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    安徽省淮北市地下水中氟的空間分布特征及成因

    2014-12-13 05:08:22邢懷學(xué)葛偉亞葉念軍龔建師周鍇鍔朱春芳
    地球?qū)W報 2014年2期
    關(guān)鍵詞:淮北市淺層離子

    邢懷學(xué), 李 亮, 葛偉亞, 葉念軍, 龔建師, 周鍇鍔, 朱春芳

    中國地質(zhì)調(diào)查局南京地質(zhì)調(diào)查中心, 江蘇南京 210016

    氟在人體內(nèi)以微量成分存在, 它是體內(nèi)維持骨骼正常發(fā)育必不可少的成分, 同時氟的攝取又不可過多, 過量的氟可導(dǎo)致人產(chǎn)生地方性氟病。眾多學(xué)者針對高氟水環(huán)境地質(zhì)問題開展了一系列的研究,代表性成果有以下幾個方面: 非飽和帶氟運(yùn)移規(guī)律及不同礦物成分對氟離子的吸附性研究(Bower et al., 1967; Omueti et al., 1981); 高氟地下水的形成演化的水環(huán)境條件模式研究(安鐘元, 1985; 張乃明,2001); 高氟地下水形成演化的水-作用定量模型技術(shù)研究(曾濺輝等, 1996; 曹玉清等, 1997); 高氟水的成因及分布規(guī)律研究(王根緒等, 2000; 李彩霞等,2008; 何錦等, 2010)。有關(guān)淮北平原地區(qū)地下水氟的分布特征和影響因素, 前人也做過相關(guān)研究(鄧英春, 2006; 吳泊人等, 2010; 丁丹等, 2009; 許光泉等, 2009; 徐冬生等, 2010; 龔建師等, 2010), 但是目前為止還沒有人對淮北市高氟水的分布及成因進(jìn)行全面系統(tǒng)的分析。本次研究從北到南(重點(diǎn)淮北市區(qū)及周邊), 通過采集267個埋深小于等于50 m的淺層地下水樣, 71個大于50 m的深層地下水樣, 對氟及其相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行了測試, 發(fā)現(xiàn)淮北市部分地下水中氟含量超過了飲用水標(biāo)準(zhǔn), 氟含量多處大于1.5 mg/L, 最高可達(dá)8.47 mg/L。如果每天攝入體內(nèi)的氟超過 4.0 mg, 氟將在體內(nèi)蓄積, 時間長了就會發(fā)生氟中毒(Zhang et al., 2007)。本文分析了淮北市氟的空間分布特征及其影響因素, 為準(zhǔn)確評價淮北市地下水狀況提供依據(jù), 同時對氟病防治和城市飲水安全有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

    淮北市位于安徽省北部, 轄三區(qū)(相山區(qū)、杜集區(qū)及烈山區(qū))一縣(濉溪縣), 坐標(biāo): 東經(jīng) 116°23′—117°02′, 北 緯 33°16′— 34°14′, 市 域 總 面 積2714 km2?;幢笔斜辈肯嗌? 海拔342 m, 東、西、南均為廣闊的平原, 地勢平坦, 西北高, 東南低。屬季風(fēng)溫暖帶半濕潤氣候區(qū), 多年平均降水量816.7 mm, 且降雨多集中在7—9月份。新汴河、王引河、新濉河自北向南東流經(jīng)本區(qū), 均為季節(jié)性河流, 系淮河水系。

    淮北地區(qū)屬于華北地層區(qū)、魯西地層分區(qū), 徐州—宿縣小區(qū)?;鶐r主要有寒武系、奧陶系、石炭系和二迭系等地層, 淮北市基巖供水的主要層位是奧陶系灰?guī)r。本區(qū)碳酸鹽巖分布為東西寬4~10 km,南北長36 km, 面積360 km2狹長地帶。其中北部有22 km2的低山丘陵裸露。從區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造講, 淮北市座落在徐宿弧形構(gòu)造中, 處于宿北斷裂北側(cè)。區(qū)內(nèi)NNE向構(gòu)造發(fā)育, 有近30多個向、背斜和40個斷層, 再加上伴生的近東西向張性斷裂, 使巖層產(chǎn)生大量張裂隙, 為地下水提供了良好的儲存空間和徑流通道。

    根據(jù)巖石含水介質(zhì)類型及其組合特征, 區(qū)內(nèi)地下水類型可分為松散巖類孔隙水、碳酸鹽巖類裂隙巖溶水。根據(jù)松散沉積的結(jié)構(gòu)特征, 特別是含水層間的水力聯(lián)系, 可分出淺層、深層兩個含水層組,兩者之間的界限約在地表以下50 m。淺層含水層組砂層發(fā)育, 有2~3層, 累計厚度10~30 m; 砂層間無穩(wěn)定的粘性土分布, 含水層之間常只有1~4 m的粘性土相隔, 許多地方粘性土尖滅。深層含水巖組由中更新統(tǒng)下部、下更新統(tǒng)和中新統(tǒng)組成, 厚度 10~35 m, 最厚>60 m。區(qū)內(nèi)裂隙巖溶最發(fā)育的層位是下奧陶統(tǒng)馬家溝組(O1m)、中寒武統(tǒng)張夏組(?2z)。巖溶發(fā)育程度、裂隙巖溶水的富集與運(yùn)移, 主要受構(gòu)造控制, 在導(dǎo)水?dāng)嗔?、褶曲軸部, 特別是構(gòu)造復(fù)合部位, 巖溶發(fā)育尤為強(qiáng)烈。在地層和構(gòu)造有利地段,裂隙巖溶水極為富集, 單井涌水量大于5000~10000 m3/d。抽取裂隙巖溶水形成的降落漏斗的展布方向, 與主要構(gòu)造形跡的展布方向一致。

    1 取樣與分析

    2007年10月至2010年5月, 對本區(qū)地下水進(jìn)行了系統(tǒng)采樣(市區(qū)部分機(jī)井進(jìn)行了多次重復(fù)采樣進(jìn)行地下水監(jiān)測, 評價時取數(shù)據(jù)平均值), 共采集地下水樣品338個(圖1), 其中淺層(≤50 m)267個, 深層(>50 m)71個, 由于淮北市主要使用地下水為主要供水水源, 71口深井中有50口為市區(qū)或者周邊城鄉(xiāng)村鎮(zhèn)或企業(yè)的集中供水井。

    運(yùn)用德國GARMIN GPS定位儀對采樣點(diǎn)進(jìn)行定位, 水樣采用 350 mL聚乙烯瓶及玻璃瓶按規(guī)范進(jìn)行, 所有樣品在經(jīng)處理后于3天之內(nèi)送到實(shí)驗(yàn)室,放置于冰箱待測?,F(xiàn)場進(jìn)行溫度、pH值、礦化度、電導(dǎo)率、氧化還原電位、溶解氧、濁度等指標(biāo)測試。水樣測試由南京地質(zhì)礦產(chǎn)研究所實(shí)驗(yàn)測試中心按照DZ/T0064—1993《地下水質(zhì)檢驗(yàn)方法》、DZ/T0130.6—2006《地質(zhì)礦產(chǎn)實(shí)驗(yàn)室測試質(zhì)量管理規(guī)范》、中國地質(zhì)調(diào)查局《地下水污染調(diào)查評價規(guī)范》進(jìn)行。無機(jī)測試項(xiàng)目主要包括: 溶解性總固體、總硬度、化學(xué)需氧量(Chemical Oxygen Demand簡稱 COD)、H2SiO3、NO3–、NO2–、NH4+、SO42–、CO32–、HCO3–、Cl–、F–、I–、Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Fe、Mn、Pb、Zn、Cd、Cr6+、Hg、As、Se、Al等。

    圖1 淮北市地下水采樣點(diǎn)分布圖Fig.1 Distribution of groundwater sampling sites in Huaibei City

    2 氟在地下水中的分布特征

    2.1 空間分布特征

    根據(jù)氟含量的不同, 將淮北市高氟地下水劃分為 3級區(qū)域, 即Ⅰ級高氟地下水區(qū), 氟含量大于3.0 mg/L; Ⅱ級高氟地下水區(qū), 氟含量為2.0~3.0 mg/L; Ⅲ級高氟地下水區(qū), 氟含量范圍為1.0~2.0 mg/L。利用GIS軟件, 采用克里格插值方法進(jìn)行氟含量等值線繪制(圖2)??梢钥闯? 淮北市高氟水區(qū)以Ⅲ級為主, 面積大, 分布連續(xù)廣泛, Ⅰ、Ⅱ級為局部小面積或點(diǎn)狀分布, 其外圍則為Ⅲ級高氟水區(qū)??傮w來看, 高氟水主要分布在北部相山巖溶地區(qū)、濉溪縣徐樓鎮(zhèn)和宋疃鎮(zhèn)邵山村附近, 具體分布情況分述如下。

    Ⅰ級高氟地下水區(qū)范圍很小, 呈零星點(diǎn)狀分布于朔里、高岳、鐘樓、宋疃等鎮(zhèn)的行政村或自然村范圍, 從地形地貌及水化學(xué)條件可知, 這些地方大部分位于山前平原。

    圖2 淮北市地下水氟含量等值線圖Fig.2 Groundwater fluorine contour diagram of Huaibei City

    Ⅱ級高氟地下水區(qū)主要位于西北部, 呈片狀或點(diǎn)狀分布于朔里、高岳、鐘樓、宋疃、徐樓等, 其地下水交替和水化學(xué)條件與Ⅰ級高氟水區(qū)相近, 但氟源、氟含量相對較低。

    Ⅲ級高氟地下水區(qū)主要呈北東—南西方向分布于采樣區(qū)中部和西部, 分布于Ⅰ、Ⅱ級區(qū)的外圍,面積較廣, 氟含量一般小于 2.0 mg/L, 總體上Ⅲ級高氟水區(qū)的形成條件弱于Ⅰ、Ⅱ級區(qū)。

    2.2 縱向分布特征

    地下水氟的超標(biāo)率在垂直方向上的分布呈現(xiàn)隨井深的增加而降低的趨勢, 與取水層位的深度有密切關(guān)系。小于 20 m深的淺層地下水中氟超標(biāo)率45%, 在 20~50 m深度范圍內(nèi)氟的超標(biāo)率為26.87%, 到大于50 m深度范圍氟超標(biāo)率則降低為16.90%(表 1)。

    3 高氟水的成因分析

    3.1 氟的物質(zhì)來源

    比較充足的物質(zhì)來源和特定的水文地質(zhì)化學(xué)環(huán)境是形成高氟的基本條件(楊麗芝等, 2013)?;幢笔泻畬咏M地層中普遍含有氟礦物, 粘土礦物中富含高嶺石、蒙脫石及水云母, 砂層中含有云母、磷灰石、電氣石及角閃石等礦物, 此類礦物易吸附氟離子, 并在一定溫度下, 能將吸附的氟離子溶于水中, 使地下水中氟離子濃度變大。其中淺層水中主要為包氣帶中氟的垂向淋溶及含水層氟的淋濾水解。深層水中由于垂向交替作用的減弱, 水平徑流對氟的遷移富集作用相對增強(qiáng), 使含水層中氟含量增大。偏干旱的氣候條件、偏堿性的水土環(huán)境會導(dǎo)致地下水中氟含量高。地下水高氟集中分布區(qū)還與煤礦、電廠等高氟廢物排放場地具有一致性, 如淮北楊莊煤礦、淮北二電廠等。

    3.2 F–與pH值、Ca2+、Cl–、溶解性總固體的關(guān)系

    有研究指出, 高氟地下水集中分布于 pH值為7.4~8.2的變化區(qū)間, 并在 7.6~7.8之間分布密度最高, 高氟水都為堿性水, 但并不表現(xiàn)出隨 pH值的增大氟含量升高的變化趨勢, 高氟水只是在一定的pH值區(qū)間出現(xiàn)(李向全等, 2007)。淮北地下水的pH值與F–的含量存在正相關(guān)性(圖3a)。在中性和偏堿性水中, 氟的存在形式有 10余種, 其中以 F–、CaF+、MgF+為主要形式, 隨著 pH 值的上升, 可溶性F–占據(jù)主要地位(曾濺輝等, 1996)。國內(nèi)外研究顯示: pH值對于氟在水中的賦存形態(tài)有決定性作用,偏堿性水更有利于含氟礦物的溶解, 堿性、偏堿性水使水中的鈣離子的活度降低, 從而抑制水中 F-的聚集作用, 利于其在地下水中的富集(蘇饋?zhàn)愕?2009; 謝虹等, 2005)。另外, 堿性條件下的OH–離子含量較多, 易于置換含氟礦物中的 F–, 致使其濃度升高(張威等, 2004)。

    表1 不同深度氟含量統(tǒng)計表Table 1 Statistics of fluorine content at different depths

    圖3 F–與pH值、Ca2+、Cl–、溶解性總固體的相關(guān)關(guān)系Fig.3 The correlation between F– and pH, Ca2+, Cl–, TDS

    F–含量與 Ca2+含量呈現(xiàn)出負(fù)相關(guān)(圖3b)。隨著Ca2+含量的升高, F–含量出現(xiàn)了下降的趨勢, 這是由于鈣離子可以與氟離子結(jié)合生成含磷灰石(Ca5(PO4)3F)、螢石(CaF2)等固體物質(zhì), 使得地下水內(nèi)的氟離子與鈣離子發(fā)生反應(yīng)而沉淀下來。

    Cl–和F–也具有正相關(guān)(圖3c), 這說明區(qū)內(nèi)氟有一部分來源于工業(yè)、生活污染物。

    F–含量與水的溶解性總固體呈現(xiàn)正相關(guān)性(圖3d), 說明淮北市高礦化度水中容易出現(xiàn)高氟水, F–含量隨著TDS的增大而升高。

    4 結(jié)論

    1)淮北市地下水氟含量在空間上總體存在北高南低的現(xiàn)象, 在局部氟含量高的地段呈點(diǎn)狀分布,氟的超標(biāo)率在垂向上由淺層至深層呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢, 含量平均值差別不大。

    2)氟含量高的地區(qū)與淮北市煤礦、電廠等企業(yè)的分布存在一致性, 表明淮北市部分淺層地下水受到了工礦企業(yè)的污染。

    3)氟離子含量高還與淮北市的環(huán)境條件有關(guān)。F–含量與Ca2+含量負(fù)相關(guān)性, 隨著Ca2+含量的升高,F–含量出現(xiàn)了下降的趨勢, 這是由于鈣離子可以與氟離子結(jié)合生成含磷灰石(Ca5(PO4)3F)、螢石(CaF2)等固體物質(zhì), 使得地下水內(nèi)的氟離子與鈣離子發(fā)生反應(yīng)而沉淀下來。另外, 在堿性條件以及高礦化度的地下水環(huán)境介質(zhì)中, 更利于氟的富集。

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