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        江西興國均村-高興地區(qū)氟水文地球化學(xué)特征研究

        2018-12-14 01:31:02,,,,,
        地下水 2018年6期
        關(guān)鍵詞:澗水含氟礦物

        ,,,,,

        (東華理工大學(xué),江西 南昌 330013)

        氟廣泛分布于地下水環(huán)境中且與人體健康密切相關(guān),我國《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定飲用水中氟含量上限值為1.0 mg/L。研究發(fā)現(xiàn),世界上許多國家和地區(qū)如印度、巴基斯坦、坦桑尼亞、阿根廷、韓國以及我國西北部地區(qū)均發(fā)現(xiàn)高氟地下水[1]。

        長期以來,不少學(xué)者對(duì)高氟水的環(huán)境地球化學(xué)問題展開了一系列研究。劉瑞平等(2009)利用Netpath XL軟件對(duì)關(guān)中盆地大荔地區(qū)進(jìn)行了氟源水文地球化學(xué)模擬,發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)氐叵滤颗c地氟病呈正相關(guān)關(guān)系[2,3]。李旭光;吳旸;易春瑤;張春潮;曹金亮;王菲;孫一博等(2013)分別對(duì)黑龍江肇東市、寧夏西吉縣、天津?yàn)I海地區(qū)、華北平原、關(guān)中盆地、豫東平原地下水/土壤中氟的賦存形態(tài)、形成機(jī)理、分布特征、遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律等方面作了較深入研究,確定了CaF2是地下水中重要的氟源物質(zhì),水化學(xué)條件是F-富集的重要影響因素[4~10]。D.T.Jayawardana,H.M.T.G.A.Pitawala等(2012)發(fā)現(xiàn)在斯里蘭卡中北部富氟地區(qū)土壤氟與地下水中氟含量之間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。鋯石、磷灰石、螢石、獨(dú)居石和石榴石等礦物的風(fēng)化是含氟地下水區(qū)土壤中氟的主要來源[11]。P.J. Sajil Kumar, P. Jegathambal等(2015)運(yùn)用PHREEQC軟件建立的水文地球化學(xué)模型研究印度南部蒂魯帕特地下水中氟與pH、溫度之間的相關(guān)關(guān)系,得到F-與pH,Na+和HCO3-呈正相關(guān),與Ca2+呈負(fù)相關(guān)[12]。Reza Dehbandi, Farid Moore等(2018)研究表明,頁巖是伊朗中部地區(qū)最有可能的氟化物源巖,蒸發(fā)作用和離子交換作用是氟化物富集的主要地球化學(xué)控制因素[13]。Veridiana T.de S. Martins,Daphne Silva Pino等(2018)對(duì)南美洲最大城市巴西圣保羅的地下水中氟成因進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)其可能是結(jié)晶或沉積巖中的礦物質(zhì)及工業(yè)活動(dòng)所致,并指出氟的存在與地下水中Na+和HCO3-濃度呈正相關(guān),與Ca2+濃度呈負(fù)相關(guān)[14]。

        本文結(jié)合高興幅、均村幅1:5萬水文地質(zhì)調(diào)查成果開展地下水中氟水文地球化學(xué)特征研究,其目的是探討研究區(qū)地下水中F-分布特征與來源,研究成果對(duì)于探尋研究區(qū)氟水文地球化學(xué)特征,認(rèn)識(shí)氟對(duì)地下水環(huán)境的影響具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

        1 自然地理概況

        研究區(qū)位于江西省興國縣北部,其地理位置是:東經(jīng)115°00′- 115°30′,北緯26°20′- 26°30′,面積920 km2。主要有均村、高興、鼎龍、茶園、方太、隆坪、長岡等鄉(xiāng)鎮(zhèn)。泉南高速、319國道、京九鐵路穿境而過,交通便利。屬亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候,年平均氣溫18.8℃,四季分明,雨量充沛,多年平均降雨量1 560 mm。地表水豐富,水系發(fā)育,主要有瀲江、歲水、潤田河、水槎河、武術(shù)河等河流,建有大(2)型長岡水庫及中型長龍水庫,兼顧發(fā)電、灌溉和養(yǎng)殖等綜合效益。地勢(shì)東西高,中部低,以低山、丘陵地貌為主,局部有中山、平原。海拔高度一般為200~600 m,最高峰為西部十八排,海拔1 176 m,最低點(diǎn)為興國龍口,海拔標(biāo)高130 m。

        2 地質(zhì)、水文地質(zhì)特征

        2.1 地質(zhì)特征

        均村-高興地區(qū)主要出露震旦系、侏羅系、白堊系、寒武系及第四系地層,出露面積771.5 km2。其中以震旦系、寒武系發(fā)育較好。巖漿巖主要為深成侵入巖和少量脈巖類,發(fā)育有方山嶺、楊山、楊村、永豐、隆市5個(gè)超單元巖體及古龍、橫崗兩個(gè)獨(dú)立侵入體。脈巖主要有石英脈、花崗巖脈、閃斜煌斑巖脈、(輝長)輝綠巖脈等,脈寬數(shù)米至數(shù)十米不等。地質(zhì)構(gòu)造主要是東西部南北向和北東向的褶皺、斷裂,中部的弧形斷裂,以及西南角泥盆紀(jì)-石炭紀(jì)地層組成的蓋層褶皺[15,16]。

        2.2 水文地質(zhì)特征

        2.2.1 含水巖組特征

        該地區(qū)含水巖組可分為三類,各含水巖組特征及富水性見表1。

        表1 含水巖組分類及特征

        2.2.2 地下水系統(tǒng)特征

        研究區(qū)屬于長江流域地下水系統(tǒng)區(qū)的三級(jí)地下水系統(tǒng)。長江流域的一級(jí)地下水系統(tǒng)為鄱陽湖一級(jí)地下水系統(tǒng),贛江屬二級(jí)地下水系統(tǒng),贛江上游、貢水、章水屬三級(jí)地下水系統(tǒng),平江、梅江、良口水、云亭水、武術(shù)水為四級(jí)地下水系統(tǒng)。依據(jù)中國地質(zhì)調(diào)查局《地下水系統(tǒng)劃分導(dǎo)則》(GWI-A5),將研究區(qū)劃分為五個(gè)五級(jí)地下水系統(tǒng),見表2。

        3 氟水文地球化學(xué)特征

        2017年6月23日—8月23日,項(xiàng)目組對(duì)研究區(qū)4個(gè)地下水系統(tǒng)中地下水進(jìn)行了取樣,使用哈希DR2800型分光光度計(jì)測(cè)試每個(gè)樣品中的F-濃度。測(cè)試結(jié)果如表3所示。

        根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)442個(gè)地下水樣品中F-、Ca2+、HCO3-、pH及TDS的測(cè)試結(jié)果(表3),對(duì)不同地下水系統(tǒng)中F-與Ca2+、HCO3-、TDS及pH的關(guān)系進(jìn)行系統(tǒng)研究。

        3.1 F-濃度與TDS關(guān)系

        3.1.1 瀲江地下水系統(tǒng)

        瀲江地下水系統(tǒng)地下水中的F-濃度為0.01~-1.15 mg/L,TDS為11~167 mg/L,由圖1a知,地下水中F-濃度隨水中TDS增高而增高,呈線性相關(guān)關(guān)系,其相關(guān)方程為y=0.003 4x-0.024 2,相關(guān)系數(shù)R2=0.822 3(R=0.91)。表明F-濃度與TDS關(guān)系密切。

        表2 研究區(qū)地下水系統(tǒng)劃分表 km2

        3.1.2 歲水地下水系統(tǒng)

        歲水地下水系統(tǒng)地下水中的F-濃度為0~11.9 mg/L,TDS為2~580 mg/L,由圖1b知,該系統(tǒng)地下水中F-濃度與TDS呈正相關(guān)關(guān)系,相關(guān)方程為y=0.001 1x+0.027 6,相關(guān)系數(shù)R2=0.857 1(R=0.93)。表明F-濃度與TDS關(guān)系密切。

        3.1.3 澗水地下水系統(tǒng)

        由表3及圖1c可知,澗水地下水系統(tǒng)地下水中的F-濃度為0.01~0.76 mg/L,TDS為15~218 mg/L,F(xiàn)-濃度與TDS相關(guān)方程為y=0.001 7x+0.013 9,相關(guān)系數(shù)R2=0.797 8(R=0.89)。表明F-濃度與TDS密切相關(guān)。

        3.1.4 武術(shù)河地下水系統(tǒng)

        武術(shù)河地下水系統(tǒng)中地下水F-濃度與TDS亦呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系,且關(guān)系密切,相關(guān)系數(shù)R2=0.817 2(R=0.90)(見圖1d)。

        表3 不同地下水系統(tǒng)地下水中Ca2+、HCO3-、pH、TDS及F-的測(cè)試結(jié)果

        圖1 地下水中F-濃度與TDS相關(guān)關(guān)系圖

        3.2 F-濃度與Ca2+關(guān)系

        3.2.1 瀲江地下水系統(tǒng)

        研究區(qū)地下水中F-濃度與Ca2+濃度相關(guān)關(guān)系如圖2a所示,圖中表明瀲江地下水系統(tǒng)中地下水F-濃度隨著Ca2+濃度的升高而增高,F(xiàn)-濃度與Ca2+濃度關(guān)系密切,由于地下水的TDS低(11~167 mg/L,平均44.6 mg/L),Ca2+濃度的增高不會(huì)導(dǎo)致CaF2沉淀,認(rèn)為巖石中的CaF2處于溶解狀態(tài)。

        3.2.2 歲水地下水系統(tǒng)

        由圖2b可知,歲水地下水系統(tǒng)中地下水的F-濃度與Ca2+濃度呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系,該系統(tǒng)地下水的TDS為2~580 mg/L,平均73.5 mg/L,屬低礦化度地下水,同樣表明巖石中的CaF2處于溶解狀態(tài)。

        3.2.3 澗水地下水系統(tǒng)

        圖2c表明,澗水地下水系統(tǒng)中地下水F-濃度與Ca2+濃度呈正相關(guān)關(guān)系,相關(guān)方程為y=0.002 9x + 0.047 4,相關(guān)系數(shù)R2=0.795 5(R=0.89)。表明F-濃度與Ca2+關(guān)系密切。

        3.2.4 武術(shù)河地下水系統(tǒng)

        由圖2d可知,武術(shù)河地下水系統(tǒng)中地下水F-濃度隨Ca2+濃度升高而增高,相關(guān)方程為y=0.005 9x+0.014 9,相關(guān)系數(shù)R2=0.850 2(R=0.92)。

        圖2 地下水中F-濃度與Ca2+相關(guān)關(guān)系圖

        綜上所述,地下水中的F-濃度與Ca2+濃度呈正相關(guān)關(guān)系,在低礦化度地下水地區(qū)巖石中的CaF2處于溶解狀態(tài)。

        3.3 F-濃度與HCO3-關(guān)系

        3.3.1 瀲江地下水系統(tǒng)

        從圖3a得知,瀲江地下水系統(tǒng)中地下水F-濃度與HCO3-濃度呈正相關(guān)關(guān)系,由于地下水中的陰離子主要為HCO3-(濃度6.10~67.12 mg/L),地下水具有較大對(duì)陰離子溶解的空間,CaF2處于溶解狀態(tài)。這是基巖山區(qū)地下水F-濃度與HCO3-的關(guān)系特征。F-濃度與HCO3-濃度相關(guān)方程為y=0.004 1x+0.022,R2=0.728 8。

        3.3.2 歲水地下水系統(tǒng)

        由圖3b可知,歲水地下水系統(tǒng)中地下水的HCO3-濃度為1~244.41 mg/L,平均值為36.23 mg/L,處于較低水平。F-濃度與HCO3-濃度的相關(guān)方程為y=0.002 4x + 0.040 2,相關(guān)系數(shù)R2=0.848 4(R=0.92)。

        3.3.3 澗水地下水系統(tǒng)

        由圖3c可知,澗水地下水系統(tǒng)中地下水F-濃度隨著HCO3-濃度的升高而增高,其相關(guān)方程為y=0.003 2x+0.032 7,R2=0.755 7。

        3.3.4 武術(shù)河地下水系統(tǒng)

        由圖3d可知,武術(shù)河地下水系統(tǒng)中地下水F-濃度與HCO3-濃度同樣呈正相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)R2=0.899 5,(R=0.95)。表明F-濃度與HCO3-濃度關(guān)系密切。

        以上四個(gè)地下水系統(tǒng)地下水中F-與HCO3-呈正相關(guān)關(guān)系特征。根據(jù)螢石和碳酸鈣礦物的溶解-沉淀平衡關(guān)系:

        CaF2Ca2++2F-KCaF2=10-9.8

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

        碳酸鈣溶解生成Ca2+和HCO3-,另外,隨著FCa2溶解,水中Ca2+和F-濃度增高,CaCO3、FCa2的雙重溶解使水中F-濃度與HCO3-濃度呈正相關(guān)關(guān)系,這也是低礦化度地區(qū)地下水特點(diǎn)。

        圖3 地下水中F-濃度與HCO3-相關(guān)關(guān)系圖

        3.4 F-濃度與pH關(guān)系

        前人研究結(jié)果表明,高氟水主要集中在pH值為7.3~9.0范圍內(nèi)[7],微堿環(huán)境碳酸鹽地區(qū)的含氟礦物更容易溶解,導(dǎo)致水中氟濃度偏高[17]。本研究區(qū)地下水多為弱酸性(pH平均值為6.3~ 6.7),其水中F-濃度與pH關(guān)系如下。

        3.4.1 瀲江地下水系統(tǒng)

        圖4a反映了地下水中F-濃度與pH相關(guān)關(guān)系,其特征是瀲江地下水系統(tǒng)中地下水F-濃度與pH呈正相關(guān)關(guān)系。本區(qū)酸性地下水分布普遍,當(dāng)?shù)叵滤蠬+濃度降低時(shí),有利于巖石中含氟礦物的溶解,使地下水中F-濃度增高;低pH值地下水不利于含氟礦物溶解,導(dǎo)致水中F-濃度較低。

        3.4.2 歲水地下水系統(tǒng)

        由圖4b可知,歲水地下水系統(tǒng)中地下水F-濃度隨著pH的升高而增高,相關(guān)方程為y=0.164 7x-0.906 1,R2=0.782 3(R=0.88)。

        3.4.3 澗水地下水系統(tǒng)

        圖4c中澗水地下水系統(tǒng)地下水中F-與pH相關(guān)方程為y=0.148 1x-0.826 1,R2=0.763 3,F(xiàn)-濃度與pH呈正相關(guān)關(guān)系。

        3.4.4 武術(shù)河地下水系統(tǒng)

        武術(shù)河地下水系統(tǒng)地下水pH值為5.85~7.42,F(xiàn)-濃度與pH亦呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。

        綜上所述,在以上四個(gè)地下水系統(tǒng)中地下水中的F-濃度與pH均呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系,與張春潮,王文科等高氟水主要在堿性水中,Saxena V K含氟礦物在弱堿環(huán)境易于溶解的認(rèn)識(shí)相一致。

        圖4 地下水中F-濃度與pH相關(guān)關(guān)系圖

        3.5 氟異常與氟成因分析

        3.5.1 氟異常特征

        樣品中F-濃度最高值為11.9 mg/L,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查情況,該F-異常點(diǎn)可能與當(dāng)?shù)匚炇V開采有關(guān)。另有7個(gè)地下水點(diǎn)樣品中F-濃度大于1 mg/L,14個(gè)介于0.5~1 mg/L之間,其余95%樣品中F-濃度均小于0.5 mg/L,表明研究區(qū)地下水中F-濃度一般小于0.5 mg/L,為低氟地下水,不存在地下水中氟污染問題。

        3.5.2 氟成因分析

        根據(jù)前人對(duì)研究區(qū)1:5萬地質(zhì)調(diào)查結(jié)果及本次水文地質(zhì)調(diào)查情況,對(duì)地下水中氟的成因取得了以下主要認(rèn)識(shí):

        (1)含氟礦物的溶解是地下水中F-的主要來源。據(jù)1:5萬均村幅、高興幅地質(zhì)調(diào)查,研究區(qū)花崗巖多為酸性侵入巖,各巖體單元中氟含量在0.044%~0.216%[15,16],當(dāng)?shù)叵滤鹘?jīng)這些花崗巖時(shí),巖石中的含氟礦物即被溶解進(jìn)入地下水中,導(dǎo)致地下水中具有一定的F-含量。

        (2)地下水動(dòng)力條件決定了水中氟含量低的特征。研究區(qū)以低山、丘陵地貌為主,基巖裂隙發(fā)育,降水入滲補(bǔ)給條件好,水力坡度較大,地下水交替較強(qiáng)烈,地下水在流動(dòng)過程中與礦物(含氟礦物)作用時(shí)間較短,使水中F-難以富集,造成氟濃度普遍不高。

        (3)地下水的酸性或弱酸性特征是導(dǎo)致地下水中F-濃度偏低的重要因素。研究區(qū)地下水以弱酸性為主,不利于含氟含鈣礦物的溶解。這與孫一博,王文科等研究結(jié)果高氟水具有偏堿性的特征相一致[10]。

        4 結(jié)語

        通過對(duì)江西興國均村-高興地區(qū)氟水文地球化學(xué)研究,得到以下結(jié)論:

        (1)各地下水系統(tǒng)地下水中的F-濃度與水的pH值,TDS,Ca2+及HCO3-濃度均呈正相關(guān)關(guān)系,這一特征是由于低礦化度地下水地區(qū)巖石中的含氟礦物及其它礦物都處于溶解狀態(tài)的結(jié)果。

        (2)地下水中的氟異常僅在局部地下水中發(fā)現(xiàn),對(duì)地下水未造成氟污染。

        (3)含氟礦物的溶解是地下水中F-的主要來源,較強(qiáng)烈的地下水交替條件及地下水弱酸性特征是造成地下水中F-濃度低的重要原因。

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