鲁西北阳谷地区浅层高氟地下水化学特征及成因

郝启勇，徐晓天，张心彬，周 来

(1. 山东省煤田地质规划勘察研究院，山东 济南 250104； 2. 山东地质实验中心，山东 济南 250100；3. 中国矿业大学 环境与测绘学院，江苏 徐州 221116)

0 引 言

氟是人体所必须的微量元素之一。适量氟的摄入有利于防止龋齿病的发生，但持续过量摄入就会引起氟中毒，常表现为氟斑牙和氟骨病。前人研究表明，长期饮用高氟地下水(简称“高氟水”，一般指F-浓度(m(F-))大于或等于1.2 mg·L-1的水体)是导致地方性氟中毒的主要原因[1-3]。鲁西北地区浅层地下水资源丰富，目前仍是广大农村饮水的主要水源之一；同时，由于区域浅层地下水中局部氟元素富集明显，该地区已成为山东省地氟病防治的重点区域。阳谷地区地处鲁西北南端，黄河绕东南而过，京杭大运河自北向南从东部穿过，为2019年山东省级贫困地区之一。浅层地下水是阳谷地区农村特别是贫困地区的主要水源之一，水源苦、咸和高氟等饮水不安全问题明显存在[3]。

众多学者对高氟水成因开展了卓有成效的研究。何锦等根据气候条件、地形地貌、土壤与岩石、水化学及水文地质条件，总结了中国北方高氟水形成的3种机制，即浓缩富集型、岩石溶滤型和海侵富集型，同时也指出不同区域地下水中F-富集条件、富集过程具有多样性[4]；吴初等分别以河北秦皇岛牛心山地区、广东信宜—廉江地区、新疆叶尔羌地区为例，研究了高氟水化学和空间分布特征，从溶解沉淀、离子交换、蒸发浓缩等地下水化学形成作用研究了高氟水形成机理[5-9]；万继涛等对鲁西南、鲁西北和鲁北地区高氟水中F-与其他阴、阳离子的相关关系、高氟水分布特征等进行了分析，并从水文地球化学特征、地质背景、气候条件及地形地貌等影响因素研究了高氟水成因[10-13]。但目前对鲁西北高氟水氟化物来源、演化特征、水文地球化学作用及形成原因研究较少。本文以鲁西北阳谷地区作为研究区，对高氟水化学特征、赋存特征及成因进行了研究，以期对科学制定地氟病防治措施、改善地氟病区人民群众的生活质量提供参考。

1 研究区概况

鲁西北阳谷地区的地理坐标为35°55′N～36°19′N，115°39′E～116°06′E，南北宽32 km，东西长39 km，面积为1 065 km2。地势由西南向东北缓倾，平均坡降为1/6 000～1/7 000。历史上，黄河曾多次在境内泛滥、改道、冲决、淤积，逐渐形成了古河道高地、洼地和缓平坡地等地貌类型。该地区为暖温带大陆性季风半湿润气候，多年平均气温为13.8 ℃，平均降水量为543.1 mm，平均蒸发量为1 224 mm。阳谷地区由南向北分属黄河水系(金堤河)和海河水系(徒骇河)，且海河水系为主水系，地表径流主要由南至北流入徒骇河。

阳谷地区地下水类型主要为松散岩类孔隙水。浅层潜水含水层一般埋藏于60 m以浅，含水层主要为黄河沉积砂层，底部连续分布10～20 m厚的粉质黏土，为其隔水底板。地下水为潜水或微承压水，含水层岩性主要为粉砂、细砂及中砂，累计砂层厚度10～25 m，富水性较强，单井涌水量为500～2 000 m3·d-1,水位埋深为2～5 m。该层含水层主要接受大气降水入渗补给，其次为灌溉回渗补给和河流渗漏补给。地下水总体由南向北缓慢径流，平均水力梯度约为0.13‰，水平径流作用微弱。排泄途径主要为潜水蒸发和人工开采。研究区水文地质情况见图1、2。

图1 鲁西北阳谷地区水文地质简图Fig.1 Hydrogeological Schematic Map of Yanggu Area in the Northwestern Shandong

2 样品采集及分析方法

本次研究采集的样品有浅层地下水、地表水和土壤。地下水取自民用饮水井和灌溉机井，共104组，其中，地下水中地氟病及高氟水重点区采集72组，采集时间为2016年3月至4月。地表水取自金堤河、徒骇河、赵王河和京杭运河4条区内河流，共4组。土壤取自高氟水重点区表层，采集深度为0～20 cm，共10组。地表水的采集、保存按照《地表水和污水监测技术规范》(HJ/T 91—2002)[14]执行，在典型断面采集瞬时水样。地下水的采集和保存按照《地下水质检验方法》(DZ/T 0064—1993)[15]执行，在洗井抽出井内水体积的2倍后取样。土壤的采集按照《土壤环境监测技术规范》(HJ/T 166—2004)[16]中农用地相关要求，采用梅花五点法采集。

地下水、地表水样品的分析测试由山东泰山矿产资源检测研究院完成，分析方法执行《地下水质检验方法》(DZ/T 0064—1993)[15]。土壤样品中pH值、全氟含量及易溶盐组分由山东省物化探勘查院岩矿测试中心完成，全氟含量采用碱熔-离子选择电极法测试，易溶盐采用离子色谱法测试，采集2 mm风干土样，按1∶5土水浸提比配制，水平振荡3 min，测试浸出液。土壤矿物组成及黏土矿物半定量分析由中国矿业大学现代分析与计算中心采用日本理学公司D/Max-3B型X射线衍射仪完成。

针对获得的水质和土壤数据，利用MapGIS软件分析高氟水的空间赋存特征。采用SigmaPlot绘图及分析软件进行水质离子的统计和相关关系分析。采用PHREEQC软件计算饱和指数(SI)，分析含氟矿物溶解-沉淀的水岩作用。采用Piper三线图、Gibbs图、氯碱指数对地下水化学特征及高氟水成因进行分析研究。

3 结果分析

3.1 高氟水时空分布规律

鲁西北阳谷地区浅层地下水F-浓度符合《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006)[17]中小型集中式供水和分散式供水限值(浓度为1.2 mg·L-1)的面积约为725 km2，占全区面积的68%；高氟水区域(高氟区)呈SW—NE向片状分布，总面积为340 km2，占全区面积的32%(图3)；F-浓度大于2 mg·L-1的高氟区呈SW—NE向串珠状展布，F-浓度最高值(12.40 mg·L-1)位于阳谷城东部侨润街道国庄村附近。值得注意的是，F-浓度大于2 mg·L-1的高氟区主要分布在黄河故道古河床高地内(图4)。古河床高地为古黄河遗留的故道，地形高出周边1～2 m，常成为局部地表分水岭。研究区洼地内地下水溶解性总固体(TDS)较高，但未有F-浓度大于2 mg·L-1的高氟区分布，其主要分布于研究区地下水流向的上游地带，与赵王河走向基本一致。赵王河水质检测结果显示，F-浓度为0.6 mg·L-1，排除了地表水赵王河对地下水的影响。研究区高氟水的空间分布特征显示其主要分布在地下水径流条件较好、地形较高的区域。

图中数据为不同钻孔的孔深图2 Ⅰ—Ⅰ′水文地质剖面示意图Fig.2 Schematic View of Ⅰ-Ⅰ′ Hydrogeological Profile

图3 浅层地下水F-浓度空间分布Fig.3 Spatial Distribution of F- Concentration in Shallow Groundwater

图4 高氟区与地貌的关系Fig.4 Relationship Between High-fluorine Region and Geomorphology

在高氟区选取19处浅层地下水采样点，获得了枯、丰水期地下水F-浓度。结果表明：丰水期F-浓度略小于或者等于枯水期浓度。这显示了地下水F-浓度波动较小的年际变化特征。

3.2 地下水化学特征

表1 浅层地下水主要水化学指标

xmeq(·)为离子毫克当量百分数图5 Piper三线图Fig.5 Piper Trilinear Diagram

3.3 地下水中氟来源及存在形式

一般认为，地下水中氟主要来源于沉积物中萤石等含氟矿物的溶解。在一定的水文地球化学作用下，氟主要呈离子态以黏土矿物吸附的方式存在于沉积物表面[19-20]。土壤中易溶盐组分分析结果(表3)表明：阳谷地区土壤沉积物中全氟含量(质量分数，下同)为(350.6～579.5)×10-6，平均值为447.8×10-6，高于全国土壤含量平均值(440.0×10-6)；pH值为8.28～8.41，平均值为8.32，显碱性；可溶性F-含量为(8.25～17.30)×10-6，平均值为12.60×10-6。

判定系数为0.405 1图6 氟在土壤和地下水的相关关系Fig.6 Correlation of Fluorine in Soil and Groundwater

3.4 高氟水形成作用及成因

3.4.1 溶滤作用

表2 F-浓度与水质主要指标相关系数

表3 土壤中易溶盐组分分析结果

CaF2→Ca2++2F

(1)

CaF2+2OH-→Ca(OH)2↓+2F-

(2)

(3)

CaMg(CO3)2↓+2H2O

(4)

(5)

4条拟合线从上到下分别为CaMg(CO3)2、CaCO3、CaF2和CaSO4的拟合线图7 饱和指数与F-浓度的关系Fig.7 Relationship Between Saturation Index and F- Concentration

4条拟合线从上到下分别为CaMg(CO3)2、CaCO3、CaF2和CaSO4的拟合线图8 饱和指数与Ca2+浓度的关系Fig.8 Relationship Between Saturation Index and Ca2+ Concentration

3.4.2 浓缩作用

γ(·)为离子毫克当量浓度图9 Gibbs图Fig.9 Gibbs Diagrams

3.4.3 离子交替吸附作用

当ICAI-1和ICAI-2为负值时，表示地下水中Ca2+、Mg2+与土壤中的Na+、K+进行离子交换；当其为正值时，说明地下水中Na+、K+与土壤中Ca2+、Mg2+发生离子交换。氯碱指数绝对值越大，阳离子交替作用越强烈。地下水氯碱指数大部分均小于0(图10)，说明研究区地下水中主要发生Ca2+、Mg2+与土壤中Na+、K+的离子交换，使地下水中Na+浓度升高，Ca2+、Mg2+浓度降低。另外，随着地下水中F-浓度的增大，氯碱指数绝对值也变大，尤其ICAI-1增大程度更高，说明地下水中F-浓度越高，阳离子交替作用越强烈。

图10 氯碱指数与F-浓度的关系Fig.10 Relationship Between Chlor-alkali Index and F- Concentration

图11 γ(Na+)-γ(Cl-)与γ(Ca2+)+γ(Mg2+)-的关系Fig.11 Relationship Between γ(Na+)-γ(Cl-) and

4 讨 论

研究区地下水高氟区主要分布于地形较高的古河床高地，而不是洼地或缓平坡地等地势低洼地区，与万继涛等在鲁西南和鲁北地区的研究成果[10-13]有所不同。水化学特征分析显示，F-浓度与溶解性总固体无明显相关关系，蒸发浓缩强烈的洼地内并未分布有F-浓度大于2 mg·L-1的高氟水赋存区。地下水形成作用分析表明，高氟水的形成受蒸发浓缩作用的背景条件影响，但在包气带土壤、地下水流动及其在含水层中长期滞留时间内，存在方解石、萤石和石膏的溶解与沉淀平衡以及阴、阳离子交替吸附作用，使得F-浓度升高，Ca2+、Mg2+浓度降低，间接使Na+浓度升高，同时在碱性环境下，以离子态大量吸附于黏土矿物表面的F-被OH-置换，使地下水中F-浓度升高。

5 结 语