南陽盆地淺層地下水中氟的分帶性分布特點及其成因

寧立波，卜新峰，莫春雷

(中國地質(zhì)大學(武漢)環(huán)境學院，湖北武漢 430074)

分帶性是自然界一種廣泛存在的現(xiàn)象，如，氣候帶分布、植被分布以及地貌形態(tài)等，一般都存在地域上的分帶性[1-2]，這已經(jīng)為人們所認識和了解。地質(zhì)也存在分帶性，如地質(zhì)構(gòu)造、土壤分布和地球化學元素分布等[3]。國內(nèi)的一些學者對這種現(xiàn)象進行了研究。李志剛等[4]對淮北平原淺層高氟地下水成因進行研究，認為淺層高氟地下水的分布具有明顯的區(qū)域性規(guī)律;林學鈺等[5-6]對松嫩平原高氟水的分布規(guī)律進行了深入的分析和研究，認為松嫩盆地地下水中氟的質(zhì)量濃度有著明顯的分帶性特征:從盆地邊緣到盆地中心，地下水中氟的質(zhì)量濃度逐漸增加;王根緒等[7]對西北干旱區(qū)地下水中氟的分布規(guī)律及環(huán)境特征進行了研究，認為隨著西北干旱區(qū)內(nèi)陸水系從產(chǎn)生到消亡的演變，從山區(qū)至山前細土平原，氟含量具有顯著的淋溶-徑流、徑流-蒸發(fā)與溶濾-蒸發(fā)-濃縮富集3個水化學分帶。

但水中氟的分帶性分布的成因機理卻鮮有人進行分析，多數(shù)學者僅從水化學角度對高氟水的成因進行了研究，而對高氟水的分布規(guī)律，尤其是分帶性現(xiàn)象，很少進行動力學機制方面的探討。筆者運用地下水系統(tǒng)理論對南陽盆地淺層地下水中氟的分帶性分布展開研究，并初步探討這種分布的動力學機制。

1 地質(zhì)背景條件

南陽盆地是一個西、北、東3面環(huán)山、微向東南傾斜開口的半開啟扇形盆地，處于我國“第二臺階”與“第三臺階”的交匯處，位于秦嶺、大巴山以東，桐柏山、大別山以西，其北面為秦嶺山脈東端的伏牛山地，南面為大巴山脈的東端。

研究區(qū)地形由于受構(gòu)造的控制而具有南陡北緩的特點，侵蝕及剝蝕山地主要分布在其北部和西部，東部多分布有剝蝕崗地，西南和東南分布有低山丘陵，中部為沖洪積(或沖湖積)平原。研究區(qū)北部開闊，向南逐漸收縮，河流間的部分河間地塊之中有槽型洼地的存在，平原和山區(qū)之間的交接帶零星分布有壟狀和鼓狀崗地。研究區(qū)地形起伏較大，海拔最高達1491.1m，最低為80m。這種特有的地形地貌條件塑造了研究區(qū)內(nèi)河流及地下水的流動趨勢:唐河與白河兩大水系的補給區(qū)和源區(qū)都在研究區(qū)北部山區(qū)，河流流向以由北向南、西北至東南和東北至西南為主。大氣降水所產(chǎn)生的地表徑流對研究區(qū)周邊廣大基巖山區(qū)和低山丘陵地區(qū)產(chǎn)生侵蝕和搬運作用，為盆地內(nèi)平原區(qū)第四系沉積物的形成提供了有利的條件。

研究區(qū)內(nèi)地層主要有古元古界—新生界地層、白堊系至下第三系沉積層以及第四系地層，其中第四系地層覆蓋了盆地中部的大部分平原。松散巖類孔隙水主要賦存于研究區(qū)內(nèi)平原及部分崗地的第四系及第三系松散沉積物的孔隙內(nèi)。松散巖類孔隙水占據(jù)了研究區(qū)內(nèi)地下水較大的面積和范圍，是研究地下水中氟分布情況的主要對象和重要載體。為了便于研究和對不同深度范圍內(nèi)孔隙地下水中氟的質(zhì)量濃度分布規(guī)律的表達，對南陽盆地內(nèi)分布廣泛的松散巖類孔隙水，以地下水位埋深作為區(qū)分淺層、中深層地下水的標準，以50 m地下水埋深為界，將50 m以上的淺層地下水作為本次研究的主要對象。

2 淺層地下水中氟的分布特點

2.1 取樣點布置及地下水中氟的質(zhì)量濃度特征

為了解南陽盆地淺層地下水中氟的分布規(guī)律和特點，于2010年8月在研究區(qū)內(nèi)采集地下水樣品248份，地下水樣采集點在南陽盆地各區(qū)域內(nèi)分布相對均勻。取樣點位置見圖1。

圖1 研究區(qū)地下水樣采集點分布

依據(jù)水樣的水質(zhì)分析統(tǒng)計結(jié)果，得出南陽盆地地下水中氟的質(zhì)量濃度特征參數(shù)(最小值0.04mg/L，最大值2.90mg/L，平均值為0.48 mg/L，總樣本數(shù)據(jù)的標準差為0.32)與地下水樣品分類統(tǒng)計表(表1)。南陽盆地地下水中氟的最小質(zhì)量濃度與最大質(zhì)量濃度之間相差70余倍，其0.48 mg/L的質(zhì)量濃度均值低于適宜飲用水中氟的質(zhì)量濃度標準值(0.5～1.0mg/L)，而其總樣本數(shù)據(jù)的標準差為0.32，說明樣本之間氟的質(zhì)量濃度差異較為顯著。

表1 地下水樣品分類統(tǒng)計

2.2 地下水中氟的分帶性分布

基于對水中氟的質(zhì)量濃度與人體健康關(guān)系的認識，依據(jù)國家生活飲用水衛(wèi)生標準，并結(jié)合南陽盆地地下水中氟的質(zhì)量濃度的實際情況，對南陽地區(qū)地下水進行劃分，見表1。在水化學分析統(tǒng)計結(jié)果的基礎上，考慮水動力條件、地形地貌條件以及河流的分布情況，繪制出南陽盆地淺層地下水中氟的質(zhì)量濃度等值區(qū)圖(圖2)。由圖2可以看出，南陽盆地大部分地區(qū)淺層地下水中氟的質(zhì)量濃度小于1.0 mg/L，局部地區(qū)水中氟的質(zhì)量濃度超過國家飲用水標準的限值1.0 mg/L。

南陽地區(qū)的高氟地下水所表現(xiàn)出的分帶性特點較為明顯:

a.低氟地下水集中分布在盆地上游的山區(qū)、山前地帶以及丘陵壟崗地帶。盆地周邊靠近山區(qū)的傾斜平原帶和丘陵壟崗帶上游的地下水以低氟地下水為主，主要分布在內(nèi)鄉(xiāng)縣-鄧州市以西、鎮(zhèn)平縣-南陽市-社旗縣以北以及唐河縣-泌陽縣東南的地區(qū);

b.越往盆地的中心部位，水中氟的質(zhì)量濃度越高。盆地中部以中氟地下水為主，局部地區(qū)存在高氟地下水。中氟地下水主要分布在盆地中部湍河與趙河、趙河與潦河以及白河與唐河之間的河間地區(qū)。

c.高氟水伴隨中氟水以“插花狀”形式出現(xiàn)。盆地中部靠近盆地開口的下游地區(qū)的低洼地以及河間地塊的水中氟的質(zhì)量濃度較高，一般在1.0～1.2mg/L之間，主要分布在官莊鎮(zhèn)—施庵鎮(zhèn)—溧河鋪鎮(zhèn)一帶;局部地區(qū)水中氟的質(zhì)量濃度超過2.0 mg/L，如在新野縣溧河鋪鎮(zhèn)高莊村所取的水樣中，氟的質(zhì)量濃度最高可達2.9mg/L。此外，河沿岸局部地段有高氟水零星分布，但氟的質(zhì)量濃度一般不超過2.0mg/L。

圖2 南陽盆地淺層地下水中氟的質(zhì)量濃度等值區(qū)

地下水中氟的質(zhì)量濃度總體上呈現(xiàn)出從山區(qū)到平原區(qū)逐漸升高、從河流上游到下游先升高后降低的趨勢。為了更好地說明這種分帶性，以河流為參照，分別統(tǒng)計南陽盆地西部的湍河、中部的白河以及東部唐河的上、中、下游地段(這些河流的上、中、下游同時可以代表南陽盆地區(qū)域的源區(qū)、中間區(qū)和匯區(qū))部分淺層地下水中氟的質(zhì)量濃度值，繪制出淺層地下水中氟的質(zhì)量濃度沿河流流向變化情況圖(圖3)。

圖3 淺層地下水中氟的質(zhì)量濃度沿河流流向變化情況

由圖3可以看出，總體上地下水中氟的質(zhì)量濃度沿河流的上、中、下游呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，分帶性分布的特點更為明顯。在河流的上游地區(qū)，低氟水出現(xiàn)的頻率很高，水中氟的質(zhì)量濃度相對較低，一般在0.3mg/L左右，極少出現(xiàn)高氟水;相對于河流的上游，中游以及靠近中游的上、下游地區(qū)，中氟以及高氟地下水出現(xiàn)的頻率較高，水中氟的質(zhì)量濃度最高可達2.0mg/L以上;在河流的下游分布有中氟以及低氟地下水，但低氟地下水出現(xiàn)的頻率遠小于河流的上游地區(qū)，且水中氟的質(zhì)量濃度大多接近于0.5 mg/L，局部伴隨出現(xiàn)高氟水。

3 氟的分帶性分布成因

南陽盆地作為一個相對獨立和較為完整的地質(zhì)構(gòu)造單元，其獨特的地形、地貌特點為盆地內(nèi)部“源”、“匯”齊全的地下水流動系統(tǒng)的形成和發(fā)育提供了天然有利的條件。就地下水流動系統(tǒng)而言，南陽盆地周邊侵蝕中低山區(qū)構(gòu)成了盆地內(nèi)地下水的源區(qū)，中部平原區(qū)是整個南陽盆地區(qū)域地下水流動系統(tǒng)的匯區(qū)，而山前傾斜平原的上部以及部分丘陵地帶則成為連接源與匯的中間過渡帶。完整的源區(qū)、過渡區(qū)以及匯區(qū)的水氟分布特征在南陽盆地得到了充分的體現(xiàn)。

然而，無論是地下水的源區(qū)還是匯區(qū)，不同的位置由于地形的起伏會引起地勢的變化，從而為更低級別地下水流動系統(tǒng)的源區(qū)和匯區(qū)的形成提供了條件，低級別的地下水流動系統(tǒng)嵌套在較高級別的地下水流動系統(tǒng)之中，形成了多樣化的補排關(guān)系。當不同級別的地下水流動系統(tǒng)互相嵌套、交錯分布時，在水平方向和垂直方向上都會呈現(xiàn)出一定氟的分帶性分布的現(xiàn)象。

一般來講，作為區(qū)域地下水流動系統(tǒng)的源區(qū)，水中氟的質(zhì)量濃度較低，而匯區(qū)水中氟的質(zhì)量濃度較高，但在局部地下水流動系統(tǒng)的影響下，也會產(chǎn)生一定的“反差”(圖4)。例如，作為南陽盆地區(qū)域地下水流動系統(tǒng)匯區(qū)的中部平原，其水中氟的質(zhì)量濃度并不是都高，局部地區(qū)存在一定的高低差異。另外，淺層地下水受局部地下水流動系統(tǒng)的影響較大，而深層地下水主要受區(qū)域地下水流動系統(tǒng)的影響。不同層級地下水流動系統(tǒng)的地下水徑流循環(huán)交替特點也影響著水中氟的遷移和富集情況。

圖4 地下水流動系統(tǒng)嵌套分布示意圖

廣大的山區(qū)作為整個盆地地下水的源區(qū)，由于降水豐富，且常出現(xiàn)局部暴雨，長期的水流侵蝕作用造成地形下切劇烈，降水多形成河流向盆地內(nèi)排泄的態(tài)勢，這里地下水及地表水的更新周期短，水循環(huán)交替快，從而水巖作用不充分，水土流失較為嚴重，而基巖的風化產(chǎn)物多以水流搬運的形式在山前以及中部平原堆積，加上基巖本身的氟脫出能力非常有限，以及蒸發(fā)強度較弱，所以，雖然巖石中的含氟量較高，但廣大山區(qū)水中氟的質(zhì)量濃度卻很低。

相對于平原區(qū)來說，山前地帶以及山區(qū)與平原的過渡帶，其所處的位置離地下水的源區(qū)——周圍山區(qū)較近，地下水的流程相對較短，而這一地帶多以傾斜平原、丘陵以及低山為主，地形條件不利于地下水的匯集，水流的流速相對較快，交替更新周期相對較短，加上巖性較粗，含砂量較大，使得水巖作用的程度相對不充分，而本區(qū)相對較大的地下水水位埋深也導致蒸發(fā)強度較弱，這些都足以引起山前地帶的地下水中氟的質(zhì)量濃度呈現(xiàn)出相對于中部平原區(qū)較低的特點。而由于本區(qū)接納山區(qū)排泄水流的同時構(gòu)成了平原區(qū)的“源區(qū)”，整體上處于區(qū)域地下水流動系統(tǒng)的中間位置，所以水中氟的質(zhì)量濃度表現(xiàn)出來既非“源”的特征，又非“匯”的特點，是一種中間狀態(tài)。隨水流搬運、堆積至本區(qū)的基巖的風化、半風化產(chǎn)物進一步風化成土，部分氟由結(jié)合態(tài)或者吸附態(tài)轉(zhuǎn)化為游離態(tài)得到釋放，以及一些地帶巖性變化較為復雜(砂與黏土互層、交錯分布)，導致水巖調(diào)節(jié)過程增多、程度增強，從而為這些地區(qū)的地下水向中氟水演化的趨勢提供了有利條件。

而作為區(qū)域地下水匯區(qū)的南陽盆地中部平原區(qū)，由于受周邊山區(qū)地表水和地下水的補給，隨地下水遷移的氟源源不斷地聚集于此，加上離地下水的源區(qū)較遠，地下水流程大大加長，而中部平原區(qū)的地形非常平緩，地下水流速緩慢，且水循環(huán)交替的周期長，蒸發(fā)濃縮作用強烈，水流的速度從源到匯經(jīng)歷了由快到慢的過程，在整個流程上接觸了更加多樣的巖土介質(zhì)，水巖調(diào)節(jié)過程更多，水巖作用因此較為充分，地下水中氟的質(zhì)量濃度也隨著鹽分的聚集而不斷升高。此外，由于南陽盆地平原區(qū)是河南省小麥、玉米、棉花以及煙葉等農(nóng)作物的高產(chǎn)區(qū)，農(nóng)業(yè)灌溉比較常見，傳統(tǒng)的“漫灌式”灌溉方式無疑加劇了區(qū)域內(nèi)水分的大量蒸發(fā)，進而導致本區(qū)土壤包氣帶積鹽，氟在表層土壤中的堆積為其進一步向地下水中的遷移提供了條件。

4 結(jié)論

a.南陽盆地淺層地下水中氟的分布具有明顯的分帶性特征，表現(xiàn)為從盆地周圍的山區(qū)到中部平原區(qū)水中氟的質(zhì)量濃度逐漸升高;山區(qū)以及山前地帶水中氟的質(zhì)量濃度較低，以低氟地下水為主;平原區(qū)則以中氟以及高氟水為主，低氟水的分布較少。

b.這種水中氟的分帶性分布是地下水流動系統(tǒng)的源區(qū)至匯區(qū)環(huán)境條件的差異引起的。在一定條件下，匯區(qū)聚集了源區(qū)遷移來的氟，從而呈現(xiàn)出水中氟的質(zhì)量濃度由源區(qū)到匯區(qū)由低到高的變化趨勢。

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