江漢平原東北部淺層高鐵錳地下水環(huán)境特征

何　　軍，彭　　軻，曾　　敏

HE Jun，PENGKe ZENGMin

（中國地質(zhì)調(diào)查局武漢地質(zhì)調(diào)查中心，武漢 430205）

（Wuhan Center of China Geological Survey，Wuhan 430205，Hubei，China）

江漢平原東北部淺層高鐵錳地下水環(huán)境特征

何軍，彭軻，曾敏

HE Jun，PENGKe ZENGMin

（中國地質(zhì)調(diào)查局武漢地質(zhì)調(diào)查中心，武漢 430205）

（Wuhan Center of China Geological Survey，Wuhan 430205，Hubei，China）

鐵、錳元素是影響江漢平原東北部淺層地下水質(zhì)量的主要因素。為了查明該地區(qū)地下水中鐵錳的分布特征及地下水環(huán)境特征，選擇典型研究區(qū)，采集了13件地下水樣品，測試了地下水中鐵錳的含量以及酸堿度、礦化度和氧化還原條件，分析了上述條件對鐵錳含量的影響，并與江漢平原腹地高鐵錳地下水環(huán)境進(jìn)行對比。結(jié)果表明，本研究區(qū)地下水以HCO3-Ca、HCO3-Ca·Mg型為主，高鐵錳水主要分布于研究區(qū)東部和南部沿江地帶，與江漢平原腹地地下水化學(xué)類型一致，鐵錳的含量相對偏低。研究區(qū)上部土層中鐵錳的氧化物為地下水中的鐵錳提供了豐富的來源，地下水的酸堿度、礦化度和氧化還原環(huán)境是影響鐵錳遷移的主要因素。研究區(qū)高鐵錳地下水多呈弱酸性，礦化度較高，地下水中鐵錳的含量與溶解氧具弱負(fù)相關(guān)，與氨氮具強(qiáng)烈正相關(guān)，表明相對還原的環(huán)境有利于鐵錳釋放到地下水中，江漢平原腹地處于更加還原的環(huán)境，是地下水中鐵錳高于本研究區(qū)的主要原因。

江漢平原東北部；高鐵錳地下水；水化學(xué)特征

鐵、錳元素是人體所必需的元素，但飲用水中過量的鐵、錳元素含量也會對人體健康造成威脅［1-2］。研究區(qū)位于江漢平原東北部，以沖洪積平原為主，鐵錳是影響地下水質(zhì)量的主要因素。曾昭華［3-5］于上世紀(jì)90年代對江漢平原東部地區(qū)地下水背景值進(jìn)行了調(diào)查研究工作，在鐵、錳的背景值以及遷移富集因素方面取得了豐富的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。近年來依托長江“黃金水道”，武漢市經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，北部平原區(qū)城市擴(kuò)張，工礦企業(yè)劇增，大量生產(chǎn)、生活廢水的排放，地下水水質(zhì)以及地下水賦存的水文地球化學(xué)條件也發(fā)生了較大的變化，鐵錳元素對地下水環(huán)境尤其是氧化還原條件的變化需要我們相應(yīng)地進(jìn)一步開展工作。陳慶峰等［6］對漢陽區(qū)武漢市動物園內(nèi)的濕地孔隙水中鐵錳與ORP的關(guān)系研究表明，孔隙水中的ORP與亞鐵和全錳的濃度相關(guān)性極顯著，與全鐵的相關(guān)性不顯著；甘義群等［7-8］在江漢平原腹地高砷地下水研究表明，地下水中的鐵錳較高，主要是由于鐵錳氧化物的還原性溶解引起。此外，地下水中的鐵錳除了受氧化還原環(huán)境的影響外，pH以及Cl-等也是重要的因素［9］。本文以江漢平原的東北為例，探討地下水中鐵、錳元素的分布規(guī)律及其與酸堿度、礦化度和氧化還原條件相關(guān)性，與江漢平原腹地的仙桃市沙湖地區(qū)進(jìn)行對比，分析研究區(qū)高鐵錳地下水環(huán)境特征。

1　高鐵錳地下水形成的地質(zhì)背景

研究區(qū)地處長江中游，為江漢平原的東北邊緣地帶，包括了武漢市東西湖區(qū)、黃陂區(qū)、新洲區(qū)以及武昌區(qū)沿江地帶（圖1）。地勢總體北高南低，北部盆地邊緣以崗狀平原為主，標(biāo)高35-60 m，相對高差10-20 m［10］。出露地層為中更新統(tǒng)沖洪積紫紅色粘土、亞粘土。南部為沖湖積平原，分布于長江和漢江兩岸。沖湖積平原出露地層為全新統(tǒng)棕黃色粉細(xì)砂夾礫石，淤泥質(zhì)粉細(xì)砂、亞砂土，上更新統(tǒng)亞粘土、亞砂土等（圖1、圖2）。

研究區(qū)地下水賦存在第四系砂、砂礫石孔隙中，除江心洲和三級河流兩側(cè)為潛水外，其余均具有承壓性，頂板埋深9-27 m，含水層厚度為6-22 m，且以薄者居多（圖2）。地下水的交替循環(huán)，主要取決于地下水的補(bǔ)徑排狀況。研究區(qū)地形低洼，分布面積廣闊，地下水位高，有的甚至接近地表，水位年變幅約在1米左右。由于上覆蓋層的弱透水性，水位變幅小，提供的勢能有限，其垂向補(bǔ)排量極有限，沿江一帶側(cè)向排泄僅限于沿江不寬的條帶地段，并受江邊堆積物透水性的控制。就整個(gè)研究區(qū)而言，不論是側(cè)向或垂向補(bǔ)排，對其平原地下水的交替循環(huán)在宏觀上影響很小。地下水交替循環(huán)緩慢，地下水形成時(shí)間較長，基本上可視為封閉狀態(tài)。地下水動力條件不佳，徑流極為緩慢，水物質(zhì)流動和水化學(xué)場保持相對平衡穩(wěn)定，物質(zhì)來源于含水介質(zhì)及周圍崗地和丘陵。所以含水介質(zhì)和上覆土層中含有大量鐵錳元素，是控制地下水鐵含量較高的內(nèi)在因素［11］，再加上相對有利的還原環(huán)境是地下水中高鐵錳形成的主要原因。

圖1　江漢平原東北部水文地質(zhì)簡圖（A-A′水文地質(zhì)剖面見圖2）Fig.1 Simplified hydrogeological map ofplain in northern Wuhan

圖2　江漢平原東北部A-A′水文地質(zhì)剖面圖Fig.2 Hydrogeological cross section alongthe line A-A’ofplain in northern Wuhan

2　實(shí)驗(yàn)方法

為了查明該地區(qū)地下水中鐵錳的分布特征及地下水環(huán)境特征，于2014年11月采集13件地下水樣（圖1）。地下水采樣點(diǎn)的設(shè)計(jì)主要考慮地形地貌、地下水補(bǔ)徑排條件、母質(zhì)土壤、人口分布等因素，主要采集潛水層地下水，采樣深度小于25 m，大部分為10 m以內(nèi)?，F(xiàn)場使用HACH40d便攜式水質(zhì)分析儀測定pH、電導(dǎo)率、溶解氧，其余指標(biāo)當(dāng)天送往實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測定。現(xiàn)場采集兩份水樣，其中一份用濃硝酸酸化至pH＜2。樣品的分析方法采用《地下水污染地質(zhì)調(diào)查評價(jià)規(guī)范》（DD 2008-01）中推薦的分析方法，鉀、鈉、鈣、鎂等主要陽離子采用ICP-AES測定、氯、硫酸根等主要陰離子采用離子色譜測定、重碳酸根采用滴定法測定，本次地下水的樣品分析均在國土資源部長沙礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測中心完成。

3　結(jié)果與討論

3.1鐵錳的時(shí)空分布規(guī)律

不同取樣位置鐵錳含量見表1。由表1可見，研究區(qū)地下水樣中有5件水樣中有鐵的檢出，變化范圍為0.06-2.47 mg/l，其中2件水樣中鐵的含量超過了0.3 mg/l的III類地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（2007年），最高可達(dá)2.47 mg/l，超標(biāo)8倍。從空間分布來看，高鐵地下水主要集中于研究區(qū)的東部的新洲一帶及南部的沿江地帶。錳元素的檢出率比鐵高，有10件樣品中檢測出錳元素，變化范圍為0.01-3.31mg/l，其中9件超過了III類地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的0.1mg/l，最高可達(dá)3.31 mg/l，超標(biāo)近30倍。與鐵元素一樣，錳的含量也是東部新洲一帶比西部高，但高錳水的分布范圍比高鐵水更為廣泛，研究區(qū)西部有錳檢出而鐵卻未檢出。

從江漢平原范圍內(nèi)鐵錳分布上看，甘義群和段艷華等同年在仙桃地區(qū)對高砷地下水的研究顯示［7-8］，江漢平原腹地地下水中Fe和Mn的變化范圍分別為0.32-24.44 mg/l和0.17-5.70 mg/l，平均值分別為5.00 mg/l和1.22 mg/l，比本研究區(qū)的地下水中鐵錳的含量高，這說明江漢平原中部地下水中鐵錳的含量比平原邊緣地帶的要高。

從時(shí)間對比來看，根據(jù)陳慶峰等［6］在鄰近本研究區(qū)西南邊界的武漢市動物園2004-2006年結(jié)果顯示，全鐵和全錳的濃度變化范圍分別是0.75-1.89mg/l和0.60-2.35mg/l，與本研究的鐵錳含量相近。鐵錳的濃度隨季節(jié)變化波動受降雨量的影響較大，其中全錳、全鐵的濃度在春夏季大于秋冬季，7、8月達(dá)到最大值。在更遠(yuǎn)尺度上，曾昭華［3］于上世紀(jì)90年代開展江漢平原東部地區(qū)地下水背景值研究，當(dāng)時(shí)本研究區(qū)地下水鐵錳的背景值分別為3.33 mg/l和0.41 mg/l，與其調(diào)查結(jié)果相比，現(xiàn)在地下水中的鐵元素有含量所下降，錳元素含量則有所上升。

表1　研究區(qū)取樣位置及鐵錳測試含量Table 1 Sampling position and content of iron and manganese in the study area

3.2高鐵錳地下水環(huán)境特征

在平原區(qū)，鐵錳在地下水中的遷移富集除了與其形成的地質(zhì)背景條件有直接關(guān)系，另外還受到酸堿條件、地下水中氯離子含量以及氧化還原條件等地下水賦存的環(huán)境特征的控制［9］。在缺氧環(huán)境中（DO＜1.0 mg/l），酸性條件（pH=6.0）能夠促進(jìn)鐵錳的釋放，而堿性條件（pH=9.0）則會抑制鐵錳的釋放；好氧條件下（DO＞5.0mg/l）鐵錳的釋放則受到明顯抑制［12］。

3.2.1酸堿度

江漢平原東北部地下水中現(xiàn)場測試指標(biāo)以及主要成分的統(tǒng)計(jì)值如表2所示。研究區(qū)地下水以弱堿性為主，僅有2處地下水呈弱酸性，電導(dǎo)率介于517和3620μs/cm之間。其中高鐵錳質(zhì)地下水pH值為6.49-8.09之間，根據(jù)地下水中鐵錳的含量與pH值的關(guān)系（圖3）可知，鐵錳含量較高的地下水中pH一般較小，成中性-弱酸性，pH值與鐵錳的含量具弱負(fù)相關(guān)，其中江漢平原腹地區(qū)地下水pH普遍小于7.6，總體小于平原邊緣地帶，這是平原腹地鐵錳的含量較高的其中一個(gè)原因。

S03號樣品的鐵錳的含量較高，但pH值顯示為堿性（圖3），與pH值與鐵錳的弱負(fù)相關(guān)性不符，原因是該樣品中地下水的礦化度較高，為微咸水。對微咸水中的鐵、錳離子的含量起主導(dǎo)作用的是Cl-［3，9］。礦化度和Cl-較高的地下水中，“鹽”效應(yīng)對鐵錳產(chǎn)生較大的影響，使地下水中鐵錳含量增高，造成有電性相同的Na+、Ca2+向吸附體交換出鐵錳，與此同時(shí)，許多電性相反的離子爭奪鐵錳離子脫離固體表面轉(zhuǎn)入地下水中，反映出隨礦化度的不斷增高，“鹽”效應(yīng)越強(qiáng)，不同電性離子交換吸附作用越大，地下水的鐵錳含量越高。雖然本研究區(qū)地下水Cl-含量比江漢平原腹地高很多，但是僅有S03號為微咸水，其余水樣與江漢平原腹地一樣均為淡水，淡水中起主要作用的還是酸堿度和氧化還原條件，與“鹽”效應(yīng)關(guān)系不大，“鹽”效應(yīng)僅針對礦化度和Cl-較高的地下水。

3.2.2地下水化學(xué)類型

本次調(diào)查的地下水的piper三線圖如圖4所示，研究區(qū)地下水中K+、Na+、Ca2+和Mg2+等陽離子的含量變化范圍較大，陽離子以Ca2+和Mg2+為主，陰離子以HCO3-和Cl-為主。地下水化學(xué)類型以HCO3-Ca、HCO3-Ca·Mg為主，少量為Cl·HCO3-Ca· Na、HCO3·SO4-Ca·Mg型。地下水礦化度較低，平均值為0.59 g/l，其中S03號礦化度最高達(dá)1.68 g/l，為微咸水。

表2　水化學(xué)參數(shù)及主要成分的統(tǒng)計(jì)表Table 2 Statistics of hydrochemical parameters and major ion concentrations

圖3　地下水中鐵、錳與pH的關(guān)系Fig.3 Plots ofFe、Mn and pH in groundwater

圖4　地下水樣piper三線圖Fig.4 Piper’s diagramofgroundwater samples

其中S01-S06的地下水鐵錳的含量較高，地下水化學(xué)類型主要為HCO3-Ca，少量為Cl·HCO3-Ca· Na型，與江漢平腹地的仙桃市沙湖原種場相比主要陽離子的含量較為接近，Cl-較平原腹地偏高，HCO3-離子的含量較平原腹地偏低，主要原因是平原腹地區(qū)沉積物中含有大量的有機(jī)物質(zhì)，地下水中高含量的HCO3-與沉積物中有機(jī)物質(zhì)的生物降解作用有關(guān)，該作用也會導(dǎo)致碳酸鹽巖的溶解，從而進(jìn)一步增加HCO3-的含量。

3.2.3氧化還原條件

圖5　地下水中鐵、錳與溶解氧和氨氮的關(guān)系Fig.5 Plots ofFe、Mn and DO、NH4+in groundwaters

氧化還原環(huán)境也是控制鐵錳在地下水中遷移富集的重要因素。如圖5所示，鐵、錳的含量與地下水中溶解氧的關(guān)系圖可知，高鐵錳的地下水中溶解氧較低，而地下水中氨氮與鐵錳的顯著正相關(guān)，表明鐵錳較高的地下水為相對還原的環(huán)境，其中江漢平原腹地區(qū)氨氮的含量更高，指示了比平原邊緣更強(qiáng)的還原環(huán)境。在本研究區(qū)內(nèi)，東部和南部地形比其他地區(qū)平緩，地下水位高，水力坡度小，循環(huán)交替遲滯，逕流條件差，土層的大部分處于地下水長期浸漬狀態(tài)，且上部覆蓋層位粘土或亞粘土，使其向下逐漸轉(zhuǎn)為低電位的還原環(huán)境。研究區(qū)上部土層中富含有機(jī)質(zhì)，含量在2%以上，而土層中有機(jī)質(zhì)的分解，也加速了這一轉(zhuǎn)化過程。

還原環(huán)境使土層中的鐵、錳的低價(jià)態(tài)含量增多，增強(qiáng)其遷移性；又由于有機(jī)質(zhì)不斷分解，產(chǎn)生的二氧化碳和水作用，增高水中HCO3-含量，同時(shí)生成大量的Fe（HCO3）2與Mn（HCO3）2，在有機(jī)物的保護(hù)下，以溶液形式攜帶著Fe（HCO3）2、Mn（HCO3）2遷移至水中；在這種環(huán)境中有機(jī)質(zhì)可促進(jìn)鐵、錳絡(luò)合物的穩(wěn)定性，以致在弱堿性介質(zhì)中都不沉淀，且有機(jī)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，使Fe2O3、MnO2還原成低價(jià)的鐵錳易溶鹽，導(dǎo)致地下水中鐵錳的含量增加。江漢平原腹地區(qū)地下水還原環(huán)境更強(qiáng)，因此鐵錳的含量就要比平原邊緣地帶高。

4　結(jié)論

通過對比研究江漢平原東北部及平原腹地區(qū)高鐵錳地下水水化學(xué)特征以及賦存的環(huán)境條件，可以得出以下結(jié)論：

（1）研究區(qū)含水介質(zhì)和上覆土層中含有大量鐵錳元素，加上平原區(qū)相對低洼，地下水動力條件不佳，地下水交替循環(huán)緩慢是高鐵錳地下水形成的有利的地質(zhì)背景條件。

（2）研究區(qū)高鐵錳地下水中鐵和錳的含量分別為0.06～2.47 mg/l和0.01～3.31 mg/l，高鐵錳地下水主要集中于研究區(qū)的東部的新洲一帶及南部的沿江地帶。江漢平原腹地地下水中Fe和Mn分別為0.32-24.44 mg/l和0.17-5.70 mg/l，說明江漢平原中部地下水中鐵錳的含量比平原邊緣地帶的要高。

（3）研究區(qū)與平原腹地區(qū)一樣，地下水pH多小于7.6，以弱堿性為主，少量呈弱酸性，pH值與鐵錳的含量具弱負(fù)相關(guān)。地下水化學(xué)類型以HCO3-Ca、HCO3-Ca·Mg為主。不同的是，平原腹地區(qū)地下水更偏酸性，HCO3-含量略高。在微咸水中，對鐵錳離子的含量起主導(dǎo)作用的是Cl-。

（4）高鐵錳的地下水中溶解氧較低，而地下水中氨氮與鐵錳的顯著正相關(guān)，表明鐵錳較高的地下水為相對還原的環(huán)境，其中江漢平原腹地區(qū)氨氮的含量更高，指示了比平原邊緣更強(qiáng)的還原環(huán)境，表明還原環(huán)境有利于鐵錳在地下水中富集。

［1］Yunker LM，Parboosingh J S，Conradson H E，F(xiàn)aris P，Bridge P J，Buithieu J，et.al.The effect of iron status on vascular health［J］.Vascular Medicine，2006，11（2）:85-91.

［2］Brittmarie S.Manganese in health and disease［J］.American Journal ofClinical Nutrition，1994，60:980-981.

［3］曾昭華.長江中下游地區(qū)地下水中鐵錳元素的形成及分布規(guī)律［J］.長江流域資源與環(huán)境，1994，3（4）:326-329.

［4］曾昭華.地下水中鐵元素的形成及其控制因素［J］.江蘇地質(zhì).2003，27（4）：220-224.

［5］曾昭華.地下水中錳元素的遷移富集及其控制因素［J］.資源環(huán)境與工程.2004，18（4）:39-42.

［6］陳慶鋒，單保慶，馬君健，高新國，丁世剛，劉偉，張婧.暴雨型濕地孔隙水中鐵錳的時(shí)空變化特征 ［J］.環(huán)境科學(xué). 2011，32（5）:1340-1345.

［7］甘義群，王焰新，段艷華，鄧婭敏，郭欣欣.江漢平原高砷地下水監(jiān)測場砷的動態(tài)變化特征分析 ［J］.地學(xué)前緣. 2014，21（4）:37-48.

［8］段艷華，甘義群，郭欣欣，丁旭峰，鄧婭敏.江漢平原高砷地下水監(jiān)測場水化學(xué)特征及砷富集影響因素分析 ［J］.地質(zhì)科技情報(bào).33（2）:140-147.

［9］雷萬榮，唐春梅，江凌云.淺談地下水中鐵、錳質(zhì)的遷移與富集規(guī)律［J］.江西科學(xué).2006，24（1）:80-82.

［10］田望學(xué)，毛新武，何仁亮，李雄偉，胡萬強(qiáng)，江天風(fēng)，黃建軍.武漢地區(qū)1︰5萬區(qū)調(diào)第四系研究進(jìn)展 ［J］.華南地質(zhì)與礦產(chǎn).2011，27（4）:286-291.

［11］ZengZH.The Background Features and Foration ofChemical Flement ofGround water in the Region ofthe Middle and Lower Reaches of the Yagntze River［J］.Acta Geologica Sinica，1997，71（1）:80-89.

［12］于海濤，潘偉斌，侯曉輝.供水水庫沉積物中鐵錳的釋放規(guī)律研究［J］.工業(yè)安全與環(huán)保.2012，38（4）:72-75.

Environmental characteristics of high Fe and Mn groundwater in shallow aquifers at northeastern Jianghan Plain.Geology and Mineral Resources of South China，2016，32（3）:258-264.

He J，Peng K，Zeng M.

Fe and Mn are the main factors affecting the quality of shallowaquifers in northeast of Jianghan Plain. 13 groundwater samples were collected to identify the distribution of Fe and Mn and environmental characteristics.The content of Fe and Mn and the influence by pH，salinity and redox conditions were studied by comparing with the hinterland of Jianghan Plain.The results showed that the major hydrochemical types were HCO3-Ca and HCO3-Ca·Mg.High Fe and Mn groundwater was mainly concentrated in the east of study area and the south along the Yangtze River.The major chemical characteristics were consistent with hinterland where accumulated more Fe and Mn.The upper soil with high iron and manganese oxides was a rich source of the Fe and Mn in groundwater.The pH，salinity and redox environment were major factors on migration of Fe and Mn.High concentrations of Fe and Mn in shallowaquifers are associated with lowpH，relatively high salinity and relatively reducing conditions，as evidenced by weak negative correlation with dissolved oxygen and a strong positive correlation with nitrate.The relatively high Fe and Mn in the hinterland of Jianghan Plain were due to the stronger reducingenvironment.

Northeast ofthe Jianghan Plain；high Fe and Mn groundwater；Environmental characteristics

中圖分類法：P548A

1007-3701（2016）03-258-07

10.3969/j.issn.1007-3701.2016.03.008

2016-04-14；

2016-06-20.

中國地質(zhì)調(diào)查局“中南重點(diǎn)地區(qū)地下水污染調(diào)查評價(jià)”項(xiàng)目（編號：1212011121142）資助.

何軍（1984—），男，工程師，從事環(huán)境地質(zhì)調(diào)查評價(jià)工作，E-mail：05302105hj@163.com.