大同盆地地下水高砷、氟、碘分布規(guī)律與成因分析及質(zhì)量區(qū)劃

韓 穎， 張宏民， 張永峰， 張 欣

(山西省地質(zhì)調(diào)查院,太原 030006)

大同盆地地下水高砷、氟、碘分布規(guī)律與成因分析及質(zhì)量區(qū)劃

韓 穎， 張宏民， 張永峰， 張 欣

(山西省地質(zhì)調(diào)查院,太原 030006)

為了對大同盆地地下水中砷、氟、碘等的分布和成因進行分析，開展地下水質(zhì)量區(qū)劃，依據(jù)地下水污染調(diào)查取得的最新系列測試數(shù)據(jù)，結(jié)合以往水文地質(zhì)和水文地球化學(xué)研究成果，編制大同盆地淺層和中深層地下水砷含量、氟含量、碘含量等水化學(xué)特征分布圖，以直觀反映大同盆地地下水高砷、高氟、高碘區(qū)的空間分布規(guī)律； 通過分析pH值、硫酸根含量、硝酸根含量、鐵含量、錳含量與砷的關(guān)系，探討高砷水的形成原因； 根據(jù)pH值、鈣離子、重碳酸氫根離子與氟的關(guān)系，分析氟超標原因； 指出高碘區(qū)與高氟區(qū)分布的相似性和成因的相似性。研究結(jié)果表明，盆地周邊高砷、高氟巖層是地下水砷、氟的原生來源，特定的河湖相沉積環(huán)境則為砷、碘的富集提供了原生地質(zhì)條件； 北部地區(qū)氟增高與地下水位下降致使黏性土中的氟離子進入含水層有關(guān)，中部地區(qū)高氟與土壤鹽漬化有關(guān)； 中部富含淤泥質(zhì)黏土的湖相地層是碘富集的原生地質(zhì)因素，沖積洼地地下水徑流條件滯緩是碘富集的水動力因素； 干旱氣候條件下強烈的蒸發(fā)濃縮作用亦是高氟、高碘地下水形成的重要因素。依據(jù)砷、氟、碘、硝酸鹽、亞硝酸鹽、總含鹽量(total dissolved salt，TDS)、總硬度、氨氮等單組分含量分布，利用GIS空間分析功能，進行了大同盆地淺層和中深層地下水質(zhì)量區(qū)劃，可為當(dāng)?shù)氐叵滤_發(fā)利用提供地學(xué)依據(jù)。

砷； 氟； 碘； 分布規(guī)律； 成因分析； 地下水質(zhì)量區(qū)劃

0 引言

大同盆地地下水不適宜飲用的主要原因是砷、氟、碘、總含鹽量(total dissolved salt，TDS)、總硬度和硝酸鹽等超標[1]。地方性砷中毒簡稱“地砷病”，是一種生物地球化學(xué)性疾病，過量的無機砷可引起以皮膚色素脫失或過度沉著、掌跖角化及癌變?yōu)橹鞯娜硇月灾卸尽５厣椴∈且环N嚴重危害人體健康的地方病，除致皮膚改變外，無機砷是國際癌癥研究中心確認的人類致癌物，可致皮膚癌、肺癌，并伴有其他內(nèi)臟癌高發(fā)[2]。地方性氟中毒的基本病征是氟斑牙和氟骨癥，嚴重者可導(dǎo)致癱瘓。高碘和低碘均可導(dǎo)致甲狀腺腫大。大同盆地內(nèi)的應(yīng)縣是高氟、高碘、高砷型地方病區(qū)，嚴重地方病病區(qū)共涉及150個行政村，病區(qū)總?cè)藬?shù)約為12萬人[3]。自20世紀90年代在大同盆地發(fā)現(xiàn)飲水型砷中毒、氟中毒、碘中毒病例以來，對該區(qū)地下水砷、氟、碘等富集現(xiàn)象已引起廣泛關(guān)注，并開展了大量的調(diào)查和科研工作[4]。但以往研究多偏重于對單個組分的分析，很少有對多項水化學(xué)組分的系統(tǒng)分析。2013—2015年，中國地質(zhì)調(diào)查局部署開展的“中西部地下水污染調(diào)查評價”項目，在大同盆地采集水樣共計148件，其中地下水采樣點共141件，淺層(井深小于50 m)的101件，中深層(井深大于50 m)的40件，系統(tǒng)測試分析了砷、氟、碘、硒、TDS、總硬度、pH值、硝酸鹽、亞硝酸鹽、氨氮等含量。本文依據(jù)上述測試數(shù)據(jù)編制系列圖件，指出大同盆地地下水砷、氟、碘等化學(xué)組分的分布規(guī)律，分析探討高砷、高氟、高碘的富集原因； 并依據(jù)飲用水質(zhì)量標準，分別對大同盆地淺層地下水和中深層地下水進行質(zhì)量區(qū)劃，以期為當(dāng)?shù)氐叵滤_發(fā)利用提供地學(xué)依據(jù)[5-7]。

1 研究區(qū)概況

1.1 地質(zhì)背景

大同盆地是一個三面環(huán)山，中間低凹的狹長型盆地，山區(qū)多基巖裸露，盆地內(nèi)為松散沉積物。地層從老至新有太古宇的桑干群和五臺山群、中新元古界的長城系和薊縣系、古生界的寒武系、奧陶系、石炭系和二疊系、中生界的侏羅系和白堊系、新生界的第三系和第四系。盆地基底埋藏最深處在山陰凹陷，可達3 000余m[8]。

1.2 水文地質(zhì)條件

大同盆地山前地帶發(fā)育古洪積扇群和現(xiàn)代洪積扇群，扇群的下緣沉積物顆粒顯著變細，形成地下水溢出帶，造成嚴重土壤鹽漬化。盆地富水性較好的含水層分布于山前洪積扇群帶及古河道。山前地帶在湖相環(huán)境期是作為湖濱三角洲接受沉積的，這種粗粒物質(zhì)的沉積物多直接與基巖接觸，形成一環(huán)狀巨厚含水層，賦存豐富的地下水。大同盆地從邊山至中心具有明顯的水平分帶性，水化學(xué)類型同樣具水平分帶的規(guī)律： 山前傾斜平原地帶，含水層顆粒粗，徑流條件良好，為HCO3-Ca或HCO3-Ca·Mg型水，礦化度小于0.5 g/L； 傾斜平原下部與沖積平原的邊緣地帶，由HCO3型向HCO3·SO4型過渡，礦化度0.5～1.0 g/L； 沖積平原地帶，含水層的粒度細，厚度變小，地下徑流緩慢，潛水水化學(xué)類型從SO4型向Cl型水過渡，礦化度1～3 g/L[8]。

盆地孔隙含水層在地表以下50 m左右存在一層黏土、亞黏土層，具隔水性； 50 m以淺的多為潛水含水層，50 m以下的為承壓含水層。通常把地表以下50 m以內(nèi)的含水層稱為淺層地下水，50 m之下為中深層地下水[9]。

2 砷、氟、碘等水化學(xué)組分分布特征

2.1 數(shù)據(jù)分析

本次采用“山西六盆地地下水污染調(diào)查評價”項目最新調(diào)查測試數(shù)據(jù)[1]，依據(jù)國家飲用水分類標準，淺層地下水和中深層地下水中砷、氟、碘、硒、TDS、總硬度、pH值、硝酸鹽、亞硝酸鹽、氨氮等的均值、極大值、極小值和質(zhì)量分類分別見表1和表2。

表1 山西大同盆地淺層地下水水化學(xué)特征Tab.1 Chemical characteristics of shallow groundwater in Datong Basin of Shanxi

注： <0.002按0.002計。

表2 山西大同盆地中深層地下水水化學(xué)特征Tab.2 Chemical characteristics of middle and deep groundwater in Datong Basin of Shanxi

注： <0.002按0.002計。

2.2 大同盆地地下水水化學(xué)組分分布特征

2.2.1 砷

大同盆地淺層孔隙水中砷含量的平均值約為0.013 8 mg/L，最大值為0.295 mg/L； 大于0.2 mg/L的極不適宜區(qū)位于盆地中部和西南部，分別為應(yīng)縣的赤堡—馮莊一帶、山陰的后黃臺—黑疙瘩一帶和朔州的一半村到三甲村附近； 0.05～0.2 mg/L的不適宜區(qū)分布于懷仁西安堡—新橋一帶、應(yīng)縣山陰極不適宜區(qū)外圍山陰城鎮(zhèn)東北—西南地帶、朔州新安莊和東關(guān)井地帶(圖1)。

圖1 大同盆地淺層地下水砷含量分布Fig.1 Distribution of arsenic content within shallow groundwater in Datong Basin

盆地中深層孔隙中砷的均值為0.041 mg/L，最大值為0.31 mg/L； 大于0.2 mg/L的極不適宜區(qū)位于盆地中南部地表水系交匯處，分布于應(yīng)縣席家堡向西南方向至山陰城鎮(zhèn)一帶； 0.05～0.2 mg/L的不適宜區(qū)分布于極不適宜區(qū)的外圍應(yīng)縣的龍泉村至山陰的白坊村一帶(圖2)。

圖2 大同盆地中深層地下水砷含量分布Fig.2 Distribution of arsenic content within middle and deep groundwater in Datong Basin

2.2.2 氟

大同盆地淺層孔隙水中的氟含量普遍較高，高值區(qū)主要分布于盆地中部和北部，最高達3.91 mg/L。盆地南部和周邊山前地下水中的氟含量稍低，最小值為0.16 mg/L。整個盆地平均含量為1.085 mg/L(超過地下水Ⅲ類水質(zhì)標準GB/T 14848—93規(guī)定的1.0 mg/L)(圖3)。

圖3 大同盆地淺層地下水氟含量分布Fig.3 Distribution of fluorine content within shallow groundwater in Datong Basin

圖4 大同盆地中深層地下水氟含量分布Fig.4 Distribution of fluorine content within middle and deep groundwater in Datong Basin

盆地中深層孔隙地下水中的氟平均含量較淺層低，高值區(qū)分布與淺層地下水相似，最高值為4.45 mg/L，平均含量為 0.85 mg/L，最低值為 0.2 mg/L。整體看來，高氟區(qū)主要分布于山陰縣、懷仁縣和大同縣地區(qū)，與當(dāng)?shù)鼐用穹卸痉植紖^(qū)一致(圖4)。

2.2.3 碘

大同盆地淺層孔隙水中碘含量的均值為0.070 6 mg/L，最大值為2.3 mg/L； 大于 0.5 mg/L的不適宜區(qū)位于盆地的中部，分布于懷仁草地村以南至應(yīng)縣的大黃巍以北一帶； 極大值位于應(yīng)縣的寇寨(圖5)。

圖5 大同盆地淺層地下水碘含量分布Fig.5 Distribution of iodine content within shallow groundwater in Datong Basin

盆地中深層孔隙水中碘的均值為0.024 mg/L，最大值為0.15 mg/L。全區(qū)沒有不適宜區(qū)，只有適宜區(qū)和較適宜區(qū)。中深層碘值明顯低于淺層的碘值。

2.2.4 TDS

大同盆地淺層地下水的TDS值普遍高于中深層地下水，平均TDS值為1 182.7 mg/L； 且TDS值較高的地下水主要集中分布于盆地中部，TDS值均在1 000 mg/L以上，高者大于3 g/L。在盆地的北部和南部補給區(qū)，孔隙水的TDS值較低，一般小于1 000 mg/L。從邊山至盆地中心，沿地下水徑流，TDS值逐漸升高。TDS值大于2 g/L的不適宜區(qū)主要分布于大同市口泉鎮(zhèn)東南、懷仁河頭至應(yīng)縣一帶、朔州滋潤一帶。

盆地中深層孔隙地下水的TDS分布情況較淺層簡單，只有應(yīng)縣西南部盆地地表水系交匯處大于2 000 mg/L，為不適宜區(qū)，其他地區(qū)均為適宜或較適宜區(qū)。整個盆地中深層孔隙地下水的TDS平均值為871.2 mg/L，在盆地北部、南部及東部補給區(qū)，孔隙水的TDS值較低，小于500 mg/L。

2.2.5 總硬度

大同盆地淺層地下水總硬度平均值為398.4 mg/L，極大值為1 742 mg/L； 大于650 mg/L的不適宜區(qū)在盆地有4處分布，分別為北部大同市口泉到辛寨一帶、中部應(yīng)縣的寇寨和望巖兩塊、西南部朔州的小營村到福善莊一帶; 450～650 mg/L的較適宜區(qū)分布于不適宜區(qū)的外圍地帶。

盆地中深層孔隙水的總硬度的平均值為 291.4 mg/L，極大值為1 435 mg/L，不適宜區(qū)只有應(yīng)縣的北湛局部分布，其余均為適宜區(qū)。

2.2.6 pH值

大同盆地淺層地下水的pH值平均為7.87，極小值為7.0，極大值為8.88，全區(qū)為弱堿性水； 沒有不適宜區(qū)。

盆地中深層地下水的pH值平均為7.93，極小值為7.0，極大值為8.63，全區(qū)為弱堿性水； 也沒有不適宜區(qū)。

2.2.7 硝酸鹽

大同盆地淺層孔隙水的硝酸鹽(以氮計)均值為9.53 mg/L，極大值為92.55 mg/L，超過30 mg/L的不適宜區(qū)有4個。從北向南依次分布于大同的口泉—辛寨一帶、懷仁的馬莊、應(yīng)縣的大黃巍及山陰縣滋潤?quán)l(xiāng)小營村一帶； 其分布與地下水的補徑排條件和局部地區(qū)的農(nóng)業(yè)活動和污染有關(guān)。

盆地中深層孔隙地下水中的硝酸鹽較淺層孔隙水低，均值為4.41 mg/L，極大值為30.47 mg/L，超過30 mg/L的不適宜區(qū)只有1處，位于懷仁縣城關(guān)鎮(zhèn)秦城村，可能與農(nóng)業(yè)活動和工業(yè)污染有關(guān)。

2.2.8 亞硝酸鹽

大同盆地淺層孔隙水的亞硝酸鹽(以氮計)均值為0.049 mg/L，極大值為1.185 mg/L，沒有不適宜區(qū)； 1～4.8 mg/L的較適宜區(qū)域分布于朔州市薛圐圙，其他地區(qū)均為適宜區(qū)。

大同盆地中深層孔隙水的硝酸鹽均值為0.047 8 mg/L，極大值為0.653 5 mg/L，均為適宜區(qū)。

2.2.9 氨氮

大同盆地淺層孔隙水的氨氮(以氮計)均值為0.087 mg/L，極大值為0.62 mg/L，沒有不適宜區(qū)； 較適宜區(qū)域分布于盆地南部，位于山陰縣后所鄉(xiāng)后張堡村一帶。

大同盆地中深層孔隙水的氨氮均值為0.201 6 mg/L，極大值為1.86 mg/L； 大于1.5 mg/L的不適宜區(qū)位于山陰古城鎮(zhèn)后黃臺村附近，0.5～1.5 mg/L的較適宜區(qū)域分布于山陰古城鎮(zhèn)至朔州滋潤一帶。

2.3 超標組分的成因

2.3.1 砷

大同盆地高砷地下水主要分布于黃水河和五里河兩側(cè)，該區(qū)為盆地中部河間洼地區(qū)，基本為盆地最低洼地帶，淺層與中深層地下水高砷水平面分布規(guī)律基本相同。地下水中砷的來源有2類： 天然來源與人為活動。天然來源主要因自然環(huán)境條件的變化(特別是氧化還原條件的變化)使地質(zhì)體中的砷(吸附或成礦)釋放出來進入地下水； 人為活動則指在人類活動直接或間接參與下，給地下水增加額外的砷，如含砷礦床開采、含砷農(nóng)藥使用、含砷廢物流失等等。

根據(jù)以往研究成果，大同盆地地下水砷的來源主要有2個方面。

(1)大同盆地周圍基巖中的砷[10]。大同盆地周邊基巖中砷、氟含量普遍較高，與地殼均值相比，太古宙花崗巖、片麻巖及二疊系砂頁巖夾煤層和第三系玄武巖均為富砷、氟巖石，因此認為盆地周邊高砷、高氟巖石是地下水砷、氟的原生來源。砷含量最高的巖石位于桑干河山陰段西北的洪濤山上，巖石中砷含量為22 μg/g； 而位于東南的恒山巖石中砷含量較低[11]。由于盆地地形總趨勢為西南高、東北低，邊山高、中間低，總趨勢為從西南向東北傾斜，經(jīng)過長期水巖相互作用，最終導(dǎo)致盆地中心沖湖積平原低洼地區(qū)砷的富集[12]。

(2)盆地沉積物中的砷。盆地中部山陰應(yīng)縣一帶沖湖積物經(jīng)歷新生代以來地球環(huán)境演化，含砷量普遍高于世界土壤含砷量的平均值6.0 mg/L，土壤成熟度較高，有利于砷、氟的富集[13]。

另外的可能來源是湖泊發(fā)育晚期大量死亡生物殘體所致。在第四紀初湖泊即將消亡的時期，降雨豐富、溫暖潮濕的氣候致使巖石化學(xué)風(fēng)化強烈，有大量的砷被水帶入湖泊； 有些水生動植物通過生物富集作用把砷以很高的含量蓄積起來，這些生物死亡后的大量殘體就形成了一個次生的水砷來源，由于這種砷不會長距離遷移，因而可更快速地直接進入地下水[14]。

圖7 地下水總砷濃度與硫酸根含量(左)和硝酸根含量(右)的關(guān)系Fig.7 Relationship between total concentration of arsenic and sulfate content (left) and nitrate content(right)in groundwater

2.3.1.1 地下水pH值與砷的關(guān)系

pH值是影響地下水中砷活性的一個重要因素。砷在地下水中主要以砷酸鹽或亞砷酸鹽的形式存在，砷酸根與磷酸根一樣，在不同的酸堿條件下與不同數(shù)量的氫離子形成不同價態(tài)的陰離子； 因此，地下水中的砷更容易被含水介質(zhì)中帶正電的物質(zhì)(如鐵、鋁氧化物、針鐵礦和水鋁礦及水鐵礦)吸附，pH值的增大會使膠體和黏土礦物攜帶更多的負電荷，降低對以陰離子存在的砷酸和亞砷酸的吸附。土壤pH值對砷的吸附影響也很大，一般pH值為5～6時，砷被大量吸附，pH值大于6后砷就會被快速溶解吸附； 在弱酸性到堿性范圍內(nèi)，隨著pH值的增大，砷的吸附量急劇減少。因此pH值是影響地下水中砷富集的一個重要因素。從本文研究成果中的pH值與砷關(guān)系圖(圖6)可以看出，研究區(qū)地下水pH值均大于7，為弱堿性水，淺層地下水pH值與砷含量之間相關(guān)性較好，高砷區(qū)地下水pH值多在8～8.5之間； 中深層地下水的高砷區(qū)pH值 在7～8.5之間。

圖6 地下水總砷濃度與pH值的關(guān)系Fig.6 Relationship between total concentration of arsenic and pH in groundwater

2.3.1.2 氧化還原條件

低濃度的硫酸根和硝酸根指示地下水處于還原環(huán)境，這種還原環(huán)境有利于地下水中砷的富集。通過對地下水總砷濃度與硫酸根含量(圖7(左))和硝酸根含量(圖7(右))關(guān)系的分析可以看出，高砷地下水中的硫酸根和硝酸根含量均較低。這是因為在氧化環(huán)境中，地下水中的砷化物會被膠體或鐵錳氧化物或氫氧化物吸附，導(dǎo)致地下水中砷含量低； 但變?yōu)檫€原環(huán)境時，膠體變得不穩(wěn)定或鐵(錳)的氫氧化物被還原，它們形成了更活潑的離子組分而溶入到地下水中，吸附在它們上面的砷化物也隨著進入地下水中。

從圖8可以看出，大同盆地高砷地下水的鐵、錳含量均較低。

圖8 地下水總砷濃度與鐵含量(左)和錳含量(右)的關(guān)系Fig.8 Relationship between total concentration of arsenic and iron content(left) and manganese content(right)in groundwater

2.3.2 氟

大同盆地高氟水主要分布在盆地中部和北部，造成高氟水的主要原因有3個： ①過量開采地下水。隨著地下水位的下降，黏性土中的氟離子在釋水過程中大量進入含水層，使地下水中的氟離子出現(xiàn)升高趨勢。 ②與土壤鹽漬化有關(guān)。高氟區(qū)基本位于盆地最低區(qū)，也是盆地土壤鹽漬化地區(qū)，主要由于蘇打鹽漬化土壤對氟的吸附性較弱，該土壤中水溶性氟含量很高。 ③強烈的蒸發(fā)濃縮作用。大同盆地中部蒸發(fā)濃縮作用很強，也是高氟地下水形成的一個重要因素[15-16]，在鹽漬化過程中，鈣的活度大大下降，氟濃度大大升高。高氟區(qū)地勢平坦，地下水水位接近地表或溢出，地下水蒸發(fā)濃縮強烈，礦化度升高，TDS值多大于1 000 mg/L。地下水中氟含量與pH值呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)(圖9)，高氟地下水的pH值多為7.5～8.5。

圖9 地下水氟濃度與pH值的關(guān)系Fig.9 Relationship between fluorine concentration and pH in groundwater

CaF2溶解平衡是控制地下水中氟含量變化的因素，隨著地下水中鈣離子濃度的增加，氟離子濃度急劇下降，氟與鈣呈負相關(guān)關(guān)系(圖10)。

圖10 地下水氟濃度與鈣離子濃度的關(guān)系Fig.10 Relationship between fluorine concentration and calcium ion content in groundwater

圖11 地下水氟濃度與重碳酸氫根離子濃度的關(guān)系Fig.11 Relationship between fluorine concentration and bicarbonate ion content in groundwater

2.3.3 碘

根據(jù)盆地沉積特征及燕山運動以來構(gòu)造運動的發(fā)展和古氣候的變化，大同盆地第四紀以來分為湖泊形成期、湖泊全盛期、湖泊收縮期、湖泊消亡期和河流發(fā)育期5個發(fā)展階段。盆地中下部富含淤泥質(zhì)黏土或黏土層，為碘的富集創(chuàng)造了原生地質(zhì)條件。

從大同盆地淺層碘分布(圖5)可以看出，其與淺層氟的分布(圖3)很相似，碘的不適宜區(qū)與氟的極不適宜區(qū)基本一致，分布于大同盆地中部沖洪積和沖湖積洼地中心。該區(qū)地下水流動滯緩，沖湖積相地層中富含黏土和動植物殘骸，有機質(zhì)含量增多，吸附碘的能力增強，在還原環(huán)境條件下隨同有機質(zhì)分解而解析出碘。大同盆地的地形地貌條件和地下水流動方向決定了碘元素的富集位置。

盆地中部強烈的蒸發(fā)濃縮作用導(dǎo)致土壤鹽漬化也是碘富集的因素之一。大同盆地屬于半干旱大陸氣候，潛水蒸發(fā)作用使得溶解度較低的鈣、鎂離子以碳酸鈣、碳酸鎂、硫酸鈣和硫酸鎂的形式大量析出，造成地下水中鈉離子、氯離子和碘離子含量升高，尤其是地下水位小于5 m的低洼地帶水中碘離子含量更高。

2.3.4 硝酸鹽

從編圖結(jié)果可以看出，大同盆地不論是淺層地下水還是中深層地下水硝酸鹽含量均有超標區(qū)，但超過30 mg/L的不適宜區(qū)不多，淺層地下水硝酸鹽(以N計)不適宜區(qū)僅占總面積的1.3%，中深層地下水硝酸鹽不適宜區(qū)則更少。相關(guān)文獻資料表明，農(nóng)耕區(qū)過多地使用氮肥，會使12.5%～45%的氮從土壤中流失并污染地下水。人工氮肥(尿素、碳銨、硫銨、硝銨)和有機肥均含有大量的氮化物，進入土壤后最終以氨氮形式存在，一部分被植物和作物吸收； 一部分在微生物的作用下經(jīng)硝化轉(zhuǎn)變成硝酸鹽隨入滲水直接進入含水層； 另一部分則被土壤吸附而滯留在土層中，在灌溉條件下，又可轉(zhuǎn)化為硝酸鹽而進入地下水。因此，氮肥施用量過高或不合理施放方式是導(dǎo)致大同盆地地下水中硝酸鹽污染的主要因素。

淺層地下水硝酸鹽超標，除與農(nóng)耕區(qū)農(nóng)業(yè)污染有關(guān)外，還有可能與地表污水排放、河道滲漏污染地下水、城市垃圾受雨水淋濾等污染有關(guān)。

2.3.5 TDS

大同盆地淺層地下水TDS值大于2 000 mg/L的區(qū)域有3個，分別為大同市口泉鎮(zhèn)東南、懷仁河頭至應(yīng)縣一帶和朔州滋潤一帶。中深層地下水TDS值大于2 000 mg/L的區(qū)域只有盆地中部地下水滯流區(qū)，范圍較淺層水減小。據(jù)當(dāng)?shù)販\層和中深層地下水流場圖反映，TDS的規(guī)律與地下水流向和補徑排條件基本吻合，盆地中部為地下水流動滯緩區(qū)，地下水位埋藏淺(一般小于5 m)，蒸發(fā)濃縮作用強烈，存在土壤鹽漬化現(xiàn)象，降水和農(nóng)業(yè)灌溉又使土壤中的鹽分溶入地下水中，造成盆地中部TDS超過飲用水標準。

2.3.6 總硬度

大同盆地中深層水的總硬度大于650 mg/L的區(qū)域只有盆地中部應(yīng)縣的北湛一帶，而淺層水總硬度不適宜區(qū)有大同、應(yīng)縣、山陰和朔州4個區(qū)域，其原因主要有2個： ①由于工業(yè)和生活污水進入地下，導(dǎo)致地下水的硬度升高； ②可能與地下水過量開采引起地下水動力場改變、進而引起地下水化學(xué)場改變有關(guān)，如大同市口泉鎮(zhèn)一帶的硬度升高可能與過量開采地下水有關(guān)。

過量開采地下水導(dǎo)致地下水硬度增高過程主要包括酸性溶濾作用、碳酸溶濾作用、鹽效應(yīng)及陰陽離子交替吸附作用等。過量開采地下水可使地下水位下降，形成區(qū)域降落漏斗，使原來飽水帶的地帶形成包氣帶氧化環(huán)境； 而人為排放的硫化物進入地下后在此充分氧化，pH值降低，從而使溶濾作用加強，大量的鈣、鎂由化合態(tài)變成游離態(tài)，導(dǎo)致地下水硬度增高。觀察口泉一帶的硬度升高點的pH值發(fā)現(xiàn)，硬度升高點均小于周邊硬度正常水中的pH值，也證明了這一觀點。

3 地下水質(zhì)量區(qū)劃

3.1 地下水質(zhì)量分區(qū)原則

據(jù)砷、氟、碘、硝酸鹽、亞硝酸鹽、TDS、總硬度、氨氮8個單組分含量分布特征，利用GIS空間分析功能，按照從劣原則，進行大同盆地淺層地下水和中深層地下水質(zhì)量區(qū)劃。

圖12 大同盆地淺層地下水質(zhì)量區(qū)劃Fig.12 Quality division of shallow groundwater in Datong Basin

3.2 地下水質(zhì)量分區(qū)

圖13 大同盆地中深層地下水質(zhì)量區(qū)劃Fig.13 Quality division of middle and deep groundwater in Datong Basin

淺層地下水質(zhì)量區(qū)劃圖(圖12)顯示，大同盆地極不適宜區(qū)位于大同縣坨坊村、懷仁清水河至應(yīng)縣大黃巍一帶、應(yīng)縣赤堡、山陰后黃臺、朔州三甲村等地，主要超標組分為砷、氟、碘等毒理性指標，面積約為164 km2，占盆地總面積的2%。不適宜區(qū)位于盆地中部極不適宜區(qū)的外圍以及盆地東西部的局部地帶，主要超標組分中部地區(qū)為砷、氟、碘，TDS等，其他地區(qū)主要為總硬度和硝酸鹽，面積約為1 228 km2，占盆地總面積的18%。較適宜區(qū)主要位于不適宜區(qū)的外圍區(qū)，面積約為1 738 km2，占盆地總面積的21%。適宜區(qū)位于盆地四周的邊山地區(qū)和沖洪積扇的中上部位，地下水補給徑流條件較好，面積約為4 123 km2，占盆地總面積的59%。

中深層地下水質(zhì)量區(qū)劃圖(圖13)顯示，大同盆地極不適宜區(qū)位于盆地中部應(yīng)縣席家堡至山陰城鎮(zhèn)一帶，主要超標組分為砷，面積約為115 km2，占盆地總面積的2%。不適宜區(qū)位于盆地中部極不適宜區(qū)外圍山陰應(yīng)縣一帶和懷仁縣城關(guān)鎮(zhèn)秦城村局部地區(qū)，主要超標組分有砷、氟、硝酸鹽、TDS等，面積約為274 km2，占盆地總面積的4%。較適宜區(qū)位于不適宜區(qū)的外圍地帶、朔州的西南部及及北部大同縣至安寺村一帶，面積約為924 km2，占盆地總面積的13%。適宜區(qū)位于盆地大部分地區(qū)，面積約為5 652 km2，占盆地總面積的81%。

4 結(jié)論

(1)大同盆地砷的富集區(qū)主要在應(yīng)縣、山陰、朔州一帶； 盆地周邊高砷、高氟巖層是地下水砷、氟的原生來源,特定的河湖相沉積環(huán)境為砷的富集提供了地質(zhì)條件。大同盆地的高砷水有以下特征： 高砷區(qū)地下水pH值較高，為弱堿性水； 高砷地下水中的硫酸根和硝酸根含量均較低，低濃度的硫酸根和硝酸根指示地下水處于還原環(huán)境，說明還原環(huán)境有利于地下水中砷的富集； 高砷地下水的鐵、錳含量較低。

(2)大同盆地高氟水主要分布在盆地中部和北部，北起懷仁馬辛莊，向東南至應(yīng)縣幾條地表水系交匯地帶，再到山陰合盛堡一帶。其形成的主要原因是北部地區(qū)因過量開采地下水，水位下降使黏性土中的氟離子在釋水過程中進入含水層； 中部地區(qū)位于盆地最低區(qū)，與土壤鹽漬化有關(guān)，蘇打鹽漬化土壤中水溶性氟含量高； 中部強烈的蒸發(fā)濃縮作用亦是高氟地下水形成的重要因素。

(3)碘與氟的富集具有相似性，主要位于山陰縣、懷仁縣和大同縣一帶。盆地中部富含淤泥質(zhì)黏土的湖相地層是碘富集的原生地質(zhì)因素； 地下水徑流條件滯緩的沖積洼地區(qū)是碘富集的水動力因素； 干旱氣候條件下強烈蒸發(fā)濃縮作用也是碘富集的因素之一。

(4)淺層地下水極不適宜區(qū)位于大同縣坨坊村、懷仁清水河至應(yīng)縣大黃巍一帶、應(yīng)縣赤堡、山陰后黃臺、朔州三甲村等地，主要超標組分為砷、氟、碘等毒理性指標； 不適宜區(qū)位于盆地中部極不適宜區(qū)的外圍以及盆地東西部的局部地帶，主要超標組分中部地區(qū)為砷、氟、碘，TDS等，局部地區(qū)為總硬度和硝酸鹽； 極不適宜區(qū)和不適宜區(qū)約占盆地總面積的20%。中深層地下水極不適宜區(qū)位于盆地中部應(yīng)縣席家堡至山陰城鎮(zhèn)一帶，主要超標組分為砷； 不適宜區(qū)位于盆地中部極不適宜區(qū)外圍山陰應(yīng)縣一帶、懷仁縣城關(guān)鎮(zhèn)秦城村局部地區(qū)，主要超標組分有砷、氟、硝酸鹽、TDS等； 極不適宜區(qū)和不適宜區(qū)約占盆地總面積的6%。

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(責(zé)任編輯： 常艷)

Distribution regularity，origin and quality division of high arsenic，fluorine and iodine contents in groundwater in Datong Basin

HAN Ying， ZHANG Hongmin， ZHANG Yongfeng， ZHANG Xin

(GeologicalSurveyofShanxiProvince，Taiyuan030006，China)

In order to analyze the distribution and origin of arsenic, fluorine and iodine in groundwater in Datong Basin, groundwater quality zoning was classified. According to the latest series of test data of groundwater pollution, and the previous research of hydrogeology and hydrogeochemistry, the distribution of water chemical characteristic were compiled, including the contents of arsenic, fluorine and iodine in groundwater of Datong Basin, to reflect the spatial distribution regularity of high arsenic, fluorine and iodine contents groundwater in Datong Basin directly. The reasons for the formation of the high arsenic water were discussed through analyzing the relationships between pH, sulphate, nitrate, iron, manganese contents and arsenic contents. According to the relationships between pH, calcium ion, bicarbonate ion and fluorine, the causes of excessive fluorine were analyzed, and the similarity of distribution and origin of iodine and fluorine area was pointed out. The study results show that the surrounding strata with high arsenic and fluorine contents are the primary sources of arsenic and fluorine in groundwater. The specific lacustrine sedimentary environment provides the primary geological conditions for the enrichment of arsenic and iodine. The increase of fluorine in the northern part of Datong Basin is related to the moving of fluoride ion from the cohesive soil to the aquifer, because of the drop of underground water level. The high fluoride contents in the central region is related to the soil salinization. The lacustrine strata in the central region with rich salty clay is the primary geological factor of iodine enrichment, and the stagnant conditions of groundwater flow in alluvial depression area is the hydrodynamic factor of iodine enrichment. The intense evaporation and concentration under the dry climate conditions is con important factor for forming high fluorine and iodine contents groundwater. Based on the content distribution of the single component such as arsenic, fluorine, iodine, nitrate, nitrite, TDS, total hardness, ammonia nitrogen and so on, the authors carried out the quality division of the shallow and the middle and deep groundwater in Datong Basin by using the spatial analysis function of GIS. This paper would provide the geological basis for the development and utilization of the local groundwater.Key words： arsenic； fluorine； iodine； distribution regularity； origin analysis； quality division of groundwater

10.19388/j.zgdzdc.2017.01.09

韓穎，張宏民，張永峰，等.大同盆地地下水高砷、氟、碘分布規(guī)律與成因分析及質(zhì)量區(qū)劃[J].中國地質(zhì)調(diào)查,2017,4(1): 57-68.

2016-06-27；

2016-08-09。

中國地質(zhì)調(diào)查局“中西部地下水污染調(diào)查評價(編號： 1212011220983)”項目資助。

韓穎(1966—)，女，碩士，教授級高級工程師，主要從事水文、工程和環(huán)境地質(zhì)調(diào)查研究工作。Email： hanying87@163.com。

P641.3

A

2095-8706(2017)01-0057-12