地下水氟離子分布規(guī)律與超標成因淺析
——以北京南郊第四系地下水為例

張 雪，晏 嬰

（1.北京市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局信息中心，北京 100195，2.北京市地質(zhì)工程勘察院，北京 100048）

地下水氟離子分布規(guī)律與超標成因淺析
——以北京南郊第四系地下水為例

張 雪1，晏 嬰2

（1.北京市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局信息中心，北京 100195，2.北京市地質(zhì)工程勘察院，北京 100048）

飲用水中氟濃度超標,是導(dǎo)致地方性氟中毒疾病的主要因素。通過水質(zhì)資料綜合分析，結(jié)合農(nóng)村安全飲水工程的施工及水質(zhì)專項調(diào)查，開展了地下水中氟分布規(guī)律的研究，掌握了氟在地下水空間的分布規(guī)律。淺層地下水中氟離子濃度超標范圍主要集中在東南部及南部地區(qū)，氟離子濃度與含水層深度呈反相關(guān)系，隨時間變化幅度較大。深層地下水中氟離子濃度超標區(qū)主要集中在中部，當(dāng)含水層埋深在300m以內(nèi)時，氟離子濃度與含水層深度呈正相關(guān)系，隨時間變化幅度較小。淺層地下水中氟的富集與氣候條件、含水層巖性、地下水徑流速度密切相關(guān)，深層地下水氟超標是由地質(zhì)原因造成的。研究成果為水井施工設(shè)計提供了技術(shù)支持，為研究治理地下水中氟濃度超標的措施提供依據(jù)。

地下水；氟；分布規(guī)律；形成原因；反相關(guān)系；施工工藝；水化學(xué)；水質(zhì)

0 前言

研究區(qū)是北京市重點發(fā)展的衛(wèi)星城之一，伴隨城市的迅速發(fā)展，需水量大增，加之近年來連續(xù)干旱，造成本區(qū)第四系地下水水位持續(xù)下降，水質(zhì)惡化。日漸緊張的水資源形勢，對研究區(qū)的社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展造成了嚴重影響和制約[1]。

在2004年，北京市衛(wèi)生局、水務(wù)局和愛衛(wèi)會對全市郊區(qū)農(nóng)村飲用水進行了檢測，發(fā)現(xiàn)通州區(qū)、大興區(qū)、房山區(qū)、順義區(qū)、朝陽區(qū)和延慶縣30萬農(nóng)民的飲用水不符合北京市飲用水水質(zhì)衛(wèi)生標準。為此，2005年北京市啟動了總投資約5億元的北京市郊區(qū)30萬農(nóng)民安全飲水工程。

由于研究區(qū)地下水中氟的分布較廣，且氟超標后對人體危害大。長期飲用高氟水將導(dǎo)致氟斑牙，嚴重的會引起氟骨癥。本文結(jié)合農(nóng)村安全飲水工程的開展，通過分析地下水水質(zhì)檢驗成果，對研究區(qū)第四系地下水中氟的分布規(guī)律進行了研究，為研究治理該地區(qū)地下水中氟超標的措施提供了依據(jù)（圖1）。

圖1 水質(zhì)取樣點分布圖

1 水文地質(zhì)概況

研究區(qū)第四系覆蓋于基巖與第三系之上，受大興凸起控制，第四系沉積厚度變化大，從西北40m往東南厚度逐漸增大至300m。鵝坊、狼垡等地第四系沉積厚度50～60m左右，周村、黃村、舊宮、亦莊一帶第四系厚度為70～90m，向南厚度逐漸增大，在榆垡、康營一帶最大達300m。

（1）研究區(qū)淺層地下水分為潛水和淺層承壓水，在永定河?xùn)|岸立垡一帶，第四系含水層為單一的砂礫石層；北部地區(qū)含水層為砂礫石層為主，中細砂次之；往東南顆粒明顯變細，主要以中細砂層為主，砂礫石層較薄。從北往南地下水水位埋深由深變淺，北部埋深30m左右、南部埋深18m左右；地下水水位標高西北高、東南低。淺層地下水的補給來源主要為大氣降水補給，其次為地下水側(cè)向徑流補給、河流入滲和灌溉回歸等。在天然狀態(tài)下，研究區(qū)地下水徑流方向為自西北向東南（圖2）。該地區(qū)淺層地下水由于不是主要的開采層位，目前的徑流方向沒有大的改變，僅在魏善莊以北、黃村以東地區(qū)地下水徑流方向發(fā)生了改變，對區(qū)域范圍內(nèi)地下水徑流方向影響不大。研究區(qū)淺層地下水的排泄主要是農(nóng)業(yè)開采和向東南側(cè)徑流流出。根據(jù)1991年以來淺層地下水水位動態(tài)資料分析，從1991～1999年，淺層地下水水位基本沒有下降，但由于1999年北京地區(qū)開始出現(xiàn)連續(xù)干旱年，導(dǎo)致地下水水位逐年下降（圖3），最高水位標高為26.49m，最低水位標高為13.47m，下降了約13.02m[2～5]。

圖2 研究區(qū)2010年7月潛水等水位線圖

圖3 淺層地下水多年水位動態(tài)曲線圖

（2）研究區(qū)深層承壓含水層主要位于中部及東南部第四系埋深150m以下的地下含水層組，從西南往東北沿西麻各莊至魏善莊和四海莊東南地區(qū)，分布面積567km2。相鄰承壓含水層之間，大多都有厚度在20m以上的隔水層。深層承壓含水層累計厚度在20～100m。該區(qū)農(nóng)村主要的飲用水取水層是以深層承壓水為主。承壓水的補給來源主要是側(cè)向徑流補給，在地下水大量開采的地區(qū)，還有來自上部含水層的越流補給。在天然狀態(tài)下，研究區(qū)的深層地下水流向和淺層地下水相同，自西北流向東南。由于承壓水是工業(yè)和生活用水的主要取水水源，補給條件較差，在瀛海、青云店及禮賢地區(qū)形成了大范圍的地下水降落漏斗。受漏斗影響[6]，中北部地區(qū)深層地下水的流向由西北－東南變?yōu)橄蚵┒分行膮R流（圖4）。研究區(qū)深層地下水的排泄量主要是生活和工業(yè)開采，從近7年地下水動態(tài)曲線看（圖5），研究區(qū)深層地下水2004-2010年的水位標高下降3m左右，變化幅度不大，說明深層地下水與降雨的聯(lián)系緊密程度不如淺層地下水。

圖4 研究區(qū)2010年7月承壓水等水壓線圖

圖5 深層地下水多年水位動態(tài)曲線圖

2 水化學(xué)特征

2.1 淺層地下水

研究區(qū)第四系淺層地下水水化學(xué)類型主要分為三種：HCO3-Ca?Mg、HCO3-Mg?Na以及HCO3-Ca?Mg?Na。其中，HCO3-Ca?Mg型地下水分布最廣，分布于整個北部地區(qū)；其次為HCO3-Na? Mg，主要分布于南部的絕大部分區(qū)域；HCO3-Na?Ca?Mg型地下水分布范圍最小，主要集中于榆垡鎮(zhèn)的西南部，禮賢鎮(zhèn)的東北部以及安定鎮(zhèn)的西南部。另外發(fā)現(xiàn)在北部，主要集中于黃村附近地區(qū)有HCO3?Cl-Ca?Mg以及HCO3?SO4-Ca? Mg型地下水零星檢出，呈點狀分布，顯示該地區(qū)地下水受到了一定污染，水化學(xué)類型復(fù)雜（圖6）。

圖6 研究區(qū)第四系淺層地下水水化學(xué)類型分區(qū)圖

2.2 深層地下水

圖7 研究區(qū)第四系深層地下水水化學(xué)類型分區(qū)圖

研究區(qū)第四系深層地下水水化學(xué)類型主要分為兩種：HCO3-Ca?Na和HCO3-Ca?Mg?Na。其中，HCO3-Ca?Na型地下水分布較廣，整個西部以及東部均有分布，而HCO3-Ca?Mg?Na型地下水分布范圍較為集中，主要分布于中部及南部的部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)（圖7）。第四系深層地下水水化學(xué)類型比較簡單，沒有發(fā)現(xiàn)HCO3-Cl型以及HCO3-SO4型地下水，在一定程度上反映了該區(qū)第四系深層地下水受到的污染較少，水質(zhì)較淺層地下水好。

圖8 淺層地下水氟離子濃度分布圖

3 氟離子分布規(guī)律

3.1 平面分布特征

根據(jù)253個淺層地下水和159個深層地下水水質(zhì)化驗中在東南部及南部地區(qū)，其中主要涉及的鄉(xiāng)鎮(zhèn)為長子營鎮(zhèn)的東部及南部、采育鎮(zhèn)的大部分地區(qū)、青云店鎮(zhèn)的東南角、安定鎮(zhèn)的南部、禮賢鎮(zhèn)南部以及榆垡鎮(zhèn)的東部及東南部地區(qū)（圖8）；深層地下水中氟離子濃度超標地區(qū)則主要集中在中部的魏善莊鎮(zhèn)魏善莊車站以及青云店鎮(zhèn)沙子營附近（圖9）。

圖9 深層地下水氟離子濃度分布圖

3.2 垂向分布特征

研究區(qū)第四系含水層中氟離子濃度在垂向上的分布情況較為復(fù)雜，從水質(zhì)資料分析，其濃度與取水層位的深度有密切關(guān)系，垂向上濃度的分布規(guī)律在不同地區(qū)有各自的表現(xiàn)形式。

（1）東南部及南部地區(qū)

通過水質(zhì)普測發(fā)現(xiàn)：該區(qū)域大部分農(nóng)業(yè)井氟離子濃度超標，而生活井中氟離子一般不超標，從圖8、圖9可看出，該區(qū)域農(nóng)業(yè)井中氟離子濃度超標面積較大，而生活井氟離子濃度沒有檢出超標（表1）。綜上判斷，氟離子濃度與含水層深度呈反相關(guān)關(guān)系：即含水層越深，氟離子濃度越低；含水層越淺，氟離子濃度越高。

表1 研究區(qū)東南部及南部地區(qū)地下水中氟離子濃度分析成果表

（2）中部地區(qū)

該區(qū)主要涉及魏善莊鎮(zhèn)和青云店鎮(zhèn)，通過水質(zhì)普測發(fā)現(xiàn)，農(nóng)業(yè)灌溉井氟離子濃度較低，而生活用水井中氟離子濃度相對高于與農(nóng)業(yè)井，結(jié)合圖8、圖9分析，中部地區(qū)農(nóng)業(yè)井中氟離子濃度不超標，而生活井中氟離子濃度超標明顯（表2）。綜上判斷，當(dāng)含水層埋深在300m以內(nèi)時，氟離子濃度與含水層深度的關(guān)系與該區(qū)東南部、南部正好相反，即含水層越深，氟離子濃度越高；含水層越淺，氟離子濃度越低。

表2 永樂店柴廠屯地區(qū)地下水中氟離子濃度分析成果表

3.3 動態(tài)變化特征

在采育鎮(zhèn)、安定鎮(zhèn)和魏善莊鎮(zhèn)分別選擇1組水井，每月檢測1次水質(zhì)，以此分析該區(qū)地下水中氟離子濃度隨時間的變化規(guī)律。從長期監(jiān)測孔水質(zhì)化驗結(jié)果可以看出，采育鎮(zhèn)與安定鎮(zhèn)深層地下水中氟離子濃度隨時間變化幅度較小，而采育鎮(zhèn)與安定鎮(zhèn)淺層地下水中氟離子濃度則隨時間變化較大[7]。分析結(jié)果顯示該區(qū)生活井主要取水層位氟離子濃度比較穩(wěn)定，在該區(qū)施工生活飲水井時可以不考慮季節(jié)因素（圖10）。

圖10 第四系地下水氟濃度月動態(tài)變化曲線

4 氟離子超標成因淺析

研究區(qū)第四系地下水中氟離子濃度分布規(guī)律十分復(fù)雜，超標的原因也呈現(xiàn)出多元化。目前，對于地下水中氟的富集有觀點認為：淺層地下水中氟的富集主要與當(dāng)?shù)貧夂驐l件、含水層巖性以及地下水徑流速度密切相關(guān)；而深層地下水中氟離子濃度則與所在地區(qū)下伏基巖以及有無大型斷裂有關(guān)[7～9]。研究區(qū)已發(fā)現(xiàn)深層地下氟超標區(qū)呈南西－北東向分布，基本與當(dāng)?shù)厮E縣系霧迷山組地層一致，薊縣系霧迷山組為北京市地?zé)豳Y源主要的熱儲層，氟離子濃度非常高，可以推測地層巖性與第四系深部地下水有一定水力聯(lián)系，但需要進一步勘察探明。因此初步推測研究區(qū)第四系地下水中氟濃度超標，主要是由于地質(zhì)原因造成的，屬于原生性的氟濃度富集，人為因素（污灌等）對于氟的富集影響程度還需要進一步驗證。

5 結(jié)論

研究區(qū)淺層地下水中氟離子濃度超標范圍主要集中在東南部及南部地區(qū)，超標區(qū)面積為258.57km2；深層地下水中氟離子濃度超標區(qū)主要集中在中部的魏善莊鎮(zhèn)以及青云店鎮(zhèn)沙子營附近，面積為20.91km2。

該區(qū)東南部以及南部地區(qū)，含水層越深，氟離子濃度越低；含水層越淺，氟離子濃度越高。中部地區(qū)，含水層越深，氟離子濃度越高；含水層埋深越淺，氟離子濃度越低。

氟離子超標的機理比較復(fù)雜，水質(zhì)處理難度較大[10]。對照區(qū)域基巖地質(zhì)圖，淺層地下水氟離子超標區(qū)主要集中在牛堡屯－大孫各莊迭凹陷內(nèi)，為面狀分布；深層承壓水氟離子超標區(qū)為零星點狀分布。氟離子超標與構(gòu)造、巖性、水文等多種因素有關(guān)，具體原因需要進一步深入分析研究。

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The Distribution Laws of Fluoride Ion in Groundwater and Its Cause Analysis—An Case Study of Quaternary Groundwater in the Southern Suburbs of Beijing

ZHANG Xue1，YAN Ying2
(1. The Information Centre, Beijing Geology Prospecting & Developing Bureau, Beijing 100195；2. Beijing Institute of Geological Engineering, Beijing 100048)

Excessive fluoride concentration in drinking water is the main factor leading to endemic fl uorosis. Through the comprehensive analysis of water quality data，combined with the research area of rural safety drinking water project construction and water quality special investigation, the distribution law of fl uoride in groundwater was studied. The concentration of fl uoride in the shallow groundwater is mainly concentrated in the southeast and the south of the area. The concentration of fl uoride ion and the depth of the water bearing layer is in inverse relationship with the time. The concentration of fl uoride in the deep groundwater is mainly concentrated in the middle part. When the water bearing layer is buried deep within the 300m, the fluoride concentration is positively related to the depth of the aquifer. The enrichment of fl uorine in shallow groundwater is closely related to the climatic conditions, the lithology of the aquifer, the groundwater fl ow velocity, and the deep groundwater is caused by the geological reasons. The research results provided the technical support for the construction design of the well, which provided the basis for the study of the measures to control the excessive fl uorine in groundwater.

Groundwater; Fluoride ion; Distribution law; Formation reason; Inverse relationship; Construction process; Water chemistry; Water quality

P641

A

1007-1903（2015）04-0038-06

10.3969/j.issn.1007-1903.2015.04.008

張雪（1984- ），碩士，工程師，主要從事水環(huán)境評價、水文地質(zhì)工作，E-mail：m13810260293@163.com