豫東平原扶溝等地高氟地下水成因和富集條件探討

劉海風,鄧 斌,古艷艷

(河南省地質礦產勘查開發局第五地質勘查院,河南 鄭州 450001)

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豫東平原扶溝等地高氟地下水成因和富集條件探討

劉海風,鄧 斌,古艷艷

(河南省地質礦產勘查開發局第五地質勘查院,河南 鄭州 450001)

豫東平原;地下水;氟化物;分布特征;氟富集

氟化物是人體必需的元素,人體各種組織均需要氟化物,但過量攝入則可產生氟中毒。據統計，水中氟質量濃度為1.1～2.0 mg/L時,氟斑牙發病率在30%,有少量氟骨癥,為輕病區;氟質量濃度為2.1～4.0 mg/L時,氟斑牙發病率在80%,有一定量氟骨癥,為中等病區;氟質量濃度為4.1 mg/L以上時,氟斑牙發病率大于90 %,有較多氟骨癥,為重病區。氟在自然界廣泛分布,是人類飲食中的必需元素。人們很早以前就已經將氟缺乏與齲齒的患病率聯系起來,含氟牙膏也被廣泛提倡使用。盡管氟對人類是必需的,但最佳的攝入量只是在一個很窄的范圍之內,過量氟攝入的危害已被證實。據《河南省地方性氟中毒防治研究概要》資料:地方性氟中毒主要侵犯骨骼系統,表現為氟斑牙和氟骨癥。病情輕者,牙釉質出現白堊、著色、缺損樣改變,即所謂氟斑牙;重者可侵害骨骼,表現為全身關節疼痛、活動受限、骨骼變形,甚至癱瘓,即所謂氟骨癥。國內外眾多專家學者對自然界的氟化物進行了深入研究[1-5],一些專家學者也對高氟地下水的形成進行研究[6-10],對氟的防治措施也做了較多的研究[11],但對有關豫東地區地下水氟化物富集因素及形成條件比較系統的研究尚顯不足。豫東大部分地區以地下水作為生活飲用水水源,飲用水中氟質量濃度與人體健康息息相關,是制約地下水水質的重要指標。為了保障城鄉居民飲水安全,為合理開采地下水提供依據,迫切需要加強地下水氟化物的研究。本文以豫東平原高氟區為研究對象,通過水質調查,分析研究區地下水中氟化物的分布、富集及成因等,旨在為更深入研究豫東地區地下水中氟化物變化規律及防治提供依據,也為類似地區地下水氟化物研究提供借鑒。

圖1 淺層地下水氟化物質量濃度分區

1 氟化物分布規律及演化

1.1 氟化物分布規律

選取高氟區扶溝縣和鄢陵縣一帶作為專題研究區,研究區淺層地下水氟化物質量濃度分布情況見圖1。該區淺層地下水中氟化物質量濃度普遍超出飲用水標準。研究區主要為農村地區,其生產生活用水和農業灌溉用水來源以開采的淺層地下水為主。隨著地下水開采力度的不斷加大,加上降水的影響,研究區淺層地下水淺部水的垂向上循環交替加劇,使得淺層地下水埋深10～20 m之間的氟化物質量濃度平均值最小,埋深40～60 m的氟化物質量濃度平均值最大。從不同淺層地下水埋深氟化物平均質量濃度趨勢線來看,氟化物質量濃度隨著淺層地下水埋深的增加而增加,見圖2。

圖2 ρ(F-)與淺層地下水埋深的關系

1.2 氟化物演化

研究區的氣候屬半濕潤、半干旱類型,蒸降比為2.0～2.5。由于黃河在歷史上具有游蕩性特點,整個豫東平原的微地貌較為復雜,分布著規律不等的槽形、碟形等易澇洼地,地表水中氟化物質量濃度較高,一般在0.4～1.0 mg/L,個別河段大于2 mg/L。全新統松散沉積物主要來自黃土地區,云母、角閃石、電氣石、磷灰石等高氟礦物較多,黏土、粉質黏土中的總氟一般為400～610 μg/mL,水溶性氟3～10 μg/mL。20世紀50年代至60年代初期,地下水位埋深一般在2.0 m左右,80年代初,水位埋深2.0～4.0 m和小于2.0 m的面積仍大于60%,包氣帶巖性以毛細作用較強的粉土分布最廣。特別是一些低洼地區,地下水徑流微弱,以垂直交替為主,蒸發作用強烈。水質以鈉多鈣少,偏堿性,HCO3—Na,HCO3—Na·Mg型水分布面積較大。蘇打化土壤廣泛發育。

總之,研究區氟源較為豐富,又具有促使氟活化和富集的條件,因此早期淺層高氟地下水分布十分普遍,并往往達到較高的質量濃度級別。

20世紀80年代以來,研究區加大了地下水的開采力度,因而加快了地下水的垂向更替,水位埋深較以前略有所下降,部分地區蒸降比略有降低。全區氟化物質量濃度見表1。從表1可以看出,高氟水分布面積有所減少,特別是研究區西部和西北部高氟水分布區面積明顯減少。

表1 20世紀80年代和2012年氟化物質量濃度對比

2 地下水高氟區類型

為了明確反映高氟地下水形成的機理和特征,依其水中氟的來源和主要形成作用,將研究區高氟區地下水的成因類型劃分為“溶濾-徑流富集型”,即氟富集于松散沉積物,在溶濾、水解等作用下進入地下水,隨水遷移、徑流的過程中,遇有氟富集的環境條件時便發生富集。

表2 包氣帶含氟礦物分析

研究區位于豫東黃河沖積扇高氟環境區的中下游地區,地下水的補給、排泄以垂直交替為主,淺層地下水為一“垂直調節型”地下水庫。因此,氟溶濾、水解、陽離子吸附交替作用強烈,使水中氟質量濃度增加。氟受“水庫”垂直調節的控制,約束了水中氟的活性,加之地形低洼,地下水徑流遲緩,使氟區域富集。這是研究區地下水高氟區形成的原因之一。原因之二,研究區位于高氟環境區地下水的富集帶,研究區以北至沖積扇脊柱地帶,為環境區氟的溶濾、水解帶。由于富氟巖土廣布,溶濾面積大,氟水解作用強,使研究區氟的積累大大增加。氟沿地下水流向運移至研究區后,由于地下水徑流遲緩,使研究區地下水氟趨于穩定并富集,形成地下水高氟區。

3 地下水中氟的來源和富集條件

3.1 氟的來源

除了極微量的氣態氟隨水凝結進入水中,含氟粉塵落入溶解于水中以及含氟廢水的排放入滲等外,地下水中的氟還來源于巖和土,即淺層松散沉積物。

研究區淺層松散沉積物主要來自黃河沖積層和雙洎河沖積層。由于黃河流經大面積的黃土區和基巖山區,在漫長的地質歷史風化剝蝕過程中,含氟巖石及礦物為研究區淺層沉積物提供了氟的物質來源。本次研究對淺層沉積物做了含氟礦物分析,結果見表2。

含氟礦物經長期風化、溶濾和水解作用,氟被解析,形成大量可被溶解的氟化物(螢石CaF2),溶解度為40 mg/L;氟磷灰石Ca10(PO4)6F2,溶解度為200～500 mg/L;氟鹽NaF,溶解度為40 540 mg/L。由于含氟礦物的水溶性和黏土的吸附性,使氟廣布于淺層沉積物中,淺層沉積物成為研究區地下水中氟的主要來源。

3.2 主導氟富集的環境條件

地下水中氟富集的環境條件比較復雜,主要為地形地貌、氣象水文、地質背景和水文地質條件以及水、土化學環境等。而主導高氟地下水的主要條件,則是強堿化水化學環境。

研究區地下水中氟的遷移和富集,幾乎涉及水中所有的主要離子成分和離子間的相互關系。

a.ρ(F-)與ρ(Ca2+)的關系。它們是一對拮抗體。表生帶中氟與鈣的作用形成氟化鈣(CaF2)沉淀,并被水溶解。氟在水中的遷移、富集受鈣濃度制約,鈣的質量濃度大時易產生氟化鈣的沉淀,水中氟質量濃度有所降低。研究區地下水中氟受鈣質量濃度制約的情況見圖3。從圖3可以看出,氟質量濃度與鈣質量濃度大致呈現負相關,即水中鈣的增加抑制了水中氟的增加。

圖3 ρ(F-)與ρ(Ca2+)的相關性

圖4 ρ(F-)與ρ(Na+)的相關性

圖5 ρ(F-)與的相關性

4 地下水氟富集的主要影響因素

地下水中的氟化物主要來源是巖石、土層中氟化物。流域內巖石、土層中氟化物質量比，較地下水中的氟質量濃度高出許多甚至幾個數量級,因此,在巖石風化過程中,部分氟化物被地下水所溶解,導致氟化物質量濃度增高。如,伏牛山—桐柏山—大別山一帶,因廣泛分布含氟化物的花崗巖和螢石礦脈,構成典型的富氟地球化學環境區。下面簡述一下主導研究區氟富集的幾個主要因素。

4.1 地形地貌因素

研究區地下水氟的富集明顯受地形地貌控制。

a.崗地。由于地形高,水位相對深埋,地下水徑流較好,有利于氟向洼地遷移,故為低、中氟水分布。如:尉氏縣朱曲鎮北、南曹鄉周邊和永興鎮一帶,以及扶溝縣的韭園鎮北部,氟質量濃度多小于0.5 mg/L。

b.洼地。由于水位埋深淺,易溶鹽類易于聚集,加之地下水蒸發濃縮作用強烈,蘇打鹽漬化相對較強,使洼地地下水趨于堿化或堿化增強,從而有利于水中氟富集,形成高氟水分布。如:扶溝縣城西南的兩塚坡、鄢陵縣城北的馬汞、扶溝縣城北的大李莊鄉一帶,氟質量濃度一般都大于1.0 mg/L。

c.掩埋型洼地。廣大的近期黃河沖積平原上,由于近期黃河沖積層掩埋了黃泛前的洼地、鹽堿地而形成了目前看似平坦的掩埋地貌。在掩埋洼地,由于富含碳酸氫鈉的鹽堿土被埋于地下,促使地下水堿化程度增強,形成強堿化水化學環境,因此,掩埋型洼地適于水中氟富集,形成高氟地下水分布。如,分布于研究區西北部朱曲以南、雙洎河以北的地區,由于雙洎河沖積層掩埋了古黃河沖積扇前緣以及大李莊北—包屯西,近期黃河沖積層掩埋了古低洼地,氟富集程度最高,氟質量濃度超過3.0 mg/L,其他類似地區氟質量濃度一般為1.0～3.0 mg/L。

4.2 水文地質因素

a.地下水運動特征。研究區地下水運動特征表現為水力坡度小、徑流遲緩,如在南席鎮西北至古橋鄉、扶溝縣東部徑流相對較好的地區,一般是氟隨水徑流方向遷移。徑流遲緩的地區,一般氟反復上下淋溶而又很少向外區流失,因而水中氟易于富集。

b.地下水位埋藏條件。地下水位埋藏條件對氟富集的影響也較明顯。隨著埋深的變化,氟富集呈現有規律性變化的特點:埋深小于2.0 m,水中氟易于富集,為高氟區;埋深2.0～4.0 m,高氟水分布面積小且氟質量濃度低,大部分地區為中氟水分布區;埋深大于4.0 m的崗地,為低氟、中氟水分布區。

c.地下水動態類型。“入滲-蒸發型”地下水動態類型對氟富集有相當大的影響。降水入滲補給時,水化學溶濾、陽離子吸附交替作用強烈,對氟擴散、遷移以及水中氟富集產生較大的影響;地下水垂直排泄時,濃縮作用強烈,氟反復上下淋溶,利于水中氟富集。

4.3 土化學環境因素

研究區土化學環境為高氟堿性環境。高氟分布往往與富含碳酸氫鈉的鹽堿土分布相一致,這是由于淺層土層中富含溶解度大的鹽類大量累積的結果。易溶鹽類累積,使土層中氟遷移性發揮,增大了土層中水溶性氟質量比,同時也加快了氟鹽(NaF)的形成與集散。

研究區由于淺層土層中積累了較多的易溶鹽類,因此常形成一片片古老的鹽堿地。降水入滲與含鹽最高的土層接觸,經過溶濾和陽離子吸附交替,使地下水不斷地獲得鹽分而趨于堿化或堿化增強,地下水氟易于富集。

4.4 鈉、鈣的交替作用

研究區地下水中的氟質量濃度隨著鈉、鈣質量濃度比值的增大而增加(圖6),這是由于水中鈣的減少和鈉的增大,或者是土層中的鈉交替或置換水中的鈣,使水中的鈉質量濃度增高。

圖6 ρ(F-)與ρ(Na+)/ρ(Ca2+)的關系

研究區淺層沉積物是富鈉的,降水入滲與土層長期接觸,在蒸發濃縮及溶濾作用過程中,鈉、鈣交替或置換,很容易造成地下水中重碳酸離子同堿土金屬鈣伴存,并轉化為統堿土金屬鈉結合,成為有利于氟富集的水化學環境。為了進一步說明這個問題,對酸化和堿化這兩個概念加以分析。酸化,指的是水中強酸離子同堿土金屬離子伴存;堿化,指的是水中碳酸離子同堿土金屬伴存。酸化和堿化不同于酸堿度,它們是指地下水化學演化的方向和性質。強酸化,水氟質量濃度降低;強堿化,水中氟質量濃度增加,氟易于富集,如尉氏的朱曲和蔡莊一帶、扶溝的大李莊一帶的地下水高氟區,為強堿化水環境,即水中重碳酸離子同堿土金屬鈉離子伴存。

4.5 水質類型因素

研究區劃分的水質類型反映了地下水酸堿化的強弱,體現了高氟地下水的形成機理,控制了氟富集程度不等的地下水分布。

重碳酸·鈉型水,水中重碳酸離子同堿土金屬鈉離子伴存,水化學堿化程度相對最強,因此控制了高氟地下水的分布。重碳酸·鈣型水,水中重碳酸離子同堿土金屬鈣離子伴存,水化學堿化程度降低,水質受鈣離子質量濃度的制約,不利于水中氟的富集,因此控制了低、中氟地下水的分布,見表2。

表2 水質類型與水中氟質量濃度的關系

可見,主導高氟地下水形成的環境條件是強堿化水化學環境,氟隨水化學堿化程度的增強而富集。氟成因類型有溶濾型、堿化型和熱水富集型。

4.6 人為因素

4.7 氣象水文因素

蒸發量和干燥度對氟的累積也有較大的影響。蒸發量大,干燥度高,淺層地下水蒸發濃縮作用強烈,氟易于富集。

5 結 語

在地形低洼、氣候干旱、蒸發量大于降水量、河湖水與地下水閉流、巖石和土壤中含氟礦物多、地下水徑流遲緩與排泄不暢、土壤多堿性鹽漬土、地下水化學類型為HCO3-Na·Mg和HCO3-Na型的強堿化水化學環境、淺層含水層底部有隔水的黏土層等條件下,氟離子容易在地下水中富集而形成高氟水,造成飲用水氟超標。但隨著淺層地下水開采力度的加大,地下水垂直方向的循環交替加速,高氟水分布面積較早期有所減少,再加上科學的降氟措施,高氟地下水對人類的影響是可以得到緩解的。

[1] SELINUS O,ALLOWAY B.醫學地質學[M].鄭寶山,等,譯.北京: 科學出版社,2009: 263-266.

[2] 任福弘,曾濺輝,劉文生,等.高氟地下水的水文地球化學環境及氟的賦存形式與地氟病患病率的關系[J].地球學報,1996,17(1) 1:86-97.(REN Fuhong,ZENG Jianhui,LIU Wensheng,et al.Hydro-geochemical environment of high fluorine groundwater and therelation between the speciation of fluorine and the diseased ratio ofendemic fluorosis[J].Acta Geoscientica Sinica,1996,17(1):86-97(in Chinese))[3] APAMBIRE W M,BOYLE D R,MICHEL F A.Geochemistry,genesis and health implications of fluoriferous groundwaters in the upper regions of Ghana[J].Environmental Geology,1997,33(1): 13-24.

[4] GUPTA S K,DESHPANDE R D,AGARWAL M,et al.Origin of high fluoride in groundwater in the North Gujarat-Cambay region,India[J].Hydrogeology Journal,2005,13(4): 596-605.

[5] FAROOQI A,MASUDA H,KUSAKABE M,et al.Distribution of highly arsenic and fluoride contaminated groundwater from east Punjab,Pakistan,and the controlling role of anthropogenic pollutants in the natural hydrological cycle[J].Geochemical Journal,2007，41: 213-234.

[6] 朱其順,許光泉.中國地下水氟污染的現狀及研究進展[J].環境科學與管理,2009,34(1): 42-51.(ZHU Qishun,XU Guangquan.Present situation and research progress of groundwater fluorine pollution in China[J].Environmental Science and Engineering,2009,34(1): 42-51(in Chinese))

[7] 李海霞,羅漢金,赤井純治,等.內蒙古蘇尼特地下水氟污染形成機理研究[J].水文地質工程地質,2008,35(6): 107-111.(LI Haixia,LUO Hanjin,CHIJIN Chunzhi,et al.Study on the forming mechanism of fluoride pollution in Inner Mongolia Sunit[J].Hydrogeology & Engineering Geology,2008,35(6): 107-111(in Chinese))

[8] 李世君,王新娟,周俊,等.北京大興區第四系高氟地下水分布規律研究[J].現代地質,2012,26(2): 47-52.(LI Shijun,WANG Xinjuan,ZHOU Jun,et al.Distribution law of high fluoride groundwater in quaternary in Daxing District of Beijing[J].Geoscience,2012,26(2): 47-52(in Chinese))

[9] 邢麗娜,郭華明,魏亮,等.華北平原淺層含氟地下水演化特點及成因[J].地球科學與環境學報,2012,34(4): 34-40.(XING Lina,GUO Huaming,WEI Liang,et al.Evolution feature and gensis of fluoride groundwater in shallow aquifer from North China Plain[J].Journal of Earch Sciences and Environment,2012,34(4): 34-40.(in Chinese))

[10] KRUSE E,AINCHIL J.Fluoride variations in groundwater of an area in Buenos Aires Province[J].Argentina Environmental Geology,2003,44(1): 86-89.

[11] 范基姣,佟元清,李金英,等.我國高氟水形成特點的主要影響因子及降氟方法[J].安全與環境工程,2008,5(1):14-16.(FAN Jijiao,TONG Yuanqing,LI Jinying,et al.Affecting factors ofhigh-fluorine water in our country and scheme to avoid fluorosis[J].Safety and Envionmental Engineering,2008,5(1):14-16 (in Chinese))

Enrichment condition and causes of high fluoride groundwater in Fugou and other regions in Yudong Plain

LIU Haifeng, DENG Bin, GU Yanyan

(No.5InstituteofGeo-ExplorationofHenan,Zhengzhou450001,China)

According to the groundwater quality survey results of 211 wells in the study region, the authors of this article analyzed the distribution characteristics,evolution law,and hydro-chemical characteristics of high fluoride groundwater, and the leading condition of high fluorine water formation, the main factors of influencing the fluorine concentration as well.The results show that fluoride concentrations in the shallow groundwater of the area has a rising trend as the bury of groundwater increases; the main chemical types of groundwater are HCO3-Na·Mg and HCO3-Na alkaline water; the environmental condition that controls fluoride enrichment is alkali water chemical environment; fluoride concentration in groundwater has positive correlation with Na+concentration, having negative correlation with concentration of Ca2+and HCO3; besides the natural factor, frequent human activities also affect the change of fluoride concentration in water.

Yudong Plain; groundwater; fluoride; distribution characteristics; fluoride enrichment

10.3880/j.issn.1004-6933.2015.04.005

中國國土資源大調查項目(1212010634502)

劉海風(1983—),女,工程師,主要從事環境地質、水文地質工作。E-mail:305515802@qq.com

P641.12

A

1004-6933(2015)04-0027-05