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气候变化和污染影响下尼日尔盆地地下水水质成因、演化及开发利用

SIDIBE Aboubacar Modibo  
【摘要】:地下水是经济和社会发展的重要资源,也是研究区人口的主要饮用水资源。研究区年人口增长率为3%,所以对地下水的需求量也逐年增长,严重影响了研究区地下水的水质和水量。地下水水质的降低是由于人类活动和缺乏环境保护政策所造成的。目前,不受控制的城市化、工业活动、农业和矿产活动正在破坏研究区内的水资源。农业活动是该地区的主要活动之一,导致大量的矿物肥料和农药渗入到地下水中。其次,矿业活动以及不受控制的传统淘金也是近年来研究区内正在蓬勃发展的产业,对于环境保护来说,这是一场真正的生态灾难和挑战。事实上,这些活动在没有任何修复措施的情况下产生了大量的可回收和不可回收的垃圾。据报道,许多采矿作业区域的地下水均受到了铅,镉,氰化物,铬,汞和砷等重金属的污染。除了多源污染之外,研究区的气候变化也是对水资源的一大严重威胁。研究区的地下水储量很大,但在目前的气候条件影响下,地下水的开采已经不能满足不同目的供水需求。对研究区内钻孔进行观测,结果表明,近十年来地下水枯竭的趋势越来越明显,这可能是气候变化的后果之一。本研究利用DRASTIC模型对地下水的脆弱性进行了探讨,以评估潜在的地下水污染区域。通过硝酸盐证实了生活垃圾、下水道泄漏、液体废料、固体垃圾、其他城市垃圾以及农业污染所导致的地下水脆弱性。本研究除了运用典型的与人为污染相关的硝酸盐进行验证之外,还使用了来自工业活动的重金属进行验证。本研究旨在探究气候变化以及污染条件下,确定研究区地下水污染源,矿化过程以及可开采量,以便决策者更好地进行地下水管理。本研究采用经典的水化学方法,结合多元统计法,对地下水类型进行评价。结果表明,含水层中大多数的地下水是HCO3-Ca·Mg-和HCO3-Na型水,受大气降水补给。Mg2+和Ca2+可与HCO3-反应沉淀为方解石和白云石,HCO3-型地下水类型表明地下水年龄较低。HCO3-Na型地下水主要是由于离子交换过程形成的。HCO3-Na+-型地下水表明含水层是古海洋沉积环境或通过古海洋通道时,Na+与HCO3-Ca型地下水中的Ca2+进行了交换。研究区地下水的水化学特征主要受到水岩作用的影响,表明地下水水化学类型受矿物溶解作用的调节。2H和18O稳定同位素结果表明了盆地中的蒸发的重要性,且该地区的地下水补给来源为大气降水。运用主成分分析(PCA)和层次聚类分析(HCA)等多元统计方法,确定了含水层之间的水力联系,将含水层中的地下水成分分为三个聚类,两种地下水类型。本研究在研究区首次使用DRASTIC模型,在气候变化的影响下,结合多源污染,评估了地下水污染的潜在区域。在GIS模型中通过叠加影响地下水污染的水文地质参数来评估地下水脆弱性。在研究区随机采取了超过500个钻孔的硝酸盐地下水水样,在矿区采了约30个重金属地下水水样。研究结果表明研究区6.43%的面积为超高脆弱性区,52.12%的为高脆弱性区,36.89%是中等脆弱性区,4.57%是低脆弱性区,0.004%是超低脆弱性区。研究区的敏感性分析表明地下水水位埋深、补给条件以及包气带的影响是控制脆弱性的最关键的环境因素。研究区硝酸盐浓度均高于国际标准,在超高脆弱区硝酸盐的最大浓度为94.71mg/L,高脆弱性区硝酸盐的最大浓度为92.65 mg/L,中等脆弱区硝酸盐的最大浓度为72.77 mg/L。此外,有310个砂矿区和2个采矿作业区位于高度脆弱性地区,109个砂矿和3个采矿作业区位于超高脆弱性地区,重金属对地下水产生了影响,铅浓度最高可达0.702 mg/L,铬浓度最高可达0.059 mg/L,砷浓度最高可达0.54 mg/L,均高于国际标准。同时检测到低浓度的镉以及氰化物,浓度分别为0.0013 mg/L以及0.006 mg/L,浓度均未超过国际标准。本研究通过设定每个省每年的开采量以及需水量,探究地下水开发问题,重点估算不同用途供水的可开采量。研究区的大多数村庄和城镇都没有对地下水开采进行量化,因此没有地下水的开采记录。不同用途的地下水开采量和需水量是根据供水系统数量、开采率和抽水时间以及人和牲畜每天的需求量所计算得出的。本研究运用地下水水流模型估算研究区的水均衡,研究区的水文地质由基岩裂隙含水层和松散含水层两个主要类型含水层系统叠加组成,这两个含水层系统之间具有水力联系,所以在模拟中将其视为单层含水层。由于在该地区开展的水文地质工作很少,所以缺少水动力参数。含水层的主要排泄主要是通过穿过研究区的永久河流、间歇性溪流以及沼泽低地进行天然排泄的,其次,在地下水位接近地表的一些地区,蒸发以及蒸腾作用也是含水层水均衡中的一个重要排泄方式。地下水的开发策略需要考虑到地下水水质以及人为污染。本研究成果可作为地下水监测的重要工具,用于协助规划人员、决策者、管理人员和地方官员根据不同用途进行供水。决策者还可以根据水化学特征制定水资源综合管理政策。


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