大同盆地高氟地下水成因探讨

谭保国,马玲玲

(山西省地质环境监测中心,太原 030024)

高氟地下水广泛分布于我国北方干旱半干旱地区,是一种典型的劣质水源。山西大同盆地是全国饮水型氟中毒最严重的地区之一,其高氟地下水已成为大同盆地最典型，也是最突出的地质环境问题之一,主要分布于盆地中北部地区,特别是山阴县。地下水是山阴县及本区的唯一饮用水源,饮用高氟地下水严重危害了当地居民的身体健康,并且高氟地下水导致了该地区水质性缺水,使水资源供需紧张,严重制约了当地经济的快速发展。因此,查明高氟地下水的成因,对控制盆地区饮水型氟中毒和缓解水资源供需紧张十分重要。本文从大同盆地水文地质背景、地下水水化学特征和水化学因子分析着手,对大同盆地研究区高氟地下水形成的水文地球化学过程进行了探讨与分析。

1 水文地质背景

大同盆地倾斜平原区主要含水层组为冲洪积、坡积卵砾石、中粗砂等,埋深20 m～150 m;盆地中部重要含水层组埋藏于更新世至全新世地层组内,主要为卵砾石、中粗砂、中细砂及粉细砂等,埋深10 m～150 m,蓄水程度较低。根据含水层的分布特点,浅层水的埋深约为0 m～50 m,深层水埋深在50 m以上。盆地松散孔隙水的补给来源有两种,一为垂向补给,二为侧向补给。垂向补给主要来自大气降水入渗,其次是农田灌溉回归水和地表水体、河流的渗入。侧向补给来自山丘区的地下径流,其中沿河谷的地下径流占重要成分。盆地内孔隙地下水径流方向总体为由周边经洪积倾斜平原向盆地中心运动。倾斜平原区地下水主要排泄方式为人工开采,其次以侧向径流的方式向冲洪积平原区排泄。冲洪积平原区地下水的主要排泄方式为潜水蒸发、人工开采、补给河流及地下径流沿桑干河干道流向下游排出区外[1]。

2 地下水水化学特征

2009年8月对盆地中部(研究区)高氟区地下水进行了系统采样分析,共采集地下水样31件(见图1)。水化学分析结果如表1水样水化学组成特征表所示。本次采样覆盖了山阴县最严重的氟中毒地区。浅层地下水中,TDS(溶解性总固体，溶解在

水里的无机盐和有机物的总称)含量和Ec(电导率)值较高,氟浓度的变化范围为0.01 mg/L(DT-19)～10.37 mg/L(DT-03),平均浓度为2.76 mg/L;深层地下水中氟浓度的变化范围为0.01 mg/L(DT-29)～3.14 mg/L(DT-27),平均浓度为1.57 mg/L。在浅层及深层地下水样品中,大多数氟浓度超过了中国饮用水标准1.0 mg/L。大体上,氟的分布符合研究区的地形变化特征,随着地下水从盆地边缘汇流向中心,氟离子浓度逐渐增加,低氟地下水(<0.1 mg/L)主要分布于盆地边缘。

图1 采样点分布图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)浅层高氟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浅层低氟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深层高氟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深层低氟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

研究区地下水中主要阳离子为Na+、Ca2+和Mg2+,主要阴离子为HCO3-、SO42-和Cl-。低氟和高氟地下水中的主要离子均为Na+和HCO3-,见图2。高氟地下水与低氟地下水相比,高氟地下水中Ca2+的含量低,而Na+含量较高,主要水化学类型为HCO3-Na及Cl-Na型水,与其他地区高氟地下水有着共同的水化学特征[2]。

图2 大同盆地地下水Piper三线图□-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区,第四纪含水层中的主要矿物是硅酸盐和铝硅酸盐,这些矿物的溶解能释放阳离子Ca2+、Mg2+、Na+、K+,导致沿地下水流,TDS逐渐增加。矿物表面发生的Ca2+、Na+交换反应可导致地下水中Na+含量升高和Ca2+含量降低。地下水中HCO3-浓度较高则主要是铝硅酸盐水解的产物,高浓度的HCO3-可抑制地下水中Ca2+的浓度[3]。因此地下水和含水层沉积物的相互作用导致了氟的富集。

大同盆地地下水TDS与[Na]/[Ca]比值关系见图3。浅层高氟地下水中TDS含量比较高,但随着TDS升高[Na]/[Ca]值增加较为缓慢。深层高氟地下水的[Na]/[Ca]比值较高,并且[Na]/[Ca]值随TDS增加而急剧升高,见图3-a。根据TDS与[Na]/[Ca]比值关系表明,浅层高氟地下水与深层高氟地下水分别存在受不同的水文地球化学过程影响的可能。研究区浅层地下水在强烈的蒸发浓缩作用下,Na+的浓度会随TDS值增加而增大,见图3-b,由于方解石和萤石溶解度的影响,Ca2+的浓度在地下水中受到限制。因此,浅层高氟地下水中Ca2+浓度在方解石和萤石过饱和的条件下能够维持在一定的浓度水平。深层地下水受蒸发浓缩作用较弱,TDS值相对浅层地下水较低,但离子交换使得深层地下水中的Na+含量增加,而Ca2+含量降低,从而导致[Na]/[Ca]值较高,并且随TDS增大而急剧增加。因此,根据高氟地下水TDS与[Na]/[Ca]值的关系,表明影响浅层高氟地下水的主要水文地球化学过程是强烈的蒸发浓缩作用,而控制深层高氟地下水的主要水文地球化学过程可能是阳离子交换作用。

○:深层高氟地下水;●:浅层高氟地下水;▼: 低氟地下水图3 大同盆地地下水TDS与Na/Ca比值散点图Fig.3 Scatter plot of ratio of TDS to Na/Ca of groundwater in Datong Basin

3 水化学因子分析

本次采样多数水样分布于盆地中心地下水排泄区,土壤盐渍化程度较高,浅层地下水经历了较为强烈的蒸发浓缩作用,导致地下水TDS急剧增加。

根据地下水饱和指数计算结果,盆地地下水中白云石和方解石处于过饱和状态,由于受到白云石和方解石溶解度的共同影响,地下水中Ca2+会不断被沉淀,使Ca2+浓度受到限制,不断降低。地下水中F-浓度与萤石饱和指数(SI)关系(图4)表明,浅层和深层地下水中F-含量均受到萤石溶解沉淀的影响,萤石溶解沉淀,导致地下水中F-浓度的上升[4]。因此,地下水和含水层沉积物的相互作用导致了水化学特征朝着HCO3-Na型演化,同时也导致了氟的富集。

研究区部分深层地下水具有高含量的砷和氟, Ca2+的低含量可能与Na+-Ca2+交换作用有关,阳离子交换作用会导致地下水中Ca2+含量降低。Na+-Ca2+交换作用在深层地下水中较为显著,由于地下水中F-含量主要受到萤石溶解沉淀的控制,所以高氟地下水具有低Ca特征。

○:深层高氟地下水;●:浅层高氟地下水;▼: 低氟地下水图4 萤石对地下水中氟浓度的控制Fig.4 Control of fluorite on fluorine concentration in groundwater

4 高氟地下水的形成机制

盆地地下水水化学及因子分析表明,控制研究区高氟地下水水化学特征的主要化学过程有:铝硅酸盐矿物水解、碳酸盐矿物溶解沉淀、离子交换及蒸发作用等。其中,铝硅酸盐矿物水解、碳酸盐矿物溶解沉淀是浅层高氟地下水的主要水化学控制过程;铝硅酸盐矿物水解和阳离子的交换作用是影响深层高氟地下水的主要水化学控制过程。含氟矿物的水解作用是影响氟含量的主要过程,而不是蒸发作用。地下水和含水层沉积物的相互作用导致了水化学特征朝着HCO3-Na型演化,同时也导致了氟的富集。方解石和萤石是控制高氟地下水化学特征的主要矿物,由于方解石的沉淀导致地下水中钙离子的缺失,有利于萤石溶解及地下水中氟的富集。

总之,高氟地下水有较高的离子浓度和不同的水化学类型,适中的TDS。高浓度的Na+、HCO3-,低浓度的Ca2+有利于F-在地下水中的富集,萤石溶解控制F-在地下水中的富集,浅层地下水中白云石和方解石的沉淀影响F-的富集;而深层地下水中Na+与Ca2+的离子交换影响F-的富集。

5 结束语

对大同盆地高氟地下水开展的水化学及因子分析研究表明:

1)大同盆地高氟地下水以HCO3-Na型水为主。浅层和深层高氟地下水具有不同的水化学特征,反应了不同的水化学过程对地下水中F-富集的控制。

2)因子分析表明,地下水和含水层沉积物的相互作用导致了水化学特征朝着HCO3-Na型演化,同时也导致了F-的富集。

3)萤石溶解的水化学过程控制F-在地下水中的富集,高浓度的Na+、HCO3-,低浓度的Ca2+有利于F-在地下水中的富集。浅层地下水中白云石和方解石的沉淀是F-的富集的重要影响因素;而深层地下水中F-富集的重要影响因素是Na+与Ca2+的离子交换。

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