豫北平原环境地质问题分析
(河南省地质矿产勘查开发局第一水文地质工程地质队，新乡，453002)
通过对豫北平原地下水的综合调查，发现主要的环境地质问题是区域地下水位下降，导致泉水消失、湿地减少、地面沉降、地下水污染等次生环境地质问题的发生。通过对环境地质问题形成背景和条件的综合分析，认为根本原因是人类活动，特别是不合理开采地下水，破坏了地下水循环系统的自然平衡状态，其演化模式是双向的。最后，提出了减轻和防治豫北平原环境地质问题的具体措施。
关键词:豫北平原环境地质问题形成条件及演化模式对策
环境地质问题是指地下水系统中自然水动力场和化学场的变化导致环境恶化的地质现象。豫北平原是指黄河以北的华北平原河南部分，总面积约2.0×104km2，分属焦作市、新乡市、鹤壁市、安阳市、濮阳市。2000年总人口15084800人，工业总产值422.85亿元，近10年经济增长率在8%以上。是河南省重要的能源、石化、冶金、电子、电力、纺织等工业基地，也是粮棉油作物的主要产区。因此，豫北平原环境地质问题的产生和发展越来越引起地方政府和社会的关注。通过对大量实测数据的综合分析，笔者拟对豫北平原环境地质问题的产生、演变及对策进行分析。
1环境地质问题
豫北平原的环境地质问题主要是由区域地下水位下降引起的，这也导致了泉水消失、湿地减少、地面沉降、地下水污染等一系列次生环境地质问题。
1.1区域地下水位下降。
1991 ~ 2000年期间，豫北平原形成了6个大型浅层地下水位降落漏斗，每个漏斗中心水位年累计降落值分别为:武陟漏斗5.08米，安阳漏斗11.25米，新乡漏斗4.3米自1991年以来，该地区10年累计下降约1.3m，地下水降落漏斗的形成和扩大给豫北平原工农业造成了巨大损失。1.2泉水消失，湿地减少
豫北平原的许多名泉已经干涸。比如辉县的百泉，1978之前月平均流量达到3.3m3/s，现在已经干涸。近年来，辉县市人工引水恢复百泉景区，直接耗资数千万元。焦作的王母泉、九里泉也已消失。同时，湿地面积也在逐渐减少，比如黄河沿岸的湿地保护区。
图1豫北平原浅层地下水位变化等值线图(1991 ~ 2000)
1.3地面沉降
现已查明，发生地面沉降的地区主要在濮阳市。若以地面高程1997为初始值，随着时间的推移，沉降量和不均匀性会逐渐增大，从1997到2001累计沉降量分别达到41 mm ~ 57 mm，相差16 mm..
新乡、五指北、安阳、滑县等漏斗区是潜在的地面沉降区。
1.4地下水污染新乡县和浚县部分地区地下水含量超过50mg/l，修武县和新乡市郊区可高达100mg/l。有的地方地下水有所增加，超过饮用水标准(250mg/1)，大于450mg/l(以CaCO3计)的硬度达到450-550 mg/L，酚大于0.001mg/l/L..
ⅳ(差)水分布在大部分地区，大部分地区铁、锰、氟超标。ⅴ类(极贫)水分布在山前与黄河平原交汇的洼地区、老黄河沙区内黄区和演金北部地区、濮阳东南部和范县南部炼油污染区。超标离子为盐度和硬度，濮阳东南部为As和Pb。ⅳ(贫)水和ⅴ(极贫)水的分布面积占豫北平原总面积的75%以上，并有扩大趋势。
2环境地质问题的形成背景
2.1地形
太行山毗邻豫北平原西部，海拔203~40m。整体地势西高东低，略向东北倾斜。坡度为1 ∶ 500 ~ 1 ∶ 2000，地势较为平坦。
豫北平原以堆积地貌为主，即西部山前带冲积平原，南部和东部冲积平原。
2.2地层岩性
豫北平原第四系从老到新特征如下:下更新统():分布广泛，一般埋于30 ~ 180m以下，厚度20 ~ 200m，主要由冰川泥砾、粘土、粉质粘土、砂组成。
中更新统()分布于汤阴、淇县一带，其他地区埋于地下约10~80m ~ 80m，厚度20 ~ 80m。西部山前岩性主要为粉质粘土夹薄层砂和砾石层。东部主要为黄土状粉土、粉质粘土夹砂。
上更新统()沿西缘呈带状分布，东部埋藏，向东深度可达30m。厚度约为10~60m ~ 60m。西部山前岩性主要为粉土和粉质粘土。东部主要由粉土、粉质粘土和砂互层循环沉积组成，具有明显的“二元结构”
全新统(Qh):西部分布于山前安阳河、石门河、雨荷河等冲积扇和现代河床中，厚度一般为数米。岩性为粉质粘土、淤泥和砾石层。东部地区全部为全新统地层，厚度10~30m ~ 30m。
2.3气候特征
豫北平原属暖温带半湿润半干旱季风气候。根据1990 ~ 2000年气象资料，年平均气温为14.2℃，平均降水量为598.74毫米，从时间上看，年内降水量多集中在5 ~ 8月，占全年降水量的71.2%，冬春季降水量相对较少。从地域上看，黄河沿岸、太行山前、祁县-长垣县降水量较大。安阳、濮阳东部降水较少。区内水面蒸发量一般为900 ~ 1400 mm，自西向东逐渐增大。
2.4水文特征
豫北平原地表河流主要发育海河水系的渭河和黄河水系的黄河。
黄河位于该地区的南部边界，长度约为317.5km，是黄淮海平原地表水和地下水的分水岭。多年平均流量1447m3/s，从1970开始，黄河下游断流20年。
渭河分布在该区中部，全长约252公里。目前源头没有清水，大部分是工业废水、城市生活污水和少量黄河灌溉水。多年平均径流量为4m3/s。
2.5背景分析
豫北平原的地形和岩性决定了地下水为松散岩类孔隙水，为其赋存和活动提供了场所。第四系地下水系统主要是浅层含水系统，是指埋深40 ~ 160 m的含水介质及其潜水和半承压水系统。含水介质主要为松散的中细砂，底界为相对稳定的区域粘土和粉质粘土。
多年来，气象和水文特征呈现一定幅度的周期性波动。在它们的影响下，地下水循环系统呈现出相应的变化规律，即丰水年补给增加，排泄减少，地下水位上升→枯水年补给减少，排泄增加，地下水位下降，多年来相对稳定。它们同构成为维持豫北平原地下水循环系统自然平衡的自然因素。
3环境地质问题的成因
3.1人类活动对地下水循环系统的影响
3.1.1对地下水补给的影响
自20世纪60年代以来，豫北平原西部太行山区已建成马鞍石水库、宝泉水库、彰武水库、小南海泉水库、岳城水库等大中型水库10余座。加强人工调控，改变山区地表径流方式；山口径流减少，豫北平原洪水补给地下水的量锐减，其补给量减少到总补给量的10%左右。
目前，豫北平原已建成人民胜利渠、吴佳引灌渠、丰收渠、长虹渠、群库干渠等引水工程，将黄河和山区水库的水引至该地区用于灌溉或城市供水。运河水或灌溉农田的渗透增加了地下水的补给。其补货量约占总量的29%。
3.1.2对地下水径流的影响
豫北平原地下水总体径流方向与地形变化基本一致，从西南向东北，从西部山前补给源区向东，从南部黄河补给源区向东北。但人工开采改变了径流方向，形成了以各漏斗为中心的局部地下水汇流模式。
3.1.3对地下水排泄量的影响
自20世纪70年代以来，大兴井灌农业和双护农田区地下水开采量不断增加。随着城市规模的扩大、人口的增长和工业的快速发展，地下水源建设的数量和规模也在不断增加，开采量急剧增加。自1990以来，各行业地下水年均开采量如下:浅层开采总量25.38亿m3，其中工业用水量2.44亿m3，占9.6%；生活用水量为2.95亿m3，占11.6%；农业用水量为28.36亿m3，占78.8%。开采占地下水系统总排泄量的68%以上，逐渐成为最主要的地下水排泄方式。
而且豫北平原地下水资源分布不均，地下水开发利用布局与地下水资源分布不一致。一方面，山前冲积扇区和黄河附近地区地下水资源丰富，但开发利用强度低，开采潜力指数大于1.4，大量地下水资源闲置或蒸发；另一方面，我国中北部的城市(镇)区和农业区，地下水资源不够丰富，但开采过于集中，开采强度大，开采潜力指数小于0.6。这种布局凸显了地下水开采的不合理性。
上述人类活动，特别是不合理的地下水开采，不断改变地下水补给和排泄的条件和方式，地下水循环系统的自然平衡状态日益遭到破坏。
3.2人类活动对地表水水质的影响
近年来，由于工业废水的大量排放、农药化肥的大量使用、城市生活污水的排放和污水灌溉，出现了大量的点面污染源。如新乡市北站区1999年废水排放量达到2036.23万t/a，只有少量废水达标排放，使得流经该区的渭河水质PH 7.9，浊度1220，总硬度546.84mg/l，锌257μg/l，酚80 μ g/L，据2009年调查这些被污染的河流和运河都是线状污染源。这些污染源为地下水污染提供了必要的条件。
3.3原因分析
根据1991至2000年的平衡计算，豫北平原地下水循环系统年平衡差为-1.54亿m3。由于人类活动，以不合理开采为主的地下水排泄量之和长于总补给量，对自然平衡的破坏越来越严重。随着这种负平衡地下水循环系统的发展，逐渐形成了6个总面积为7748.75km2的地下水位降落漏斗，造成了区域地下水位的持续波动和下降，新的水矾力和水化学作用的发生，直接导致了一系列次生环境地质问题的形成:
(1)泉水的消失和湿地的减少:由于径流场的变化，原来是排泄区(点)的泉水和湿地逐渐变成补给区(点)，地下水对漏斗区的补给不断增加，导致泉水减少到消失，湿地面积减少。
(2)地下水污染:漏斗区形成以下降中心为排泄点的径流场。在水动力学和水化学的作用下，周围和上层的盐水等自然污染源和工业废水、生活污水、农业化肥、农药等人类活动形成的污染源向开采层迁移，使地下水变差。
(3)地面沉降:漏斗区地下水超采使地下水头大大降低，导致上覆地层的扬压力急剧下降，饱和粘土层中孔隙水压力降低，有效应力增大，土层排水固结引起地面沉降。
综上所述，豫北平原水文地质问题的根本原因是人类活动，尤其是不合理开采地下水。
4环境地质问题的演化模式
上世纪五六十年代，豫北平原人类活动相对较弱，地下水基本遵循自然循环规律，区域水位相对较高。此后，随着人类活动强度的不断加大，特别是地下水的不合理开采，加剧了地下水循环系统自然平衡状态的破坏，长期处于负平衡状态，产生了一系列环境地质问题。随着豫北平原需水量的增加，地下水的不合理开采仍在继续。在当前条件下，环境地质问题将日益突出，最终将引发一系列地质灾害。
但是，如果由于人类活动，地下水位继续上升，就会向另一个方向发展，造成一系列环境地质问题，如五六十年代的元阳、演金、封丘等地的土壤盐渍化，最终形成地质灾害。说明环境地质问题具有双向演化的特点。
综上所述，豫北平原环境地质问题演化模式见图2。
图2豫北平原环境水文地质问题演化模式图
5对策和建议
5.1调整地下水开采布局，科学利用地下水。
由于豫北平原地下水资源分布不均，调整地下水开采布局，科学利用地下水，减少和避免因不合理开采地下水而加剧的环境地质问题的形成和演化，具有十分重要的意义。
5.1.1张伟河冲积扇区
漳卫河冲积扇区浅层含水组的底板深度为40 ~ 80m，局部可达100m。浅水主要用于该地区的农田灌溉。
(1)根据地下水位应小于整个含水层厚度的1/2，剩余含水层厚度不应小于20m的事实，确定地下水限制开采保护区及其限制水位。因此，一般地下水位应保持在20 ~ 30m。
(2)冲洪积扇前缘与洼地交汇的部分地区有微咸水分布，应适当加强开采，以减小蒸发形成的较大水力梯度，加快补给，促进循环，逐步改善地下水水质。根据多年开采情况分析，这些地区的地下水位应控制在7m。
(3)在地下水资源丰富的地区，如安阳市的安阳河、辉县市的雨荷河、黄水河的冲积扇等，可建立集中开采水源，适度增加开采量，降低地下水位，以夺取降水入渗的侧向径流，增加空调的调蓄能力，实行丰蓄枯用。安阳的汛限水位埋深为28.9米，雨荷和黄水河的冲积扇埋深为35米..
5.1.2黄河冲积扇区
(1)黄河附近地区可建立沿江水源地，如武陟县詹店-武元镇、新乡县郎公庙-福宁集乡、濮阳市子安乡等。，并可建立集中式开采水源，以增加地下水资源的潜力。
(2)为防止咸水面积扩大，对苦咸水主要分布区，即地下水开采漏斗区和沿黄洼地，应采取相应措施。在漏斗区，要控制开采量，使水位不至于先降后升；增加沿黄洼地区的开采量，适当降低地下水位，最大限度地增加降水入渗量和侧向入渗量，以加强循环，逐步淡化苦咸水。相应地，漏斗区的水位应高于2000年的枯水水位；沿黄洼地，水位应控制在8m以下。同时，增加微咸水的利用，但要保证湿地保护区湿地的安全。
5.2节约水资源
豫北平原约78.8%的供水量用于农业灌溉，农业节水，尤其是中北部地区，对减少和避免环境地质问题至关重要。渠道衬砌可节水20%，塑料管灌溉可节水25%，喷灌可节水30%，滴灌最多可节水50%。目前该地区农业中高节水灌溉方式(管灌、喷灌、滴灌)的灌溉面积仅占不到25%，应大力推广应用。
目前大城市工业用水重复利用率为70% ~ 80%，而中小城市仅为20% ~ 50%。由于技术落后，钢铁、化工、造纸行业用水量是发达国家的6 ~ 8倍。对耗水量大的企业进行调整，加快工业节水新技术、新工艺的研发，鼓励发展效益好、耗水量少、污染少的企业。以水促产，以水促发展。
豫北平原缺水的局面将长期存在，必须把节水作为一项长期的根本措施，重点发展农业节水灌溉和工业节水，根据不同行业的特点采取不同的节水措施，全面实施节水。
5.3净化废弃物和污水，实现废水循环利用。
豫北平原5个城市污水排放量较大。目前，已有5个地级市相继建成现代化污水处理厂，不仅避免了污水直排形成地下水污染源，而且提高了水资源的重复利用率。但是处理能力仍然比较小，水资源重复利用率只有30%。我们应该加快污水处理进程，提高污水处理能力。
感谢河南省地质矿产勘查开发局第一水文地质工程地质队马高级工程师对本文提出的宝贵意见，在此表示感谢。
参考
林凤年，李长静，等。环境水文地质学。北京:地质出版社，1990。
张宗虎，沈，薛玉群，等。华北平原地下水环境演化。北京:地质出版社，2000。
赵，邵，严，等。黄河下游地下水资源评价与可持续发展。北京:中国迪达出版社，2002。
彭汉兴。环境工程水文地质学。北京:中国水利水电出版社，1998。
潘茂，李铁峰。灾害地质学。北京:北京大学出版社，2002。