李盛清 何正茂

（四川省地勘局成都水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊，四川成都610072）

四川省北部盆周山地紅層低山丘陵區(qū)水資源貧乏，區(qū)內(nèi)無大中型水利設(shè)施，加之大氣降水時空分布差異極大，水資源分布時空極度不均，造成該地區(qū)缺水嚴重，人畜飲用水困難。然而區(qū)內(nèi)砂、泥巖淺層風化帶內(nèi)普遍賦存有地下水，通過調(diào)查，該區(qū)淺層地下水開發(fā)利用條件具如下特點：1、地下水分布普遍；2、埋藏淺、開采方便；3、水質(zhì)較好、適宜飲用；4、可持續(xù)開采。結(jié)合該紅層地區(qū)農(nóng)戶“居住分散、用水量少”的需水特征，紅層丘陵區(qū)的地下水資源特征與當?shù)剞r(nóng)村家庭的用水需求狀況具有極佳的結(jié)合點，實踐也證明開發(fā)利用地下水資源解決農(nóng)村飲用水問題具有投資省、見效快、供水保障率高、水質(zhì)好、少占地、易管理等優(yōu)點，還會對該地區(qū)的生態(tài)環(huán)境建設(shè)提供堅實支撐。但普遍分布的淺層地下水中Fe、Mn含量普遍較高，為了充分利用好地下水資源，必須全面掌握該地區(qū)的地下水中Fe、Mn元素的分布形成和富集規(guī)律，科學開發(fā)地下水。采取簡便可行的方式處理地下水中的Fe、Mn元素，以發(fā)揮其清潔、方便和廉價的優(yōu)勢。

一、地下水中Fe、Mn的危害

四川省紅層低山丘陵地區(qū)找水打井工程調(diào)查與區(qū)劃項目已實施兩期，無論是四川盆地紅層丘陵區(qū)，還是盆周山地區(qū)，紅層淺層（15～25m）地下水化學特征中最顯著、最普遍的特征就是Fe、Mn含量偏高。Fe、Mn是構(gòu)成生物體的基本元素之一，但是，F(xiàn)e、Mn元素過量也會給人們的生活和生產(chǎn)帶來很多不便和危害。

在用水井取水過程中，呈溶解狀態(tài)的Fe容易被氧化而沉淀，堵塞井壁，導(dǎo)致水井出水量減少甚至不得不廢棄水井。從感官上講，F(xiàn)e、Mn含量偏高的水會產(chǎn)生令人不愉快的顏色和獨特的臭味，而且會在衣物、器具上著色，很不美觀。從生理學上講，人體攝入過量的Mn，會造成相關(guān)器官的病變。日本東京郊區(qū)曾發(fā)生過居民飲用受Mn污染的井水而患病死亡的事件。Mn對人體有慢性中毒現(xiàn)象，對Mn礦工人的調(diào)查資料表明，他們患有類似于精神分裂癥的強烈的精神障礙癥。對于工業(yè)用水，如造紙工業(yè)、紡織工業(yè)、食品工業(yè)、釀造工業(yè)等，過多的Fe、Mn含量會使產(chǎn)品的質(zhì)量下降，造成很大的經(jīng)濟損失。

二、Fe、Mn元素的背景特征

Fe、Mn在地下水中的存在形式主要為離子態(tài)。眾所周知，F(xiàn)e、Mn均為變價元素，價態(tài)的改變可引起離子性質(zhì)的變化，導(dǎo)致其化學性質(zhì)也發(fā)生改變。如Mn離子隨電價的增高而離子半徑逐漸縮小，離子電位和電負性相應(yīng)增高，引起離子的非金屬性增強表現(xiàn)在Mn的氧化物性質(zhì)上，由堿性（低價態(tài)）向酸性（高價態(tài)）變化。Mn的親合力低于Fe的親合力，因此，Mn的二價氧化物比Fe的二價氧化物穩(wěn)定區(qū)大，即使存在其他陰離子（如HCO3-、SO42-）時，可溶性的Mn的穩(wěn)定區(qū)也比可溶性的Fe的穩(wěn)定區(qū)大，因此，在相同條件下，地下水中的Mn2+比Fe2+易遷移富集，因而，地下水中Mn2+含量應(yīng)比Fe2+含量高，但是，本區(qū)地下水形成的Mn2+、Fe2+的條件并不相同，尤其是原生沉積環(huán)境中巖石的Fe、Mn含量差異很大（見表1），Mn的豐度為505～589ppm，F(xiàn)e的豐度為28778～32355ppm，相差達56倍，因此，地下水中仍然是Fe2+含量高于Mn2+離子含量，這與原生沉積環(huán)境和本次采樣試驗結(jié)果相符。

三、Fe、Mn元素的分布特征

通過以蒼溪縣紅層低山丘陵區(qū)地下水的調(diào)查以及41組水樣分析試驗（見表2）為例，四川省北部盆周山地紅層低山丘陵區(qū)地下水水質(zhì)具有如下特征：

1絕大部分示范井（井深18～25m）都有Fe、Mn檢出。27組水樣中有25組Fe元素檢出，檢出率達92.6%，超標14組，超標率達34.15%，F(xiàn)e含量最高達0.989mg/L，最大超標倍數(shù)為3.3倍；27組水樣中有25組Mn元素檢出，檢出率達92.6%，超標9組，超標率達21.95%，Mn含量最高達0.489mg/L，最大超標倍數(shù)達4.9倍。而14組民井、大口井（井深1.0～15.0m）水樣Fe、Mn檢出均為2組，檢出率僅14.3%，即便檢出，其值也很低。由此可見，隨著井深的增加、徑流逐漸減弱，F(xiàn)e、Mn含量有逐漸增高的趨勢，加上地下水從上向下的越流補給，使Fe、Mn含量逐層積累，也導(dǎo)致了地下水中Fe、Mn含量隨深度的增大而增加。

2從Fe、Mn含量偏高的井孔所在的微地貌部位來看，在地下水徑流速度較快的補給區(qū)，地下水中的Fe、Mn含量相對較低；而在臺狀低山深丘平臺、緩坡帶，尤其是分布規(guī)模較大的平臺后緣、低洼寬谷等地帶，為地下水排泄區(qū)或埋藏區(qū)，地下水Fe、Mn含量相對較高且分布普遍，這與該帶地下水水位埋藏淺、處還原環(huán)境或弱氧化環(huán)境有關(guān)；該帶地下水徑流速度緩慢、以及上覆土層較厚，上覆巖土中含大量有機質(zhì)，有機質(zhì)成分、腐殖酸與厭氧菌的活動，致使地下水中Fe、Mn普遍偏高。

3在本次采取水樣時，該區(qū)已投入使用的示范井數(shù)量有限，且大部分示范井投入使用時間短（一般5～20天）、多數(shù)農(nóng)戶每天用水量?。?.05～0.10m3），井中還可能存有打井、洗井（洗井用水多為水質(zhì)很差的田水、塘堰水）施工的殘留有機質(zhì)污染物，有機質(zhì)致使地下水處于還原環(huán)境中，導(dǎo)致Fe3＋還原為Fe2＋溶于水中，從而造成Fe、Mn含量偏高。

綜上所述，川北盆周山地紅層低山丘陵區(qū)地下水中Fe、Mn離子的遷移和富集，除了與含水介質(zhì)成分、成井深度、酸堿度、井孔使用時間、上覆土層性質(zhì)、徑流條件有關(guān)外，主要受氧化還原環(huán)境控制。

四、Fe、Mn元素的形成富集規(guī)律

該區(qū)低洼溝谷、緩坡及平臺等地帶是該區(qū)農(nóng)戶主要分布區(qū)，人口分布密集，人類生產(chǎn)、生活活動強烈。地下水含水層的上覆土層中，不僅含有大量的Fe、Mn，而且富含有機質(zhì)，這些地帶地下水位埋深一般較淺，土層大部分處于地下水長期浸漬狀態(tài)，使其向下逐漸轉(zhuǎn)為低電位的還原環(huán)境，而土層中有機質(zhì)的分解，也加速了這一轉(zhuǎn)化的進程，使土層中的Fe、Mn的低價態(tài)含量增多，增強其遷移性。由于有機質(zhì)的不斷分解，產(chǎn)生的二氧化碳和水一起不僅溶解其土層中的Mn2+、Fe2+，增高了地下水中的HCO3-的含量，同時，還會產(chǎn)生大量的Fe（HCO3）2、Mn（HCO3）2化合物，在有機物的保護下，以溶液形式攜帶著Fe、Mn的重碳酸鹽隨水遷移至地下水中，致使Fe、Mn含量較高。

表1 川北盆周山地紅層地區(qū)（K～J）地層中各元素含量平均值統(tǒng)計表

表2 蒼溪縣紅層低山丘陵區(qū)地下水中Fe、Mn含量及超標狀態(tài)

該區(qū)為碎屑巖地區(qū)，構(gòu)造變動輕微，巖石構(gòu)造裂隙不發(fā)育，大氣降水補給條件較差，屬還原環(huán)境或弱氧化環(huán)境，因此，盡管地下水中Fe、Mn離子的來源量較少，但在還原環(huán)境或弱氧化環(huán)境條件下，難以形成難溶的氫氧化物沉淀，主要以低價的Fe2+、Mn2+形式存在。在這種環(huán)境中，有機質(zhì)成分、腐殖酸與厭氧菌的活動，致使高價的Fe、Mn成為有機物的氫化氧體，低價的Fe2+、Mn2+進入地下水中，導(dǎo)致Fe、Mn含量較高。另外，有機質(zhì)還可促進Fe、Mn絡(luò)合物的穩(wěn)定性，以致在弱堿性介質(zhì)中都不會沉淀，且有機質(zhì)能分解出大量的CO2和H2S等還原性物質(zhì)，使Eh值降低，使介質(zhì)中較穩(wěn)定的高價Fe、Mn氧化物（Fe2O3、MnO2）還原成低價的Fe、Mn的易溶鹽并離解出Fe2+、Mn2+，致使地下水中Fe、Mn含量較高。

五、Fe、Mn處理方法

針對該區(qū)Fe、Mn分布普遍、缺水農(nóng)戶分散、農(nóng)村經(jīng)濟較落后的現(xiàn)實，必須采取經(jīng)濟適用、簡單易行的方法進行處理。建議采取在房頂修建水池暴氣沉淀后沙濾的方法進行處理，其反應(yīng)式如下：

經(jīng)暴氣沉淀后沙濾處理后可作為生活飲用水。另外，根據(jù)已實施地區(qū)經(jīng)驗：井水不斷的開采利用，隨著地下水循環(huán)的加強，井水中Fe、Mn含量隨時間的推移將逐漸降低。

結(jié)語

綜上所述，地下水Fe、Mn元素的遷移富集及含量，是受多因素的控制的，但最重要的因素是含不介質(zhì)及其上覆巖土中的Fe、Mn含量和氧化還原環(huán)境。因此，查明地下水中的Fe、Mn元素的成因及分布規(guī)律，是該地區(qū)地下水合理開發(fā)利用解決缺水分散農(nóng)戶的飲用水困難、區(qū)域環(huán)境質(zhì)量評價、制定環(huán)境質(zhì)量標準、防治疾病、維護生態(tài)平衡、進行國土整治的重要科學依據(jù)。

[1]農(nóng)村實施《生活飲用水衛(wèi)生標準》準則，全國愛衛(wèi)會/衛(wèi)生部，1991.

[2]照理.水文地球化學基礎(chǔ)[M].北京：沈地質(zhì)出版社，1992.