呼和浩特市承壓水水化學特征及其成因

劉力瑋，　馮海波，　劉曉波，　董少剛

(內(nèi)蒙古大學 環(huán)境與資源學院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010021)

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呼和浩特市承壓水水化學特征及其成因

劉力瑋，馮海波，劉曉波，董少剛*

(內(nèi)蒙古大學 環(huán)境與資源學院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010021)

通過水文地質(zhì)調(diào)查、采樣分析并結合地下水流動系統(tǒng)理論，對呼和浩特市承壓水水化學特征及水質(zhì)污染情況進行研究.共采集地下承壓水樣67組，分析了pH、氯化物、總硬度、高錳酸鹽指數(shù)、鐵錳、氨氮等23項指標.結果表明：研究區(qū)大青山山前及中—東部承壓水水質(zhì)較好，僅硝酸鹽氮有一處超標；西南部承壓水水質(zhì)相對較差，高錳酸鹽指數(shù)、鐵錳、氨氮等出現(xiàn)超標現(xiàn)象.氨氮是研究區(qū)承壓水的主要污染物，超標率達19.4%，最高濃度為10.85mg/L，高濃度區(qū)處于地下水的排泄區(qū)，主要集中在研究區(qū)西南部的后本灘及臺閣牧鎮(zhèn)一帶.受人類活動的影響部分氮素通過斷層或越流補給承壓含水層，在承壓含水層相對缺氧的還原環(huán)境中，硝化作用受到抑制，導致氨氮不斷積累.表1，圖4，參20.

地下水；水文地球化學；礦化度；氨氮；呼和浩特市

地下水資源是淡水資源的重要組成部分，隨著全球淡水資源的緊缺，地下水的污染問題備受關注.地下水水化學的組成是地下水水質(zhì)評價的重要內(nèi)容,也是研究地下水循環(huán)和演化的重要條件之一[1].通過對地下水水化學的時空變異特征與演變規(guī)律研究，可以更好揭示地下水與環(huán)境的相互作用機制.地下水的化學類型及其分布規(guī)律，是受地貌、巖性、構造、地下水流場等自然因素及人類活動等多種因素影響[2，3].前人對本研究區(qū)也做過相關研究，并取得一些重要成果，文獻[4]通過研究呼和浩特市淺層地下水水化學特征演變規(guī)律，表明地下水中主要離子為HCO3-和Ca2+，離子濃度與地下水水溫呈現(xiàn)顯著的負相關性；文獻[5]分析了呼和浩特市大青山山前傾斜平原地下水，表明由于自然因素和人為因素導致出現(xiàn)淺層水“疏干”、承壓水轉無壓的地質(zhì)環(huán)境問題；文獻[6]探究呼和浩特市托克托縣潛水與承壓水中氟的分布特征，表明地下水中的F-濃度與HCO3-、Na+、溶解性總固體(TDS)和電導率(EC)呈正相關，與Ca2+呈負相關，高氟水的水化學類型為HCO3·Cl-Na型.

隨著多年大規(guī)模的開發(fā)利用，呼和浩特市地下水資源短缺、污染及水資源配置不合理等問題日益突出.本研究通過分析呼和浩特市承壓水中的主要化學組分的空間分布及遷移轉化，以揭示該區(qū)地下水與環(huán)境的相互作用，為呼和浩特市承壓水的可持續(xù)利用、管理及其污染防治提供科學依據(jù).

1　研究區(qū)概況

呼和浩特市位于內(nèi)蒙古自治區(qū)中部、土默川平原的東北，北有大青山為天然屏障，東南部被蠻漢山所環(huán)繞，地勢東北高、西南低.該區(qū)屬典型的蒙古高原大陸性氣候，半干旱半濕潤地區(qū)，年平均降水量在400 mm左右，年平均蒸發(fā)量為1 800 mm左右.區(qū)內(nèi)河流有大黑河、小黑河等季節(jié)性河流，目前地下水成為呼和浩特市的主要供水水源[7].

研究區(qū)第四系承壓含水層，主要接受北部大青山和東部蠻漢山的側向徑流補給，在斷層的控制作用下(圖1)，承壓水基本上是從北、東、南三個方向向大黑河徑流，最終匯入黃河，排泄以徑流和人工開采為主[8].

圖1　呼和浩特市水系及地質(zhì)構造圖 Fig.1　Water system and geological structure of Hohhot

2　水樣的采樣及測試方法

根據(jù)地下水流場的特點，結合敏感目標的分布，在研究區(qū)共布設地下水采樣點67處(圖2)，采樣時間為2014年5月7日至5月15日.監(jiān)測分析指標為：pH、氟化物、高錳酸鹽指數(shù)、總硬度(以CaCO3計)、硫酸鹽、氯化物、揮發(fā)酚、鎘、硫化物、鐵、錳、六價鉻、鉛、鋅、銅、氨氮、亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮、溶解性總固體(TDS)、總汞、總砷、氰化物及總大腸菌群等23個指標.水樣檢驗方法，按國家標準《生活飲用水標準檢驗方法》GB/T5750—2006執(zhí)行.

圖2　地下水采樣點分布Fig.2　Distribution of sample wells for groundwater

3　水樣的結果及分析

3.1水化學基本特征

利用SPSS 22.0統(tǒng)計軟件對地下水中主要化學組分含量進行統(tǒng)計學分析，主要監(jiān)測指標的統(tǒng)計結果見表1，其他監(jiān)測指標均低于檢出限或優(yōu)于地下水Ⅲ類水水質(zhì)標準，在此不做討論.依據(jù)《中華人民共和國國家標準—地下水質(zhì)量標準》(GB/T14848—1993)中規(guī)定的Ⅲ類水水質(zhì)標準，對比分析該區(qū)承壓水水質(zhì)狀況.

表1　2014年呼和浩特市地下水水化學參數(shù)的統(tǒng)計特征值(n=67)

從表1中可以看出，67個采樣點中，pH、總硬度、硫酸鹽、氯化物、氟化物均未出現(xiàn)超標現(xiàn)象，符合地下水Ⅲ類水標準.其中硝酸鹽氮和高錳酸鹽指數(shù)各有一處超標，濃度分別達36.90 mg/L和 6.45 mg/L；錳的平均值為0.024 mg/L，兩處采樣點超標，最高濃度為0.340 mg/L；鐵有3處采樣點超標，最大值為0.555 mg/L；氨氮的平均值為0.415 mg/L，最大值為10.850 mg/L，67個采樣點中有13個采樣點出現(xiàn)超標，超標率為19.4%.鐵、錳、氨氮的變異系數(shù)均較大，表明其在地下水中的濃度變化比較大.

3.2常規(guī)監(jiān)測指標濃度空間分布分析

應用SURFER8.0繪制研究區(qū)承壓含水層中各監(jiān)測指標濃度的等值線空間分布特征圖(圖3).氯化物、總硬度、硫酸鹽和硝酸鹽氮等高濃度區(qū)主要分布在大青山前和呼和浩特市區(qū)；pH、氟化物、高錳酸鹽指數(shù)、鐵、錳和氨氮等高濃度主要集中在后本灘、臺閣牧鎮(zhèn)一帶，屬于地下水的排泄區(qū)，氨氮成為本區(qū)承壓水中主要污染物.

3.2.1pH

研究區(qū)承壓水呈弱堿性，pH在7.3～8.3之間，未出現(xiàn)超標現(xiàn)象.研究區(qū)西南部的茂林太、白廟子鎮(zhèn)及后本灘一帶，pH值均超過8.0.后本灘一帶屬于承壓水的滯留排泄區(qū)，水循環(huán)交替十分緩慢，處于還原環(huán)境.巖層中的方解石、白云石、鈉長石均呈溶解反應，其反應方程分別為：

CaCO3+H+=Ca2++HCO3-；

CaMg(CO3)2+2H+=Ca2 ++Mg2++2HCO3-；

NaAlSi3O8+H++9/2H2O=Na++2Si(OH)4+ 1/2Al2Si2O5(OH)4.

這些反應均消耗水中的H+，導致地下水pH值相對升高[9].

3.2.2氯化物、氟化物和硫酸鹽

研究區(qū)承壓水氯化物、氟化物、硫酸鹽濃度均符合地下水Ⅲ類水標準.北部大青山山前傾斜平原區(qū)氯化物濃度最高為48 mg/L，研究區(qū)中的東部僅為6 mg/L左右.研究區(qū)承壓水氟化物濃度普遍低于0.4 mg/L，總的來看東部蠻漢山山前傾斜平原較北部大青山山前傾斜平原高，這可能與蠻漢山巖層富含含氟礦物(如螢石與氟磷灰石)有關[6,10-12].北部大青山山前傾斜平原區(qū)硫酸鹽濃度最高為54 mg/L，中—東部僅為12～14 mg/L左右.由于大青山巖石中含石膏及其它硫酸鹽，在長期溶濾作用下，導致該區(qū)地下水中硫酸鹽濃度相對升高.

3.2.3總硬度

研究區(qū)承壓水總硬度均低于450 mg/L，符合地下水Ⅲ類水標準.大青山山前含水層顆粒粗大，地下水徑流條件較好，溶濾作用強烈，使地下水中的陽離子主要以Ca2+、Mg2+為主[13]，該區(qū)硬度達到350 mg/L以上；到了臺閣牧鎮(zhèn)及其以東含水層的顆粒變得細小，地下水徑流緩慢，濃縮沉淀作用明顯，Ca2+、Mg2+含量相對降低，地下水硬度僅為150～190 mg/L左右.總的來看，該區(qū)地下水總硬度與pH值呈明顯的負相關性(圖4)，隨著pH值的升高地下水總硬度明顯降低.

圖3　各常規(guī)監(jiān)測指標濃度的等值線空間分布特征(ml/L)Fig.3　The conventional inspection concentration of the characteristics of spatial distribution(ml/L)

圖4　pH與總硬度變化的關系Fig.4　Relationship between pH and total hardness

3.2.4高錳酸鹽指數(shù)

研究區(qū)承壓水中高錳酸鹽指數(shù)主要在后本灘以北一帶超標，最大濃度為6.45 mg/L.臺閣牧鎮(zhèn)和后本灘一帶為本區(qū)承壓地下水的滯留排泄區(qū)，地下水流速緩慢，且長期處于還原環(huán)境，承壓水中的還原性物質(zhì)較多，從而導致高錳酸鹽指數(shù)濃度較高.毫沁營、呼和浩特市和茂林太等地的高錳酸鹽指數(shù)濃度在0.2～0.8 mg/L之間，而白塔、金河鎮(zhèn)、白廟子鎮(zhèn)周圍的高錳酸鹽指數(shù)濃度在0.8～1.4 mg/L之間.

3.2.5鐵、錳

研究區(qū)承壓水中鐵、錳高濃度區(qū)主要分布在后本灘及白廟子鎮(zhèn)一帶，屬于地下水的排泄區(qū)，鐵、錳最高濃度分別達0.555 mg/L和0.340 mg/L.

研究區(qū)北部為大青山，東部為蠻漢山，巖層中含有豐富的鐵錳礦物.巖石受強烈風化、分解、溶濾作用時，部分原生鐵錳被溶解釋放進入地下水.在地下水徑流作用下向排泄區(qū)運移并富集.地下水中鐵、錳離子濃度的高低，除受淺部土層中有機物含量、酸堿條件、徑流條件影響外，主要與還原環(huán)境有關[14,15].在后本灘一帶，地層全部被第四系覆蓋，同時受沖洪積平原扇緣影響，承壓含水層中夾有淤泥質(zhì)的亞黏土，使得承壓水徑流緩慢，易形成強還原環(huán)境.在還原環(huán)境中有機質(zhì)可促進鐵、錳絡合物的穩(wěn)定性，以致在弱堿性介質(zhì)中都不沉淀[16].同時，有機質(zhì)能分解而產(chǎn)生大量二氧化碳和硫化氫等還原性物質(zhì)，使氧化還原電位值降低，F(xiàn)e2O3、MnO2還原成低價的鐵錳易溶鹽，并離解出Fe2+、Mn2+，導致這一區(qū)域鐵錳離子濃度升高.

在圓弧類工件輪廓測量過程中，空間圓弧擬合是至關重要的一步[1-3]。在通過輪廓特征提取及匹配，獲得輪廓點空間三維坐標后，需進一步通過空間圓弧擬合得出圓弧半徑、圓心坐標等相關信息?？臻g圓弧擬合的精度將對最終測量結果產(chǎn)生重要影響。

3.2.6氨氮和硝酸鹽氮

氨態(tài)氮是研究區(qū)承壓水中的主要污染物，超標率達19.4%，高濃度區(qū)主要分布在西南部的后本灘及臺閣牧鎮(zhèn)一帶，濃度達到2 mg/L以上，最高濃度為10.85 mg/L.

研究區(qū)受大青山山前斷裂帶的控制，斷層充分發(fā)揮其集水廊道和疏水通道的作用，因此降水以及地表水直接通過斷層補給承壓含水層，將地表由于人類活動產(chǎn)生的大量氮素帶入承壓水中[17]，成為該區(qū)氮污染的主要來源.

此外，后本灘和臺閣牧鎮(zhèn)一帶為區(qū)域地下水的滯留排泄區(qū)，經(jīng)過漫長流動途徑上的消耗，承壓水中的溶解氧含量大幅減低，使該區(qū)承壓水處于較強的還原環(huán)境中[18,19].受還原環(huán)境控制，由斷層直接補給以及通過淋溶進入到承壓含水層中氨氮的硝化作用受到抑制，硝酸鹽氮的反硝化作用增強，使得氨氮在缺氧環(huán)境下不斷積累[20].總之，研究區(qū)承壓水中較高濃度的氨氮可能主要來自于地表污染源，通過斷層或越流進入承壓含水層，承壓含水層中強還原環(huán)境使其能夠長期存在.

研究區(qū)承壓水硝酸鹽氮在大青山山前一帶濃度超過地下水Ⅲ類水標準，最高濃度為36.9 mg/L.主要來自農(nóng)田化肥的施用，污水灌溉，導致地下水中硝酸鹽氮含量升高；大青山南緣地下水處于強氧化環(huán)境，氨氮和亞硝酸鹽氮容易發(fā)生硝化反應，被氧化為硝酸鹽氮，導致地下水中硝酸鹽氮濃度超標.隨著承壓地下水的徑流和排泄，其所處環(huán)境的還原性增強，使得水中硝酸鹽氮濃度逐漸降低，故在本區(qū)的徑流排泄區(qū)，未出現(xiàn)硝酸鹽氮濃度超標現(xiàn)象.

4　結　論

通過對呼和浩特地下水流動系統(tǒng)特征調(diào)查、結合采樣分析，揭示研究區(qū)承壓水水質(zhì)的空間變化規(guī)律，主要得出如下結論：

(1)主要監(jiān)測指標統(tǒng)計分析表明，67個采樣點中，pH、總硬度、硫酸鹽、氯化物、氟化物均未出現(xiàn)超標現(xiàn)象，符合地下水Ⅲ類水標準.硝酸鹽氮和高錳酸鹽指數(shù)、鐵和錳，超標率較低.氨氮有13個采樣點出現(xiàn)超標，超標率為19.4%，成為本區(qū)主要污染物；

(2)研究區(qū)承壓水呈弱堿性，地下水氯化物、總硬度、硫酸鹽和硝酸鹽氮等高濃度區(qū)主要分布在大青山前和呼和浩特市區(qū)；氟化物、高錳酸鹽指數(shù)、鐵、錳和氨氮等高濃度區(qū)主要集中在后本灘、臺閣牧鎮(zhèn)一帶，屬于地下水的滯留排泄區(qū)；

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Biography：LIU Li-wei,famale,born in 1991,master,groundwater pollution and control.

Chemical Characteristics and Causes of Confined Water in Hohhot

LIU Li-wei,FENG Hai-bo,LIU Xiao-bo,DONG Shao-gang

(College of Environment and Resource,Inner Mongolia University,Hohhot 010021，China)

Based on the investigation and sampling analysis of hydrogeololgy as well as the groundwater flow system theory,this paper analyzed hydrogeochemical characteristics of confined water and condition of water pollution in Hohhot.The total underground confined water samples were 67 groups analyzing 23 indexs including the pH,chloride,total hardness,permanganate index,iron,manganese and ammonia nitrogen.The results show that:the confined groundwater quality in the study area of east-central or piedmont clinoplain of Daqing Mountain was satisfactory because only nitrate nitrogen was in excess of the standard levels.The confined groundwater quality in southwest was generally not satisfactory because the permanganate index,iron,manganese and ammonia nitrogen were in excess of the standard levels.Ammonia nitrogen became major pollutants in this area and the excess standard rate and maximum concentration were 19.4% and 10.85mg/L.High concentration was in the discharge area of groundwater,which mainly existed in Houbentan and the town of Taigemu.Part of nitrogen pollution caused by human activities entered confined water through rainfall and surface water,meanwhile,the denitrification of nitrate nitrogen enhanced in the reducing environment,leading to the continuous accumulation of ammonia in the hypoxic environment.1Tab.,4figs.,20refs.

groundwater;hydrogeochemistry;mineralization;ammonia nitrogen;Hohhot

2016-08-28

國家自然科學基金項目資助(編號：41562020,41002129)

劉力瑋(1991-)，女，山東濰坊人，碩士研究生，研究方向：地下水污染與防治.

，Email: groundwater@163.com.

2095-7300(2016)03-028-07

P641.3

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