大同盆地高氟地下水成因探討

譚保國,馬玲玲

(山西省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測中心,太原 030024)

高氟地下水廣泛分布于我國北方干旱半干旱地區(qū),是一種典型的劣質(zhì)水源。山西大同盆地是全國飲水型氟中毒最嚴(yán)重的地區(qū)之一,其高氟地下水已成為大同盆地最典型，也是最突出的地質(zhì)環(huán)境問題之一,主要分布于盆地中北部地區(qū),特別是山陰縣。地下水是山陰縣及本區(qū)的唯一飲用水源,飲用高氟地下水嚴(yán)重危害了當(dāng)?shù)鼐用竦纳眢w健康,并且高氟地下水導(dǎo)致了該地區(qū)水質(zhì)性缺水,使水資源供需緊張,嚴(yán)重制約了當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的快速發(fā)展。因此,查明高氟地下水的成因,對控制盆地區(qū)飲水型氟中毒和緩解水資源供需緊張十分重要。本文從大同盆地水文地質(zhì)背景、地下水水化學(xué)特征和水化學(xué)因子分析著手,對大同盆地研究區(qū)高氟地下水形成的水文地球化學(xué)過程進(jìn)行了探討與分析。

1 水文地質(zhì)背景

大同盆地傾斜平原區(qū)主要含水層組為沖洪積、坡積卵礫石、中粗砂等,埋深20 m～150 m;盆地中部重要含水層組埋藏于更新世至全新世地層組內(nèi),主要為卵礫石、中粗砂、中細(xì)砂及粉細(xì)砂等,埋深10 m～150 m,蓄水程度較低。根據(jù)含水層的分布特點(diǎn),淺層水的埋深約為0 m～50 m,深層水埋深在50 m以上。盆地松散孔隙水的補(bǔ)給來源有兩種,一為垂向補(bǔ)給,二為側(cè)向補(bǔ)給。垂向補(bǔ)給主要來自大氣降水入滲,其次是農(nóng)田灌溉回歸水和地表水體、河流的滲入。側(cè)向補(bǔ)給來自山丘區(qū)的地下徑流,其中沿河谷的地下徑流占重要成分。盆地內(nèi)孔隙地下水徑流方向總體為由周邊經(jīng)洪積傾斜平原向盆地中心運(yùn)動。傾斜平原區(qū)地下水主要排泄方式為人工開采,其次以側(cè)向徑流的方式向沖洪積平原區(qū)排泄。沖洪積平原區(qū)地下水的主要排泄方式為潛水蒸發(fā)、人工開采、補(bǔ)給河流及地下徑流沿桑干河干道流向下游排出區(qū)外[1]。

2 地下水水化學(xué)特征

2009年8月對盆地中部(研究區(qū))高氟區(qū)地下水進(jìn)行了系統(tǒng)采樣分析,共采集地下水樣31件(見圖1)。水化學(xué)分析結(jié)果如表1水樣水化學(xué)組成特征表所示。本次采樣覆蓋了山陰縣最嚴(yán)重的氟中毒地區(qū)。淺層地下水中,TDS(溶解性總固體，溶解在

水里的無機(jī)鹽和有機(jī)物的總稱)含量和Ec(電導(dǎo)率)值較高,氟濃度的變化范圍為0.01 mg/L(DT-19)～10.37 mg/L(DT-03),平均濃度為2.76 mg/L;深層地下水中氟濃度的變化范圍為0.01 mg/L(DT-29)～3.14 mg/L(DT-27),平均濃度為1.57 mg/L。在淺層及深層地下水樣品中,大多數(shù)氟濃度超過了中國飲用水標(biāo)準(zhǔn)1.0 mg/L。大體上,氟的分布符合研究區(qū)的地形變化特征,隨著地下水從盆地邊緣匯流向中心,氟離子濃度逐漸增加,低氟地下水(<0.1 mg/L)主要分布于盆地邊緣。

圖1 采樣點(diǎn)分布圖Fig.1 Layout of sampling points

SampleIDAs/(μg·L-1)TDS/(mg·L-1)Ec(μs)/(μs·cm-1)pHF/(mg·L-1)Cl/(mg·L-1)NO3/(mg·L-1)SO4/(mg·L-1)HCO3/(mg·L-1)K/(mg·L-1)Na/(mg·L-1)Ca/(mg·L-1)Mg/(mg·L-1)淺層高氟DT-018.71150.6120708.213.42142.1310.50403.08461.823.01274.0530.7852.72DT-023.2625.1911508.144.0849.5841.94107.53407.31.4507156.124.4637.40DT-030.71483.7327007.3110.37265.83102.06319.29698.996.73221.7884.89123.29DT-042.32751.7948407.995.71395.990.01944.141010.452.25798.2927.6972.50DT-052.81133.1021308.152.73227.5020.54321.38452.932.98217.3530.1284.03DT-063.03010.8749007.704.77489.74240.68621.681428.633.63787.7050.8997.47DT-075.24617.3682408.134.091033.03149.801166.251381.595.781475.5016.9775.14DT-0814.64734.7866607.682.81791.4166.941507.131359.296.911369.5552.52257.88DT-093.01077.0922607.682.90222.11105.29171.41447.214.31230.9148.9267.63DT-10113.51795.2938008.413.21593.670.010.01973.411.64661.234.7944.03DT-110.8484.687997.842.0556.010.01118.75318.522.5269.3034.2242.57DT-122.4662.9512888.031.6157.0830.98175.33354.491.05168.8024.0126.84DT-131.9427.198108.151.8632.2310.4267.23341.830.50101.9815.1526.90DT-140.2602.8411908.021.9248.5212.62145.93420.463.30123.4119.1037.82淺層低氟DT-151.5481.108708.111.3527.0510.5893.55379.810.01104.8721.0332.75DT-161.4421.357607.891.2833.2738.7871.10297.193.4061.8140.1822.94DT-1730.0458.716707.470.2559.2917.4834.44370.242.4168.6162.0529.05DT-180.4322.484547.790.5814.3835.0751.69247.886.1313.2160.2717.21DT-1914.51046.066237.880.01147.210.01380.02353.233.31231.2748.4859.15DT-203.2480.549637.070.2762.1041.2985.90285.484.3736.1380.3227.42深層高氟DT-2135.13781.0578908.411.502035.140.0165.18719.4716.281158.3230.01114.86DT-22242.0757.6110808.411.5451.161.190.01803.281.17282.484.0314.39DT-23260.3973.3120708.381.82132.463.040.01954.730.91337.734.9914.99DT-24299.9930.4718408.712.6461.130.010.011020.552.96345.923.224.30DT-25235.9889.7916758.572.4283.620.010.01882.950.36340.574.9816.36DT-26185.7711.5815058.381.7379.812.739.61670.59.9700256.66.73318.09DT-272.21102.8019858.023.14112.752.17337.78561.661.906294.627.2442.38深層低氟DT-281.3613.5212547.890.4799.013.05169.76302.070.01101.2654.4034.52DT-296.4819.9215127.870.01108.520.01275.15357.162.87161.4039.4853.90DT-301.4763.9314968.181.68116.3812.43238.99332.502.82130.9039.0855.40DT-313.2403.915907.640.3847.490.0151.26330.992.1463.4446.0127.69

研究區(qū)地下水中主要陽離子為Na+、Ca2+和Mg2+,主要陰離子為HCO3-、SO42-和Cl-。低氟和高氟地下水中的主要離子均為Na+和HCO3-,見圖2。高氟地下水與低氟地下水相比,高氟地下水中Ca2+的含量低,而Na+含量較高,主要水化學(xué)類型為HCO3-Na及Cl-Na型水,與其他地區(qū)高氟地下水有著共同的水化學(xué)特征[2]。

圖2 大同盆地地下水Piper三線圖□-低氟地下水;○-高氟地下水Fig.2 Piper trilinear nomograph of groundwater in Datong Basin□: low-fluorine groundwater;○:high-fluorine groundwater

在盆地中心的地下水排泄區(qū),第四紀(jì)含水層中的主要礦物是硅酸鹽和鋁硅酸鹽,這些礦物的溶解能釋放陽離子Ca2+、Mg2+、Na+、K+,導(dǎo)致沿地下水流,TDS逐漸增加。礦物表面發(fā)生的Ca2+、Na+交換反應(yīng)可導(dǎo)致地下水中Na+含量升高和Ca2+含量降低。地下水中HCO3-濃度較高則主要是鋁硅酸鹽水解的產(chǎn)物,高濃度的HCO3-可抑制地下水中Ca2+的濃度[3]。因此地下水和含水層沉積物的相互作用導(dǎo)致了氟的富集。

大同盆地地下水TDS與[Na]/[Ca]比值關(guān)系見圖3。淺層高氟地下水中TDS含量比較高,但隨著TDS升高[Na]/[Ca]值增加較為緩慢。深層高氟地下水的[Na]/[Ca]比值較高,并且[Na]/[Ca]值隨TDS增加而急劇升高,見圖3-a。根據(jù)TDS與[Na]/[Ca]比值關(guān)系表明,淺層高氟地下水與深層高氟地下水分別存在受不同的水文地球化學(xué)過程影響的可能。研究區(qū)淺層地下水在強(qiáng)烈的蒸發(fā)濃縮作用下,Na+的濃度會隨TDS值增加而增大,見圖3-b,由于方解石和螢石溶解度的影響,Ca2+的濃度在地下水中受到限制。因此,淺層高氟地下水中Ca2+濃度在方解石和螢石過飽和的條件下能夠維持在一定的濃度水平。深層地下水受蒸發(fā)濃縮作用較弱,TDS值相對淺層地下水較低,但離子交換使得深層地下水中的Na+含量增加,而Ca2+含量降低,從而導(dǎo)致[Na]/[Ca]值較高,并且隨TDS增大而急劇增加。因此,根據(jù)高氟地下水TDS與[Na]/[Ca]值的關(guān)系,表明影響淺層高氟地下水的主要水文地球化學(xué)過程是強(qiáng)烈的蒸發(fā)濃縮作用,而控制深層高氟地下水的主要水文地球化學(xué)過程可能是陽離子交換作用。

○:深層高氟地下水;●:淺層高氟地下水;▼: 低氟地下水圖3 大同盆地地下水TDS與Na/Ca比值散點(diǎn)圖Fig.3 Scatter plot of ratio of TDS to Na/Ca of groundwater in Datong Basin

3 水化學(xué)因子分析

本次采樣多數(shù)水樣分布于盆地中心地下水排泄區(qū),土壤鹽漬化程度較高,淺層地下水經(jīng)歷了較為強(qiáng)烈的蒸發(fā)濃縮作用,導(dǎo)致地下水TDS急劇增加。

根據(jù)地下水飽和指數(shù)計(jì)算結(jié)果,盆地地下水中白云石和方解石處于過飽和狀態(tài),由于受到白云石和方解石溶解度的共同影響,地下水中Ca2+會不斷被沉淀,使Ca2+濃度受到限制,不斷降低。地下水中F-濃度與螢石飽和指數(shù)(SI)關(guān)系(圖4)表明,淺層和深層地下水中F-含量均受到螢石溶解沉淀的影響,螢石溶解沉淀,導(dǎo)致地下水中F-濃度的上升[4]。因此,地下水和含水層沉積物的相互作用導(dǎo)致了水化學(xué)特征朝著HCO3-Na型演化,同時(shí)也導(dǎo)致了氟的富集。

研究區(qū)部分深層地下水具有高含量的砷和氟, Ca2+的低含量可能與Na+-Ca2+交換作用有關(guān),陽離子交換作用會導(dǎo)致地下水中Ca2+含量降低。Na+-Ca2+交換作用在深層地下水中較為顯著,由于地下水中F-含量主要受到螢石溶解沉淀的控制,所以高氟地下水具有低Ca特征。

○:深層高氟地下水;●:淺層高氟地下水;▼: 低氟地下水圖4 螢石對地下水中氟濃度的控制Fig.4 Control of fluorite on fluorine concentration in groundwater

4 高氟地下水的形成機(jī)制

盆地地下水水化學(xué)及因子分析表明,控制研究區(qū)高氟地下水水化學(xué)特征的主要化學(xué)過程有:鋁硅酸鹽礦物水解、碳酸鹽礦物溶解沉淀、離子交換及蒸發(fā)作用等。其中,鋁硅酸鹽礦物水解、碳酸鹽礦物溶解沉淀是淺層高氟地下水的主要水化學(xué)控制過程;鋁硅酸鹽礦物水解和陽離子的交換作用是影響深層高氟地下水的主要水化學(xué)控制過程。含氟礦物的水解作用是影響氟含量的主要過程,而不是蒸發(fā)作用。地下水和含水層沉積物的相互作用導(dǎo)致了水化學(xué)特征朝著HCO3-Na型演化,同時(shí)也導(dǎo)致了氟的富集。方解石和螢石是控制高氟地下水化學(xué)特征的主要礦物,由于方解石的沉淀導(dǎo)致地下水中鈣離子的缺失,有利于螢石溶解及地下水中氟的富集。

總之,高氟地下水有較高的離子濃度和不同的水化學(xué)類型,適中的TDS。高濃度的Na+、HCO3-,低濃度的Ca2+有利于F-在地下水中的富集,螢石溶解控制F-在地下水中的富集,淺層地下水中白云石和方解石的沉淀影響F-的富集;而深層地下水中Na+與Ca2+的離子交換影響F-的富集。

5 結(jié)束語

對大同盆地高氟地下水開展的水化學(xué)及因子分析研究表明:

1)大同盆地高氟地下水以HCO3-Na型水為主。淺層和深層高氟地下水具有不同的水化學(xué)特征,反應(yīng)了不同的水化學(xué)過程對地下水中F-富集的控制。

2)因子分析表明,地下水和含水層沉積物的相互作用導(dǎo)致了水化學(xué)特征朝著HCO3-Na型演化,同時(shí)也導(dǎo)致了F-的富集。

3)螢石溶解的水化學(xué)過程控制F-在地下水中的富集,高濃度的Na+、HCO3-,低濃度的Ca2+有利于F-在地下水中的富集。淺層地下水中白云石和方解石的沉淀是F-的富集的重要影響因素;而深層地下水中F-富集的重要影響因素是Na+與Ca2+的離子交換。

[1] 王焰新,謝先軍,劉瑾,等.大同盆地表層地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測與鹽堿地生物修復(fù)示范[R].太原:山西省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測中心,2013.

[2] 李鐵鋒,任明達(dá).大同盆地晚新生代環(huán)境演化特征[J].北京大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),1993(29):476-483. LI Tiefeng,REN Mingda.The Charaeteristies of Environmental Evolutionin Late-cenozoie of the Datong Basin[J].Acta Scicentiarum Naturalum Universitis Pekinesis,1993(29):476-483.

[3] 羅宏,楊志峰.湖北氟中毒流行的環(huán)境地理分析[J].北京師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2000(36):122-126. LUO Hong,YANG Zhifeng.The Environmental Geographical Analyses of the Epidemic Fluorosis in Hubei Province [J].Journal of Beiing Normal University(Natural Science),2000(36):122-126.

[4] 王根緒,程國棟.西北干旱區(qū)水中氟的分布規(guī)律及環(huán)境特征[J].地理科學(xué),2000(20):153-159. WANG Genxu,CHENG Guodong.The Distributing Regularity of Fluorineand Its Environmental Characteristics in Arid Area of North West China[J].Scientia Geographica Sinica,2000(20):153-159.

[5] 楊勇,郭華明.大同盆地地下水環(huán)境演化分析[J].巖土工程技術(shù),2003(2):107-111.

[6] 王焰新,郭華明,閻世龍,等.淺層孔隙地下水系統(tǒng)環(huán)境演化及污染敏感性研究:以山西大同盆地為例[M].北京:科學(xué)出版社, 2004.