四F川e、省M北 n部山地紅層淺層地下水富集規律及成因分析

李盛清 何正茂

（四川省地勘局成都水文地質工程地質隊，四川成都610072）

四川省北部盆周山地紅層低山丘陵區水資源貧乏，區內無大中型水利設施，加之大氣降水時空分布差異極大，水資源分布時空極度不均，造成該地區缺水嚴重，人畜飲用水困難。然而區內砂、泥巖淺層風化帶內普遍賦存有地下水，通過調查，該區淺層地下水開發利用條件具如下特點：1、地下水分布普遍；2、埋藏淺、開采方便；3、水質較好、適宜飲用；4、可持續開采。結合該紅層地區農戶“居住分散、用水量少”的需水特征，紅層丘陵區的地下水資源特征與當地農村家庭的用水需求狀況具有極佳的結合點，實踐也證明開發利用地下水資源解決農村飲用水問題具有投資省、見效快、供水保障率高、水質好、少占地、易管理等優點，還會對該地區的生態環境建設提供堅實支撐。但普遍分布的淺層地下水中Fe、Mn含量普遍較高，為了充分利用好地下水資源，必須全面掌握該地區的地下水中Fe、Mn元素的分布形成和富集規律，科學開發地下水。采取簡便可行的方式處理地下水中的Fe、Mn元素，以發揮其清潔、方便和廉價的優勢。

一、地下水中Fe、Mn的危害

四川省紅層低山丘陵地區找水打井工程調查與區劃項目已實施兩期，無論是四川盆地紅層丘陵區，還是盆周山地區，紅層淺層（15～25m）地下水化學特征中最顯著、最普遍的特征就是Fe、Mn含量偏高。Fe、Mn是構成生物體的基本元素之一，但是，Fe、Mn元素過量也會給人們的生活和生產帶來很多不便和危害。

在用水井取水過程中，呈溶解狀態的Fe容易被氧化而沉淀，堵塞井壁，導致水井出水量減少甚至不得不廢棄水井。從感官上講，Fe、Mn含量偏高的水會產生令人不愉快的顏色和獨特的臭味，而且會在衣物、器具上著色，很不美觀。從生理學上講，人體攝入過量的Mn，會造成相關器官的病變。日本東京郊區曾發生過居民飲用受Mn污染的井水而患病死亡的事件。Mn對人體有慢性中毒現象，對Mn礦工人的調查資料表明，他們患有類似于精神分裂癥的強烈的精神障礙癥。對于工業用水，如造紙工業、紡織工業、食品工業、釀造工業等，過多的Fe、Mn含量會使產品的質量下降，造成很大的經濟損失。

二、Fe、Mn元素的背景特征

Fe、Mn在地下水中的存在形式主要為離子態。眾所周知，Fe、Mn均為變價元素，價態的改變可引起離子性質的變化，導致其化學性質也發生改變。如Mn離子隨電價的增高而離子半徑逐漸縮小，離子電位和電負性相應增高，引起離子的非金屬性增強表現在Mn的氧化物性質上，由堿性（低價態）向酸性（高價態）變化。Mn的親合力低于Fe的親合力，因此，Mn的二價氧化物比Fe的二價氧化物穩定區大，即使存在其他陰離子（如HCO3-、SO42-）時，可溶性的Mn的穩定區也比可溶性的Fe的穩定區大，因此，在相同條件下，地下水中的Mn2+比Fe2+易遷移富集，因而，地下水中Mn2+含量應比Fe2+含量高，但是，本區地下水形成的Mn2+、Fe2+的條件并不相同，尤其是原生沉積環境中巖石的Fe、Mn含量差異很大（見表1），Mn的豐度為505～589ppm，Fe的豐度為28778～32355ppm，相差達56倍，因此，地下水中仍然是Fe2+含量高于Mn2+離子含量，這與原生沉積環境和本次采樣試驗結果相符。

三、Fe、Mn元素的分布特征

通過以蒼溪縣紅層低山丘陵區地下水的調查以及41組水樣分析試驗（見表2）為例，四川省北部盆周山地紅層低山丘陵區地下水水質具有如下特征：

1絕大部分示范井（井深18～25m）都有Fe、Mn檢出。27組水樣中有25組Fe元素檢出，檢出率達92.6%，超標14組，超標率達34.15%，Fe含量最高達0.989mg/L，最大超標倍數為3.3倍；27組水樣中有25組Mn元素檢出，檢出率達92.6%，超標9組，超標率達21.95%，Mn含量最高達0.489mg/L，最大超標倍數達4.9倍。而14組民井、大口井（井深1.0～15.0m）水樣Fe、Mn檢出均為2組，檢出率僅14.3%，即便檢出，其值也很低。由此可見，隨著井深的增加、徑流逐漸減弱，Fe、Mn含量有逐漸增高的趨勢，加上地下水從上向下的越流補給，使Fe、Mn含量逐層積累，也導致了地下水中Fe、Mn含量隨深度的增大而增加。

2從Fe、Mn含量偏高的井孔所在的微地貌部位來看，在地下水徑流速度較快的補給區，地下水中的Fe、Mn含量相對較低；而在臺狀低山深丘平臺、緩坡帶，尤其是分布規模較大的平臺后緣、低洼寬谷等地帶，為地下水排泄區或埋藏區，地下水Fe、Mn含量相對較高且分布普遍，這與該帶地下水水位埋藏淺、處還原環境或弱氧化環境有關；該帶地下水徑流速度緩慢、以及上覆土層較厚，上覆巖土中含大量有機質，有機質成分、腐殖酸與厭氧菌的活動，致使地下水中Fe、Mn普遍偏高。

3在本次采取水樣時，該區已投入使用的示范井數量有限，且大部分示范井投入使用時間短（一般5～20天）、多數農戶每天用水量小（0.05～0.10m3），井中還可能存有打井、洗井（洗井用水多為水質很差的田水、塘堰水）施工的殘留有機質污染物，有機質致使地下水處于還原環境中，導致Fe3＋還原為Fe2＋溶于水中，從而造成Fe、Mn含量偏高。

綜上所述，川北盆周山地紅層低山丘陵區地下水中Fe、Mn離子的遷移和富集，除了與含水介質成分、成井深度、酸堿度、井孔使用時間、上覆土層性質、徑流條件有關外，主要受氧化還原環境控制。

四、Fe、Mn元素的形成富集規律

該區低洼溝谷、緩坡及平臺等地帶是該區農戶主要分布區，人口分布密集，人類生產、生活活動強烈。地下水含水層的上覆土層中，不僅含有大量的Fe、Mn，而且富含有機質，這些地帶地下水位埋深一般較淺，土層大部分處于地下水長期浸漬狀態，使其向下逐漸轉為低電位的還原環境，而土層中有機質的分解，也加速了這一轉化的進程，使土層中的Fe、Mn的低價態含量增多，增強其遷移性。由于有機質的不斷分解，產生的二氧化碳和水一起不僅溶解其土層中的Mn2+、Fe2+，增高了地下水中的HCO3-的含量，同時，還會產生大量的Fe（HCO3）2、Mn（HCO3）2化合物，在有機物的保護下，以溶液形式攜帶著Fe、Mn的重碳酸鹽隨水遷移至地下水中，致使Fe、Mn含量較高。

表1 川北盆周山地紅層地區（K～J）地層中各元素含量平均值統計表

表2 蒼溪縣紅層低山丘陵區地下水中Fe、Mn含量及超標狀態

該區為碎屑巖地區，構造變動輕微，巖石構造裂隙不發育，大氣降水補給條件較差，屬還原環境或弱氧化環境，因此，盡管地下水中Fe、Mn離子的來源量較少，但在還原環境或弱氧化環境條件下，難以形成難溶的氫氧化物沉淀，主要以低價的Fe2+、Mn2+形式存在。在這種環境中，有機質成分、腐殖酸與厭氧菌的活動，致使高價的Fe、Mn成為有機物的氫化氧體，低價的Fe2+、Mn2+進入地下水中，導致Fe、Mn含量較高。另外，有機質還可促進Fe、Mn絡合物的穩定性，以致在弱堿性介質中都不會沉淀，且有機質能分解出大量的CO2和H2S等還原性物質，使Eh值降低，使介質中較穩定的高價Fe、Mn氧化物（Fe2O3、MnO2）還原成低價的Fe、Mn的易溶鹽并離解出Fe2+、Mn2+，致使地下水中Fe、Mn含量較高。

五、Fe、Mn處理方法

針對該區Fe、Mn分布普遍、缺水農戶分散、農村經濟較落后的現實，必須采取經濟適用、簡單易行的方法進行處理。建議采取在房頂修建水池暴氣沉淀后沙濾的方法進行處理，其反應式如下：

經暴氣沉淀后沙濾處理后可作為生活飲用水。另外，根據已實施地區經驗：井水不斷的開采利用，隨著地下水循環的加強，井水中Fe、Mn含量隨時間的推移將逐漸降低。

結語

綜上所述，地下水Fe、Mn元素的遷移富集及含量，是受多因素的控制的，但最重要的因素是含不介質及其上覆巖土中的Fe、Mn含量和氧化還原環境。因此，查明地下水中的Fe、Mn元素的成因及分布規律，是該地區地下水合理開發利用解決缺水分散農戶的飲用水困難、區域環境質量評價、制定環境質量標準、防治疾病、維護生態平衡、進行國土整治的重要科學依據。

[1]農村實施《生活飲用水衛生標準》準則，全國愛衛會/衛生部，1991.

[2]照理.水文地球化學基礎[M].北京：沈地質出版社，1992.