新疆奎屯地區(qū)地下水中砷和鹽的分布特征及成因分析*

鄧雯文 羅艷麗 王 翔 劉 坤

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052)

地下水高鹽不僅會增加土壤鹽漬化的風(fēng)險，也會影響飲用[1-2]?！渡铒嬘盟l(wèi)生標準》(GB 5749—2006)規(guī)定，飲用水中的溶解性總固體(TDS)應(yīng)小于1 000 mg/L。當?shù)叵滤猩?As)質(zhì)量濃度超過世界衛(wèi)生組織(WHO)規(guī)定的飲用水標準10.00 μg/L時被認為是高As地下水，長期飲用高As地下水會導(dǎo)致人體出現(xiàn)皮膚色素異常、皮膚角質(zhì)化、皮膚癌、內(nèi)臟癌等As中毒癥狀或疾病，也會引起心血管疾病和兒童大腦發(fā)育障礙[3]。很多地區(qū)的地下水中同時存在高As高鹽問題，但不同地區(qū)地下水中的As和鹽分布特征及成因差異較大。美國中西部、阿根廷的地下水中As和TDS存在顯著正相關(guān)關(guān)系[4-7]；但孟加拉國、印度一些地區(qū)和我國河套平原地區(qū)存在高As和高鹽地下水交叉重疊分布現(xiàn)象，As與TDS不存在正相關(guān)關(guān)系[8-10]。

新疆奎屯地區(qū)是我國大陸報道的第一個地方性As中毒病區(qū)，存在一個面積較大的高As地下水區(qū)域，同時存在高鹽問題[11]，但前人的研究主要只關(guān)注該地區(qū)的高As問題[12-13]。本研究擬通過新疆奎屯地區(qū)地下水中As濃度和TDS濃度變化規(guī)律的研究來查明As和鹽的分布特征，探討該地區(qū)高As高鹽地下水的成因，為不同地區(qū)地下水中As和鹽分布特征及成因差異研究積累數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣品采集與預(yù)處理

2019年9月在奎屯地區(qū)采集了地下水樣品129個，采集井深為50～300 m，屬于深層承壓水，采樣點分布見圖1。

圖1 采樣點分布Fig.1 Distribution of sampling points

采集樣品的同時記錄定位和井深，現(xiàn)場測定pH、氧化還原電位(Eh)。用于測定陽離子和As的地下水樣品用硝酸酸化至pH<2，測定陰離子的地下水樣品不作處理，4 ℃保存。

1.2 樣品測定

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 23軟件對水化學(xué)參數(shù)進行統(tǒng)計分析。采用ArcGIS 10.2軟件繪制采樣點分布圖，并運用反距離加權(quán)(IDW)插值法繪制濃度空間分布圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 地下水中As和鹽的含量特征

表1 水化學(xué)參數(shù)統(tǒng)計特征Table 1 Statistical characteristics of hydrochemical parameters

地下水按TDS質(zhì)量濃度可以劃分成5類：淡水(≤1.00 g/L)、微咸水(>1.00～3.00 g/L)、咸水(>3.00～10.00 g/L)、鹽水(>10.00～50.00 g/L)、鹵水(>50.00 g/L)[15]?？偷貐^(qū)129個地下水樣品中淡水占48.06%，微咸水占44.19%，咸水占7.75%(見表2)，其中淡水樣品中As超標率為83.87%，微咸水樣品中As超標率為49.12%，咸水樣品中As超標率為30.00%。

表2 地下水按TDS分類1)Table 2 Classification of groundwater in terms of TDS

地下水水化學(xué)類型能反映地下水中的主要離子及其相對含量[16]。根據(jù)舒卡列夫分類法，奎屯地區(qū)地下水類型多樣，共有27種水化學(xué)類型，其中占比較大的是SO4·Cl-Na型、SO4-Na型、SO4·Cl-Na·Ca型和HCO3-Na·Ca型，合計占總樣品數(shù)的54.00%，其余類型占比均在7.00%以下。

相關(guān)性分析可揭示水化學(xué)參數(shù)的同源性差異[17]。奎屯地區(qū)地下水中各水化學(xué)參數(shù)的相關(guān)性見表3。pH、Eh與絕大部分陰陽離子都呈極顯著相關(guān)性，說明地下水的pH和Eh主要受鹽類的調(diào)節(jié)。pH與As呈極顯著正相關(guān)性，而Eh與As呈極顯著負相關(guān)型，表明堿性、還原性環(huán)境有利于地下水中As的釋放。TDS與As呈極顯著負相關(guān)性，說明奎屯地區(qū)高As高鹽地下水中的鹽和As來源可能不同。

表3 水化學(xué)參數(shù)間的相關(guān)性1)Table 3 Correlation of hydrochemical parameters

2.2 地下水中As和鹽的空間分布特征

地下水中As的空間分布見圖2?？偷貐^(qū)地下水As質(zhì)量濃度≤10.00 μg/L的低As區(qū)大部分以片狀分布在130團和127團一帶，東郊農(nóng)場、131團、柳溝鎮(zhèn)、128團一帶也有零星分布。地下水中As質(zhì)量濃度>10.00 μg/L的高As區(qū)分布較廣，對其進行細分，>10.00～50.00 μg/L的高As區(qū)主要分布在夾河子鄉(xiāng)、皇宮鎮(zhèn)、頭臺鄉(xiāng)、125團、129團一帶的中部地區(qū)，呈條帶狀分布，在四棵樹鎮(zhèn)、西大溝鎮(zhèn)、柳溝鎮(zhèn)、126團、127團的部分地區(qū)也有分布。>50.00～300.00 μg/L的高As區(qū)主要在四棵樹鎮(zhèn)、百泉鎮(zhèn)、西大溝鎮(zhèn)、甘河子鎮(zhèn)、西湖鎮(zhèn)、柳溝鎮(zhèn)、車排子鎮(zhèn)、123團、石橋鄉(xiāng)、128團一帶。>300.00 μg/L的高As區(qū)在西北角有少量分布。As的空間分布特征主要與奎屯地區(qū)的地形分布有關(guān)，總體呈沿奎屯河流向從地勢高的東南地區(qū)向地勢低的西北部地區(qū)逐漸升高的趨勢。由于西北角沉積層深厚，導(dǎo)致地下徑流更替較為緩慢，加上該地區(qū)蒸發(fā)量遠大于降水量[18]，因此As在該環(huán)境中富集。

圖2 地下水As的空間分布Fig.2 Spatial distribution of As in groundwater

地下水中TDS的空間分布見圖3?？偷貐^(qū)地下水中淡水主要分布在四棵樹鎮(zhèn)、百泉鎮(zhèn)、西大溝鎮(zhèn)、八十四戶鄉(xiāng)、西湖鎮(zhèn)、甘河子鎮(zhèn)一帶的大片山前沖洪積扇地帶及東南角地區(qū)，柳溝鎮(zhèn)、車排子鎮(zhèn)、123團、石橋鄉(xiāng)的平原地區(qū)及126團西北角的一些地區(qū)也有分布。微咸水主要分布在東郊農(nóng)場、夾河子鄉(xiāng)、皇宮鎮(zhèn)、頭臺鄉(xiāng)、125團、123團、127團、石橋鄉(xiāng)一帶的東部平原地區(qū)。咸水只有126團北部的部分區(qū)域有分布，TDS最大值達到5 116.14 mg/L。

圖3 地下水TDS的空間分布圖Fig.3 Spatial distribution of TDS in groundwater

整體來看，地下水中As的分布與鹽的分布不一致，這與TDS與As呈極顯著負相關(guān)性的結(jié)果相吻合。在奎屯地區(qū)的西部，地下水的As含量較高，但主要分布的是淡水；在東部，As含量較低，但是淡水逐漸變成了微咸水。因此，基本可以肯定，奎屯地區(qū)的高As和高鹽有著不同的來源。

2.3 高As高鹽地下水成因分析

2.3.1 高As成因分析

2.3.2 高鹽成因分析

利用GAILLARDET等[24-25]提出的以Na+標準化的摩爾比來反映高鹽發(fā)生的水化學(xué)作用，結(jié)果見圖4?？偷貐^(qū)的咸水主要受到蒸發(fā)巖溶解的影響，微咸水主要受到硅酸鹽風(fēng)化影響，淡水主要受碳酸鹽溶解影響。

注：圓點面積代表TDS質(zhì)量濃度，數(shù)值大小可根據(jù)圖例推算。圖4 奎屯地區(qū)地下水化學(xué)演化Fig.4 Hydrochemistry evolution of groundwater in Kuitun area

3 結(jié) 論

(1)新疆奎屯地區(qū)地下水偏堿性，處于還原性環(huán)境。As質(zhì)量濃度為1.30～400.68 μg/L，有64.34%的樣品超過了GB 5749—2006的限值；TDS質(zhì)量濃度為39.87～5 116.14 mg/L，有51.94%的樣品超過了GB 5749—2006的限值。

(2)>10.00 μg/L的高As區(qū)分布較廣，總體呈沿奎屯河流向從地勢高的東南部地區(qū)向地勢低的西北部地區(qū)逐漸升高的趨勢。咸水分布區(qū)較小，只有126團北部的部分區(qū)域有分布。高As地下水的分布與高鹽地下水的分布不一致，TDS與As呈極顯著負相關(guān)性。