內(nèi)蒙古河套平原淺層高鐵高氟地下水分布與成因

馮翠娥,高存榮*,王俊濤,劉文波 ,宋建新,康 偉

1)中國(guó)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院,北京 100081;2)中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京),北京 100083

鐵(Fe)是地殼的主要構(gòu)成元素,廣泛存在于自然界中,其克拉克值為4.7。鐵也是人體必要元素之一,攝入不足會(huì)產(chǎn)生貧血癥,過(guò)量則會(huì)產(chǎn)生糖尿病、鐵塵肺及影響肝臟功能(譚見(jiàn)安等,2004;王曉波等,2001),在中華人民共和國(guó)《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB5749—2006)中的限值是 0.3 mg/L,雖然鐵被列為感官性狀和一般化學(xué)指標(biāo)類,但是,長(zhǎng)期飲用和使用高鐵水不僅對(duì)人體有危害,而且對(duì)人們的日常生活和工業(yè)生產(chǎn)都有危害(李冬等,2011;王曉波等,2001)。氟也是人體不可缺少的營(yíng)養(yǎng)元素之一,但是過(guò)量攝入會(huì)引發(fā)氟中毒,在我國(guó)《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB5749—2006)中氟屬于毒理指標(biāo)類,限值是1.0 mg/L。氟中毒是由人體長(zhǎng)期攝入過(guò)量的氟所致,以氟骨癥和氟斑牙為主要特征的一種慢性全身性疾病,在我國(guó)(Wang et al.,1995;李向全等,2007;范基姣等,2008;李永華等,2002;邢懷學(xué)等,2014)以及世界各國(guó),如印度(Ayoob et al.,2006)、坦桑尼亞(Mjengera et al.,2003)、墨西哥(D?'az-Barrigo et al.,1997)、阿根廷(Kruse et al.,2003)和南非(WRC,2001)等,都有發(fā)生。全世界已有超過(guò)2億人飲用高氟水,即飲用水中氟化物含量超過(guò)了世界衛(wèi)生組織的指導(dǎo)值(F–>1.5 mg/L) (Manouchehr et al.,2008)。

河套平原是我國(guó)最大的引黃灌區(qū),也是內(nèi)蒙古自治區(qū)重要的糧食生產(chǎn)地區(qū)之一。地下水是該區(qū)廣大居民主要供水水源,但是水質(zhì)狀況令人擔(dān)憂,該平原不僅是一個(gè)高砷地下水的分布區(qū)(高存榮,1999;高存榮等,2010,2014a),同時(shí)也是一個(gè)有大量地下咸水(內(nèi)蒙古自治區(qū)水文隊(duì),1982;高存榮等,2014b)和高鐵、高氟地下水分布的地區(qū)(高存榮等,2014c;劉文波等,2014)。不良地下水體的存在,嚴(yán)重影響著當(dāng)?shù)鼐用竦纳眢w健康和生活水平的提高,也是制約該地區(qū)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展的重要因素之一。

為了查明該平原地下水的水質(zhì)狀況,掌握其分布規(guī)律,提升對(duì)該平原地下水水質(zhì)形成演化機(jī)理的認(rèn)識(shí),2006—2013年,在中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目和國(guó)家財(cái)政專項(xiàng)的資助下,作者在該區(qū)域開(kāi)展了較為廣域的區(qū)域水文地質(zhì)與地下水水質(zhì)專項(xiàng)調(diào)查、監(jiān)測(cè)工作,其中,采集和分析各類地下水水質(zhì)樣品總計(jì)達(dá)932件,巖土樣品320余件,鉆探取樣調(diào)查總進(jìn)尺1944 m,調(diào)查研究總面積12510.83 km2。本文將以這些調(diào)查與水質(zhì)檢測(cè)數(shù)據(jù)資料為依據(jù),對(duì)河套平原高鐵、高氟地下水的分布特征和地質(zhì)環(huán)境背景進(jìn)行分析研究,從而揭示其成生規(guī)律。

1 研究區(qū)概況

1.1 自然地理地貌

河套平原位于內(nèi)蒙古自治區(qū)西部,地理坐標(biāo)為北緯 40°10′—41°20′,東經(jīng) 106°15′—109°30′,行政區(qū)劃屬于巴彥淖爾市,東西長(zhǎng)約 250 km,南北寬約60 km,總面積約13000 km2(圖1)。平原的東、北、西分別接烏拉山、陰山山脈和狼山,南臨黃河與庫(kù)布齊沙漠。該平原屬于典型的大陸性干旱半干旱氣候區(qū),降雨量小、蒸發(fā)量大,多年平均降雨量為100～220 mm,蒸發(fā)量為1900～2500 mm,年平均氣溫為5.6～7.8℃。

圖1 研究區(qū)地理位置圖Fig.1 Geological location of the study area

河套平原地勢(shì)平坦開(kāi)闊,總體呈現(xiàn)西高東低,南高北低的傾向,局部有一定的起伏,形成崗丘和洼地,區(qū)內(nèi)大的地貌類型主要表現(xiàn)為以下3種。

山前沖洪積扇形傾斜平原:寬約 5～10 km,面積約900 km2,地面標(biāo)高為1030～1060 m,微向南傾,南部為扇前平原,包括扇裙前緣洼地和扇間地帶,由于巖性變細(xì),地勢(shì)較低,常構(gòu)成地下水的溢出帶,形成由地下水補(bǔ)給的湖泊和濕地景觀。

黃河沖湖積平原:位于平原中部,面積約9600 km2,地面標(biāo)高為1052～1018 m,地勢(shì)平坦開(kāi)闊,地形自西向東,由南向北逐漸降低,總的地勢(shì)向東北傾斜,區(qū)內(nèi)由于黃河多次改道泛濫和殘留湖泊的退縮,形成許多微地貌景觀,如古河道、牛軛湖、帶狀沙丘和湖沼濕地等。

烏蘭布和近代風(fēng)積沙地:分布于磴口—太陽(yáng)廟一線以西,面積約 2500 km2,地面標(biāo)高為1070～1030 m,總體地形呈現(xiàn)東南高西北低,沙地的下部為沖湖積相堆積物,為就地起沙形成,目前大部分為固定與半固定沙丘。

1.2 水文地質(zhì)條件

河套平原為一形成于侏羅紀(jì)晚期的中新生代斷陷盆地,在構(gòu)造形態(tài)上,呈現(xiàn)北深南淺,西深東淺不對(duì)稱的箕狀拗陷。特殊的沉積構(gòu)造條件,形成了以細(xì)粒相為主的沖湖積含水層系統(tǒng),按其埋藏條件和含水層的水文地質(zhì)特點(diǎn)及開(kāi)發(fā)利用價(jià)值,劃分為上更新統(tǒng)—全新統(tǒng)含水巖組即第一含水巖組,和中更新統(tǒng)含水巖組即第二含水巖組。第一含水巖組厚度最大可達(dá)240 m,分布廣,供水意義較大;第二含水巖組在山前和平原南部的地下隆起區(qū)分布較廣,埋藏較淺,有一定的供水意義,其他地區(qū)埋藏較深供水意義不大。

河套平原地下水總的流向是自西向東,但是大部分的淺層地下水靠區(qū)內(nèi)數(shù)條自南而北的排水干渠,匯入北部由西向東的總排水干渠,然后再經(jīng)總排水干渠流入東部的烏梁素海,由于烏梁素海的作用,東部地區(qū)往往又受到烏梁素?；厮难a(bǔ)給,使地下水水位不斷抬升,產(chǎn)生了大量的土壤次生鹽漬化。

河套平原是一個(gè)以垂直水交替為主的封閉的地下水盆地,由于降雨量少,除了北部山前洪積扇的部分地下水是來(lái)自山區(qū)的洪水和基巖裂隙水補(bǔ)給外,大部分的地下水是由引黃灌溉水的補(bǔ)給入滲形成,在非灌溉期的 8月份,地下水的水位埋深在1.5～4.26 m之間,而在10月份的冬灌期,地下水水位可上升到0.5～3.28 m。

2 調(diào)查研究方法

2.1 水文地質(zhì)調(diào)查

調(diào)查內(nèi)容主要包括地下水的形成條件,含水層類型、產(chǎn)狀、巖性、厚度、埋深、水量、水質(zhì)、水力特征和地下水開(kāi)發(fā)利用狀況等。調(diào)查方法主要是在收集和分析研究前人資料的基礎(chǔ)上,結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際情況,采用實(shí)地踏勘、遙感與物探資料分析、水文地質(zhì)鉆探等技術(shù)方法手段。

鉆探巖心取樣是利用美國(guó)進(jìn)口的小型快速鉆進(jìn)設(shè)備 Geoprobe(6620DT),采集的所有巖土樣品,即地表土壤樣品和巖心樣品全部發(fā)送到國(guó)土資源部地球化學(xué)勘查監(jiān)督檢測(cè)中心試驗(yàn)室進(jìn)行分析,樣品中Fe2O3/%的分析是采用壓片法-X射線熒光光譜(XRF)法,檢出限為 0.1%;氟含量的分析是采用離子選擇性電極(ISE),檢出限為 100 μg/g,一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì),重復(fù)樣合格率為100%。

2.2 專項(xiàng)水質(zhì)調(diào)查

初次水質(zhì)調(diào)查的主要對(duì)象是以當(dāng)?shù)鼐用竦膲核疄橹?包括部分地表水體和機(jī)井,其中壓水井深度為10～40 m,機(jī)井為50～80 m,水質(zhì)調(diào)查取樣是以線路法和網(wǎng)格法相結(jié)合的原則。取樣點(diǎn)的間距為2～4 km。在取樣過(guò)程中除了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定和記錄地下水的常規(guī)物理化學(xué)指標(biāo)外,還記錄以下要素:采樣井狀況(機(jī)、民井等)、取水地點(diǎn)、位置(經(jīng)緯度)、采水時(shí)間、地形標(biāo)高、井深、水位埋深、主要用途等。pH、電導(dǎo)率(EC)、氧化還原電位分別用日本制造的RKC DP-300·TOA,HM-12P·TOA,EC CM-14P·TRX-90在實(shí)地進(jìn)行了測(cè)定。當(dāng)天采集的水質(zhì)樣品當(dāng)天送到有水質(zhì)分析資質(zhì)的巴彥淖爾市水利科學(xué)研究所,在24 h之內(nèi)對(duì)鐵(總鐵)、氟等化學(xué)元素進(jìn)行了分析測(cè)定。在初次調(diào)查的基礎(chǔ)上,選擇有代表性的井孔開(kāi)展了水質(zhì)監(jiān)測(cè)工作。

鐵含量的分析方法是依據(jù)中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB/5750.6—2006)中的直接火焰原子吸收分光光度法,精密度為:低濃度(0.01～0.015 mg/L)、中濃度(0.04 mg/L)和高濃度(0.05 mg/L以上)的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為 6.7%～18%、3.9%～16%和 0.9%～15%。氟含量的分析方法是依據(jù)中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB/7483—1987)中的氟試劑分光光度法,最低檢出濃度為含氟化物(以F-計(jì))0.05 mg/L。

3 調(diào)查結(jié)果

野外和室內(nèi)測(cè)定地表水的各項(xiàng)物理化學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表1,測(cè)定地下水的各項(xiàng)指標(biāo)如下。

pH值:野外實(shí)測(cè)的地下水的pH值范圍大部分在7～8.50之間,最高的達(dá)到8.88,屬于中性-弱堿性水。

電導(dǎo)率(EC):地下水電導(dǎo)率的范圍變化比較大,一般在0.53～20 ms/cm。實(shí)測(cè)鹽分濃度(以NaCl計(jì))范圍一般為 0.02%～1.3%,個(gè)別樣品最高達(dá)到 11%,為苦咸水。

氧化還原電位(ORP):從實(shí)地測(cè)定的結(jié)果看有正負(fù)值兩區(qū)間,顯示正值的范圍是4～120 mV,顯示負(fù)值的范圍是–10 ～ –162 mV,負(fù)值區(qū)主要分布在平原的西部和中部區(qū),多呈片狀和條帶狀分布。

水溫(℃):野外調(diào)查與采樣水井的深度一般為10～40 m,現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的水溫大多是在10～13℃之間,由于采樣井較淺,所以深度與水溫的關(guān)系不是很明顯。

鐵含量(Fe):本文中的鐵含量均指總鐵含量。河套平原淺層地下水(深度在 10～40 m)中的鐵含量平均值為1.22 mg/L(n=757),最大值為15.09 mg/L,最小值為無(wú)檢出;在757個(gè)水樣中有466個(gè)超標(biāo),超標(biāo)率達(dá) 61.56%(表 1,表 2)。

氟含量(F–):文中氟含量指氟離子含量(以 F–計(jì))。平均值為 0.68 mg/L(n=757),最大值為5.05 mg/L,最小值為無(wú)檢出;在757個(gè)水樣中有156個(gè)超標(biāo),超標(biāo)率為20.61%(表2)。

高鐵高氟水分布面積:運(yùn)用MapGis將淺層地下水 Fe、F–含量分別制作成水質(zhì)單要素圖,求得各類水的面積見(jiàn)表 3,表 3中 Fe、F–的分類依據(jù)為GB/T 14848—1993,各類水在區(qū)域上的分布見(jiàn)圖2、圖3。計(jì)算結(jié)果表明:河套平原淺層高鐵地下水(Fe>0.3 mg/L)的分布面積為9310.66 km2,占調(diào)查區(qū)總面積的74.40%,其中Fe>1.5 mg/L的Ⅴ類水的分布面積達(dá)3050.63 km2。高氟地下水(F–>1.0 mg/L)的分布面積為2308.35 km2,占調(diào)查區(qū)總面積的18.45%,其中F–>2.0 mg/L的Ⅴ類水的分布面積為104.3 km2。

3.1 高鐵地下水分布特征

從圖2和表3可以看出,河套平原地下水鐵含量普遍較高,總體呈現(xiàn)出以下特征:

在平面上,Fe含量超標(biāo)區(qū)除個(gè)別地段外,主要分布在黃河沖湖積平原,Fe含量大于生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)5倍(Fe>1.5 mg/L)的Ⅴ類水主要分布在西部的蠻會(huì)、白腦包、團(tuán)結(jié)一帶,中部的海子堰、塔爾湖,東部的新安、德嶺山、蘇獨(dú)侖等地帶,這些地帶地勢(shì)較為低洼,均為地下水排泄區(qū)。

在垂向上,從全區(qū)看(圖4)同一深度地下水中的Fe含量各不相同,但是在平原中部的典型鉆探調(diào)查地段,同一地點(diǎn)采集的不同深度的地下水樣品中,Fe含量隨著深度的增加而增大(表4)。

表1 河套平原地表水水質(zhì)調(diào)查結(jié)果Table 1 Investigation results of surface water quality in the Hetao Plain

表2 河套平原地下水Fe、F–含量分析結(jié)果統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistics of Fe and F– concentrations of groundwater in the Hetao Plain

表3 河套平原不同類型(Fe、F–)地下水樣品數(shù)量與面積統(tǒng)計(jì)(n=757)Table 3 Statistics of numbers and areas of groundwater samples with different concentrations of Fe and F– in the Hetao Plain

圖2 河套平原淺層地下水Fe含量分布圖Fig.2 Distribution of total Fe concentrations in shallow groundwater in the Hetao Plain

圖3 河套平原淺層地下水F-含量分布圖Fig.3 Distribution of F- concentrations in shallow groundwater in the Hetao Plain

在時(shí)間上,通過(guò)對(duì)同一井孔的地下水水質(zhì)監(jiān)測(cè)表明,Fe含量的變化呈現(xiàn)出低水位期(4月)含量低,高水位期(11月)含量高的變化規(guī)律(圖5)。

3.2 高氟地下水分布特征

在平面上,高氟地下水的分布表現(xiàn)出與地形地貌非常密切的關(guān)系,F–>1.0 mg/L的地下水主要分布在山前沖洪積扇形傾斜平原,該區(qū)域?qū)儆谏角暗叵滤膹搅髋c蒸發(fā)排泄區(qū),在平原中部大面積的黃河沖湖積平原和烏蘭布和近代風(fēng)積沙地只有零星小片狀分布(圖3)。

在垂向上,由于受采樣井深度的限制,在不同地點(diǎn)采集的地下水水質(zhì)樣品中,即使取樣深度相同,地下水中的氟含量各異,但是F–>1.0 mg/L的地下水幾乎都分布在40 m以上(圖6)。在個(gè)別地點(diǎn)同一鉆孔采集的不同深度樣品,地下水中的氟含量隨著深度的增加有增大的傾向,但是變化較小(表4)

在時(shí)間上,通過(guò)對(duì)同一井孔不同時(shí)間的調(diào)查,結(jié)果表明不同的地貌單元表現(xiàn)出不同的變化特征,在山前的沖洪積扇區(qū),即高氟區(qū),10月份的高水位期,地下水的氟含量急劇增大(圖7中的B6、B31、B40、B42),但是在 8月份,地下水水位相對(duì)較低時(shí),氟含量也較低;在平原中部的沖湖積平原,即低氟區(qū),無(wú)論是水位高或水位低,這一規(guī)律不是特別明顯,但總體也呈現(xiàn)出高水位期氟含量高的變化規(guī)律。

表4 A、B、C地點(diǎn)不同深度地下水中Fe和F–(位置見(jiàn)圖1)Table 4 Fe and F– concentrations of groundwater at different depths at location A,B,and C

圖4 河套平原地下水Fe含量與取樣深度關(guān)系(n=536)Fig.4 Relation between Fe content of groundwater and sampling depth in the Hetao Plain (n=536)

圖5 各監(jiān)測(cè)井不同監(jiān)測(cè)時(shí)間地下水水位與Fe含量(監(jiān)測(cè)井位置見(jiàn)圖1)Fig.5 Fe concentrations and groundwater levels in different periods of monitoring wells(see Fig.1 for locations of the monitoring wells)

4 高鐵高氟地下水成因分析

河套平原地下水的補(bǔ)給在沖洪積扇區(qū),主要是來(lái)自山區(qū)洪水的入滲和基巖裂隙水的側(cè)向補(bǔ)給,在平原中部的沖湖積平原,降雨和黃河灌溉水的入滲是地下水的主要補(bǔ)給源,經(jīng)取樣測(cè)試黃河灌溉水的Fe2+含量未檢出,F–含量為0.59 mg/L,因此認(rèn)為,河套平原高鐵、高氟地下水的形成主要是由自然地質(zhì)環(huán)境所致。

從圖2和圖3可以看出,河套平原高鐵地下水主要分布在平原中部的沖湖積平原,而高氟地下水主要分布在山前的沖洪積扇平原,同時(shí)地下水中的Fe與 F–不存在正相關(guān)關(guān)系(圖 8),因此認(rèn)為河套平原目前存在的高鐵與高氟地下水,主要是由不同地質(zhì)環(huán)境條件下環(huán)境水文地球化學(xué)作用的結(jié)果。

圖6 河套平原地下水F–含量與取樣深度(n=536)Fig.6 Relation between F– content of groundwater and sampling depth in the Hetao Plain (n=536)

圖7 不同監(jiān)測(cè)時(shí)間地下水水位與F–含量(監(jiān)測(cè)井位置見(jiàn)圖1)Fig.7 Relation between groundwater levels and F–concentrations in different monitoring periods(see Fig.1 for locations of the monitoring wells)

4.1 高鐵地下水的成因分析

鐵的來(lái)源:河套平原為一形成于侏羅紀(jì)晚期的中新生代斷陷盆地,沉積了巨厚的第四紀(jì)沉積物,除了山前的部分沉積物是來(lái)自于山區(qū)的風(fēng)化碎屑物外,大部分沉積物是由黃河搬運(yùn)而來(lái),其主要特征是顆粒細(xì)而均勻,黃河水中大量的膠體物質(zhì),特別是以[Fe(OH)3]n或[Fe(OH)]+Fe3+形式存在的膠體,連同黃河攜帶的泥沙在進(jìn)入古河套湖時(shí),由于兩種介質(zhì)所帶膠體電荷的不同,從而發(fā)生中和凝聚沉淀,形成了河套沖湖積平原富含大量 Fe2O3的地層沉積物。鉆探取樣分析結(jié)果表明(表5),Fe2O3的平均含量在粘土中為 5.88%(n=32),淤泥質(zhì)粘土中為4.47%(n=19),粉砂中為 3.66%(n=13),細(xì)砂中為3.06%(n=11),中砂中為2.53%(n=6)。沉積物中這些鐵的氧化物或氫氧化物,為高鐵地下水的形成提供了物質(zhì)來(lái)源。

鐵的溶出:地下水的酸堿度(pH)和氧化還原條件是影響鐵從沉積物中溶出的主要因素。眾所周知,隨著還原性的增強(qiáng),即氧化還原電位Eh的下降,地層中以 Fe3+形式存在的鐵,很容易被還原成易溶解的Fe2+形式。河套平原是一個(gè)較封閉的地下水盆地,地層中又均含有一定量的有機(jī)質(zhì)(表5),其氧化還原電位(ORP)顯示出幾乎為負(fù)值的還原環(huán)境(圖 9),從而使沉積物中大量的 Fe3+還原成 Fe2+,進(jìn)入地下水形成高鐵水。

圖8 河套平原淺層地下水中的Fe與F–關(guān)系Fig.8 Relation between Fe and F– in shallow groundwater in the Hetao Plain

利用能斯特方程(何燧源等,1989),假定在水體所含配位體(OH–、S2–、SO42–、CO32–等)中只考慮OH–配位體的作用,同時(shí)體系中的鐵只有Fe2+、Fe3+、Fe(OH)2、Fe(OH)3四種存在形態(tài),鐵的濃度為1.0×10–5mol/L,在 這 樣 的 假 定 基 礎(chǔ) 上 ,依 據(jù)Fe2+-Fe3+氧化還原反應(yīng)和沉淀溶解反應(yīng),求得鐵離子的pH-pE圖(圖10),從圖10可以看出,河套平原地下水中的鐵主要是以 Fe2+和 Fe(OH)3的形式存在(pH值為 7～9),這樣在還原條件下,由于 pE較低,會(huì)有相當(dāng)?shù)?Fe2+存在,這種水一旦接觸空氣,pE升高,就會(huì)有 Fe(OH)3沉淀生成,這在野外取樣過(guò)程中經(jīng)?？梢钥吹?一些樣品中 Fe2+氧化生成Fe(OH)3沉淀的顏色變化過(guò)程。

另外,本區(qū)每年大量的引黃灌溉,使地下水位和地下水壓力發(fā)生顯著的變化,一方面地下水位的上升進(jìn)一步促進(jìn)了還原作用,另一方面地下水壓力的變化促進(jìn)了鐵從沉積物顆粒表面向地下水的遷移與轉(zhuǎn)化,這也是高水位期鐵含量高,低水位期鐵含量低的主要原因。

4.2 高氟地下水的成因分析

圖9 高鐵區(qū)地下水中的Fe含量與ORP關(guān)系Fig.9 Relation between Fe and ORP in high-iron groundwater area

表5 河套平原鉆探巖芯樣品中Fe2O3和有機(jī)碳含量統(tǒng)計(jì)Table 5 Fe2O3 and Corg. content statistics of drilling core samples from the Hetao Plain

氟在地下水中的富集是長(zhǎng)期地質(zhì)作用和地球化學(xué)演變的結(jié)果,主要與區(qū)域地質(zhì)環(huán)境即礦物、巖石類型、地質(zhì)構(gòu)造、地形地貌、水文地質(zhì)條件和氣候等因素有關(guān)。國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者就高氟地下水形成的理論與實(shí)踐開(kāi)展了大量的調(diào)查研究工作(Bower et al.,1967;曾濺輝,1995;曹玉清等,1997;Manouchehr et al.,2008;Tewodros et al.,2009;Chander et al.,2011;Dey et al.,2012;Chidambaram et al.,2013),本文僅就河套平原高氟地下水中氟的來(lái)源與富集的主要因素進(jìn)行分析。

氟的來(lái)源:河套平原周邊山區(qū)出露的地層比較齊全,中生界以前的地層在山區(qū)均以裸露基巖出現(xiàn),新生界的松散巖類地層主要分布在平原區(qū)。其中,太古界的烏拉山群主要由區(qū)域深變質(zhì)的各種片麻巖、片巖等組成;元古界的渣爾泰群屬于區(qū)域中深變質(zhì)巖系,主要有千枚巖、絹云石墨片巖及角閃斜長(zhǎng)片麻巖等組成;古生界、中生界主要由海相和海陸交互相的碎屑巖和碳酸鹽巖沉積組成。另外,山區(qū)還分布著大量不同時(shí)期的火成巖,其巖性主要是花崗巖和閃長(zhǎng)巖。上述地層和巖體中存在著大量富含氟的礦物,如:黑云母、金云母、絹云母、角閃石等,經(jīng)取樣測(cè)試氟的含量范圍在火成巖中為85～5400 μg/g(n=30),平均 673 μg/g,變質(zhì)巖中為19～6250 μg/g(n=43),平均 952 μg/g(趙鎖志等,2007)。通過(guò)對(duì)山區(qū)流出的泉水和地表水的分析表明,在 5個(gè)樣品中有兩個(gè)樣品氟含量超標(biāo),其中最大值為1.38 mg/L,最小值為0.71 mg/L,平均為0.996 mg/L,這充分表明山區(qū)含氟的礦物、巖石是目前河套平原山前沖洪積扇區(qū)高氟地下水的主要物質(zhì)來(lái)源。

氟的富集:河套平原地下水中氟的富集主要與氣候、構(gòu)造和水文地質(zhì)以及水化學(xué)條件有關(guān)。

如前所述,河套地區(qū)屬于典型的干旱半干旱地區(qū),具有降雨量少、蒸發(fā)量大、晝夜溫差大等氣候特點(diǎn)。這一特殊的氣候條件,一方面使山區(qū)植被稀少巖體風(fēng)化破碎強(qiáng)烈,易于氟的溶出;另一方面在山前的沖洪積扇徑流排泄區(qū),由于地下水的強(qiáng)烈蒸發(fā)易于氟的富集,再加上干旱半干旱氣候條件使地表水和地下水的pH值普遍偏高,有利于氟的遷移。因此認(rèn)為氣候條件是河套平原高氟地下水形成和聚集的主要因素之一。

河套平原是一個(gè)構(gòu)造形態(tài)上呈現(xiàn)北深南淺、西深東淺不對(duì)稱簸箕狀拗陷,也是一個(gè)構(gòu)造活動(dòng)和垂直差異運(yùn)動(dòng)十分顯著的地區(qū),這一構(gòu)造特征使得山前沖積洪積扇區(qū)的地形仍然比較低平,平原西部地區(qū)的水力坡度為 1/3000～1/4000,東部地區(qū)為1/4000～1/6000,在扇裙地帶多在 1‰～5‰,再加如前所述的水文地質(zhì)條件,地下水幾乎處于停滯狀態(tài),這樣從山區(qū)流出的高氟地表水和地下水在沖、洪積扇區(qū)形成聚集。

通過(guò)對(duì)全區(qū)地下水水質(zhì)類型的分析和研究,河套平原山前沖洪積區(qū)的地下水,其陰離子全部為HCO3–,陽(yáng)離子中堿土金屬離子含量(Ca2++Mg2+)明顯大于堿金屬(Na++K+)離子含量,但 Ca2+、Mg2+和Na+單一離子成分均不構(gòu)成本區(qū)地下水中的優(yōu)勢(shì)離子成分。通過(guò)對(duì)河套平原地下水環(huán)境背景值的研究表明(劉文波等,2014),河套平原沖洪積扇區(qū)地下水中 Ca2+的背景值是全區(qū)最低的區(qū)域,在高氟區(qū)(F–>1.0 mg/L)128個(gè)地下水樣品中Ca2+的平均含量為 61.29 mg/L,而在非高氟區(qū)(F–≤ 1.0 mg/L)Ca2+的平均含量為125.12 mg/L(n=508)。Ca2+含量低不利于CaF2的形成,使 F–在地下水中得不到自然的沉淀,從而形成了高氟地下水。

5 結(jié)論與建議

通過(guò)對(duì)內(nèi)蒙古河套平原高鐵高氟地下水分布與成因研究得出如下結(jié)論。

(1)河套平原分布有大量的高鐵和高氟地下水,在調(diào)查研究區(qū) 12510.83 km2范圍內(nèi),深度在10～40 m的淺層地下水中,分布有高鐵水(Fe>0.3 mg/L)9310.66 km2,占調(diào)查區(qū)總面積的 74.40%,其中Fe>1.5 mg/L的Ⅴ類水的分布面為3050.63 km2;分布有高氟水(F–>1.0 mg/L)2308.35 km2,占調(diào)查區(qū)總面積的18.45%,其中F–>2.0 mg/L的Ⅴ類水的分布面積為104.3 km2。

(2)高鐵水主要分布在平原中部的沖湖積平原。在平面上,Fe>1.5 mg/L的Ⅴ類水,主要分布在西部的蠻會(huì)、白腦包、團(tuán)結(jié)一帶,中部的海子堰、塔爾湖,東部的新安、德嶺山、蘇獨(dú)侖等地帶,這些地帶地勢(shì)較為低洼,均為地下水排泄區(qū);在垂向上,同一地點(diǎn)隨著深度的增加鐵含量增大;在時(shí)間上,鐵含量的變化呈現(xiàn)出低水位期含量低,高水位期含量高的變化規(guī)律。

(3)高氟水主要分布在山前的沖洪積扇地帶。在垂向上同一地點(diǎn)地下水中氟含量隨著深度的增加有增大的傾向,但是變化較小;在時(shí)間上,高水位期氟含量急劇增大,低水位期氟含量也急劇變小,這一特征在非高氟區(qū)表現(xiàn)的不是特別明顯。

(4)研究表明,河套平原中部沖積湖積物中以[Fe(OH)3]n或[Fe(OH)]+Fe3+的膠體形式存在的沉積物,是高鐵地下水形成的主要物質(zhì)來(lái)源,封閉盆地的還原環(huán)境,包括地下水水位的抬升,以及中性偏堿性的 pH值是鐵從沉積物中溶出的主要原因;平原周邊山區(qū)含氟礦物、巖石是河套平原山前沖洪積扇區(qū)高氟地下水的主要物質(zhì)來(lái)源,干旱半干旱氣候、特殊的地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)及水化學(xué)條件是高氟地下水形成的主要因素。

(5)由于河套平原地下水的pH值屬于中性偏堿性,因此在使用地下水的過(guò)程中,可采取曝氣溶氧和過(guò)濾的方法去除水中的鐵;對(duì)于中重度氟超標(biāo)(F >2 mg/L)的高氟水可采用活性氧化鋁吸附處理工藝、混凝沉淀工藝、電滲析或反滲透處理工藝等的除氟方法。

曹玉清,劉春國(guó),宋乃忠.1997.吉林西部高氟水的蒸發(fā)模型及其驗(yàn)證[J].工程勘察,(5):38-41.

范基姣,佟元清,李金英,王立新,李戎,劉志勇.2008.我國(guó)高氟水形成特點(diǎn)的主要影響因子及降氟方法[J].安全與環(huán)境工程,15(1):15-16.

高存榮.1999.河套平原地下水砷污染機(jī)理探討[J].中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào),10(2):25-32.

高存榮,劉文波,劉濱,李金鳳,李飛.2010.河套平原第四紀(jì)沉積物中砷的賦存形態(tài)分析[J].中國(guó)地質(zhì),37(3):760-770.

高存榮,馮翠娥,劉文波,赤井純治,久保田喜裕,小林巌雄.2014a.地殼表層砷的循環(huán)與污染地下水模式[J].地球?qū)W報(bào),35(6):741-750.

高存榮,劉文波,馮翠娥,劉濱,宋建新.2014b.內(nèi)蒙古河套平原地下咸水與高砷水分布特征[J].地球?qū)W報(bào),35(2):139-148.

高存榮,劉文波,馮翠娥,陳有鑑,張國(guó),宋建新.2014c.干旱半干旱地區(qū)高砷地下水形成機(jī)理研究:以中國(guó)內(nèi)蒙河套平原為例[J/OL].地學(xué)前緣,21:[2014-03-04].http://www.cnki.net/kcms/detail/11.3370.P.20140303.1031.002.html.

國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局.1993.地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn) GB/T14848—1993[S].北京:標(biāo)準(zhǔn)出版社.

國(guó)家環(huán)境保護(hù)局.1987.水質(zhì)氟化物的測(cè)定——氟試劑分光光度法GB/7483—1987[S].北京:標(biāo)準(zhǔn)出版社.

何燧源,金云云.1989.環(huán)境化學(xué)[M].上海:華東化工學(xué)院出版社:111-116.

李永華,王五一,侯少范.2002.我國(guó)地方性氟中毒病區(qū)環(huán)境氟的安全閾值[J].環(huán)境科學(xué),23(4):119-122.

李向全,祝立人,候新偉,張莉.2007.太原盆地淺層高氟水分布特征及形成機(jī)制研究[J].地球?qū)W報(bào),28(1):55-61.

李冬,曾輝平,張杰.2011.飲用水除鐵除錳科學(xué)技術(shù)進(jìn)展[J].給水排水,37(6):7-13.

劉文波,馮翠娥,高存榮.2014.河套平原地下水環(huán)境背景值[J/OL].地學(xué)前緣,21:[2014-03-04].http://www.cnki.net/kcms/detail/11.3370.P.20140303.1031.003.html.

內(nèi)蒙古自治區(qū)水文隊(duì).1982.內(nèi)蒙古巴盟河套平原土壤鹽漬化水文地質(zhì)條件及其改良途徑研究[R].呼和浩特:內(nèi)蒙古自治區(qū)水文隊(duì):22-26.

譚見(jiàn)安,王五一,雒昆利,楊林生,韋朝陽(yáng).2004.地球環(huán)境與健康[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社:114-116.

王曉波,李樹(shù)學(xué),王雅芹.2001.高含鐵水的危害及簡(jiǎn)易識(shí)別法[J].黑龍江環(huán)境通報(bào),25(1):49-50.

邢懷學(xué),李亮,葛偉亞,葉念軍,龔建師,周鍇鍔,朱春芳.2014.安徽省淮北市地下水中氟的空間分布特[J].地球?qū)W報(bào),35(2):163-168.

曾濺輝.1996.淺層高氟地下水地球化學(xué)模擬[C]//走向21 世紀(jì)環(huán)境地學(xué)問(wèn)題研究論文集,北京:石油工業(yè)出版社:91-95.

趙鎖志,王喜寬,黃增芳,李世寶,王忠,蘇美霞,張青,孔凡吉.2007.內(nèi)蒙古河套地區(qū)高氟水成因分析[J].巖礦測(cè)試,26(4):320-324.

中華人民共和國(guó)衛(wèi)生部,國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).2006.生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)GB5749—2006[S].北京:標(biāo)準(zhǔn)出版社.

中華人民共和國(guó)衛(wèi)生部,中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).2006.生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)方法——金屬指標(biāo)GB/5750.6—2006[S].北京:標(biāo)準(zhǔn)出版社.

AYOOB S,GUPTA A K.2006.Fluoride in drinking waters:a review on the status and stress effects[J].Crit.Rev.Environ.Sci.Technol,36:433-487.

BOWER CA,HATCHER JT.1967.Adsorption of fluoride by soils and minerals[J].Soil Sci.,103(3):151-154.

CAO Yu-qing,LIU Chun-guo,SONG Nai-zhong.1997.evaporation model and its verification of high-fluorine groundwater in the west of Jilin province[J].Engineering Investigation,(5):38-41(in Chinese with English abstract).

CHANDER K S,KUMARI R,SINGH R P,SHASHTRI S,KAMAL V,MUKHERJEE S.2011.Geochemical Modeling of High Fluoride Concentration in Groundwater of Pokhran Area of Rajasthan,India[J].Bull.Environ.Contam.Toxicol.,86:152-158.

CHIDAMBARAM S,BALA K P M,MANIVANNAN R,KARMEGAM U,SINGARAJA C,ANANDHAN P,PRASANNA M V,MANIKANDAN S.2013.Environmental hydrogeochemistry and genesis of fluoride in groundwaters of Dindigul district,Tamilnadu (India)[J].Environ.Earth Science,68:333-342.

D?′AZ-BARRIGO F,NAVARRO-QUEZADA A,GRIJAlVA M I,GRIMALDO M,LOYOLA-RODRL′GUEZ J P,ORTIZ M D.1997.Endemic fluorosis in Mexico[J].Fluoride,30(4):233-239.

DEY R K,SWAIN S K,SULAGNA M,PRACHI S,TANUSHREE P,SINGH V K,DEHURY B N,USHA J,PATEL R K.2012.Hydrogeochemical processes controlling the high fluoride concentration in groundwater:a case study at the Boden block area,Orissa,India[J].Environ.Monit.Assess.,184:3279-329.

FAN Ji-jiao,TONG Yuan-qing,LI Jin-ying,WANG Li-xin,LI Rong,LIU Zhi-yong.2008.Affecting Factors of High-fluorine Water in Our Country and Scheme to Avoid Fluorosis[J].Safety and Environmental Engineering,15(1):15-16(in Chinese with English abstract).

GAO Cun-rong.1999.Research on the mechanism of arsenic pollution in groundwater in the Hetao Plain,Inner Mongolia,China[J].The China Journal of Geological Hazard and Control,10(2):25-32(in Chinese with English abstract).

GAO Cun-rong,LIU Wen-bo,LIU Bin,LI Jin-feng,LI Fei.2010.Analysis on the existence speciation of Arsenic in the Quaternary sediments in Hetao Plain[J].Geology in China,37(3):760-770(in Chinese with English abstract).

GAO Cun-rong,FEN Cui-e,LIU Wen-bo,AKAI Junji,KUBODA Yoshihiro,KOBAYASHI Iwao.2014a.Patterns of Arsenic Cycle and Groundwater Arsenic Contamination in the Earth’s Surface[J].Acta Geoscientica Sinica,35(6):741-750(in Chinese with English abstract).

GAO Cun-rong,LIU Wen-bo,FENG Cui-e,LIU Bin,SONG Jiang-xin.2014b.The distribution characteristics of saline groundwater and high-arsenic groundwater in Hetao Plain[J].Acta Geoscientica Sinica,35(2):139-148(in Chinese with English abstract).

GAO Cun-rong,LIU Wen-bo,FENG Cui-e,CHEN You-jian,ZHANG Guo,SONG Jiang-xin.2014c.Research on the Formation Mechanism of High Arsenic Groundwater in Arid and Semi-arid Regions:A Case Study of Hetao Plain in Inner Mongolia[J/OL].Earth Science Frontiers,21.[2014-03-04].http://www.cnki.net/kcms/detail/11.3370.P.20140303.1031.00 2.html(in Chinese with English abstract).

Hydrological Team of Inner Mongolia Autonomous Region.1982.Study on hydrogeology Condition and improvement approach of soil Salinization in Hetao Plain,Inner Mongolia[R].Huhehot:Hydrological Team of Inner Mongolia Autonomous Region:22-26(in Chinese).

HE Sui-yuan,JIN Yun-yun.1989.Environmental chemistry[M].Shanghai:East China Institute of Chemical Engineering Press:111-116(in Chinese).

KRUSE E,AINCHIL J.2003.Fluoride variations in groundwater of an area in Buenos Aires Province,Argentina[J].Environ.Geology,44(1):86-89.

LI Yong-hua,WANG Wu-yi,HOU Shao-fan.2002.Safety Threshold of Fluorine in Endemic Fluorosis Regions in China[J].Environmental Science,23(4):119-122.

LI Xiang-quan,ZHU Li-ren,HOU Xin-wei,ZHANG Li.2007.Distribution and Evolutional Mechanism of Shallow High-Fluoride Groundwater in Taiyuan Basin[J].Acta Geoscientica Sinica,28(1):55-61(in Chinese with English abstract).

LI Dong,ZENG Hui-ping,ZHANG Jie.2011.Review of iron and manganese removal technology in drinking water[J].Water Supply and drainage,37(6):7-13(in Chinese with English abstract).

LI Shi-jun,WANG Xin-juan,ZHOU Jun,TANG Xin-mei,WANG Zhao-tao.2012.Distribution Law of High Fluoride Groundwater in Quaternary in Daxing District of Beijing[J].Geoscience,26(2):407-414(in Chinese with English abstract).

LIU Wen-bo,FENG Cui-e,GAO Cun-rong.2014.Study of Background Value of Groundwater Environment in Hetao Plain[J].Earth Science Frontiers,21,[EB/OL].[2014-03-04].http://www.cnki.net/kcms/detail/11.3370.P.20140303.1031.00 3.html(in Chinese with English abstract).

MANOUCHEHR A,KIM M,KARIM C A ,THOMAS R,MAJID A,KLAUS N M,MAMADOU S,AND C A J.2008.Statistical Modeling of Global Geogenic Fluoride Contamination in Groundwaters[J].Environ.Sci.Technol,42:3662-3668.

Ministry of Health,P.R.China,Standardization Administration,P.R.China.2006.Standards for Drinking Water Quality GB5749—2006[S].Beijing:Chinese Standard Press(in Chinese).

Ministry of Health,P.R.China,Standardization Administration,P.R.China.2006.Standard examination methods for drinking water-Metal parameters GB/5750.6—2006[S].Beijing:Chinese Standard Press(in Chinese).

MJENGERA H,MKNOGO G.2003.Appropriate deflouridation technology for use in flourotic areas in Tanzania[J].Phys.Chem.Earth,28(20-27):1097-1104.

OMUETI J A I,JONCS R L .1977.Fluoride Adsorption by Illinois[J].Soil.Soil Sci.,28:564-562.

State Bureau of Technical Supervision,P.R.China.1993.Quality standard for ground water GB/T14848—1993[S].Beijing:Chinese Standard Press(in Chinese).

State Environmental Protection Bureau,P.R.China.1987.Water quality-Determination of fluoride-Fluor reagent spectrophotometric method GB/7483-1987[S].Beijing:Chinese Standard Press(in Chinese).

TAN Jian-an,WANG Wu-yi,LUO Kun-li,YANG Lin-yang,WEI Chao-yang.2004.Earth's environment and health[M].Beijing:Chemical Industry Press:114-116(in Chinese).

WANG L F M,HUANG J Z.1995.Outline of control practice of endemic fluorosis in China[J].Soc.Sci.Med.,41(8):1191-1195.

WANG Xiao-bo,LI Shu-xue,WANG Ya-qin.2001.Harm and simple identification method with high-iron content water[J].Heilongjiang Environmental Journal,25(1):49-50(in Chinese with English abstract).

WRC.2001.Distribution of fluoride-rich groundwater in Eastern and Mogwase region of Northern and North-west province[R].WRC Report,No.526/1/011.1-9.85 Pretoria.

XING Huai-xue,LI Liang,GE Wei-ya,YE Nian-jun,GONG Jian-shi,ZHOU Kai-e,ZHU Chun-fang.2014.Spatial Distribution Characteristics and Origin of Fluorine in Groundwater of Huaibei City,Anhui Province[J].Acta Geoscientica Sinica,35(2):163-168(in Chinese with English abstract).

ZENG Jian-hui.1996.Geochemical modeling of high-fluorine shallow groundwater[C]//Proceedings of environmental geoscience facing the twenty-first century,Beijing:Petroleum Industry Press:91-95(in Chinese).

ZHAO Suo-zhi,WANG Xi-kuan,H UANG Zeng-fang,LI Shi-bao,WANG Zhong,SUM ei-xia,ZHANG Qing,KONG Fan-ji.2007.Study on Formation Causes of High Fluorine Groundwater in Hetao Area of Inner Mongolia[J].Rock and Mineral Analysis,26(4):320-324(in Chinese with English abstract).