安达市饮水型氟中毒与地质环境关系及开发利用建议

李旭光,蔡 贺,王长琪 ,郭常来

(辽宁省沈阳市地质调查中心,辽宁沈阳 110034)

1 基本概况

安达市位于松嫩平原黑龙江省西部,属中温带大陆性季风气候。区内无江河,地表水主要为引嫩江水及大气降水汇入库泡中。地势东北高,西南低,海拔一般 140～180m。地貌形态为冲积湖积垄岗状高平原及冲积湖积波状低平原。安达市位于兴安岭—内蒙地槽褶皱区,小兴安岭—松嫩地块,松嫩中断(坳)陷带西南部。由于受新构造运动的影响,区内沉积了较厚的第四系松散堆积物,地形平坦开阔,河谷切割微弱,北部有沼泽化湿地分布,南部多湖泡。是黑龙江省西部工业最发达的县级市之一。

2 区域水文地质条件

区内地下水的赋存条件及分布规律,主要受地质、构造、地貌、岩性、气候等因素控制。由于区内第四纪松散堆积物的厚度和岩性结构变化较大,故在低洼区缺失第四系潜水、盐沼化低地区及垄岗状高平原局部地区缺失第四系含水层。第四纪地下水不仅发育上层潜水,而且埋藏有富水性变化较大的承压水,在其下又发育有新近系和白垩系孔隙裂隙承压水。

3 饮水型氟中毒

饮水型氟中毒是一种常见的地方病,是由于饮用水中氟(F)过量或不足而引起的地域性氟中毒或缺氟性疾病。

人体对饮用水中氟浓度比较敏感,人体生理适应范围为0.7～1.0mg/L。一般认为,低于此限会出现龋齿、骨质疏松症,高于此限则出现斑釉牙、氟骨病。缺氟不利于人体对钙(Ca)、磷(P)等的吸收利用而导致缺钙,使人体骨、齿发育不健全。老年人可致骨质松脆,易发骨折。氟过量会引起代谢紊乱,影响机体内 F、Ca、P的正常比例。剩余的 F与血 Ca形成氟化钙沉积于骨骼组织中,可导致骨密度增大,骨膜变厚,骨韧带钙化,引发腰椎僵直,骨关节畸形等多种病变[1-3]。

4 地下水中氟的分布

第四系中更新统孔隙潜水是安达市氟中毒的致病层位,氟离子检出值在 0.30～9.33 mg/L,平均值 2.03 mg/L。大于 1.5mg/L的检测点主要分布于西部低平原区的的昌德镇一带及任民镇以西的大部分地区普遍氟含量偏高,在高平原区的青肯泡至火石山一带的低洼地区氟值也普遍偏高。见图1。

中更新统孔隙承压水氟离子检出值在 0.70～6.10mg/L之间,分布于调查区昌德镇中部及东部呈面状分布,羊草镇至南来一带,安达镇至万宝山一带呈线状分布,在太平庄镇、中心屯呈点状分布。

前第四系(包括新近系依安组及白垩系)裂隙孔隙承压水氟离子检出值在 0.03～2.80 mg/L之间,大部分地区氟离子含量小于农村生活饮用水卫生标准(见图 3),仅在调查区东北部的火石山乡三胜村和任民镇的革新村一带检出值较高,分别为 2.8mg/L、2.17mg/L,主要原因是由于成井过程中止水工作没有做好,上层污染潜水穿层污染所致。

图1 安达市第四系孔隙潜水氟离子含量分布图

图2 安达市前第四系承压水氟含量分布图

5 氟中毒与地质环境之间的关系

氟中毒与地质、地貌、水文地质条件有密切关系[4]。

5.1 氟中毒与地貌关系

安达市氟中毒的分布与地貌有一定的关系,大体规律是在冲湖积低平原氟中毒发病率较高,属中、重病区。在冲湖积岗阜状高平原患病率较低,属中、轻病区。但在冲湖积高平原中碟形洼地,也有中、高病区出现,见图 3。

图3 氟中毒病情与土壤盐渍化关系图

分布于低平原上的昌德镇、升平镇、万宝山及中本镇、太平庄镇、老虎岗镇部分地区氟中毒患病率大于 70%,氟骨症患病率大于 7%,属中、重病区;位于低平原上的羊草镇、卧里屯乡等地区,氟中毒患病率大于 50%,属中病区;在羊草、南来、安达城郊位于低平原,但属轻病区,可能与两镇经济条件有关,居民生活条件改善,生活水平提高也能抑制氟中毒的发生。

位于冲湖积高平原上的青肯泡乡患病率大于 50%,氟骨症患者 0.8%,属中病区;地貌上虽然是高平原,但青肯泡乡属于高平原中的碟形洼地,在该地区地势相对低洼,容易使离子富集;再与乡镇经济相对落后,村民生活较贫困有一定关系。

5.2 氟中毒与地质条件关系

5.2.1 地下水氟含量与地球化学条件

病区居民饮用的地下潜水中的氟主要来源于富含氟的土壤的淋溶作用及含氟矿物的溶滤和水合作用。在松嫩平原的外围、本区地下水的上游区小兴安岭分布有大面积的酸性、中酸性火山岩及伟晶岩脉,存在富含氟的热液蚀变矿床,含氟矿物有萤石、磷灰石、电气石、云母等。这些岩石及含氟矿物是松嫩平原沉积地层中碎屑物的重要来源,据大庆油田在钻孔中采集的重砂样分析,第四系沉积地层中含氟矿物有黄玉、云母、磷灰石、角闪石、电气石等。据本次调查结果,安达市第四系孔隙水 pH检出值在 7.25～8.94,偏碱性,易于富氟矿物的溶滤和水合作用。

萤石和磷灰石的溶滤作用如下:

CaF2(萤石)+2OH-=Ca(OH)2+2F-

云母的水合作用:

KAl2[AlSi3O10]F2(白云母)→KAl2[AlSi3(O,OH)](水白云母)+2F

KMg3[AlSi3O10]F2(黑云母 )→ K＜1Mg3[A lSi3(O,OH)＜12]n◦ H2O+2F-

地层中含氟矿物的溶滤、水合作用是病区土壤、地下水中氟元素的重要来源。

5.2.2 氟中毒与岩性

从安达市地方性氟中毒的分布特征可以看出,氟中毒重病区表层土壤岩性为淤泥质亚粘土、黄土状亚粘土;中、轻病区土壤岩性主要为亚砂土。病情的轻重与土壤岩性、颗粒粗细关系度较高。在昌德镇、太平庄镇、老虎岗镇、万宝山镇等发病率高、病情重的乡镇土壤岩性多为淤泥质亚粘土、粘土。土壤颗粒越细,比表面积越大,粘土质胶体含量越高,越有利于氟的富集,病情越重。见表 1。

表1 氟含量与岩性对比表

5.2.3 氟中毒与土壤化学条件

1)氟元素在土壤中的分布

安达市土壤水溶液中 F-的检出值一般在 0.32～37.5 mg/kg,在升平镇至安达镇一带和吉星岗镇一带,土壤中 F-的检出值较低,为 0.32～10mg/kg,在青肯泡一带,土壤中F-的检出值较高,最高为 55.8mg/kg,在昌德建设四村一带,土壤中 F-的检出值最高,达 65.3mg/kg。见图 4。

2)氟中毒与土壤苏打盐渍化作用

安达市地处松嫩平原腹地,是第四系孔隙水的汇流区。该区多年平均降水量为 450.6mm,蒸发量为1 524.0mm,属于黑龙江省蒸发的高值区及重点旱区。由于该区地下潜水埋藏浅,土壤颗粒细,毛细作用较强,地下水中的盐分被带入土壤表层,土壤盐渍化发育,在昌德镇、升平镇、青肯泡乡、万宝山镇等乡镇分布有中、重度盐渍化土(见图 4)。根据本次调查结果,土壤水溶液中阴离子 CO2-+HCO-＞SO2-＞334Cl-,属苏打盐渍土。在雨季土壤饱水情况下,土壤水溶液呈碱性,据实验测试,pH值 8.64～10.33,弱碱性的水文地球化学环境有利于氟元素从含氟矿物中析出并进入地下潜水中,因此在盐渍化发育地区,氟中毒的病情也相对较重,盐渍化发育区也是地氟病的中、重病区。

图4 安达市土壤溶液氟离子含量分布图

5.3 氟中毒与水文地质条件关系

5.3.1 氟中毒与含水层条件

安达市地方性氟中毒属于饮水型,病情分布特点是:重病区居民生活多较贫困,多饮用浅层第四系孔隙潜水,中病区的居民生活条件部分改善,饮用国家、当地政府或自家筹资所打的第四系中下更新统及白垩系裂隙孔隙深层地下水,轻病区居民普遍生活条件较好,饮用水中氟离子含量也较低。

安达市地方性氟中毒致病层位为第四系全新统、上更新统孔隙潜水,重病区分布范围内氟离子含量一般在 1.26～5.28mg/L,含水层厚度一般在 1.05～7.2m,岩性全新统、上更新统黄土状亚粘土及细粉砂为主,单井涌水量 100～500 m3/d,水位埋深 1.2～5.2 m,在部分乡镇受人类活动影响,出现重碳酸氯型水。

中上更新统孔隙承压水是工作区工农业生产的重要供水目的层。氟离子含量一般小于 1.5 mg/l,但局部地下水中氟离子检出值较高,可能与成井工艺有关,由于止水不好,造成上层潜水对下层水的污染。第四系中更新统含水层厚度一般为 4.05～30.9 m,水位埋深在 0.3～5.10 m,单井涌水量小于 1000m3/d,含水层岩性主要为中细砂、中粗砂、砂砾石。中上更新统孔隙承压含水层全区广泛分布,局部缺失。

前第四系承压水中新近系依安组裂隙孔隙承压水分布在安达市西部低平原,岩性为粉细砂岩、中细砂岩、中粗砂岩,含水层厚度 5.0～17.0 m,水位埋深 1～10 m,单井涌水量 280～540 m3/d。F-含量一般小于 1.0 mg/L,局部小于1.5,可做为病区防病改水层。

白垩系明水组裂隙孔隙承压水是工作区主要供水水源。氟离子含量小于 1.5 mg/L,在大部分地区小于 1mg/L。岩性主要为砂岩、含砾砂岩,含水层有 8～10个单层,厚度 3.5～45.5m,水位埋深一般 37.61～38.47m,单井涌水量2 400～2 800m3/d。是病区居民防病改水的首选层位。

5.3.2 氟中毒与补迳排条件

地下水径流条件的优劣对水中氟离子的富集有着很大的影响。在尚未进行大规模防病改水工作前,在安达市东部的高平原地区,因地势较高,地形切割强烈,地下水径流条件好,水循环交替迅速,氟离子处于强烈的迁移状态中,缺少良好的储存条件,难以富集,故第四系上更新统孔隙潜水中氟离子含量低,氟中毒发病率低。而在冲湖积低平原区,地势较低平,盐沼洼地、草甸遍布,地下水径流微弱,水平循环缓慢,而以垂直交替为主,水中盐分不易运移,氟离子储存的条件优越,水化学作用以蒸发浓缩作用为主,有利于氟的富集,形成高氟地下水,致使氟中毒比较严重。但在高平原局部地区地形相对低洼形成蝶形洼地,也出现高氟富集区,氟中毒较严重的现象。

5.4 地方性氟中毒与水化学条件

5.4.1 病区地下水水质特征

工作区内各层地下水多为无色、无味、无嗅、透明、无肉眼可见物,阴离子以重碳酸为主,阳离子以钠、钙、镁为主,溶解性总固体大多小于1 000 mg/L,属低矿化重碳酸型淡水,局部大于 1000mg/L,形成高矿化碳酸型咸水。

1)第四系孔隙潜水

第四系孔隙潜水主要用于农业生产及农村人畜饮水。地下水中溶解性总固体一般 410.12～2 175.89 mg/L,总硬度 39.41～1 082.17 mg/L,pH值在 7.35～8.79之间,大部分地区属弱碱性淡水,局部属弱碱性咸水。阴离子以重碳酸根为主,局部地区为 CI离子,阳离子以钠、钙、镁为主,水化学 类 型 主 要 有 HCO3—Na、HC O3—Ca、HCO3—Na、Mg和HCO3—Ca、Mg型水,在火石山乡、中本镇、太平庄镇、任民镇、羊草镇、万宝山镇的局部地段受人为污染,出现氯化物型水。

调查区内超过饮用水标准(GB 5749-85《生活饮用水卫生标准》,其中氟化物标准参照 2006年的《生活饮用水卫生标准》(报批稿),下同)的项目有溶解性总固体、总硬度、铁、氟化物、氯化物、硝酸盐氮等。

超标项目中铁、氟化物与原生地球化学环境有关,溶解性总固体、总硬度、氯化物及硝酸盐氮的检出值偏高主要是人为污染造成的。

2)第四系中更新统孔隙承压水

调查区内第四系中更新统孔隙承压水主要用于工农业生产和人畜饮水。溶解性总固体检出值一般 457.09～1647.81mg/L,总硬度 68.38～594.27 mg/L,PH值在 7.42～8.79之间,大部分地区属弱碱性低矿化型水。局部地区属弱碱性高矿化型水,阴离子以重碳酸根为主,局部地区为 CI离子,阳离子以钠、钙为主,局部地区为 Mg离子,水化学类型主要有 HCO3—Ca、HC O3—Na、Ca型。 该层水局部地区铁、锰超标,氟、溶解性总固体等检出项超标严重。

3)前第四系裂隙孔隙承压水

主要包括第三系依安组和白垩系含水层,该层地下水主要用于农村生活饮水。溶解性总固体在 459.23～1 192.41 mg/L之间,总硬度小于 561.98 mg/L,pH值在 7.25～8.52之间,阴离子以重碳酸根为主,阳离子以钠、钙为主,水化学类型主要有 HC O3—Ca、Na、HCO3—Ca和 HCO3—Na型。

检测项目多符合饮用水卫生标准,仅溶解性总固体、氟化物在调查区东北部的火石山乡三胜村和任民镇的革新村一带检出值较高,最高超标倍数分别为 1.87和 1.23倍,可能是上层污染潜水穿层污染所致。该层水氟离子的检出值在 0.03～1.48 mg/L之间,小于农村生活饮用水卫生标准(1.5mg/L),是防病改水的首选目的层。

5.4.2 氟离子含量

第四系中上更新统孔隙潜水是安达市氟中毒的致病层位,氟离子检出值在 0.30～9.33 mg/l,平均值 2.03 mg/l。大于 1.5mg/l的检测点主要分布于西部低平原区的的昌德镇一带及任民镇以西的大部分地区普遍氟含量偏高,在高平原区的青肯泡至火石山一带的低洼地区氟值也普遍偏高。

中更新统孔隙承压水氟离子检出值在 0.70～6.10mg/l之间,分布于调查区昌德镇中部及东部呈面状分布,羊草镇至南来一带,安达镇至万宝山一带呈线状分布,在太平庄镇、中心屯呈点状分布。

白垩系裂隙孔隙承压水氟离子检出值在 0.03～2.80 mg/L之间,大部分地区氟离子含量小于农村生活饮用水卫生标准,仅在调查区东北部的火石山乡三胜村和任民镇的革新村一带检出值较高,分别为 2.8mg/L、2.17mg/L,主要原因是由于成井过程中止水工作没有做好,上层污染潜水穿层污染所致。

5.4.2 氟离子富集的水化学特征

地方性氟中毒的发病情况与饮水中氟含量关系密切。地下水中氟的富集除受含水层埋藏条件、地下水的补迳排条件制约外,还受地下水中相关组份的影响。

本次调查结果显示,第四系孔隙潜水中氟离子含量与重碳酸根离子、EH值呈显著正相关,与偏硅酸、钙离子呈显著负相关。与钠离子、溶解性总固体呈一般正相关。见表 2。

表2 潜水氟离子与其它组份的相关系数表

从水质分析结果显示,第四系孔隙潜水处于弱碱性环境,结合相关性分析可看出,在第四系孔隙潜水弱碱性环境中,水体中钙离子、偏硅酸含量低有利于氟离子的富集。

第四系中更新统孔隙承压水中氟离子的富集与钠、重碳酸根、溶解性总固体的检出值呈显著正相关,见表 3。

表3 中更新统孔隙承压水氟离子与其它组份的相关系数表

前第四系裂隙孔隙承压水中氟离子含量随钠离子、重碳酸根离子含量的增加而升高,碱性的水化学环境有利于氟元素的富集,见表 4。

表4 前第四系裂隙孔隙承压水氟离子与其它组份的相关系数表

通过氟离子与其它元素的相关性计算可看出,导致安达市地方性氟中毒发生的第四系孔隙水氟含量与钠离子、重碳酸根离子含量、EH值、溶解性总固体呈正相关关系,随着水化学条件向碱性化发展而溶于水中的氟离子含量会增加。地下水中偏硅酸及钙离子含量的升高会抑制氟元素的富集。在中更新统及白垩系含水层中,地下水中氟离子含量也随着水化学条件向碱性化发展而含量增加。

6 结论及建议

6.1 结论

控制安达市饮水型氟中毒病区分布的主要因素有地形地貌、地质、地球化学环境、水文地质环境。饮水型地氟病的分布在地形地貌上,主要分布于冲积湖积低平原及高平原的蝶形洼地处。在地质环境上,通过大量实物工作,分析了影响工作区地方性氟中毒发生、发展的因素,土壤颗粒越细,粘粒含量越高,盐渍化程度越高,地方性氟中毒发病率越高,病性越重;土壤溶液氟含量越高,地下水氟含量也越高,氟中毒发病率越高;盐渍化发育地区,氟中毒的病情也相对较重;在水文地质及水化学环境方面,地下水迳流循环条件越差,蒸发作用越强烈,地方性氟中毒发病率越高。致病含水层主要为第四系浅层孔隙水含水层.新近系及白垩系孔隙裂隙、裂隙孔隙承压水,可作为病区供水目的层.饮水型地氟病防治方向应是使病区人民饮用安全卫生低氟水源。

6.2 建议

(1)安达市第四系中、下更新统承压水水量丰富,宜开采,但较易受上层水污染,在成井工艺好,且无污染环境的条件下,防病改水宜开采此层水;白垩系及新近系裂隙孔隙水水质好,应做为生活、工业供水的主要水源;农业用水宜开采浅层第四系孔隙潜水;

(2)地下供水管井施工过程中,应重视成井工艺,避免上层污染潜水穿层污染下层优良水;

(3)调查结果显示,第四系孔隙潜水污染范围较大,对此现象应引起重视,对地下水资源的保护应采取措施;

(4)制定地下水开发利用规划,合理、持续、有效利用地下水资源。

[1]卢庆林.湖南省地氟病分布的地球化学特征[J].农业现代化研究 ,1995,16(增刊 ):98.

[2]冀天宝.氟污染对人体有何危害[M].环保知识与工作问答.北京:化学工业出版社,1987.74.

[3]吴杰.塔里木河水氟分布与地方性氟中毒[J].农业现代化研究 ,1995,16(增刊 ):96.

[4]黑龙江省地质局第一水文地质队.地方病环境水文地质[M]丁.北京:地质出版社,1982.20— 35.