河套平原臨河區(qū)高砷地下水的分布及水化學(xué)特征

河套平原臨河區(qū)高砷地下水的分布及水化學(xué)特征

在中國(guó)，尤其是中國(guó)北方，大多數(shù)農(nóng)民以地下水為主要水源。高砷地下水是威脅地區(qū)居民身體健康的重大環(huán)境地質(zhì)問題之一。為了進(jìn)一步查明內(nèi)蒙古河套平原高砷地下水的分布以及水化學(xué)和環(huán)境地質(zhì)特征,為地下水的開發(fā)利用和防砷改水提供依據(jù),2006年在河套平原西部的臨河區(qū)開展了以防砷改水為主要目的的地下水水質(zhì)調(diào)查工作。本文以本次調(diào)查的資料為基礎(chǔ),通過分析研究,對(duì)河套平原西部臨河區(qū)高砷地下水的分布及水化學(xué)特征作簡(jiǎn)要論述,這將對(duì)整個(gè)河套平原高砷地下水形成機(jī)理的研究以及防砷改水工作的開展具有重要的意義。1研究領(lǐng)域的總結(jié)1.1氣候條件特征臨河區(qū)地處河套平原的中西部,南臨黃河,北靠陰山,地理坐標(biāo)為107°06′～107°44′E,40°31′～41°17′N(圖1)。南北長(zhǎng)約64km,東西寬約36km,總面積2254km2。該區(qū)屬于溫帶大陸性干旱半干旱氣候,降水稀少,蒸發(fā)強(qiáng)烈,干燥多風(fēng),日照時(shí)間長(zhǎng)是其主要的氣候特征。年降水量130～220mm,年蒸發(fā)量1900～2500mm,年平均氣溫6.2～7.9℃,平均相對(duì)濕度40%～50%。1.2沉積體系及沉積特征調(diào)查區(qū)地勢(shì)較平坦,海拔1027～1046m,總體呈現(xiàn)自西南向東北微傾斜,平均坡降1/3000～1/5000,區(qū)內(nèi)分布有較多的牛軛湖、條形洼地和殘留湖沼等黃河古道遺跡,個(gè)別地段有風(fēng)成沙丘分布。河套平原在構(gòu)造上屬于華北臺(tái)地鄂爾多斯臺(tái)向斜的一部分,為一形成于侏羅晚期的斷陷盆地。沉積了巨厚的中新生代地層。據(jù)原地質(zhì)部航空物探大隊(duì)資料和第三石油普查勘探大隊(duì)資料,盆地東南部的沉積厚度為3000～5000m,西北部達(dá)7000～8000m。據(jù)內(nèi)蒙古水文地質(zhì)隊(duì),河套盆地構(gòu)造封閉,長(zhǎng)期下沉,自侏羅紀(jì)末期以來(lái),形成了以湖相為主的細(xì)粒碎屑沉積物。新近、古近紀(jì)沉積了2000m厚的紅色砂頁(yè)巖地層,并有石膏和巖鹽夾層。第四紀(jì)沉積厚度200～1500m,西北部是盆地的沉降中心地帶。山前沉積厚度為20～50m。在更新世,河套盆地基本上為湖水所占據(jù),沉積了巨厚的湖相地層,直達(dá)山前。早更新世(Q1)沉積了淤泥質(zhì)土與粉砂細(xì)砂互層的湖相沉積物。中更新世(Q2)沉積了一套具有細(xì)微薄層理的粘土質(zhì)為主的沉積物,富含有機(jī)質(zhì)和石灰質(zhì),局部有泥炭層,地層含鹽量高。晚更新世初期(Q31)湖水面積縮小,沉積了灰色細(xì)砂、粉砂,夾粘土層,含鹽量較高。晚更新世末(Q32)至全新世初斯(Q41),湖水漸退,黃河形成,盆地內(nèi)殘留形狀各異大小不等的湖泊、濕地,形成以河流相為主的沉積物,局部地區(qū)沖-湖積物亦較發(fā)育。全新世后期,由于氣候干燥多風(fēng),水分蒸發(fā),鹽分濃縮,在表層水土中聚集了較高的鹽分。河套盆地的古地理及其沉積環(huán)境對(duì)該區(qū)的水文地質(zhì)及水化學(xué)有重要影響。據(jù)一系列的資料分析,本區(qū)Q1～Q2沉積厚度達(dá)200～600m。含水層不發(fā)育,且含鹽量高。Q32～Q4含水層厚度較大,水量較豐富,許多地段水質(zhì)較好,是該區(qū)主要的供水目的層。但是,因環(huán)境地質(zhì)條件復(fù)雜,水量水質(zhì)變化大,給水資源勘查、開采工作造成較大的困難。2實(shí)地調(diào)查和內(nèi)部分析2.1水化學(xué)調(diào)查井深度野外調(diào)查的主要對(duì)象是當(dāng)?shù)鼐用竦娘嬎?在平面上取樣點(diǎn)基本上按照網(wǎng)格狀布設(shè),一般調(diào)查區(qū)每隔3～4km或更大一點(diǎn)的間距取一個(gè)樣,高砷區(qū)加密到1～2km取一個(gè)樣,調(diào)查井的深度一般在15～25m,調(diào)查項(xiàng)目包括水井的位置(用GPS測(cè)定經(jīng)緯度)、使用者、用途、設(shè)置年月、井的結(jié)構(gòu)、深度、水位、水溫、pH、電導(dǎo)率(EC)、氧化還原電位(ORP),同時(shí)采集水化學(xué)分析樣品188組。pH、電導(dǎo)率、氧化還原電位分別用日本株式會(huì)社東興化學(xué)研究所制造的RKCDP-300·TOA,HM-12P·TOA,ECCM-14P·TRX-90在實(shí)地進(jìn)行測(cè)定。2.2分析方法及結(jié)果采取的水質(zhì)樣品當(dāng)天送到當(dāng)?shù)氐乃茖W(xué)研究所,在24h之內(nèi)對(duì)K++Na+、Ca2+、Mg2+、CO32-、HCO3-、Cl-、F-、SO42-、NO2-、NO3-、Cr6+、P、Fe、As、溶解性總固體、總硬度、總堿度等進(jìn)行分析,其中As含量用二乙基二硫代氨基甲酸銀分光光度法測(cè)定(GB7485-87),其它組分也均依據(jù)有關(guān)水質(zhì)分析的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了測(cè)定。為了及時(shí)掌握高砷地下水的分布狀況,在采集地下水水樣的過程中,在實(shí)地用中國(guó)疾病預(yù)防控制中心生產(chǎn)的試劑盒,對(duì)地下水的砷含量進(jìn)行了半定量的測(cè)定,這對(duì)于及時(shí)掌握高砷地下水的分布起到了良好的作用,該方法測(cè)試的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)室的分析結(jié)果趨勢(shì)一致,測(cè)定的值也都在誤差允許的范圍之內(nèi)(表1)。通過水質(zhì)分析結(jié)果,選定了19個(gè)As含量超標(biāo)的樣品,一周后在北京對(duì)As(Ⅲ)、As(Ⅴ)、二甲基砷(DMA)、一甲基砷(MMA)進(jìn)行了分析,分析方法如下:檢測(cè)儀器:先用液相色譜分離,然后用原子熒光檢測(cè)器進(jìn)行檢測(cè)。光電倍增管負(fù)高壓(V):270燈電流(mA):總電流100,輔電流50載氣流量(mL/min):400屏蔽氣流量(mL/min):600表2為空白加標(biāo)回收率,是指在沒有被測(cè)物質(zhì)的空白樣品基質(zhì)中加入定量的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì),按樣品的處理步驟分析,得到的結(jié)果與理論值的比值即為空白加標(biāo)回收率。從表2可以看出As(Ⅲ)、As(Ⅴ)、二甲基砷(DMA)、一甲基砷(MMA)空白加標(biāo)回收率均在誤差允許的范圍之內(nèi)。原則上,As(Ⅲ)、As(Ⅴ)、二甲基砷(DMA)、甲基砷(MMA)之和與最初(取樣當(dāng)天)分析出的總砷含量相等,但是從上述分析結(jié)果看,As(Ⅲ)、二甲基砷(DMA)、甲基砷(MMA)均未檢出,僅檢出了As(Ⅴ)。在分析的19個(gè)樣品中,As(Ⅴ)/As×100%最大為97%,最小的僅為12%,表3中的TFe一覽數(shù)字為取樣當(dāng)天分析出的總鐵含量,As(Ⅴ)/As與TFe的關(guān)系見圖2。從表3和圖2可以看出,鐵含量低的樣品,As(Ⅴ)的檢出率高,As(Ⅴ)/As比率就高;鐵含量高的樣品,As(Ⅴ)的檢出率低,As(Ⅴ)/As比率就低。據(jù)有關(guān)文獻(xiàn),在內(nèi)蒙古砷中毒病區(qū)的地下水中均存在相當(dāng)數(shù)量的As(Ⅲ)和一定數(shù)量的二甲基砷(DMA)、甲基砷(MMA),而本次分析的樣品中上述三項(xiàng)指標(biāo)均未檢出,認(rèn)為主要有以下三個(gè)原因:(1)如果存在DMA、MMA,在地表隨著時(shí)間的延長(zhǎng)也已轉(zhuǎn)化成無(wú)機(jī)砷或揮發(fā)掉;(2)現(xiàn)場(chǎng)未加防止三價(jià)砷氧化的任何藥品,如果存在三價(jià)砷也可能已全部轉(zhuǎn)化為五價(jià)砷,因?yàn)樵陂_放的氧化環(huán)境和堿性水溶液中三價(jià)砷極不穩(wěn)定;(3)由于溶液中的二價(jià)鐵在氧化沉淀過程中吸附了大量的砷而沉淀,從而檢出的As(Ⅴ)的含量低,As(Ⅴ)/As的比率與最初分析出的總鐵含量成很好的負(fù)相關(guān)關(guān)系(圖2)。這種現(xiàn)象在野外的調(diào)查過程中已被證實(shí)。圖3為同一個(gè)樣品不同時(shí)間測(cè)定的砷含量變化,表明隨著沉淀物的析出,砷含量降低,但是將沉淀物攪拌開后,砷含量又與當(dāng)日測(cè)定的結(jié)果相同。這一現(xiàn)象與眾多文獻(xiàn)中所論述的鐵與砷在氧化環(huán)境中吸著沉淀,在還原環(huán)境中溶解釋放的結(jié)論是一致的。同時(shí)這一現(xiàn)象也揭示了,鐵對(duì)于除去地下水中的砷具有積極的作用。3地下水的水質(zhì)、電導(dǎo)率、鐵、鐵含量在全區(qū)170多件水質(zhì)分析樣品中,超標(biāo)較嚴(yán)重的組分有總硬度、SO42-、Cl-、Fe、NO2-、F-、As等,各項(xiàng)組分在全區(qū)、高砷區(qū)(地下水的砷含量超出0.05mg/L的地區(qū))和非高砷區(qū)的超標(biāo)率分別見表4。從表中可以看出,高砷區(qū)地下水中的總硬度、SO42-、NO2-的超標(biāo)率均低于全區(qū)和非高砷區(qū),而Cl-、Fe、F-超標(biāo)率均高于全區(qū)和非高砷區(qū)。通過Piper三線圖的分析得知(圖4),調(diào)查區(qū)地下水的化學(xué)特征表現(xiàn)為堿土金屬非重碳酸型和堿金屬非重碳酸型水(圖4的Ⅰ、Ⅳ區(qū))為主,在這兩個(gè)區(qū)域雖然都有高砷水的存在,但是從全區(qū)來(lái)看高砷水主要分布在堿金屬重碳酸型水和堿金屬非重碳酸型水(圖4的Ⅲ、Ⅳ區(qū))中。調(diào)查區(qū)地下水的水溫為11～16.3℃。圖5為地下水的砷含量與pH、ORP、EC和深度的關(guān)系,從圖中可以看出砷含量大于0.1mg/L的點(diǎn),其pH值幾乎均在8～9之間;砷含量大于0.05mg/L的點(diǎn),ORP顯示了均為負(fù)值的還原環(huán)境,其值在-60～-150之間,這與眾多學(xué)者的調(diào)查結(jié)果是一致的;本次調(diào)查取樣點(diǎn)(井)的深度在5～35m之間,砷含量大于0.1mg/L的點(diǎn),其深度主要集中在20～30m之間;地下水的電導(dǎo)率(EC)最大為20ms/cm、最小為0.53ms/cm,從圖5中看不出砷含量與電導(dǎo)率存在什么關(guān)系;圖6為地下水的砷含量與P、Fe、Cl-和總硬度的關(guān)系,從圖中可以看出地下水的總磷(P)含量與砷含量有一定的相關(guān)關(guān)系;本區(qū)的鐵含量普遍較高,全區(qū)鐵超標(biāo)率達(dá)67.9%,非高砷地區(qū)的超標(biāo)率為58%,從全區(qū)看地下水中的鐵含量與砷含量不存在相關(guān)關(guān)系,但是在高砷區(qū)鐵與砷有一定的相關(guān)關(guān)系(圖5),地下水的砷超標(biāo)區(qū)同時(shí)也是鐵超標(biāo)區(qū),鐵的超標(biāo)率達(dá)到91.3%。從圖6中以可以看出,砷含量與Cl-以及總硬度的關(guān)系不明顯。上述特征進(jìn)一步說明了砷的聚集、溶出與鐵和磷有很大的關(guān)系,這也與已知的幾種高砷地下水形成機(jī)理的假說,如:黃鐵礦氧化說、氧化鐵、氫氧化鐵還原說及磷酸置換說相互印證。4調(diào)查區(qū)地下水的分布、特征通過對(duì)全區(qū)地下水水質(zhì)檢測(cè)結(jié)果的分析,得出高砷地下水的分布范圍(圖7)。高砷地下水主要分布在調(diào)查區(qū)的西北部,即份子地以北和以西,五星、狼山農(nóng)場(chǎng)、狼山鎮(zhèn)、白腦包以及建設(shè)一帶,在區(qū)域上屬于河套平原的沉積中心地帶,局部呈小片狀分布,短距離內(nèi)地下水中的砷含量變化較大,與地下水中的鐵含量分布圖有相似的特征(圖8)。地下水Cl-、SO42-、F-含量分布分別見圖9～11。5地下水中砷含量分布情況調(diào)查的基本調(diào)查(1)通過野外調(diào)查和水質(zhì)分析,查明了河套平原臨河區(qū)深度在30m以內(nèi)地下水的砷含量分布及水化學(xué)特征。同時(shí)也查明了地下水中的一些主要化學(xué)組分(總硬度、SO42-、Cl-、Fe、NO2-、F-等)在平面上的分布狀況。(2)河套平原臨河區(qū)深度在30m以內(nèi)的高砷地下水主要分布在平原的北部和西北部,在區(qū)域地質(zhì)上,屬于河套平原的沉積中心地帶,局部呈小片狀分布,短距離內(nèi)地下水中的砷含量變化較大。(3)地下水的化學(xué)特征表現(xiàn)為堿土金屬非重碳酸型和堿金屬非重碳酸型水為主,在這兩種類型的地下水中雖然都有高砷水的存在,但是從全區(qū)來(lái)看高砷水主要分布在堿金屬重碳酸型水和堿金屬非重碳酸型水中。調(diào)查區(qū)內(nèi)超標(biāo)較嚴(yán)重的組分有總硬度(超標(biāo)率43.6%)、SO42(超標(biāo)率41%)、Cl-(超標(biāo)率42.3%)、Fe(超標(biāo)率67.9%)、NO2-(超標(biāo)率5.1%)、F-(超標(biāo)率16.7%)、As(超標(biāo)率28.2%)。(4)從各組分之間的相關(guān)性分析得知,在高砷區(qū)地下水中的砷含量與總鐵、總磷和氧化還原電位的關(guān)系較為明顯,其中地下水的高砷分