淮河流域平原區(qū)淺層地下水鐵錳分布特征及成因淺析＊

周鍇鍔，王赫生，龔建師，侯莉莉，朱春芳

（南京地質(zhì)礦產(chǎn)研究所，江蘇 南京 210016）

淮河流域地貌類型主要有山區(qū)、丘陵、平原及湖泊洼地，其中平原區(qū)占52%以上，區(qū)內(nèi)淺層地下水資源較為豐富。隨著地表水水質(zhì)的不斷惡化，水資源短缺問題更顯突出，開采地下水是淮河流域內(nèi)大多數(shù)地區(qū)解決缺水出路的一個(gè)主要方式，淺層地下水成為農(nóng)村地區(qū)生活飲用的主要水源。根據(jù)淮河流域地下水的水文地質(zhì)條件，淺層地下水可定義為可參與淺部水循環(huán)交替的地表以下20～50m 深度范圍內(nèi)的潛水和微承壓水［1］。據(jù)淮河流域2004－2006年的水質(zhì)分析資料，部分淺層地下水中存在鐵錳超標(biāo)現(xiàn)象（飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定鐵含量限值為0．3mg／L，錳含量限值為為0．1mg／L）。鐵、錳是人體必需的微量元素，但飲用水中含量過高，會(huì)直接影響人體健康［2］。因此，為保障淮河流域平原區(qū)飲水安全，分析其分布特征及規(guī)律具有十分重要的意義。

1 研究區(qū)概況

1．1 自然地理

淮河流域（包括淮河水系和沂沭泗水系）位于東經(jīng)111°55′～120°45′、北緯30°55′～36°05′之間，面積約26．9萬km2，地域主要涉及河南、安徽、江蘇和山東四省。淮河流域地形的總趨勢是西高東低，流域內(nèi)有山區(qū)、丘陵、廣闊的平原及湖泊洼地。其中平原區(qū)面積20．1萬km2，氣候自北向南由暖溫帶過渡到亞熱帶區(qū)內(nèi)氣候溫和、四季分明。

1．2 水文地質(zhì)條件

松散巖類孔隙水是淮河流域平原區(qū)分布最廣泛、最具有供水意義的含水層組，按其埋藏深度可分為淺層地下水和深層地下水。淺層含水巖組一般埋藏在地下50m 以淺，包括全新統(tǒng)、上更新統(tǒng)及部分中更新統(tǒng)地層，巖性主要為粉砂與細(xì)砂，厚5～30 m，水質(zhì)具有水平和垂向分帶的變化規(guī)律。其分布與富水性變化受古河道帶的控制，呈條帶狀展布。淺層孔隙地下水水位主要受降水、蒸發(fā)及地表水影響，水位變幅一般為1．5～2．5m［3，4］。

2 淮河流域平原區(qū)淺層水鐵錳分布特征

本文以國家地質(zhì)大調(diào)查項(xiàng)目《淮河流域環(huán)境地質(zhì)調(diào)查》為基礎(chǔ)，在淮河流域內(nèi)含水層的不同層位進(jìn)行了統(tǒng)一的水樣采集工作。地下水測試樣品采集在地下水埋深小于50m 層位進(jìn)行，共采水樣3260件。埋深小于50m 的地下水樣采集以民井為主，部分為手壓井及灌溉用機(jī)井，埋深小于50m 的地下水為廣大農(nóng)村居民的飲用水水源，調(diào)查該層位的地下水水質(zhì)狀況對(duì)農(nóng)村居民的安全飲水問題有很大幫助。

2．1 淺層地下水中鐵元素含量的分布特征

根據(jù)在研究區(qū)地下水中檢測出的鐵濃度值，按照地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，研究區(qū)可劃分為≤0．1mg／l（Ⅰ類水）區(qū)，0．1～0．2mg／l（Ⅱ類水區(qū)），0．2～0．3mg／l（Ⅲ類水）區(qū)，0．3～1．5mg／l（Ⅳ類水）區(qū)和＞1．5mg／l（Ⅴ類水）區(qū)五個(gè)區(qū)（圖1）。

≤0．1mg／l（Ⅰ類水）區(qū)：分布于河南段滎陽市－漯河市－羅山縣－固始縣、柘城縣北部－永城市西部，山東段東明縣－單縣－兗州市－滕州市－微山縣，安徽段淮北市北部與南部、亳州市北部與南部、宿州市－靈璧縣、阜陽市、阜南市、淮南市、天水市西部，江蘇段豐縣－沛縣－徐州市、邳州市－宿遷市－泗陽縣、泗洪縣、盱眙縣、灌南縣東南等地，面積71514．27km2，占評(píng)價(jià)區(qū)39．59%。

0．1～0．2mg／l（Ⅱ類水區(qū)）：分布于河南段鄭州市外圍、開封市西部－尉氏縣－太康縣－柘城縣、夏邑縣東部與南部、葉縣、周口市、西平縣、上蔡縣西部－息縣外圍－固始縣北部，山東段鄄城縣西部、鄆城縣、荷澤市、曹縣－單縣南部，安徽段碭山縣東南、宿州市北部－渦陽縣－固鎮(zhèn)縣西部－穎上縣、天水市西部，江蘇段豐縣－沛縣南部、邳州市西北、宿遷市東部－淮陰市－睢寧縣、灌南縣等地，面積37113．35km2，占評(píng)價(jià)區(qū)20．54%。

圖1 淮河流域淺層地下水（0～50m）鐵含量分布圖Fig．1 Distribution of Fe contents in shallow groundwater（0～50m）of the Huaihe River valley

0．2～0．3mg／l（Ⅲ類水）區(qū)：分布于河南段鄭州市外圍、尉氏縣北部、太康縣－商丘市東部－夏邑縣－永城市、上蔡縣西部－駐馬店南部、新蔡縣西部－固始縣北部、息縣，山東段鄄城縣西北、荷澤市、鄆城縣，安徽段碭山縣、淮北市－亳州市南部、蒙城縣、利辛縣－阜陽市西部、穎上縣、蚌埠市－五河縣、天水市西部，江蘇段邳州市西北部、宿遷市東部－淮陰市、東臺(tái)市西南等地。面積22069．53km2，占評(píng)價(jià)區(qū)12．21%。

0．3～1．5mg／l（Ⅳ類水）區(qū)：分布于河南段鄭州市、開封市－蘭考縣－商丘市、尉氏縣北部、扶溝縣東部、淮陽縣、周口市西部、上蔡縣－駐馬店市、新蔡縣、淮濱縣、潢川縣西部，山東段鄄城縣西北、鄆城縣西南、荷澤市北部，安徽段碭山縣西北、淮北市、亳州市、利辛縣、臨泉縣西部－阜南縣南部、固鎮(zhèn)縣西部、泗縣南部、靈璧縣北部，江蘇段宿遷市東部、連云港－濱?？h－漣水縣－興化市－海安縣等地，面積40998．67 km2，占評(píng)價(jià)區(qū)22．69%。本區(qū)含量超標(biāo)，一般超標(biāo)0．03～1．00倍。

＞1．5mg／l（Ⅴ類水）區(qū)：分布于河南段開封市東部、民權(quán)縣東南、上蔡縣東南、新蔡縣南，山東段鄄城縣西北，安徽段阜陽市西南、阜南縣南部、蚌埠市北部，江蘇段泗洪縣南部、洪澤縣北部、射陽縣－鹽城市－大豐縣、泰州市等地，面積8980．98km2，占評(píng)價(jià)區(qū)4．97%。本區(qū)含量超標(biāo)倍數(shù)較多，一般超標(biāo)4．40～14．00倍。河南段最大值出現(xiàn)在開封縣興隆鄉(xiāng)，含量7．55mg／l，超標(biāo)24．16倍。

2．2 淺層地下水中錳元素含量的分布特征

根據(jù)研究區(qū)地下水中檢測出的錳濃度值，研究區(qū)可分為以下4個(gè)區(qū)（圖2）：

圖2 淮河流域淺層地下水（0～50m）錳含量分布圖Fig．2 Distribution of Mn contents in shallow groundwater（0～50m）of the Huaihe River valley

≤0．05mg／l（Ⅰ、Ⅱ類水）區(qū)：分布于河南段滎陽市－禹州市－汝州市、鹿邑縣、虞城縣北部、永城市西部、上蔡縣南部－確山縣，山東段汶上縣北部－兗州市－微山縣、濟(jì)寧市北部、荷澤市東部－成武縣北部，安徽段亳州市、界首市東北、渦陽縣北部、太和縣北部、利辛縣南部、淮南市、五河縣、天水市，江蘇段豐縣、邳州市－宿遷市北部－泗洪縣、盱眙縣等地，面積19850．72km2，占評(píng)價(jià)區(qū)10．99%。

0．05～0．1mg／l（Ⅲ類水）區(qū)：分布于河南段鄭州市－杞縣－長葛市－魯山縣、太康縣、西華縣、鹿邑縣、永城市、商水縣、鄲城縣－沈丘縣、上蔡縣－正陽縣－羅山縣，山東段濟(jì)寧市北部、荷澤市東部－成武縣、單縣，安徽段碭山縣西北、淮北市西北及市區(qū)－利辛縣－阜南縣－靈璧縣、天水市西北部與東部，江蘇段豐縣、邳州市、宿遷市－沭陽縣、泗洪縣西部、淮陰市南部、盱眙縣東部、洪澤縣南部、金湖縣南部等地。面積49336．07km2，占評(píng)價(jià)區(qū)27．31%。

0．1～1．0mg／l（Ⅳ類水）區(qū)：分布于河南段鄭州市北部－商丘市－柘城縣－平輿縣－固始縣，山東段東明縣東部－巨野縣－單縣，安徽段碭山縣－淮北市、亳州市北部與南部、界首市北部、太和縣、阜南縣南部、穎上縣、泗縣、蚌埠市，江蘇段邳州市北部、宿遷市、連云港－鹽城市－泰州市面積106060．43km2，占評(píng)價(jià)區(qū)58．7%。本區(qū)含量超標(biāo)，一般超標(biāo)0．1～7倍。

＞1．0mg／l（Ⅴ類水）區(qū)：分布于河南段駐馬店東部、新蔡縣東南、淮濱縣東部，山東段鄄城縣東部、鄆城縣、嘉祥縣南部，安徽段淮北市北部，江蘇段泗陽縣南部、淮陰市－建湖縣等地，面積5429．57km2，占評(píng)價(jià)區(qū)3．01%。本區(qū)含量超標(biāo)倍數(shù)較多，一般超標(biāo)10．10～15．00倍。河南段最大值出現(xiàn)在郾城縣新店鄉(xiāng)齊羅村，含量1．71mg／l，超標(biāo)16．10倍。

3 淮河流域淺層水中鐵錳的形成原因及危害

埋深0～50m 的地下水中鐵含量為0．3～7．55 mg／l，錳含量為0．1～1．94mg／l（圖1、圖2），鐵、錳含量較高的超標(biāo)區(qū)域在淮河流域平原區(qū)中呈島狀分布。

鐵、錳的主要形成原因是淮河流域內(nèi)第四紀(jì)各個(gè)時(shí)期均沉積有鐵、錳組分，早更新世流域上游山前地帶及中游偏上沉積有含鈣質(zhì)結(jié)核及鐵錳小球的地層，且砂層中含黃鐵礦晶體；中更新世流域內(nèi)上游及中游沉積富含鈣質(zhì)結(jié)核及鐵錳小球的亞粘土。如河南省下更新統(tǒng)含豆大的鐵、錳結(jié)核，中更新統(tǒng)亦含較多的鐵、錳結(jié)核及鐵錳質(zhì)侵染，上更新統(tǒng)下部亦含有鐵錳結(jié)核。這為流域內(nèi)淺層地下水中鐵錳的聚集提供了物源基礎(chǔ)。

據(jù)全區(qū)水質(zhì)分析資料，流域內(nèi)第四系和第三系含水層水質(zhì)多為弱酸性水質(zhì)，鐵的溶解度在酸性水溶液中大于堿性溶液。在上述環(huán)境地質(zhì)條件下，地層中鐵錳質(zhì)結(jié)核及黃鐵礦、赤鐵礦含鐵硅鋁酸鹽等在地下水中溶解，影響鐵錳的富集和遷移［5］。這些鐵和錳質(zhì)組分在淋濾、地下水運(yùn)移過程中溶解于地下水，造成含量升高。另外，人類活動(dòng)造成的污水進(jìn)入地下水中激發(fā)地層中的鐵和某些組分發(fā)生交換使鐵含量升高。

據(jù)有關(guān)研究資料，高鐵地下水從含水層抽到地表的過程中，由于氧化還原環(huán)境、壓力、不同層位的水混合等條件的驟然變化，會(huì)在井管過濾器及附近地層發(fā)生鐵的氧化物沉淀、礦化物等物質(zhì)沉淀，導(dǎo)致出水量衰減，影響水井正常使用，而且含鐵的水中鐵細(xì)菌廣泛存在是井管堵塞和腐蝕的重要因素細(xì)菌對(duì)水質(zhì)的影響也具有潛在的危險(xiǎn)性。另外，污水中的有機(jī)質(zhì)屬較強(qiáng)的還原劑，可將土壤中的高價(jià)錳還原為二價(jià)錳，同時(shí)，有機(jī)微生物降解反應(yīng)產(chǎn)生CO2，二價(jià)錳在水中與CO2作用而溶解，造成錳含量升高［6－9］。

鐵錳和植物的生理過程也密切相關(guān)，植物所處的地質(zhì)條件及氣候決定了其內(nèi)鐵錳的含量。在沼澤或洪水泛濫區(qū)，由于植物中的鐵錳被萃取而溶于水中，使附近地表水、地下水中的鐵錳含量增高。當(dāng)發(fā)育有湖沼相、牛軛湖相、漫灘相沉積物時(shí)，尤其發(fā)育有淤泥或泥炭時(shí)，鐵錳離子就會(huì)發(fā)生富集，而在洪積相、沖積相或河流上游的沉積物中，一般地下水中含鐵量較低［10］。

有機(jī)物質(zhì)和硫化氫在地下水中都是較強(qiáng)的還原劑，使得高價(jià)錳還原為低價(jià)錳。因此，有機(jī)質(zhì)含量較高或與大氣隔絕較好的封閉還原環(huán)境及地下水中含量較高的酸性介質(zhì)環(huán)境是高錳的水文地球化學(xué)環(huán)境，與富鐵的水文地球化學(xué)環(huán)境相同。因此，pH 值是地下水中鐵、錳含量大小的原因之一［11］。江蘇段超標(biāo)區(qū)域主要位于廢黃河河床、漫灘相以外的地區(qū)與河間洼地等地帶，沉積顆粒細(xì)及地下水徑流條件差，易于富集。

綜上所述，認(rèn)為淮河流域地下水中鐵錳的形成和分布特征除受含水介質(zhì)成分、徑流條件、上覆土層性質(zhì)、酸堿條件等影響外，主要受氧化還原環(huán)境控制。人體攝入過量會(huì)引起中樞神經(jīng)中毒，震顫麻痹，長期飲用高鐵地下水可引起臟器官內(nèi)鐵沉淀，使肝臟受損。因此，淮河流域淺層地下水高鐵錳含量地區(qū)，在飲用時(shí)必須采取相應(yīng)的措施。降低地下水中鐵錳含量的方法有如下幾種，一是采用曝氣法配合采用除鐵除錳設(shè)備進(jìn)行水質(zhì)處理，可取得良好的效果；二是采用木炭、河砂過濾掉地下水中的鐵錳；三是根據(jù)用途選擇適當(dāng)?shù)拈_采層位，尋找鐵錳含量低的飲用水源，配合除鐵錳工藝已達(dá)到各自的用水目的；四是優(yōu)化水井結(jié)構(gòu)，下部井管盡量避免采取鐵絲、銅絲結(jié)構(gòu)［12－15］；五是通過改變地下水循環(huán)條件，促進(jìn)鐵錳的遷移排泄，降低其含量。

4 結(jié)論及建議

本文通過對(duì)淮河流域的淺層地下水鐵錳含量特征的分析與研究，得出如下結(jié)論：

①淮河流域淺層地下水是平原地區(qū)飲用水的主要來源之一，大多數(shù)地下水中都發(fā)現(xiàn)有可溶的鐵、錳存在，部分地區(qū)地下水鐵、錳含量超過國家飲用水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，不適于直接飲用；

②淺層地下水中鐵、錳離子含量較高主要是由原生沉積環(huán)境造成的，后期人類活動(dòng)增加了地下水中鐵錳的含量；

③含水介質(zhì)及土壤中的鐵錳結(jié)核是淮河流域平原地區(qū)淺層地下水中鐵錳離子的物質(zhì)基礎(chǔ)，氧化還原環(huán)境則是影響鐵錳元素富集的主要因素，另外PH、徑流條件等也是影響鐵錳含量分布的原因；

④可通過將富含鐵、錳離子的水進(jìn)行曝氣處理，并配合除鐵錳設(shè)備，操作簡單易行；或適當(dāng)加大開采淺層地下水的力度，加快淺層地下水的循環(huán)交替，可改變其氧化還原條件，降低鐵錳離子濃度，改善淮河流域平原地區(qū)淺層地下水水質(zhì)。

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