地下水开采重要的co排放源.pdf

第 2 7 卷 第 2 期 2 0 0 2年 3月 地球科学 一 中国地质大学 学报 E a r t h S c i e n c e-J o u r n a l o f Ch i n a Un i v e r s i t y o f Ge o s c i e n c e s V0 l 2 7 N0 2 Mar 2 0 U 2 地下水 开采 重 要的 C O 排放源 贾国东 ， 段光杰 ， 钟佐棠 1 ． 中国科学院广州地球化学研究所． 广东广州 5 1 0 6 4 0 ； 2 ． 中国地盾大学水资源与环境工程系． 北京1 0 0 0 8 3 摘要 运用水文地球化学模拟软件计算 大庆市齐家艰源地地 F 承的 【 x 分压投地下水被 抽出至地表与大气 达成平衡后 0 0 自水中的逸出量． 结果表明， 地下水 【 I 】 一1 ． 2 8 l 0 P a ． 显著高出大气 c 】 当地下承到达地表环境后将有 】 1 1 5 mmo l ／ k g的 x 上释放进 人大气． 进一步的讨论得知． 各种岩性含水层的地下承都可以古有较高的 声 “ ． 因而． 地 下水的开采成为了一个不容忽视的u 人为排救源 这应该弓 { 起有关学者的鼋视． 关键 词 水文地球 化学模拟 ； 地下水开采 【 ’ 排放． 中图分类号 P 6 4 1 文献标识码 A 文章 编号 L 0 0 0 2 7 8 3 2 0 0 2 0 2一 D 1 5 3 O 作者简介贾国东 1 9 6 9 ， 男， 副研究员． 1 9 9 8毕业于中国地质大学 北京 ， 获博士学位， 现 主要从事有机地球化学和水文地球化学研究． E m a i l j i a g d 2 6 3 ． n e t 地下水开采是否是 C 0 的排放源的问题很少 受到人们的关注， 但张宗祜等⋯曾估算， 由于超量开 采地下水． 华北平原每年总的 C Oz 额外排放量 约为 1 0 9 k g ． 笔者认为． 这种 现象具有一定的普遍性． 这 是 由于地下水环境的相对封闭性 ， 以及水中 C O 不 乏来源 大气水渗滤、 含水层及顶底板有机质降解、 深层气逸出等 ， 经历了较长时问和距离运移的地下 水中的p C O z 往往高出大气 p C O ． 这种地下水 在被开采至地表与大气接触后就必然 出现 C O 向 大气的排放， 因而成为 C 的排放源． 本文结台大 庆市齐家水源地对此问题作一简单的定量探讨． 1 地下水开采导致的 C O 排放量 本文以齐家水源地第三系泰康组含水层地下水 为研究对象一 ． 运用水化学模 拟手段恢 复地下水的 真实水文地球化学环境， 并以模拟出的水化学资料 为基础， 运用 P HR E E Q C软件对地下水开采至地表 并与大气达成平衡后可能发生的物质迁移进行水文 地球化学模拟． 泰康组含水层地下水水化学特征如表 l 所示． 它处于一个封闭的弱酸性还原环境． 水中 P c n 1 ． 2 81 0 P a 远远高出大气 c z 3 2 ． 0 3 P a ； 收稿 日期 2 0 0 1 1 l 一1 2 表 1 齐家水源地泰康组含水层水化学特征 T a b l e 1 H．v d r o * ． h e mi c a l c h a r a c t e r i s t i c s o f i a g r o u n d wa t e r 变价金属元素． 如 F e ， Mn ， 以还原状态为主； 检出有 硫化物． 与此水化学成分有关的一些矿物皆处于不 饱和或接近饱和的状态 ， 这是与在含水层 中末发现 有 上 述物质成分相一致的． 具上述 水化学特征的地下水被抽出至地表 的过 程就是一个水化学成分随地球化学环境不断改变 由封闭变开放． 由还原变氧化 而改变的过程． 但是 由于化学动力学过程相对于抽水过程是很缓慢的． 因此在本文的模拟中不考虑抽水过程中的水化学变 化 ， 尽管这种变化是肯定存在的． 将表1 中的水化学成分与p C O 3 2 ． ∞ P a 维普资讯 地球科学中国地质大学学报 第 2 7卷 表 2 地下水抽 出至地表与太气充分平衡后的化学成分 T a b l e 2 Hy d r o c h e mi e a l c o mp o s i t i o n o f t h e p u mp e d w a t e r e q u i l i b r a t e d wi t h a i r i 0 a md／ 虹 表 3 地下水抽出至地表与大气 平衡后产生 的物 质迁移量 Ta b l e 3 Ma s s t r a n s f e r s wh e n g r o u n d wa t e r b e i n g p u mp e d o u t t O e q u i l i b r a t e M t h a i r 1 0 _。 m o t ／ k g C Oa Ca C O C M 4 g F e OH a F e C 0 M n O2 11 ．1 5 1 ． 5 2 1 ． 1 7 0 0 3 4 0 C ．0 0 6 C ． 27 负数代表迁出水体． 正数代表进人水体 和 p 一0 ． 2 O 1 0 P a的大气环境相平衡， 并且 规定不存在任何矿物的溶解， 而只有相关矿物成分 的沉淀 这与地下水抽出至地表的实际情况相符 ． 按此条件可得出如表 2 所示的在地表稳定的地下水 化学成分． 可以看出． 水体的p H值和E h值显著提 高， 变为氧化条件下的碱性水． 与 p H值升高相对 应， 水中 c a ， Mg 2． H c 0 ， P C O 2 降低； 与 E h 值升高对应的则 是还原性组分 S 2 一 ， F e ． Mn 的 消失． 而对 p H． E h不敏感 的组分基本没有变化． 在上述水化学成分和环境转变过程中显然存在 可观的物质迁移量 ． 如表 3 所示． 我们 只考虑 C Oz的迁 移情况． 表 3显示 出 ， 地 下水被抽出与大气平衡后 ， 将有 1 ] ． 1 5 mmo l ／ k g的 c O 2 逸出水体进人大气． 齐家水源地的年供水能力 将近 1 0 t ， 由此可以估算出． 由于地 下水的开采 ， 每 年从该水源地将有 1 8 4 6 9 t 二氧化碳 或5 0 3 7 t 碳 由地下转人大气若以标准煤的碳排放系数 0 ． 5 6 1 来计算 ， 这相当于每年燃烧掉 7 7 3 7 t 煤． 而在大 庆市西部 ， 类似的水源地就有十多个． 2 讨论 前述的齐家水源地泰康组含水层物质是以硅酸 盐碎屑为主的松散沉积物 ， 它在松辽盆地 的广大范 围内存在． 该盆地内第四系白土山组砂砾岩承压含 水层和顾乡屯组粉细砂、 黄土状土苏打型潜水含水 层也 同样表现出较高 的 p C O 值 0 ． 3 2 ～3 ． 2 0 1 0 。 P a ． 类似岩性含水层中的地下水在其他地区 也大多具有高的 p c 值， 如表 4 所示的西宁和 大同附近的水源地． 近年来发现， 分布广泛的碳酸盐岩溶区在全球 变化 中具有重要地位 ， 是 一个不容忽视 的 C 2汇 ， 对抑制大气 C 的上升具有全球意义l [ 一 ． 开放系统 下 C O z 供应充足 的岩溶地下水一般具有较高的 C O z 分压， 此种地下水在进人地表环境后． p H值会 急剧上升， 同时 c 2 降低 ． 美 国宾 夕法尼亚、 佛罗里达和马尼托巴三个碳酸盐含水层的地下水中 C O2 分别 为 7 ． 1 7 1 0 ， 3 ． 0 9 1 0 ， 7 ． 7 6 l 0 Pa 口一 ．表 4给出的中国南方 桂林 、 柳州 、 北方 陕西 渭北 的一些碳酸盐含水层地下水的水化学资料 ， 也 都具有高于大气的 p c 值． 可见， 尽管 自然的岩 溶作用是 c 2的汇， 但人类对岩溶地下水的开采却 叉成了 C O 的一个源． 在复杂沉积系统 的地下水含水层 中， 往往富含 碳酸盐 、 硫酸盐 、 铝硅酸盐矿 物以及有机质 ， 导致水 文地球化学环境和水化学成分的多样化． 河北平原 第四系下更新统和中更新统地层 即属于此类含水 层． 从西部 的山前区到平原 的中、 东部 ， 尽管水化学 类型有所变化， 但水中的 P C O 始终是显著高于 大气 p C O2 的 表 4 ． 结晶岩地区也是一类重要的地下水赋存区， 特 别是天然矿泉水的主要赋存区． 以富含 C O 为特征 的碳酸水即大多产出于结晶岩地区． 地下水多为矿 化度低的 H c 0 一N a 水， 其水化学成分的形成是铝 硅酸盐矿物与含 C O 的水发生水一岩反应 的结果． 地下水中的 C O z 除了大气降水携带外， 往往与深部 来源有关． 表 4 列出的两处结晶岩地区地下水水化学 成分表明， 此类地下水中同样具有高的p C 值． 整个地球表生带浅部地下水平均成分的库尔洛 夫表达式为 J I Vl 0 ． 。 Na篇 M g 蠢邮． s 。 ∞ c a 6 ∞ [ K j Ⅲ ’ 按此成分模拟计算的地下水 p c o z 一2 ． 9 8 1 0 P a ， 抽出至地表与大气平 衡后将有 2 ． 5 8 mmo l ／ k g 的CA 逸出水体进人大气． 以上只是简单列举了一些不同岩性地区的例 子， 由于手头资料有限， 并无作全面概括之意． 但仍 可以看出， 地下水具有高出大气 的P C O z 值是相 当普遍的现象， 当这种地下水到达地表后必然有 c 的逸 出． 区域和全球性地下水开采在 C O , 释放源方面 所起的作用由于缺乏全面系统的研究． 尚无法作出 维普资讯 第 2期 贾国东等 地下水开采_ Ⅲ 重要的C 排救源 1 5 5 表 4 不 同岩性地 区地下水成分及地下水到达地表后 。 的逸出■ Ta b ] e 4 Ex a m[ 1 i e s o f g r o u n d wa t e r c o mp o s i t i o r ts f r o m d i f f e r e n t i i t h o [ o g i c a q u if e r s a n d a mo u la t s o f o d e g a s s i n g a f t e r t h e g r o u n d wa t e r b e i n g p u mp e d t O s u r f a c e 注 1西宁南川水潭地， 河谷区第 四系孔隙潜水I 1 ； 2太同市区外围， 松散岩类孔隙z K ； 3 ． 桂林岩溶地下承【 lc ] ； 4柳州岩溶地下 水m] ； 5 ． 陕西渭- C 西部岩溶水 ] ； 6 滑北东部岩潜水t ； 7 ． 河北平原山前区无 8 2 井． 复杂沉积系统地下水 i ； 8河北平原中部阜 1 1 3 井， 复杂沉积系统地下水I ； 9安尤略A威岩地区潜水t ’ ； 1 0江苏盱眙尤潭玄武岩压地 f 水E - - 表中离子质量浓度单位为mg ／ l ， “ C O t 逸 出” 指的是地下z K 与大气平衡后 C O 从地下水中的逸出量， 单位为 mm o ] ／ i c 【 和 C O 建出 由本文计算得出． 定量的估计， 但可以预计， 由于水资源紧缺的趋势不 断加剧， 地下水开采量持续增加， 这种 C O 源的排 放将愈加厉害， 因此 ， 区域甚至全球范围内地下水开 采释放 C Oz 的定量研究对于深入了解 C 2源、 汇、 循环以及全球变化具有十分重要的和现实的意义， 3 结论 大庆市齐家水源地地下水 中 p ∞ 一1 ． 2 8 l O P a ， 远远高出大气 P C O 3 2 ． 0 3 P a ， 当地下 水被抽出至地表并与大气充分平衡后， 将有 1 1 ． 1 5 m mo l ／ k g 的 c 逸出水体进人大气， 整个水源地相 当于一个 C O 储库． 地下水的开采成为 C O 的排放 源． 地下水具有高出大气的 p C O 值是相当普遍 的现象， 因而开展区域甚至全球范围内因地下水开 采而排放 C O ,的系统而定量的研究对 了解人类活 动导致的 C O 温室效应和全球变化具有重要意义． 参考文献 [ 1 ]张宗枯 ． 施德鸿， 任福弘， 等． 论华北平原第四系地下水 系统之演化C J [ ，中国科学 D辑 ． 1 9 9 7 ， 2 7 2 J 6 8 1 7 3． ZHA 2 N G ZH ，S HID H，REN F H，e t a l ，g , o [ u d o n o f Q u a t e r nar y g r o u n d w a t e r s y s t e m i n t h e No r t h C h i n a p l a i n l_ J ．S c i e n c e i n C h i n a S e r i e s D ．1 9 9 7 ．2 7 0 1 6 8 l 7 3 [ 2 ] 贾国东． 张建立， 秦延君， 等． 地下水水质参数在抽水过 程中的不稳定性及其水化学模拟以大庆市齐家水 源地为倒口] ． 地球科学中国地质大学学报， 2 0 0 ,3 ， 2 5 2 2 0 12 0 4 ． J I AG D，Z HAN G j L．Ql K Y j ，e t a t ．I n s t a b i l i t y o f g r o u n d wa t e r q u a l i t y p a r a me t e r s d u r i n g p u mp i n g a n d i t s h y d r o c h e mi c a l s i mu l a t i o n e x a mp [ e f r o m Q i i i a w a t e r s u p p [ y b a s e l j ] ，E a r t h S c i e n c e J o u r n a l o f C h i n a Un i v e r s i t y o f Ge o s c i e na e s ，2 0 0 0 ，2 5 2 2 0 1 2 0 4 ， i s ]国家计委能源所能源与环境研究室． 我国矿物燃料燃烧 的 排放量及削减对 策[ j ] ． 能源政 策研究通讯， J 9 9 1， 2 4 6 ． I n s t i t u t e o f En e r g y a n d E n v i r o n me n t Amo u n t s o f e mi s s i o n{ r o m c o mb u s t i o n o f mi n e r a l f u e l a n d t h e s t r a t e g y 0 f d e c r e a s i n g t h e e m[ s s io r [ j ，E n e r g y P o h c y R e - s e a r c h Le t t e r ，l 9 9 l ， 2 J 4 6 ． 1 4 1钱天伟， 段长春， 曹玉清． 研究地下水中 HC t k 来源的 稳定碳同位素法[ J ] ， 长春地质学院学报， 1 9 9 5 ， 2 5 2 1 7 8 1 8 2 ． QI A N TW ． DU ． N CC，C AO Y Q R e s e a r c h o n t h e s o u r c e o f HO[ i n g r o u n d wa t e r b y s t a b l e i s o t o p e me t h - o d[ J ] ，J o u r n a [ o f Ch a n g c h u n Un i v e r s i t y o f E a r t h S d e n e e s ，l 9 9 5 ，2 5 2 J 7 8 一 J 8 2 ． 5 ]袁遭先． 现代岩溶学和全球变化研究 j ] ，地学前缘． J 9 9 7 ，4 1 ～ 2 1 7 2 5 ． YUA．N D X Mo d e m k a r s t o l o g y a n d g l o b a l c h a n g e s t u d y jl _E a r t h S c i e n c e F r o n t i e r s ，1 9 9 7 ，4 J 2 1 7 2 5 ． [ 6 ]袁道先． 中国岩溶地球化学研究进展i J i ． 水文地质工程 地质 ， 1 9 9 0 ． 5 4 1 4 2 ． Yt 1 AN D X Re s e a r c h a d v a n c e 0 n k a mt g e o c h e mi s t r y i n C h i n a[ J ] ．Hy d r o g e o l o g y a n d E i g i n e e r l n g G e o l o g ， 1 9 9 0， 5 4 1 4 2 ． 维普资讯 1 5 6 地球科学 中国地质大学学报 第 2 7 卷 [ 7 ]沈照理 朱宛华， 钟佐巢 水文地球化学基础[ M] 北京 1 J 地 质出版社 ， 1 9 9 3 ．1 1 8 9 S HE N Z1 ，Z H【 _ W H ， ZH【 I NG ZS F u n d a me n t a [ s o f h y d r o g c o c h e t n i s t r y M ．B e i j i n g ； e o l o g l c a [ P u b l i s h i n g Ho u N e ．1 9 9 1 1 8 9 ． 8 ]李玉军．西宁市南川水源地水质恶化机制 J ． 青海地 质 ， 1 9 9 6 ，5 2 J 一5 0 ． 1 ． i Y J ． Me c h a n i s m o f d e t e r i o r a t i o n o f g r o u n d w a t e r q u a l i t y i n Na n c h u a n w a t e r s o u r c e s i t e Xi n i n g l J 一 ． Ge ol o g y o f oi n g ha i ，l 9 9 6 2 4 3 5 0 9 李中琴． 大IN r | J 平原匪地下水污染现状分析 J ] ． i l i 两地 质 ， 1 9 8 8 ， 3 2 j l 0 7 --2 C 5 ． I l Z Q P o l l u t i o n s t a t e a na l y s i s o n g r o u n d wa t e r i n p l a i n a r e a o f D a l o n g[ j - ．S h a n x l G e o l o g y ， 1 9 8 8 ． 3 2 l 9 7 2 05 1 0 刘金荣， 刷玲玲 岩溶地下水化学组分随降水周期变化 的规律性7 J ] r 两地质， 1 9 9 6 ，9 3 5 3 6 1 ． I I U J R．Z HOU 【 L Th e v a r y i n g r e g u l a r i t y o f t n a j o r c h e mi c a l c o mp o s i t i o n s o f ka r s t wa t e r wI 1 h pr e c i p i t a t i o n c y c l e- j ] Gu a n g x i G e o f o g y ，1 9 9 6 ，9 3 5 3 6 I ． 陶书华． 渭北岩溶水的化学特征及其地质背景[ J ] ．陕 西地质 ， 1 9 9 9 ，1 7 1 1 5 3 5 7 1A S H Th e c h e mi c a l c h a r a c t e r i s t i c s a n d g e o l o g i c a l b a c k g r o u n d o f k a r s t wa t e r i n n o r t h W e i n a n ，S h a a n x [ - j ] GG i o g y o f S h a a n x i ，l 9 9 9 ，l 7 1 j 5 3 5 7 1 2 ]郭永海 沈照理． 钟佐檗． 河北平原地下水化学环境演 化的地球化学模拟 J ． 中 科学 I 辑 ， I 9 9 7 ．2 7 4 3 6 0 3 6 5 ． Uf Y I { ，S I t EN Z I ，Z f t ONG Z Hy d r o g e o c h e m i c a [mo d e l in g o f g r o u n d wa t e r c h e mi c a l e n v i r o n me n t a l e v o l u t i o n i n He b e i p l a i n l J ] ．S v i e n c e i n C h i n a S e r i e s D ．1 9 9 7，2 7 4 1 3 鼬3 6 5 D3 ]高明， 华致洁， 林玉琴． 江苏省六合 ， 盱眙皇武岩地区古 偏硅酸矿泉水形成的水 文地球化学机理[ J 水文地质 工程地质 ， 1 9 9 2 ， 3 3 9 4 l M．HUA Z J ，l I Y Q Th e h y d r o g c h e mk a [ me c h a n is m i n t h e f o r ma t i o n o f me t a s i l i c l c mi n e r a l lev a t e r i n b a ．l t i e a r e a o f L i u h e a l i d X u y i d i s t r i c t s ，j i a n g s u P r o v i n c e j ．Hy d r o g e o l ngy a n d E n g i n e e r i n g Ge o l o g y ， I 9 9 2 ， 3 1 3 9 4 I Gr o u n d wa t e r Ex p l o i t a t i o n．An I mp o r t a nt CO2 So u r c e J I A Gu o - d o n g．D UAN Ou a n g 5 i e ， Z HON G Z u o s h e r 2 1 l O u a n g z h o u i n s t i t u t e o f C , e o c h e mi s t r y， C h i n e s e Ac a d e my o f S c i e n c e ，G u a n g z h o u 5 1 0 6 4 0 ，C h i n a 2 ． De p a r t me n t 0 ，Wa t e r Re s o u r c e s a n d En v i r o n me n t a l En g i n e e r i n g，C h i na U n i v e r s i t y o f Ge o s c i e n c e s Be i j i n g 1 0 0 0 8 3． 1 i na Ab s t r a c t } P a r t i a l C 0 2 p r e s s u r e P 【 、 o f g r o u n d w a t e r f r o m Qi j i a wa t e r s u p p l y b a s e a n d n l a s s t r a n s f e r s a f t e r t h e g r o u n d wa t e r b e i n g p u mp e d o u t t O e q u i l i b r a t e wi t h a t mo s p h e r i c C02 a r e c a l c u l a t e d b y h y d r o g e o c h e mi c a l mo d e l i n g ．Th e r e s u l t s s h o w t h a t t h e g r o u n d wa t e r C _ 2 i s p r o n o u n c e d h i g h e r t h a n a t mo s p h e r i c p C Oz ，a n d t h a t 1 1 ， 1 5 mmo l ／ kg C wi l l b e e mi t t e d t o t h e a t mo s p h e r e wh e n t h e g r o u n d wa t e r r e a c h e s t h e s u r f a c e F u r t h e r d i s c u s s i o n h a s r e v e a l e d t h a t d i f f e r e n t l i t h o l o g i e a q u i f e r s u s u a l l y c o n t a i n h i g h e r g r o u n d wa t e r p C O2 ，C o n s e q u e n t l y．g r o u n d wa t e r e x p l o i t a t i o n h a s b e c o me a ma n ma d e C 02 S O u r e e a n d s h o u l d a r o u s e o u r a t t e n t i o Ke y wo r d s b y d r o g e o e h e mi e a l mo d e l i n g g r o u n d wa t e r e x p l o i t a t i o n C O2 e n fi s s i o n ， 维普资讯