河南省淺層原生劣質(zhì)地下水分布特征研究

賈秀閣， 吳冰華， 王唯錦， 劉沙沙

（1.河南省地質(zhì)調(diào)查院，鄭州 450001； 2.河南省城市地質(zhì)工程技術(shù)研究中心，鄭州 450001；3.河南省地質(zhì)科學(xué)研究所，鄭州 450001； 4.河南省地下水污染防治與修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，鄭州 450001）

自20世紀(jì)60年代以來，第四系淺層地下水成為河南平原中部和沿黃河各大、中城市的主要供水水源［1-2］，地下水在河南省經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展中起著舉足輕重的作用.據(jù)文獻(xiàn)［3］研究，河南省113個(gè)縣（市）均有原生劣質(zhì)地下水分布，因長(zhǎng)期飲用劣質(zhì)地下水而導(dǎo)致地方病發(fā)病人口達(dá)1440萬人.原生劣質(zhì)地下水是當(dāng)前世界各地普遍存在的問題，關(guān)于其來源、形成過程及機(jī)理等一直受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者們的廣泛關(guān)注［4-15］.河南省43.2%的地下水供水水源地達(dá)不到飲用水標(biāo)準(zhǔn)，在豫北、豫東原生劣質(zhì)水分布區(qū)，井深四五百米的水質(zhì)仍難滿足飲用水標(biāo)準(zhǔn)，在部分潔凈地下水缺乏的農(nóng)村不得不飲用超標(biāo)的地下水，人畜飲水安全受到威脅.攝入過量的無機(jī)砷會(huì)引起慢性砷中毒，導(dǎo)致皮膚色素脫失或過度沉著，嚴(yán)重的可導(dǎo)致皮膚和內(nèi)臟癌變；存在于地下水中的鐵錳膠體、沉淀等極易導(dǎo)致開采井井管發(fā)生堵塞、腐蝕與報(bào)廢，使開采井的利用率和供水水量降低［16］.河南黃河沖積平原高氟、高鐵、高錳地下水問題、山間盆地及山前崗地低碘地下水問題、淮河沖積平原高錳地下水問題等都非常嚴(yán)重.目前對(duì)于河南省淺層原生劣質(zhì)水分布特征的研究十分薄弱，鑒于此，本文在前人工作基礎(chǔ)上，通過收集資料和實(shí)測(cè)方式初步探究淺層地下水中氟化物、碘化物、砷、鐵、錳6種典型微量元素分布特征，分析其成因，對(duì)河南省居民飲水安全和地下水資源合理開發(fā)利用具有重要的指導(dǎo)意義.

1 數(shù)據(jù)來源

數(shù)據(jù)主要來源于收集和實(shí)測(cè)，包括以下兩部分：①《河南省地下水環(huán)境調(diào)查與評(píng)價(jià)》《河南地下水污染調(diào)查評(píng)價(jià)（華北平原）》《河南平原地區(qū)地下水污染調(diào)查評(píng)價(jià)（淮河流域）》《河南省黃淮平原經(jīng)濟(jì)區(qū)多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查》及《豫西諸盆地地下水污染調(diào)查評(píng)價(jià)》的水樣測(cè)試資料［17-21］；②本次實(shí)測(cè)50組淺層地下水水樣測(cè)試資料［22］，共計(jì)2019組樣品數(shù)據(jù)，樣品采集及測(cè)試數(shù)據(jù)真實(shí)可靠.

2 淺層原生劣質(zhì)地下水分布特征及成因

在不受人類工程活動(dòng)影響的情況下，地下水中氟化物、碘化物、砷、鐵、錳等組分及含鹽量、硬度含量過高（或過低），不能滿足生活飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)要求，稱之為原生劣質(zhì)水.河南省原生劣質(zhì)地下水主要有高氟水（F>1.0 mg/L）、高碘水（I>0.08 mg/L）、低碘水（I<0.01 mg/L）、高砷水（As>0.01 mg/L）、高鐵水（Fe>0.3 mg/L）、高錳水（Mn>0.1 mg/L）及咸水、硬水.本次主要研究氟化物、碘化物、砷、鐵、錳5項(xiàng)指標(biāo).

2.1 高氟地下水

氟化物是人體必需的元素，各種組織均需要氟化物.人體每日攝入量1～1.5 mg，最多不能超過4 mg.過量攝入則可產(chǎn)生氟中毒.地方性氟中毒主要侵犯骨骼系統(tǒng)，以氟斑牙和氟骨癥為主.

全省淺層地下水檢出氟化物含量范圍為0.02～6.52 mg/L，檢出率99.3%，少數(shù)為檢出限以下，最大值為6.52 mg/L，位于河南省夏邑縣李集鄉(xiāng)劉莊村，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1.

表1 淺層地下水氟化物含量情況統(tǒng)計(jì)表Tab.1 Statistical table of fluoride content in shallow groundwater

淺層地下水中氟化物超標(biāo)主要受古氣候和古地理沉積環(huán)境影響，為原生劣質(zhì)水，如圖1所示，河南省淺層高氟地下水（F>1.0 mg/L）的分布區(qū)域廣泛，東部平原區(qū)呈大面積分布，南陽(yáng)盆地南部有小面積分布，基巖山地區(qū)呈小片狀及點(diǎn)狀分布.華北平原區(qū)主要分布于焦作南（陽(yáng)廟鎮(zhèn)）—修武—獲嘉、新鄉(xiāng)東的古固寨鎮(zhèn)—東屯鎮(zhèn)、滑縣城關(guān)鎮(zhèn)、?？h縣城—湯陰縣任固鎮(zhèn)、南樂西（元村鎮(zhèn)）—清豐—濮陽(yáng)市—濮陽(yáng)縣慶祖鎮(zhèn)—范縣陸集、范縣—臺(tái)前、封丘縣陳橋鎮(zhèn)—長(zhǎng)垣市趙堤鎮(zhèn).淮河平原區(qū)主要分布于汾河以北地區(qū)，大面積分布于蘭考—民權(quán)、通許—杞縣—睢縣—柘城、商丘—虞城—夏邑—永城、太康—鹿邑，小范圍分布于許昌東北部、扶溝西南部、商水西北部、商水西北部、周口東北部.

圖1 淺層高氟水分布圖Fig.1 Distribution map of shallow high-fluorine water

高氟地下水分布面積為18 721 km2，占全省總面積的11.3%.其中：華北平原區(qū)分布5280 km2，占全省總面積的3.2%；淮河平原區(qū)分布13 326 km2，占全省總面積的8.0%；南陽(yáng)盆地分布114 km2，占全省總面積的0.1%.故河南省高氟地下水主要分布于黃河沖積平原區(qū)，而且分布集中、連片；山區(qū)、山間盆地呈分散狀或點(diǎn)狀分布.

2.2 高碘地下水和低碘地下水

全省淺層地下水檢出碘化物含量范圍為0.000 1～2.0 mg/L，檢出率61.5%，檢出限以下樣品量較大，最大值為2.0 mg/L，位于河南省安陽(yáng)市九州制藥分廠，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2.

表2 淺層地下水碘化物含量情況統(tǒng)計(jì)表Tab.2 Statistical table of iodide content in shallow groundwater

高碘地下水為碘含量大于0.08 mg/L，低碘地下水為碘含量小于0.01 mg/L.長(zhǎng)期飲用高碘水、低碘水均可引起甲狀腺腫大.

2.2.1 高碘地下水 如圖2 所示，河南省淺層高碘水（I>0.08 mg/L）僅分布于東部平原區(qū)，山間盆地和基巖山地未見分布.華北平原區(qū)主要分布于近黃河的武陟—原陽(yáng)—封丘—長(zhǎng)垣、新鄉(xiāng)東、延津東北及衛(wèi)河流域的浚縣北部.淮河平原區(qū)主要分布于商丘東部至永城一帶，零星分布于鄲城東部、項(xiàng)城南部、平輿北部與西部.

圖2 淺層高碘水分布圖Fig.2 Distribution map of shallow high-iodine water

碘化物含量大于0.8 mg/L 的分布總面積為6598 km2，占全省總面積的3.9%，占全省平原區(qū)面積的6.0%.其中：華北平原區(qū)分布3423 km2，占全省總面積的2.0%；淮河平原區(qū)分布3175 km2，占全省總面積的1.9%.

2.2.2 低碘地下水 如圖3 所示，河南省淺層低碘水（I<0.01 mg/L）分布廣泛，主要分布于河南省的全部山區(qū)；南陽(yáng)盆地、靈三盆地、濟(jì)源盆地的全部及洛陽(yáng)盆地的大部分；華北平原的淇縣以東地區(qū)與焦作—溫縣一帶；淮河平原的新鄭—許昌—周口—沈丘一線以南、正陽(yáng)—淮濱一線以北地區(qū)，集中分布面積100 392 km2，占全省總面積的60.1%.安陽(yáng)—鶴壁、滑縣南、新鄉(xiāng)南、鄭州市周邊、尉氏—扶溝、淮陽(yáng)—柘城、西平—上蔡等平原地區(qū)呈散狀分布.

圖3 淺層低碘水分布圖Fig.3 Distribution map of shallow low-iodine water

2.3 高砷地下水

砷是一種毒性很高的致癌物質(zhì)，原生高砷地下水嚴(yán)重威脅人身體健康，攝入過量的無機(jī)砷會(huì)引起慢性砷中毒，導(dǎo)致皮膚色素脫失或過度沉著，嚴(yán)重的可導(dǎo)致皮膚和內(nèi)臟癌變［23］.

全省淺層地下水檢出砷含量范圍為1.0×10-6～0.19 mg/L，檢出率83.7%，少數(shù)為檢出限以下，最大值為0.19 mg/L，位于河南省新鄉(xiāng)市延津縣胙城鄉(xiāng)東辛莊村東南農(nóng)戶家，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表3.

表3 淺層地下水砷含量情況統(tǒng)計(jì)表Tab.3 Statistical table of arsenic content in shallow groundwater

如圖4所示，河南省淺層高砷水（As>0.01 mg/L）集中分布于黃河沖積平原區(qū)，散狀分布于沙潁河沖積平原區(qū)和洪汝河沖積平原區(qū).黃河沖積平原區(qū)集中分布于武陟縣嘉應(yīng)觀—原陽(yáng)—衛(wèi)輝市李源屯鎮(zhèn)—滑縣—清豐西韓村—內(nèi)黃北宋村、原陽(yáng)—封丘—長(zhǎng)垣、滎陽(yáng)市西北王村鎮(zhèn)—花園口鎮(zhèn)—開封市祥符區(qū)陳留鎮(zhèn)—蘭考縣東—商丘市北劉口—虞城東—夏邑縣韓道口鎮(zhèn)；沙潁河沖積平原區(qū)散狀分布于西華西皮營(yíng)—東王營(yíng)、商水東練集鎮(zhèn)—南頓鎮(zhèn)、沈丘東南洪山鎮(zhèn)—石槽鎮(zhèn)—趙德營(yíng)鎮(zhèn)—留福鎮(zhèn)；洪汝河沖積平原區(qū)散狀分布于西平西的師靈鎮(zhèn)—專探、上蔡?hào)|南的洙湖鎮(zhèn)—留盆鎮(zhèn).分布總面積6061 km2，占全省總面積的3.6%.

圖4 淺層高砷水分布圖Fig.4 Distribution map of shallow high-arsenic water

2.4 高鐵地下水

高鐵地下水從含水層抽到地表的過程中，由于氧化還原環(huán)境、壓力、不同層位的水混合等條件的驟然變化，會(huì)在井管濾管及附近地層發(fā)生鐵的氧化物、礦化物等沉淀，導(dǎo)致出水量衰減，影響水井正常使用，而且鐵細(xì)菌是導(dǎo)致井管堵塞和腐蝕的重要因素，細(xì)菌對(duì)水質(zhì)的影響也具有潛在的危險(xiǎn)性［24］.飲用高鐵地下水可引起臟器官內(nèi)鐵沉淀，使肝臟受損.

全省淺層地下水檢出鐵含量范圍為1.0×10-4～25.19 mg/L，檢出率91.3%，少數(shù)為檢出限以下，最大值為25.19 mg/L，位于河南省南陽(yáng)市唐河縣古城鄉(xiāng)朱湖莊村，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表4.

表4 淺層地下水鐵含量情況統(tǒng)計(jì)表Tab.4 Statistical table of iron content in shallow groundwater

鐵錳超標(biāo)的主要原因有兩個(gè)：一是第四紀(jì)沉積物中含有大量的鐵錳結(jié)核，經(jīng)淋濾作用不斷溶解進(jìn)入地下水；二是生活污染、工業(yè)廢水排放進(jìn)入地下水，導(dǎo)致包氣帶中鐵、錳和地下水中某些組分發(fā)生離子交換.

如圖5 所示，河南省淺層高鐵水（Fe>0.3 mg/L）集中成片分布于黃河沖積平原區(qū)，主要在安陽(yáng)—滑縣—輝縣—獲嘉—焦作—鄭州—杞縣—商丘—永城一線以東地區(qū)；呈條帶狀分布于沙潁河沖積平原區(qū)、洪汝河沖積平原區(qū)、長(zhǎng)葛—尉氏—通許—睢縣—柘城一線以南的淮河干流沖積平原區(qū)及南陽(yáng)盆地、濟(jì)源盆地.分布總面積31 778 km2，占全省總面積的19.0%.其中：華北平原及濟(jì)源盆地12 486 km2，占全省面積的7.5%；淮河平原17 248 km2，占全省面積的10.3%；南陽(yáng)盆地2044 km2，占全省面積的1.2%.

圖5 淺層高鐵水分布圖Fig.5 Distribution map of shallow high-iron water

此外，東部平原區(qū)及洛陽(yáng)盆地、南陽(yáng)盆地淺層地下水均有大量散點(diǎn)分布.

2.5 高錳地下水

錳是人體必要的微量元素，但人體攝入過量會(huì)引起中樞神經(jīng)中毒，震顫麻痹.

全省淺層地下水檢出錳含量范圍為3.0×10-4～5.94 mg/L，檢出率89.7%，少數(shù)為檢出限以下，最大值為5.94 mg/L，位于河南省平輿縣王崗鄉(xiāng)殷李莊，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表5.

表5 淺層地下水錳含量情況統(tǒng)計(jì)表Tab.5 Statistical table of manganese content in shallow groundwater

如圖6所示，河南省淺層高錳水（Mn>0.1 mg/L）大面積分布于東部平原區(qū)（華北平原、淮河平原），小面積條帶狀分布于濟(jì)源盆地、洛陽(yáng)盆地、南陽(yáng)盆地，分布總面積54 379 km2，占全省總面積的32.56%.其中：華北平原及濟(jì)源盆地13 157 km2，占全省面積的7.9%；淮河平原40 190 km2，占全省面積的24.1%；南陽(yáng)盆地836 km2，占全省面積的0.5%；洛陽(yáng)盆地196 km2，占全省面積的0.1%.

圖6 淺層高錳水分布圖Fig.6 Distribution map of shallow high-manganese water

3 結(jié)論

河南省普遍分布高氟水、低碘水、高鐵水、高錳水等原生劣質(zhì)地下水.高氟水、高鐵水、高錳水主要分布于黃河沖積平原區(qū)，低碘水主要分布于山區(qū)、山間盆地及近山前崗地區(qū)，高碘水、高砷水分布面積較小.原生劣質(zhì)水已嚴(yán)重威脅人類身體健康，尋找水質(zhì)達(dá)標(biāo)的地下水水源、減少地方病發(fā)病率、保證居民飲水安全具有重要意義.