年的地下水环境质量监测资料，对地下水环境质量进行了评价。石家庄市地下水污染起始值如表16-14所示。选择评价的水质监测项目有：pH值、总硬度、高锰酸盐指数、铵氮、亚硝酸盐、硝酸盐、挥发酚、氰化物、砷、汞、铬（六价）、铅、镉、氟化物、硫酸盐、氯化物、溶解性总固体、总大肠菌群。对1991～1997年的水质监测的评价结果如表16-15所示：水质属优良和良好监测点的百分比随时间呈下降的趋势，而水质较差和极差监测点的百分比则呈上升的趋势。因此，区内地下水环境质量是向着恶化的方向发展的。

表16-14 石家庄市地下水污染起始值表

表16-15 1991～1997年间不同水质类别监测点的百分数

2.单项组分的超标情况

依据GB/T 14848-93的地下水质量分类标准，将对地下水进行单项组分评价时划归为Ⅳ和Ⅴ类的组分定为超标组分。对超标单项组分的统计结果如表16-16所示：超标的组分主要是总硬度，氰化物和六价铬则是极个别超标。此外，总大肠菌群在不少监测点的地下水中也是超标项目。依据这个统计结果可将人类活动对本区地下水的污染划分为：①各种人类活动综合引起的以总硬度超标为主（矿化度次之）的盐污染，分布较普遍；②主要受厂矿等污染源影响的氰化物和六价铬等有毒物质超标为主的污染，只在个别监测点发现，呈点状分布；③主要受人类生活污水影响引起的总大肠菌群超标，在不少监测点中存在这个问题。

表16-16 超标单项组分的统计

注：统计样本总数为438个。

3.人类活动对石家庄市地下水环境质量演化的影响

1）污染源

石家庄市80%以上的污水由市区东明渠和西明渠排放，这些渠系无任何防渗措施。污水的明渠排放、污灌和市区生活污水的污坑排放是石家庄市地下水化学环境恶化的主要原因。污水的长期渗漏导致了化学组分含量普遍偏高。

2）开采地下水的影响

由于石家庄地下水总硬度是主要超标指标，可以通过探讨总硬度升高的机理，来了解地下水环境质量的演化情况。造成地下水硬度升高的Ca²⁺、Mg²⁺离子，除个别污染源来自工业和生活废物外，主要是土壤及其下层沉积物中钙、镁易溶盐、难溶盐和交换性钙、镁向地下水中的转移。地下水硬度升高的机理有阳离子交替吸附、酸性溶滤、CO₂分压升高、盐效应和硝化作用等。不同的机理由于人类活动影响的方式和强度在各地方的差异，对地下水硬度升高所起的作用是不同的。

对比铁丝厂、塔冢与黄壁庄的预测结果，就会发现位于市区的前二者的总硬度的升高幅度要大一些。当然，这和市区大量排放的污染物紧密相关，同时也和地下水开采分不开。

石家庄市位于滹沱河冲洪积扇顶的轴部，包气带基本以沙性土为主。其包气带的结构及岩性利于水资源的补给，但从防污性能的角度而言则相对较差。近年来，由于地下水的过量开采，包气带厚度逐渐增大，在1959年石家庄市地下水埋深一般3～5m，目前，在漏斗中心埋深大于35m。同时地下水开采改变了地下水的流向，在地下水漏斗未形成前，石家庄市地下水流向是由西北向东南，而目前主要是以向漏斗中心汇集的方向而流动。

丁开宁等（1996）指出：地下水位降落漏斗的形成和发展，是导致引起地下水硬度升高的阳离子交替吸附作用、酸性溶滤作用、碳酸溶滤作用等进一步加强的最重要的诱发因素（刘俊等，1994）。这里就地下水开采对影响盐效应机理的Cl^-浓度升高方面加以讨论。

将本地地下水含水层作为一个系统，Cl^-的主要来源有：地下水流入带进的Cl^-，降水Cl^-，地表污水灌溉加入的Cl^-，人畜排泄物中的Cl^-，各种生产活动排入的Cl^-。Cl^-的输出主要有：抽水带走的Cl^-，流出该系统地下水带走的Cl^-。

由于降落漏斗的形成和扩展，改变了地下水的动力条件，流出地下水系统的水越来越少，也即流出系统地下水带走的Cl^-越来越少，系统Cl^-输出就主要是抽水带走这一项了，而Cl^-的各输入项却不会有减少的可能，特别是人畜排泄物中的Cl^-会随着人口的增多而增加，因此，含水层系统中的Cl^-储量会越来越多，同时抽出水的氯含量也会逐渐升高。系统中流出水量越少，系统中的Cl^-就升高得越快。因为Cl^-是保守离子的代表，所以被Cl^-严重污染的地下水，只有靠用淡水来取代咸水才能消除污染。同时，人类活动也会引起其他化学组分含量的增加。地下水矿化度也会不断升高，从而加强引起硬度升高的盐效应作用，使地下水水质更加迅速地恶化。

三、小结

（1）人类活动（水利工程、生产排污等）对不同生态环境产生的影响不同。水利工程主要从物理条件的改变方面影响浮游生物和植物，随着运营时间的增长，由于库区产生的有机物，它也会从化学方面产生影响。对河流的污染抑制了浮游生物、植物种类和数量，如府河中主要是耐污类浮游生物，高等植物的消失等，对水库洼淀的影响主要是人类排放的N、P引起富营养化从而影响了浮游生物的群落结构。渤海的河口地区和近海地区是生态环境效应敏感区，水利工程和生产排污往往会引起鱼类减少和赤潮等生态环境效应。

（2）提出了人类活动影响下地质灾害环境效应区概念。大规模开采地下水在不同环境效应敏感区产生灾害类型不同，这说明对于同一种人类活动在不同环境效应敏感区会有不同的表现，这同时说明了自然地质、地理条件是河北平原地质灾害的主控因素，而人类活动只是诱发因素。在一定时间段内（从地质灾害的观测之日至今），人类活动是重要因素，但不能排除在更小尺度的时间段内，在某些地区的自然因素仍会表现主要影响因素，如开采地下水引起的地面沉降中观测到的地面隆起现象。因此，要从不同时段、不同地区的角度来分析具体的环境效应。

（3）①地表水污染受径流和人类活动的影响，污水治理是根本途径。②对地下水的污染，在人类活动强度较强的城市地区，污染较重，各种元素的含量也较高，但砷、酚、汞、铬、氰等的污染呈点状分布。研究把区域地下水普遍升高的总硬度作为各种人类活动综合影响下地下水水质演化的特征性指标，通过对引起硬度升高的各种机理的分析，探讨了各种人类活动影响下河北平原地下水水质的演化。由于人类生活污水的排放，使得城市地区和广大平原地区的浅层地下水的生物学指标大肠菌群和细菌总数超标。同时，研究表明了

是河北平原地下水明显污染的标志。③以石家庄地区为重点，研究了地表水的污染状况，并把人类活动对地下水的污染分为以硬度升高为代表的普遍的盐污染、以酚等毒理学指标超标为代表的点状污染和主要由生活污水引起的细菌学指标超标的污染。

综上所述，人类活动是目前影响河北平原区域地下水水质演化的重要因素，但在一些地区，如邢台-河间带的富CO₂带，人类活动对地下水水质演化的影响程度，尚需进一步研究。