魯西南地區(qū)地下水錳的分布特征及其成因

朱恒華，徐建國，王瑋，王增輝，徐華，劉治政

(山東省地質(zhì)調(diào)查院，山東 濟(jì)南　250013)

魯西南地區(qū)地下水錳的分布特征及其成因

朱恒華，徐建國，王瑋，王增輝，徐華，劉治政

(山東省地質(zhì)調(diào)查院，山東 濟(jì)南250013)

為了解魯西南地區(qū)地下水中錳的含量及其成因，采集并分析了276組地下水樣和18組地表水樣，結(jié)果表明，魯西南平原區(qū)淺層地下水中錳含量在未檢出至2.84mg/L之間，平均濃度為0.35mg/L，超標(biāo)率達(dá)41%。魯西南地區(qū)地下水中錳含量的分布與該區(qū)的工業(yè)化程度以及所處的補(bǔ)、徑、排條件密切相關(guān)。影響地下水中錳含量分布的因素主要有表層土壤、地下水徑流條件及含水層介質(zhì)和地下水礦化度等。

地下水；錳含量；分布特征；魯西南地區(qū)

引文格式：朱恒華，徐建國，王瑋，等.魯西南地區(qū)地下水錳的分布特征及其成因[J].山東國土資源，2015,31(3):54-57.ZHU Henghua, XU Jianguo, WANG Wei, etc.Distribution Characteristics and the Origin of Manganese in Groundwater in Southwestern Shandong Province[J].Shandong Land and Resources,2015，31(3):54-57.

0　引言

20世紀(jì)80年代以來，隨著小城鎮(zhèn)的建設(shè)和拓展，城市化進(jìn)程步伐加快，魯西南地區(qū)地表水體不斷縮小，加上生活污水和工業(yè)廢水超標(biāo)排放，地下水強(qiáng)力開采，環(huán)境問題日趨嚴(yán)重。近年來，地表水污染加重，地下水的超量開采造成淺層地下水也受到不同程度的污染，隨著科技發(fā)展和人民生活水平的提高，飲用水安全問題日益受到重視。

有關(guān)資料表明中國地下水中錳是比較常見的超標(biāo)組分[1-4]，而錳超標(biāo)會(huì)影響人的中樞神經(jīng)，過量攝入對(duì)智力和生殖功能都有影響,生活中如果攝入過多的錳，人體會(huì)出現(xiàn)食欲不振、嘔吐腹瀉、腸道紊亂等癥狀，錳中毒后影響更為嚴(yán)重。為此，該文開展魯西南地區(qū)地下水中錳的分布特征及其成因研究，對(duì)于促進(jìn)該區(qū)居民飲用水安全具有十分重要的意義。

1　研究區(qū)概況

研究區(qū)主要包括濟(jì)寧市和菏澤市2個(gè)行政區(qū)的范圍，濟(jì)寧市是山東省魯南城市帶中心城市，已發(fā)展成為魯西南地區(qū)工業(yè)、經(jīng)濟(jì)、文化綜合性核心地區(qū)，菏澤市是省內(nèi)商品糧、棉、油、林、畜生產(chǎn)的重要基地。

研究區(qū)地形平坦，地勢(shì)起伏小，整體東部略高，地面標(biāo)高一般小于100m，由沖湖積平原到邊緣逐漸增高。從地貌類型上分為湖西的黃河沖積平原、沖積湖積平原區(qū)，以及湖東的汶泗河沖洪積平原區(qū)。

區(qū)內(nèi)出露地層主要為第四紀(jì)地層，湖東主要是山區(qū)地表水流及暫時(shí)性水流作用的產(chǎn)物，顆粒較粗；湖西主要是黃河多次泛濫及湖泊靜水沉積作用的產(chǎn)物，顆粒較細(xì)，第四系沉積厚度一般在20～320m，由東往西逐漸增厚。包氣帶巖性以粘質(zhì)砂土為主，黃河古河道決口扇地區(qū)為粘質(zhì)砂土與砂質(zhì)粘土互層及粘質(zhì)砂土與粉細(xì)砂互層為主；古河道帶以粉細(xì)砂為主；湖西沖湖積平原區(qū)為粘質(zhì)砂土與砂質(zhì)粘土互層，顆粒較細(xì)；湖東山前沖洪積平原區(qū)山前地區(qū)及沖洪積扇邊緣地區(qū)以砂質(zhì)粘土為主。

研究區(qū)內(nèi)之前未進(jìn)行該方面專題研究，通過收集多目標(biāo)地球化學(xué)項(xiàng)目表層土及深層土分析結(jié)果，結(jié)合該次工作所采集的地下水水質(zhì)分析結(jié)果，對(duì)該區(qū)淺層地下水錳分布特征進(jìn)行分析研究。

2　樣品采集與分析

2.1水質(zhì)分析樣品

2006—2010年，先后在該區(qū)采集地下水質(zhì)分析樣品276組，地表水樣品18組，取樣水井以淺層為主，井深控制在60m以淺，取樣前對(duì)水井進(jìn)行抽水半小時(shí)以上，保證了樣品的代表性和準(zhǔn)確性。2006—2008年度所采集樣品在山東省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)試，2009—2010年度所采集樣品在國土資源部華東礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測(cè)中心進(jìn)行測(cè)試，保證了樣品測(cè)試結(jié)果的可靠性。

2.2土壤分析樣品

“山東省黃河下游流域多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查報(bào)告”項(xiàng)目在該研究區(qū)的大部分區(qū)域采集了土壤表層土壤分析樣品，采樣密度為1km×1km，采樣深度20～30cm*山東省地質(zhì)調(diào)查院，龐緒貴、戰(zhàn)金成、王存龍，山東省黃河下游流域多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查報(bào)告，2003—2006年。。表層土壤元素全量測(cè)試分析由武漢綜合巖礦測(cè)試中心和山東省地質(zhì)科學(xué)研究院共同分析，分析指標(biāo)(元素)共計(jì)54項(xiàng)，Mn元素采用X射線熒光光譜法進(jìn)行分析測(cè)試。

3　結(jié)果分析

3.1分布特征

3.1.1地下水中錳含量分布特征

魯西南地區(qū)所分析的地下水中錳的含量在未檢出到2.84mg/L之間，平均含量為0.35mg/L(未檢出樣品點(diǎn)作為零處理)。該區(qū)居民飲水以小型集中式供水與分散式供水為主，對(duì)比生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)(GB5749-2006)顯示[5]，錳的限制取0.30mg/L，276組水質(zhì)分析樣品中超標(biāo)的達(dá)113組，其超標(biāo)率達(dá)41%，工作區(qū)涉及的19個(gè)縣市均有錳超標(biāo)出現(xiàn)，并且菏澤地區(qū)較濟(jì)寧地區(qū)超標(biāo)嚴(yán)重，其中淺層地下水Mn超標(biāo)率超過50%的縣市有兗州市、菏澤牡丹區(qū)、曹縣、成武縣、鄆城縣和巨野縣，其中曹縣超標(biāo)率達(dá)75%，超標(biāo)嚴(yán)重(表1)。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，兗州市地下水錳的評(píng)價(jià)含量最高，達(dá)0.62mg/L，平均含量最低的為曲阜市，僅為0.08mg/L，兩者相差較大，說明魯西南地區(qū)地下水中錳的含量極其不均勻。由地下水錳分布圖可以看出，地下水中錳超標(biāo)點(diǎn)主要分布在濟(jì)寧地區(qū)任城區(qū)、兗州市、鄒城市及菏澤地區(qū)的菏澤市、巨野縣、曹縣地區(qū)(圖1)。

表1　魯西南地區(qū)地下水中錳含量檢出超標(biāo)情況

注：①引用生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)(GB5749-2006)，大于0.30mg/L為超標(biāo)；②計(jì)算過程中把未檢出作為零處理；③“ND”表示實(shí)驗(yàn)室未檢出。

圖1　地下水錳含量分布

綜合該區(qū)地形地貌、水文地質(zhì)條件等資料，地下水中錳含量較高地區(qū)往往集中在工業(yè)發(fā)達(dá)地區(qū)及地下水排泄區(qū)，微山湖周邊地區(qū)地下水中錳含量高于其他周邊地區(qū)，另外在古河道帶的曹縣及工業(yè)化水平較高的菏澤市區(qū)、兗州市及鄒城市地下水中錳含量較高，即該區(qū)錳含量的分布與該區(qū)工業(yè)化水平及所處的水文地質(zhì)條件密切相關(guān)。

3.1.2區(qū)域表層土壤錳含量分布特征

土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB15618-1995)中對(duì)錳含量的環(huán)境質(zhì)量沒有進(jìn)行限值，根據(jù)全國有效土壤元素分級(jí)指標(biāo)(mg/kg)分級(jí)，研究區(qū)全部為含量極高地區(qū)。由表層土壤錳含量分布圖可以看出，表層土壤中錳含量分布較高地區(qū)主要集中在濟(jì)寧市的魚臺(tái)縣、金鄉(xiāng)縣、嘉祥縣、巨野縣以及菏澤市的市區(qū)、鄄城縣、鄆城縣和梁山縣等地，其中濟(jì)寧市的微山湖以西地區(qū)表層土壤中錳的含量最高(圖2)。

圖2　表層土壤中錳含量分布

3.2成因分析

地下水中錳的來源通常是由于巖石和礦物中錳的氧化物、硫化物、碳酸鹽、硅酸鹽等溶解于水所致[6],如MnCO3+CO2+H2O=Mn(HCO3)2，高價(jià)錳的氧化物,如軟錳礦(MnO2)等,在缺氧的還原環(huán)境中,能被還原(還原劑H2S)為二價(jià)錳而溶于含碳酸的水中,此外,在富含有機(jī)物(如腐質(zhì)酸等)的水中,還可能存在有機(jī)錳。地下水中錳的形成和遷移富集，除與地下水含水介質(zhì)及其上覆巖土成分有關(guān)外，還與地下水的徑流條件、礦化度及有機(jī)質(zhì)含量等有關(guān)。

3.2.1人為污染

魯西南地區(qū)作為山東重要的糧棉基地，工業(yè)化程度相對(duì)山東其他地區(qū)較低，該區(qū)主要以小型企業(yè)為主，僅濟(jì)寧市的任城區(qū)、兗州市及鄒城市工業(yè)相對(duì)發(fā)達(dá)，該區(qū)許多中、小型企業(yè)工業(yè)污水、廢水處理能力差，其廢水大多未經(jīng)處理直接排放至地表水體或者就近排放，造成該區(qū)淺層地下水污染。

該次工作共分析地表水樣品18組，分析結(jié)果顯示(表2)，18組樣品中8組樣品未檢出Mn，地表水體中錳含量較低，檢出中錳含量最大值為0.2mg/L。在濟(jì)寧地區(qū)的主要河流處布設(shè)5條河流-地下水監(jiān)測(cè)剖面，由分析結(jié)果可以看出，河流對(duì)地下水的影響不明顯，地下水一定程度上污染地表水體，而不是地表水錳含量影響附近地下水錳含量(表3)。

表2　魯西南地區(qū)部分地表水體中錳、礦化度含量

表3　濟(jì)寧地區(qū)5個(gè)剖面中各水體的錳含量

注：其中樣品編號(hào)1-1，2-1，3-1，4-1，5-1為河流取樣點(diǎn)，其余為水井取樣點(diǎn)。

由地下水錳含量分布圖及污染源調(diào)查資料可知，除個(gè)別地區(qū)如濟(jì)寧市中區(qū)、兗州市、鄒城市及菏澤市區(qū)工業(yè)化水平較高，工業(yè)以煤礦開采、造紙廠、食品廠等為主，其他如巨野縣、曹縣等地工業(yè)化水平較低，錳含量超標(biāo)點(diǎn)與工業(yè)污染源無直接的對(duì)應(yīng)關(guān)系，該區(qū)地下水中高錳主要與該區(qū)的背景值有關(guān)，人為污染僅影響魯西南局部地區(qū)地下水錳含量的分布。

3.2.2上覆蓋層性質(zhì)

地下水上覆蓋層中有機(jī)質(zhì)和錳含量會(huì)影響附近地下水體中的錳含量，上覆蓋層有機(jī)質(zhì)越多，越容易通過淋濾作用使表層土壤中的錳帶入至地下水體中，而相關(guān)研究已表明地下水中的錳含量與其上覆蓋層中的錳含量呈明顯的正相關(guān)關(guān)系[7]。

魯西南地區(qū)淺層地下水水位埋深較淺，地勢(shì)起伏較小，地勢(shì)低洼，包氣帶巖性以粉土為主，表層土壤中錳含量較高，所處的環(huán)境也往往是過渡環(huán)境或還原環(huán)境，有利于錳離子的價(jià)位轉(zhuǎn)換，使土壤和包氣帶中的Mn4+被還原為Mn2+，通過淋濾作用進(jìn)入地下水中，上覆蓋層性質(zhì)對(duì)于研究區(qū)地下水錳含量分布的影響程度較大(圖2)。

3.2.3地下水徑流條件及含水層介質(zhì)

地下水的徑流條件和含水層介質(zhì)的巖性也是影響地下水錳的遷移和富集的重要因素之一。一般情況下，地下水徑流條件越好，含水層介質(zhì)滲透系數(shù)高的地區(qū)，地下水中的錳元素就越容易流失而貧乏，反之，則容易富集。

魯西南地區(qū)湖東地區(qū)含水層巖性以中砂、粗砂為主，山前部分地區(qū)為砂礫石；湖西地區(qū)含水層巖性主要為細(xì)砂、粉砂為主。湖東地區(qū)較湖西地區(qū)地下水的徑流條件要好，地下水中錳含量湖西地區(qū)相對(duì)容易富集。相關(guān)研究表明，地下水錳含量隨著含水層介質(zhì)錳含量的增高而增高，地下水徑流條件和含水層介質(zhì)為影響該區(qū)地下水錳含量分布的因素之一。

3.2.4地下水的礦化度

地下水中礦化度值越高，表明水中陰、陽離子含量較高。若地下水中的陽離子越多，就越容易通過離子交換把部分錳離子從含水層的陽離子吸附劑中釋放出來進(jìn)入地下水中，同樣，而地下水中的陰離子越多，也能起相似的作用。由地下水中礦化度含量分布圖(圖3)可以看出，礦化度超標(biāo)點(diǎn)(對(duì)比生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)(GB5749-2006)中小型集中式供水和分散式供水部分水質(zhì)指標(biāo)及限值表顯示，礦化度以1500mg/L為界)與錳超標(biāo)點(diǎn)(圖1)具有一定的相關(guān)性。

圖3　地下水礦化度含量分布

4　結(jié)論

(1)魯西南地區(qū)所分析的地下水中錳的含量在未檢出到2.84mg/L之間，平均含量為0.35mg/L，其超標(biāo)率達(dá)41%，菏澤地區(qū)較濟(jì)寧地區(qū)超標(biāo)嚴(yán)重，其中淺層地下水Mn超標(biāo)率超過50%的縣市有兗州市、菏澤牡丹區(qū)、曹縣、成武縣、鄆城縣和巨野縣，其中曹縣超標(biāo)率達(dá)75%，超標(biāo)嚴(yán)重。

(2)影響魯西南地區(qū)地下水中錳含量分布的因素主要有表層土壤、地下水徑流條件及含水層介質(zhì)和地下水礦化度等。

(3)人為污染對(duì)該區(qū)部分地下水中錳超標(biāo)有影響，地表水污染對(duì)地下水中錳含量超標(biāo)無直接影響關(guān)系，主要與該區(qū)土壤及地下水中錳含量背景值、水文地質(zhì)條件及地下水補(bǔ)、徑、排等有關(guān)。

[1]任陶軍,李曉,周亞芹.成都市地下水中鐵、錳變化規(guī)律及成因分析[J].水土保持研究，2007，14(1)：211-214．

[2]王嵐,孟憲憲,徐洪恩.佳木斯市水源地源水鐵、錳含量超標(biāo)的原因分析[J].環(huán)境科學(xué)與管理，2006，31(1)：152-153.

[3]朱錦旗,王彩會(huì),陸徐榮,等.蘇錫常地區(qū)淺層地下水鐵錳離子分布規(guī)律及成因分析[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2006，(3)：30-33．

[4]劉南發(fā).湛江市高鐵錳地下水成因分析及利用對(duì)策探討[J].西部探礦工程，2004，(11)：217．

[5]GB5749-2006.生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)[S]．北京：標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007.

[6]沈照理.水文地球化學(xué)基礎(chǔ)(試用本)[M].武漢：武漢地質(zhì)學(xué)院，1995.

[7]曾昭華,丁漢文,多超美,等．江西省鄱陽湖地區(qū)地下水環(huán)境背景形成的控制因素[J]．水文地質(zhì)工程地質(zhì)，1990，(4)：36-39.

Distribution Characteristics and the Origin of Manganese in Groundwater in Southwestern Shandong Province

ZHU Henghua, XU Jianguo, WANG Wei, WANG Zenghui, XU Hua, LIU Zhizheng

(Shandong Geological Surveying Institute, Shandong Jinan 250013, China)

In order to understand the content and origin of manganese in groundwater in southwest region of Shandong province, after collecting and analyzing 276 groups of groundwater samples and 18 groups of surface water samples, it is showed that the content of manganese in shallow groundwater in southwestern plain is in undetected to 2.84mg/L, average concentration is 0.35mg/L, and over standard rate is 41%. Content distribution of manganese in groundwater has close relation with the degree of industrialization, filling, runoff and discharge conditions in this region. Top soil, flow conditions of groundwater, aquifers media and salinity of underground water are main factors affected the distribution of manganese.

Groundwater; manganese content; distribution characteristics; origin; southwestern Shandong province

2014-04-04；

2014-06-11；編輯：曹麗麗

中國地質(zhì)調(diào)查局國土資源大調(diào)查項(xiàng)目(編號(hào)：1212010634503)資助

朱恒華(1981—)，男，山東萊蕪人，高級(jí)工程師，主要從事水文水資源調(diào)查工作；E-mail：hhzhu2008@sina.com

P641

B