江西兴国均村-高兴地区氟水文地球化学特征研究

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(东华理工大学，江西 南昌 330013)

氟广泛分布于地下水环境中且与人体健康密切相关，我国《生活饮用水卫生标准》规定饮用水中氟含量上限值为1.0 mg/L。研究发现，世界上许多国家和地区如印度、巴基斯坦、坦桑尼亚、阿根廷、韩国以及我国西北部地区均发现高氟地下水[1]。

长期以来，不少学者对高氟水的环境地球化学问题展开了一系列研究。刘瑞平等(2009)利用Netpath XL软件对关中盆地大荔地区进行了氟源水文地球化学模拟，发现当地地下水氟含量与地氟病呈正相关关系[2,3]。李旭光；吴旸；易春瑶；张春潮；曹金亮；王菲；孙一博等(2013)分别对黑龙江肇东市、宁夏西吉县、天津滨海地区、华北平原、关中盆地、豫东平原地下水/土壤中氟的赋存形态、形成机理、分布特征、迁移转化规律等方面作了较深入研究，确定了CaF2是地下水中重要的氟源物质，水化学条件是F-富集的重要影响因素[4～10]。D.T.Jayawardana,H.M.T.G.A.Pitawala等(2012)发现在斯里兰卡中北部富氟地区土壤氟与地下水中氟含量之间呈负相关关系。锆石、磷灰石、萤石、独居石和石榴石等矿物的风化是含氟地下水区土壤中氟的主要来源[11]。P.J. Sajil Kumar, P. Jegathambal等(2015)运用PHREEQC软件建立的水文地球化学模型研究印度南部蒂鲁帕特地下水中氟与pH、温度之间的相关关系，得到F-与pH，Na+和HCO3-呈正相关，与Ca2+呈负相关[12]。Reza Dehbandi, Farid Moore等(2018)研究表明，页岩是伊朗中部地区最有可能的氟化物源岩，蒸发作用和离子交换作用是氟化物富集的主要地球化学控制因素[13]。Veridiana T.de S. Martins，Daphne Silva Pino等(2018)对南美洲最大城市巴西圣保罗的地下水中氟成因进行了研究，发现其可能是结晶或沉积岩中的矿物质及工业活动所致，并指出氟的存在与地下水中Na+和HCO3-浓度呈正相关，与Ca2+浓度呈负相关[14]。

本文结合高兴幅、均村幅1:5万水文地质调查成果开展地下水中氟水文地球化学特征研究，其目的是探讨研究区地下水中F-分布特征与来源，研究成果对于探寻研究区氟水文地球化学特征，认识氟对地下水环境的影响具有重要现实意义。

1 自然地理概况

研究区位于江西省兴国县北部，其地理位置是：东经115°00′- 115°30′，北纬26°20′- 26°30′，面积920 km2。主要有均村、高兴、鼎龙、茶园、方太、隆坪、长冈等乡镇。泉南高速、319国道、京九铁路穿境而过，交通便利。属亚热带季风湿润气候，年平均气温18.8℃，四季分明，雨量充沛，多年平均降雨量1 560 mm。地表水丰富，水系发育，主要有潋江、岁水、润田河、水槎河、武术河等河流，建有大(2)型长冈水库及中型长龙水库，兼顾发电、灌溉和养殖等综合效益。地势东西高，中部低，以低山、丘陵地貌为主，局部有中山、平原。海拔高度一般为200～600 m，最高峰为西部十八排，海拔1 176 m，最低点为兴国龙口，海拔标高130 m。

2 地质、水文地质特征

2.1 地质特征

均村-高兴地区主要出露震旦系、侏罗系、白垩系、寒武系及第四系地层，出露面积771.5 km2。其中以震旦系、寒武系发育较好。岩浆岩主要为深成侵入岩和少量脉岩类，发育有方山岭、杨山、杨村、永丰、隆市5个超单元岩体及古龙、横岗两个独立侵入体。脉岩主要有石英脉、花岗岩脉、闪斜煌斑岩脉、(辉长)辉绿岩脉等，脉宽数米至数十米不等。地质构造主要是东西部南北向和北东向的褶皱、断裂，中部的弧形断裂，以及西南角泥盆纪-石炭纪地层组成的盖层褶皱[15,16]。

2.2 水文地质特征

2.2.1 含水岩组特征

该地区含水岩组可分为三类，各含水岩组特征及富水性见表1。

表1 含水岩组分类及特征

2.2.2 地下水系统特征

研究区属于长江流域地下水系统区的三级地下水系统。长江流域的一级地下水系统为鄱阳湖一级地下水系统，赣江属二级地下水系统，赣江上游、贡水、章水属三级地下水系统，平江、梅江、良口水、云亭水、武术水为四级地下水系统。依据中国地质调查局《地下水系统划分导则》(GWI-A5)，将研究区划分为五个五级地下水系统，见表2。

3 氟水文地球化学特征

2017年6月23日—8月23日，项目组对研究区4个地下水系统中地下水进行了取样，使用哈希DR2800型分光光度计测试每个样品中的F-浓度。测试结果如表3所示。

根据现场对442个地下水样品中F-、Ca2+、HCO3-、pH及TDS的测试结果(表3)，对不同地下水系统中F-与Ca2+、HCO3-、TDS及pH的关系进行系统研究。

3.1 F-浓度与TDS关系

3.1.1 潋江地下水系统

潋江地下水系统地下水中的F-浓度为0.01～-1.15 mg/L，TDS为11～167 mg/L，由图1a知，地下水中F-浓度随水中TDS增高而增高，呈线性相关关系，其相关方程为y=0.003 4x-0.024 2，相关系数R2=0.822 3(R=0.91)。表明F-浓度与TDS关系密切。

表2 研究区地下水系统划分表 km2

3.1.2 岁水地下水系统

岁水地下水系统地下水中的F-浓度为0～11.9 mg/L，TDS为2～580 mg/L，由图1b知，该系统地下水中F-浓度与TDS呈正相关关系，相关方程为y=0.001 1x+0.027 6，相关系数R2=0.857 1(R=0.93)。表明F-浓度与TDS关系密切。

3.1.3 涧水地下水系统

由表3及图1c可知，涧水地下水系统地下水中的F-浓度为0.01～0.76 mg/L，TDS为15～218 mg/L，F-浓度与TDS相关方程为y=0.001 7x+0.013 9，相关系数R2=0.797 8(R=0.89)。表明F-浓度与TDS密切相关。

3.1.4 武术河地下水系统

武术河地下水系统中地下水F-浓度与TDS亦呈现正相关关系，且关系密切，相关系数R2=0.817 2(R=0.90)(见图1d)。

表3 不同地下水系统地下水中Ca2+、HCO3-、pH、TDS及F-的测试结果

图1 地下水中F-浓度与TDS相关关系图

3.2 F-浓度与Ca2+关系

3.2.1 潋江地下水系统

研究区地下水中F-浓度与Ca2+浓度相关关系如图2a所示，图中表明潋江地下水系统中地下水F-浓度随着Ca2+浓度的升高而增高，F-浓度与Ca2+浓度关系密切，由于地下水的TDS低(11～167 mg/L，平均44.6 mg/L)，Ca2+浓度的增高不会导致CaF2沉淀，认为岩石中的CaF2处于溶解状态。

3.2.2 岁水地下水系统

由图2b可知，岁水地下水系统中地下水的F-浓度与Ca2+浓度呈现正相关关系，该系统地下水的TDS为2～580 mg/L，平均73.5 mg/L，属低矿化度地下水，同样表明岩石中的CaF2处于溶解状态。

3.2.3 涧水地下水系统

图2c表明，涧水地下水系统中地下水F-浓度与Ca2+浓度呈正相关关系，相关方程为y=0.002 9x + 0.047 4，相关系数R2=0.795 5(R=0.89)。表明F-浓度与Ca2+关系密切。

3.2.4 武术河地下水系统

由图2d可知，武术河地下水系统中地下水F-浓度随Ca2+浓度升高而增高，相关方程为y=0.005 9x+0.014 9，相关系数R2=0.850 2(R=0.92)。

图2 地下水中F-浓度与Ca2+相关关系图

综上所述，地下水中的F-浓度与Ca2+浓度呈正相关关系，在低矿化度地下水地区岩石中的CaF2处于溶解状态。

3.3 F-浓度与HCO3-关系

3.3.1 潋江地下水系统

从图3a得知，潋江地下水系统中地下水F-浓度与HCO3-浓度呈正相关关系，由于地下水中的阴离子主要为HCO3-(浓度6.10～67.12 mg/L)，地下水具有较大对阴离子溶解的空间，CaF2处于溶解状态。这是基岩山区地下水F-浓度与HCO3-的关系特征。F-浓度与HCO3-浓度相关方程为y=0.004 1x+0.022，R2=0.728 8。

3.3.2 岁水地下水系统

由图3b可知，岁水地下水系统中地下水的HCO3-浓度为1～244.41 mg/L，平均值为36.23 mg/L，处于较低水平。F-浓度与HCO3-浓度的相关方程为y=0.002 4x + 0.040 2，相关系数R2=0.848 4(R=0.92)。

3.3.3 涧水地下水系统

由图3c可知，涧水地下水系统中地下水F-浓度随着HCO3-浓度的升高而增高，其相关方程为y=0.003 2x+0.032 7，R2=0.755 7。

3.3.4 武术河地下水系统

由图3d可知，武术河地下水系统中地下水F-浓度与HCO3-浓度同样呈正相关关系，相关系数R2=0.899 5，(R=0.95)。表明F-浓度与HCO3-浓度关系密切。

以上四个地下水系统地下水中F-与HCO3-呈正相关关系特征。根据萤石和碳酸钙矿物的溶解-沉淀平衡关系：

CaF2Ca2++2F-KCaF2=10-9.8

CaCO3+H+Ca2++HCO3-KCaCO3=101.98

碳酸钙溶解生成Ca2+和HCO3-，另外，随着FCa2溶解，水中Ca2+和F-浓度增高，CaCO3、FCa2的双重溶解使水中F-浓度与HCO3-浓度呈正相关关系，这也是低矿化度地区地下水特点。

图3 地下水中F-浓度与HCO3-相关关系图

3.4 F-浓度与pH关系

前人研究结果表明，高氟水主要集中在pH值为7.3～9.0范围内[7]，微碱环境碳酸盐地区的含氟矿物更容易溶解，导致水中氟浓度偏高[17]。本研究区地下水多为弱酸性(pH平均值为6.3～ 6.7)，其水中F-浓度与pH关系如下。

3.4.1 潋江地下水系统

图4a反映了地下水中F-浓度与pH相关关系，其特征是潋江地下水系统中地下水F-浓度与pH呈正相关关系。本区酸性地下水分布普遍，当地下水中H+浓度降低时，有利于岩石中含氟矿物的溶解，使地下水中F-浓度增高；低pH值地下水不利于含氟矿物溶解，导致水中F-浓度较低。

3.4.2 岁水地下水系统

由图4b可知，岁水地下水系统中地下水F-浓度随着pH的升高而增高，相关方程为y=0.164 7x-0.906 1，R2=0.782 3(R=0.88)。

3.4.3 涧水地下水系统

图4c中涧水地下水系统地下水中F-与pH相关方程为y=0.148 1x-0.826 1，R2=0.763 3，F-浓度与pH呈正相关关系。

3.4.4 武术河地下水系统

武术河地下水系统地下水pH值为5.85～7.42，F-浓度与pH亦呈现正相关关系。

综上所述，在以上四个地下水系统中地下水中的F-浓度与pH均呈现正相关关系，与张春潮，王文科等高氟水主要在碱性水中，Saxena V K含氟矿物在弱碱环境易于溶解的认识相一致。

图4 地下水中F-浓度与pH相关关系图

3.5 氟异常与氟成因分析

3.5.1 氟异常特征

样品中F-浓度最高值为11.9 mg/L，根据现场调查情况，该F-异常点可能与当地萤石矿开采有关。另有7个地下水点样品中F-浓度大于1 mg/L，14个介于0.5～1 mg/L之间，其余95%样品中F-浓度均小于0.5 mg/L，表明研究区地下水中F-浓度一般小于0.5 mg/L，为低氟地下水，不存在地下水中氟污染问题。

3.5.2 氟成因分析

根据前人对研究区1:5万地质调查结果及本次水文地质调查情况，对地下水中氟的成因取得了以下主要认识：

(1)含氟矿物的溶解是地下水中F-的主要来源。据1:5万均村幅、高兴幅地质调查，研究区花岗岩多为酸性侵入岩，各岩体单元中氟含量在0.044%～0.216%[15,16]，当地下水流经这些花岗岩时，岩石中的含氟矿物即被溶解进入地下水中，导致地下水中具有一定的F-含量。

(2)地下水动力条件决定了水中氟含量低的特征。研究区以低山、丘陵地貌为主，基岩裂隙发育，降水入渗补给条件好，水力坡度较大，地下水交替较强烈，地下水在流动过程中与矿物(含氟矿物)作用时间较短，使水中F-难以富集，造成氟浓度普遍不高。

(3)地下水的酸性或弱酸性特征是导致地下水中F-浓度偏低的重要因素。研究区地下水以弱酸性为主，不利于含氟含钙矿物的溶解。这与孙一博，王文科等研究结果高氟水具有偏碱性的特征相一致[10]。

4 结语

通过对江西兴国均村-高兴地区氟水文地球化学研究，得到以下结论：

(1)各地下水系统地下水中的F-浓度与水的pH值，TDS，Ca2+及HCO3-浓度均呈正相关关系，这一特征是由于低矿化度地下水地区岩石中的含氟矿物及其它矿物都处于溶解状态的结果。

(2)地下水中的氟异常仅在局部地下水中发现，对地下水未造成氟污染。

(3)含氟矿物的溶解是地下水中F-的主要来源，较强烈的地下水交替条件及地下水弱酸性特征是造成地下水中F-浓度低的重要原因。