地下水高氟环境区研究及整治

作者简介:崔伟,男,讲师,19年毕业于中国地质大学水文系,获学士学位.主要从事水文地质与工程地质的教学工作.

　文章编号:167223961(2003)022*******

地下水高氟环境区研究及整治

崔　伟1

,刘　刚2

,田　丰3

,蔡建军

4

(11山东大学　土建与水利学院,山东　济南　250061;21山东岩土工程勘察总公司,　山东　济南　250061;

31甘肃省科学技术委员会,　甘肃　兰州,730000;41山东省交通工程总公司,山东　济南　250021)

摘要:利用化学场分析高氟区地下水,给出方法的原理并对实例进行分析,在此基础上提出整治措施,改善水质.关键词:地下水;氟;环境工程

中图分类号:T U42　　　文献标识码:A

R esearch and treatment of high fluoride area of groundw ater

C UI Wei 1

,LI U G ang 2

,TI AN Feng 3

,C AI Jian 2jun

4

(11School of Civil.Eng.,Shandong Univ.,Jinan 250061,China ;

21R ock &S oil Eng.Exploration G eneral C orporation of Shandong ,Jinan 250014,China ;

31Science &T echnology C ommission of G ansu ,Lanzhou 73000,China ;41Shandong Highway &Bridge C onstruction C orporation ,Jinan 250021,China )

Abstract :A method of analyzing high fluoride area of groundwater with chemical ground was put forward.The mechanism of the method and s ome sam ples were analyzed.Based upon this analysis ,the treatment method was presented.

K ey w ords :ground water ;fluorine ;environmental engineering

0　前言

氟是维持机体正常生命活动所必需的微量元素,氟的摄入是通过饮食、呼吸、饮水三个主要途径进入人体的,此外,也可通过含氟药物、烟尘、酒和茶等进入体内.一般来说,对饮水中的氟吸收率最高可达90%,其次是食物中的氟吸收率约20%.氟的过量摄入可导致氟中毒,国内外大量调查资料证实,饮水含氟量高是地方性氟中毒的主要原因.氟广布于自然界中,地壳岩土中的含氟矿物就在百种以上,绝

对不含氟的岩土是很少见的.然而并未因此到处都

是高氟地下水,由此可见,适于氟富集的介质环境条件即水化学场就成为地下水高氟环境区形成的根本原因之一.在有氟富集的前提下,必然随地下水的运移而影响其下游,使这一带地下水的含氟量偏高.

综上所述,高氟环境区是一个能够反映其形成机理过程的完整体系,包括物质来源、形成条件和特征等.而地下水作为主要水源,对其含氟量进行研究是十分必要的.本文就是针对地下水含氟量高的地区(地下水高氟环境区)进行了研究并在此基础上提出整治措施.

第33卷　第2期2003年　4月　　　　　　山　东　大　学　学　报　(工　学　版)

JOURNA L OF SH ANDONG UNIVERSITY (E NGINEERING SCIE NCE )

V ol.33　N o.2　Apr.2003

1　环境区实例剖析

1.1　蔡站环境区1.1.1　概况

　　蔡站地处山东省高密市西部,包括昌邑的东南部和平度的西南部,面积2×109

m 2

,这里重点阐述环境区的中段.蔡站地区居于中生界胶莱盆地西部,地形上呈南北向盆地.南端临近上侏罗系碎屑岩组成的丘陵区;东部南端和西部分别为白垩系碎屑岩和岩浆岩、火山碎屑岩组成的北倾垅岗;北及东北部为冲积平原.谷地内五龙河、柳沟河自南向北贯通并于北部汇入胶莱河;蔡站地区西临峡山水库.谷地和平原区分布着厚10～20m 的第四系松散岩类,其下均为白垩系碎屑岩,砂及沙砾石层为本地区主要含水层.西部垅岗及坡麓地带还广泛分布有基岩风化裂隙含水层,两含水层于坡前衔接贯通,地下水流向有南西向北东然后折向北西,见图

1.

图1　高密县蔡站地区水文地质调查剖面布置图

Fig.1　Profile distribution of hydrogeology research

in Caizhan G aomi

蔡站地区的含氟水文地质调查,主要是沿控制剖面进行,根据环境区特点,沿地下水流向设纵剖面

两条,均西起峡山水库,东达环境区界,沿线调查点

间距500m.横剖面大致呈南北向,共两条,相距4000m 左右,沿线调查点间距1000～2000m.另外布

设了大致为东西向的两条辅助剖面,沿线调查点间距1000m.区内没有可供利用的深部含水层,水位埋藏浅,人工露头稠密.1.1.2　化学场和环境区分带

蔡站地区是由铝硅酸盐类岩石组成的分水岭,岩石含氟量介于465～580PPM ,易溶氟含量在10～19PPM 之间,是环境区广谱水化学场的发端和地下

水氟的供源地.发端场片是Z 1,沿地下水流向呈现为碱化,当碱化程度达到最强后,便趋中转化而变为酸化,详见图2.由此可见,这是个比较典型的迳流富集型地下水高氟环境区,其上边界为发端的酸尾场片(Z 1)也就是西部的分水岭地带.下边界为中场片(Z 3和Z 2)的酸化界,在该环境区中段恰好是地下水的汇流线,参见图

2.

图2　蔡站环境区中段水化学场图Fig.2　Chemic field of water in center Caizhan

环境区带列与水化学场的场片组合相对应后,环境区带列和对应的场片排布以及各带特征列于表1.

　202　

山　东　大　学　学　报　(工　学　版)第33卷　

表1　片带特征表

T ab.1　Characters of different regions

主要特征

Z 1淋溶带

Z 2+3水解带

Z 4

富集带

波及带

Z 3+2

F

-

1.04 1.84 5.99 3.38PH

7.497.627.787.62钙、氟当量比

120.7257.1.3330.39总碱、总硬之差与氟当量比-66.09

-16.40

4.31

-11.83

地貌单元部位

垅岗残丘

坡麓

坡前平原

平原

地面坡降Π

(‰)—

5.97

0.18

0.17

1.2　安边环境区1.

2.1　概况

安边环境区位于黄土高原的西北部陕西省定边县境内,地处黄土高原的西北部,为内陆干旱风沙滩地,地形上呈现为四周高中间低,因而地表水、地下水均向低洼地带汇集.环境区东南部高起地带,下白垩志丹统地层零星出露,其余均为第四系松散岩类.西及西北部标高1400m ,已构成当地分水岭,见图

3.

图3　安边环境区场片布置图Fig.3　Field distribution in Anbian

1.2.2　化学场与环境区分带

由于下白垩志丹统地层富含石膏等可熔岩类矿物,使水化学场于地势较高尤其是分水岭地带始于碱尾场片(Z 4),利于氟的富集,因此富集带大致与下白垩志丹统地层的零星出露带吻合.由此沿地下水的流向,水化学场呈现为酸化,氟的活性得以发挥而运移散失.由此可见,安边地下水高氟环境区属溶滤型,其水化学场由Z 4,Z 3,Z 2等三个场片构成,环境区只具有淋滤富集和波及两个带.淋滤富集带的含氟量均值3mg ΠL ,极值达10mg ΠL ,波及带的含氟量多不足1mg ΠL.1.3　桓台环境区

1.3.1　概况

桓台环境区地域涉及到淄博市张店区和桓台县,总面积115×109

m 2

.这里阐述的是环境区的北半部,地处泰沂山北麓山前平原,地势南高北低,但坡降很小,地面标高介于10～30m 之间.新生界松散岩类发育,自南向北增厚,一般都在200m 以上.河流都是自南向北纵贯,北部低洼地带还有麻大、锦秋和青纱等湖.地下水流向自南向北,但迳流迟缓.全县43万人口中就有38万人饮用含氟量超过1mg ΠL 的地下水,“乌河两岸,黄牙黑汉”在当地广为

流传.

1.3.2　化学场的演化与环境区的形成

图4是桓台地下水高氟环境区北半部的1961年和1980年的水化学场排布图.从图上可以看出,1961年时的场片自南而北(即沿地下水流向)呈

Z 2+3+2,Z 1,Z 2+3排布,也就是说,水化学场的演化虽

然经过了碱化转换为酸化,然后又趋碱化的历程,但一直没有碱尾场片(Z 4),说明水化学场的碱化程度

较弱,对氟的富集不利,仅局部水氟含量稍高,环境区还没有完全形成.但到1980年,情况就大不一样了,最突出的是索镇～新城一线碱尾场片(Z 4)的形成和出现,为氟的富集创造了条件,使桓台地下水高氟环境区得以最终形成.1.3.3　形成原因分析

桓台地下水高氟环境区在1961年前的漫长地质历史时期里自然因素并未促成,而在其后的不足20年时间里,不仅形成了而且还具有规模较大的富

集带,这与桓台县所处位置有很大关系.

淄博市地处桓台县以南,为地下水的上游,是山东省较早的煤炭产区,又是工业基地,仅张店南定一

　第2期崔　伟,等:地下水高氟环境区研究及整治

203　　

Fig.4　Diachronic ev olvement about chemic field

of water in north Huantai

带就有工矿企业40多家,其中炼铝厂大小各一家,还有氢氟酸厂等,氟的污染比较严重.大铝厂光是赤泥、煤渣的排放量就达6×105tΠy,废气中烟尘氟的排放量也在718tΠy以上,烟尘回落使当地土壤含氟量升高,见图5.淋滤溶解导致当地地表水的含氟量增加,并呈现出丰水期高于枯水期的特点(地表水、地下水的含氟量丰水期比枯水期平均高出0.25mgΠL和0.1mgΠL),而在淄博市内的水化学场仅具有Z1,Z2,Z3场片,有利于氟的运移.随着索镇～新城一线Z

4场片的形成便有了氟的富集带,显然,桓台地下水高氟环境区是自然迳流富集和人为的固态污染两种作用复合的结果,属于复合型.

2　地下水化学场与高氟环境区

通过对以上三处的研究,将地下水高氟环境区进行了新的分类并首次采用水化学场的方法对其演化、带列、形成因素进行了系统的分析.

普通表示地下水化学成分的方法是将所有的离子都写出来,但这样表示既复杂又很零乱,同时特征也不明显,因此我们引进了水化学场的概念并将其定义为适宜某种离子富集的介质环境条件为水化学场(正常用“Z”表示,特殊用“T”表示),然后根据不同的类型、不同的化学特征使用不同上、下标的方法对其进行标注,这样就使得地下水化学成分的表示既简单明了又特点突出,使进一步研究既省时又省力,为预测和提出防治措施打下了良好的基础

.

图5　土壤含氟量与污染源距离关系曲线图

Fig.5　Relationship between F L content of s oil

and distance of containation

2.1　地下水高氟环境区场片与带

2.1.1　场片

所谓的地下水高氟环境区场片就是将高氟区地下水由酸性到碱性依次分为四个部分,划分依据按照下列公式给定的系数(α或β):

α(β)=b-A

d-C

式中:A,C..................分别为碱土、碱金属主要阳离子浓度(mgΠL)

b,d..................分别为弱酸、无氧强酸主要阳离子浓度(mgΠL)

场片系数基本数值级有4个,即:>-1、<-1、<1、>1.考虑到主离子“趋中伴存”后剩余离子的组合比例关系,上述4个基本数值级分为正常和特殊两个系列,分别用“α”和“β”表示[1].其对应关系见下表:

　204

　山　东　大　学　学　报　(工　学　版)第33卷　

表2　场片系数表

T ab.2　C oefficients of different fields

系列场片

名称

场片系数

代号基本数值级代号

剩余离子组合比例关系

(绝对值)

正常

酸尾Z1<-1α1bC 酸近中Z2>1α2b-1α4b>A小于d特殊

余碱尾T1<-1β1b>A大于d1β2b>A大于d>C 余酸近中T3<1β3b>A小于d>C 余酸尾T4>-1β4bC

2.1.2　带列及其特征

地下水高氟环境区的带是根据水化学场的场片划分的,因此具有一定的区域规模,同时也是比较稳定的.环境区所拥有的带沿地下水流向按一定序次的排列称为带列,它反映出环境区形成的阶段性和连续性.

同水化学场的场片对应,不同类型的环境区具有不同的带列.而在任何类型的环境区带列中,带的排列同场片一样有着固定的序次,这个序次是不可间断的,也就是说,绝不会在一个完整的带列中出现任何一个带的缺失,但可以出现混合带.[2]

2.2　地下水高氟环境区的类型

地下水高氟环境区的分类是对其研究的深化,应以科学地反映环境区形成的机理和特征为宗旨,重要的是剖析其形成的原因和内在联系以及由此而导出的规律和特点,据此,我们试着将地下水高氟环境区分为溶滤型、迳流富集型、扩散型、污染型和复合型五种类型,详述如下:

2.2.1　溶滤型(R)

氟赋存于岩土中,因溶滤转化而就地引起地下水含氟量升高.显然,此类的主要特点是:A1地下水高氟范围与固态供氟源———富氟岩土的分布地域大致吻合;B1富集范围内地下水的含氟量各处较均一;C1富集范围内地下水含氟量的高低主要取决于岩土的含氟量,尤其是易溶氟含量.氟的溶滤转化和富集是水化学场碱化程度强的结果,而对下游地带的扩散影响,是因场性酸化的缘故.因此,这种类型的环境区多分布于内陆干旱尤其是富氟可溶盐类分布区.我国陕西定边、宁夏盐池等地区的地下水高氟环境区多为此种类型.[3]2.2.2　迳流富集型(J

)

图6　高密县蔡站环境区富集带变迁示意图

Fig.6　T rans formation of F L centralize district

in Caizhan G aomi

　　在淋滤作用下,氟从固态介质岩土向地下水中转化,在随水运移途中,当地下水碱化程度增强时发生富集,其后因酸化程度的渐强而消减.环境区的形成主控于介质化学场,其主要特点是:氟的淋溶转化和运移、集散于水化学场的场性及其演化密切相关;富集地带远离供氟源,而且一定是水化学场碱化程度相对最强的部位,在一个完整的环境区内,沿地下

　第2期崔　伟,等:地下水高氟环境区研究及整治205

　　水流向氟含量呈现为低→高→低的变化规律.

2.2.3　扩散型(K)

它是富氟天然水通过对附近地下水补给、混合而形成的,其主要特点是:富氟天然水的碱化程度相对最高,混合后沿地下水流向水化学场呈酸化的区域;同态介质间氟的扩散,沿地下水的流向,氟含量逐渐降低.此种类型环境区多出现于富氟地下水的露头或暗泉附近,大都与地质构造有关,分布地域较广,为数不多,一般限于富氟温泉附近.

2.2.4　污染型(W)

一是富氟废污水(包括矿坑水)补给并与地下水混合而形成的,它的特点除供氟源是人类活动造成和化学场性不定外,均与扩散型(K)一样;二是富氟固体废弃物(包括粉尘)经溶滤或淋滤运移而于地下水碱化程度增强地带富集形成的,其特点除供氟源不同外,与溶滤型(R)或迳流富集型(J)大致相仿.

表3　水质分析表

T ab.3　Analysis of water guality

水样编号S80S8008

采样期枯水期丰水期

插值(丰-枯)

离子含量(mgΠL)

F2 3.50 2.80-0.70 Ca2+48.2053.71 5.5 Mg2+58.4957.76-0.73 K++Na+229.80197.40-32.40 HC O32568.844.36-79.84 Cl2193.05222.2929.24 S O422110.2398.46-11.77 NO327.20 1.20-6.00

总硬度(德国度)25.9322.48-3.45

总碱度(德国度)20.2320.840.60

固形物Π(gΠL)0.9610.903-0.058

2.2.5　复合型(F)

它既可以是两种或以上不同类型环境区的重迭又可以是它们复合的产物,一般是污染型(W)和迳流富集型(J)的重迭或复合.因此,自然因素和人为因素的统一是其形成的突出特点.氟的富集地带一般远离自然供氟源和污染源,说明其不具备单独就近促成高氟环境区形成的能力.同时,氟的富集往往是随着化学场的碱化进行的,碱化程度最强的部位恰恰是氟含量最高的地带.此种类型环境区的分布是有很大局限性的.

3　整治

环境区的整治应本着“消除根源,分析成因,破坏有利形成条件”的宗旨进行,具体说就是节制供源,改变水化学场性.

3.1　节源

节源对扩散型,尤其是污染型来说是可能的,对扩散型的供氟源,即某些温、矿泉采取堵截或集水降氟后再排放是可以办得到的.当然,改革工艺流程降低“三废”含氟量和减少排放量更好.

3.2　改变水化学场性

地下水高氟环境区的水化学场,除具有一定规模外,也是比较稳定的.既然水化学场碱化程度的增强是氟富集的根本条件,那降低乃至改变碱化场性,就会削弱甚至破坏氟的富集条件.对蔡站环境区C20号水井丰、枯水期所做水样的水质分析(表3)很容易证明此点.另外,由图6蔡站环境区变迁示意图说明,适宜氟富集的水化学场性不仅可变而且是可以迁移的,因此,发挥人类对自然的改造作用,减轻乃至消除危害是完全可能的.同时,由于环境区水化学场的碱尾场片(富集带)突出地表现为缺酸贫钙的特点,如能选择施用农药、化肥达到增酸加钙的作用,必将起到“催化剂”的作用,加速环境区水化学场性的改变,表4是采取蔡站环境区富集带内地下水分别掺加几种化肥,浸泡当地土24小时后取水样检验的结果,它对上述论点是有一定说明的,所以,在氟的富集带内施肥应注意选择,一般来说,碱性化肥是不太适宜的.

总之,地下水高氟环境区,既有改造、整治的必要,又有改造的可能,将成为国土整治的一个重要方面.

　206

　山　东　大　学　学　报　(工　学　版)第33卷　

表4　土样检验表

T ab.4　test results of s oil samples

掺加化肥碳酸氢铵硫铵盐铵钙镁磷肥原水

离子含量(mgΠL)

F- 5.08 6.55 6.7012.308.25

C O322797.74—.1243.6020.52

S O42296.623468.40123.87109.0184.23 Cl2146.25134.623383.25109.1793.72 PO432未检出未检出未检出 2.75未检出NO3253.359.3659.6040.8036.60 K++Na+937.14102.401616.99175.40202.02 Ca2+38.36560.014.0585.3423.97 Mg2+72.7140.12122.2423.1934.48 NH4+0.30812.50未检出未检出未检出PH值7.977.667.598.717.92

固形物Π(gΠL) 2.597 5.266 5.9680.7720.709　　(注:水:土:肥=3000:1000:15;先用水、肥配液,到入土,搅拌1min,静置24h)

参考文献:

[1]沈照理.水文地球化学基础[M].北京:地质出版社,19861

[2][俄]卡明斯基ГH著.地下水的普查与勘探[M].盛志浩

译.北京:地质出版社,1987.[3]于翠松,王艳玲.小清河流域中型水库洪水过程[J].山东

工业大学学报〔现山东大学学报(工学版)〕,2002,32(1):

62.

　第2期崔　伟,等:地下水高氟环境区研究及整治207

© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.