河套平原臨河區(qū)高砷地下水的分布及水化學特征

河套平原臨河區(qū)高砷地下水的分布及水化學特征

在中國，尤其是中國北方，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)境地質問題之一。為了進一步查明內蒙古河套平原高砷地下水的分布以及水化學和環(huán)境地質特征,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調查工作。本文以本次調查的資料為基礎,通過分析研究,對河套平原西部臨河區(qū)高砷地下水的分布及水化學特征作簡要論述,這將對整個河套平原高砷地下水形成機理的研究以及防砷改水工作的開展具有重要的意義。1研究領域的總結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,地理坐標為107°06′～107°44′E,40°31′～41°17′N(圖1)。南北長約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)強烈,干燥多風,日照時間長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℃,平均相對濕度40%～50%。1.2沉積體系及沉積特征調查區(qū)地勢較平坦,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,個別地段有風成沙丘分布。河套平原在構造上屬于華北臺地鄂爾多斯臺向斜的一部分,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)原地質部航空物探大隊資料和第三石油普查勘探大隊資料,盆地東南部的沉積厚度為3000～5000m,西北部達7000～8000m。據(jù)內蒙古水文地質隊,河套盆地構造封閉,長期下沉,自侏羅紀末期以來,形成了以湖相為主的細粒碎屑沉積物。新近、古近紀沉積了2000m厚的紅色砂頁巖地層,并有石膏和巖鹽夾層。第四紀沉積厚度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,直達山前。早更新世(Q1)沉積了淤泥質土與粉砂細砂互層的湖相沉積物。中更新世(Q2)沉積了一套具有細微薄層理的粘土質為主的沉積物,富含有機質和石灰質,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,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)境對該區(qū)的水文地質及水化學有重要影響。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,許多地段水質較好,是該區(qū)主要的供水目的層。但是,因環(huán)境地質條件復雜,水量水質變化大,給水資源勘查、開采工作造成較大的困難。2實地調查和內部分析2.1水化學調查井深度野外調查的主要對象是當?shù)鼐用竦娘嬎?在平面上取樣點基本上按照網(wǎng)格狀布設,一般調查區(qū)每隔3～4km或更大一點的間距取一個樣,高砷區(qū)加密到1～2km取一個樣,調查井的深度一般在15～25m,調查項目包括水井的位置(用GPS測定經(jīng)緯度)、使用者、用途、設置年月、井的結構、深度、水位、水溫、pH、電導率(EC)、氧化還原電位(ORP),同時采集水化學分析樣品188組。pH、電導率、氧化還原電位分別用日本株式會社東興化學研究所制造的RKCDP-300·TOA,HM-12P·TOA,ECCM-14P·TRX-90在實地進行測定。2.2分析方法及結果采取的水質樣品當天送到當?shù)氐乃茖W研究所,在24h之內對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定(GB7485-87),其它組分也均依據(jù)有關水質分析的國家標準進行了測定。為了及時掌握高砷地下水的分布狀況,在采集地下水水樣的過程中,在實地用中國疾病預防控制中心生產(chǎn)的試劑盒,對地下水的砷含量進行了半定量的測定,這對于及時掌握高砷地下水的分布起到了良好的作用,該方法測試的結果與實驗室的分析結果趨勢一致,測定的值也都在誤差允許的范圍之內(表1)。通過水質分析結果,選定了19個As含量超標的樣品,一周后在北京對As(Ⅲ)、As(Ⅴ)、二甲基砷(DMA)、一甲基砷(MMA)進行了分析,分析方法如下:檢測儀器:先用液相色譜分離,然后用原子熒光檢測器進行檢測。光電倍增管負高壓(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為空白加標回收率,是指在沒有被測物質的空白樣品基質中加入定量的標準物質,按樣品的處理步驟分析,得到的結果與理論值的比值即為空白加標回收率。從表2可以看出As(Ⅲ)、As(Ⅴ)、二甲基砷(DMA)、一甲基砷(MMA)空白加標回收率均在誤差允許的范圍之內。原則上,As(Ⅲ)、As(Ⅴ)、二甲基砷(DMA)、甲基砷(MMA)之和與最初(取樣當天)分析出的總砷含量相等,但是從上述分析結果看,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)字為取樣當天分析出的總鐵含量,As(Ⅴ)/As與TFe的關系見圖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)有關文獻,在內蒙古砷中毒病區(qū)的地下水中均存在相當數(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指標均未檢出,認為主要有以下三個原因:(1)如果存在DMA、MMA,在地表隨著時間的延長也已轉化成無機砷或揮發(fā)掉;(2)現(xiàn)場未加防止三價砷氧化的任何藥品,如果存在三價砷也可能已全部轉化為五價砷,因為在開放的氧化環(huán)境和堿性水溶液中三價砷極不穩(wěn)定;(3)由于溶液中的二價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相關關系(圖2)。這種現(xiàn)象在野外的調查過程中已被證實。圖3為同一個樣品不同時間測定的砷含量變化,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,砷含量又與當日測定的結果相同。這一現(xiàn)象與眾多文獻中所論述的鐵與砷在氧化環(huán)境中吸著沉淀,在還原環(huán)境中溶解釋放的結論是一致的。同時這一現(xiàn)象也揭示了,鐵對于除去地下水中的砷具有積極的作用。3地下水的水質、電導率、鐵、鐵含量在全區(qū)170多件水質分析樣品中,超標較嚴重的組分有總硬度、SO42-、Cl-、Fe、NO2-、F-、As等,各項組分在全區(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-的超標率均低于全區(qū)和非高砷區(qū),而Cl-、Fe、F-超標率均高于全區(qū)和非高砷區(qū)。通過Piper三線圖的分析得知(圖4),調查區(qū)地下水的化學特征表現(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,在這兩個區(qū)域雖然都有高砷水的存在,但是從全區(qū)來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和深度的關系,從圖中可以看出砷含量大于0.1mg/L的點,其pH值幾乎均在8～9之間;砷含量大于0.05mg/L的點,ORP顯示了均為負值的還原環(huán)境,其值在-60～-150之間,這與眾多學者的調查結果是一致的;本次調查取樣點(井)的深度在5～35m之間,砷含量大于0.1mg/L的點,其深度主要集中在20～30m之間;地下水的電導率(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率存在什么關系;圖6為地下水的砷含量與P、Fe、Cl-和總硬度的關系,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關系;本區(qū)的鐵含量普遍較高,全區(qū)鐵超標率達67.9%,非高砷地區(qū)的超標率為58%,從全區(qū)看地下水中的鐵含量與砷含量不存在相關關系,但是在高砷區(qū)鐵與砷有一定的相關關系(圖5),地下水的砷超標區(qū)同時也是鐵超標區(qū),鐵的超標率達到91.3%。從圖6中以可以看出,砷含量與Cl-以及總硬度的關系不明顯。上述特征進一步說明了砷的聚集、溶出與鐵和磷有很大的關系,這也與已知的幾種高砷地下水形成機理的假說,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調查區(qū)地下水的分布、特征通過對全區(qū)地下水水質檢測結果的分析,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查區(qū)的西北部,即份子地以北和以西,五星、狼山農(nóng)場、狼山鎮(zhèn)、白腦包以及建設一帶,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查的基本調查(1)通過野外調查和水質分析,查明了河套平原臨河區(qū)深度在30m以內地下水的砷含量分布及水化學特征。同時也查明了地下水中的一些主要化學組分(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,短距離內地下水中的砷含量變化較大。(3)地下水的化學特征表現(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。調查區(qū)內超標較嚴重的組分有總硬度(超標率43.6%)、SO42(超標率41%)、Cl-(超標率42.3%)、Fe(超標率67.9%)、NO2-(超標率5.1%)、F-(超標率16.7%)、As(超標率28.2%)。(4)從各組分之間的相關性分析得知,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系較為明顯,其中地下水的高砷分