南阳盆地高氟地下水分布特征及成因分析

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摘要： 通过对南阳盆地实地调查，及大量地下水样和部分土样进行试验、分析、研究，基本查明了南阳盆地高氟地下水的分布特征，通过综合分析气候、包气带岩性及结构、地形地貌条件、水文地质条件以及水化学环境条件等各环境因素对高氟地下水形成的影响，通过总结规律和分析成因相结合的方法深化对地下水系统中氟的迁移、转化和富集的认识，为正确指导南阳地区高氟地下水的防治和地方性氟病的研究工作提供了理论依据。

Abstract： Through field surveys of Nanyang Basin and the test， analysis and research of plenty of water and soil samples， this paper identified the distribution of high fluoride groundwater， comprehensively analyzed the impact of climate， lithologic characteristics of the unsaturated zone， structure， topography conditions， hydro geological conditions and water chemistry environment on the formation of high fluoride groundwater. Through the summary of the law and the analysis of the causes， the understanding of the migration， transformation and enrichment of fluoride in groundwater system is deepened， which provides a theoretical basis for the correct guidance of the prevention of Nanyang fluoride groundwater and the research of endemic fluoride disease.

关键词： 高氟水；氟病；地下水

Key words： high fluoride water；fluoride disease；groundwater

中图分类号：P641 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2014）29-0317-03

1 取样点布置及高氟地下水的分布

通过野外调查，在南阳盆地采取地下水样共337份，开挖样坑16个，取得土样16组。

根据所取水样的水质分析结果，分别绘制出南阳盆地浅层及中深层地下水氟浓度等值区图（见图1，图2）。由南阳盆地浅层地下水氟浓度等值区图（图1）可以看出：南阳盆地大部分地区的浅层地下水氟浓度小于1.0mg/L，高氟水分布面积较小；高氟区呈“斑块状”分布于河间地块之中，主要有官庄镇――施庵镇――溧河铺镇高庄村一带，邓州市裴营乡附近，歪子镇南部地区，邓州市林扒镇汤营村一带。

而由中深层地下水氟浓度等值区图（图2）可以看出，南阳盆地绝大部分地区的中深层地下水氟浓度小于0.5mg/L；中深层地下水氟浓度大于1.0mg/L的高氟水呈“孤岛状”分布于盆地之中，主要有以下几块：南阳盆地西部的邓州市裴营乡鞠寨附近、南阳盆地中部的南阳市宛城区金华乡附近、南阳盆地南部的龙潭镇接近省界的地方。

2 高氟地下水的分布特征

通过对南阳盆地浅层及中深层地下水氟浓度等值区图的深入分析，并依据所掌握的地下水氟浓度原始数据资料，总结出南阳盆地高氟地下水的分布特征如下。

2.1 高氟水所占比例较小 通过统计浅层及中深层地下水样品中氟的浓度状况，得出了各种类型地下水样品在浅层及中深层地下水中所占的比例（表1）。

从表1可知，总体来讲，南阳盆地地下水氟浓度具有明显的“低值性”特点，高氟水所占比例较小，以中低氟浓度地下水为主。

2.2 区域分带性 由南阳盆地地下水氟浓度等值区图可以看出，高氟地下水所表现出的分带性在浅层地下水中的表现较为明显，中氟以及高氟地下水分布范围相对集中，一般集中分布在盆地的中部平原以及盆地下游，高氟水伴随中氟水以“插花状”形式出现；地下水氟浓度的变化情况总体上呈现出从山区到平原区逐渐升高的趋势。

2.3 氟浓度的不均匀性 通过绘制出浅层及中深层地下水氟浓度值域范围对比图（图3），更加形象地显示出了氟浓度的不均匀性，显然浅层地下水含氟浓度的值域范围或者说极差远超过中深层地下水，浅层地下水氟浓度的不均匀性或者说波动性相对于中深层地下水来讲更加显著，而浅层地下水的这种更为显著的不均匀性更多的表现在高氟水分布的地段性上。

2.4 地段性 通过统计南阳盆地内自西向东分布的湍河、严陵河、赵河以及涧河两岸地下水氟浓度变化情况，表明一方面以河为中心地下水氟浓度向两侧对称性的或偏向一侧有升高的趋势。

另一方面，高氟水以及中氟水多分布在河流之间的地块之中，浅层高氟水的这种分布特征更为明显。

2.5 与特定水化学类型的相关性 本次研究对南阳盆地所取得的深、浅井水样共337份进行了水质分析，测试出了水样中的SO42-、HCO3-、Cl-、NO3-、Ca2+、Na+、Mg2+、F-等8个指标的浓度。将除了F-以外的其它指标按照改进的布罗茨基分类进行水型划分，共划分出29种水型。总体而言，南阳盆地的水型统计结果存在这样一个趋势，地下水所含的阳离子之中Ca2+含量占主导地位的水型占了南阳盆地地下水化学类型的绝大部分，而Na+含量占主导地位的水型出现的个数却很少。

本文规定样本数小于4的样本序列不具有统计意义，通过剔除部分样本量过小的失真数据以提高统计数据的可信度。现将样本量具有统计意义且高氟率不为0的水型剥离出来，得出如表2具有统计意义且高氟率大于零的水型统计结果。

从表3中可以看出，Ca・Na・Mg―H・C・N・S、Ca・Mg・Na―H・C・S・N、Ca・Mg・Na―H・S・N・C等水型出现高氟水的概率相对比较大。值得注意的是，在这些水型中Ca2+含量在阳离子中占主导地位。此外，需要指出的是，Na・Ca・Mg―H・C・N・S、Na・Ca・Mg―H・S・C・N、Na・Mg・Ca―H・S・C・N等水型虽然出现的很少，甚至不具有统计意义，但是这些水样中的氟离子浓度都比较高，接近甚至超过1.0mg/L，Na・Mg・Ca―H・S・C・N水型中氟的浓度甚至高达2.9mg/L，为南阳盆地所取水样氟浓度统计结果的最大值。因此，统计结果并不能说明这些在阳离子中以Na+含量占主导地位的水型出现高氟水的概率高还是低，只能表明在南阳盆地区域地质背景所塑造的地下水化学微环境中，虽然一些水型代表的水样中Ca2+含量在阳离子中占主导地位，但是仍然会出现一定程度的高氟地下水[3]。钠质水分布区氟含量高，钙质水分布区则相反。氟的钠盐和钙盐在水中的溶解度极不相同，氟化钙的溶解度为16mg/L，氟化钠的溶解度为42×103mg/L，氟化钠在水中完全溶解时，氟在地下水中呈离子状态存在。前者在水中溶解度很低，大部分为白色沉淀，大部分氟赋存在矿物中而未游离出来，形成地下水中高钙低氟、高钠高氟的现象。当水中钙离子为主要阳离子时，氟化钙溶解度减小，地下水中氟含量减小；当水中钠离子或者镁离子为主要离子时，氟化钙的溶解度增加。当水中钙离子含量增加时，氟的络合物遭到破坏，钙与氟结合成难溶的氟化钙，减少了地下水中氟含量。另外，由于碳酸根及碳酸氢根会促进氟化钙的溶解，使地下水中的氟含量增加。

3 高氟地下水分布特征的成因分析

3.1 氟在浅层地下水中分布的成因综述 作为区域地下水的汇集的南阳盆地中部平原区，由于不断接受周边山区地表水和地下水的补给，随地下水迁移的氟源源不断地聚集于此。由于本区降水相对较少，地形相对平缓，地下水流动速度相对较慢，水循环交替的时间也因此较长，配合上平原区较浅的地下水位埋深、较细的有利于毛细水上升的岩性特征，这些都为本区强烈的蒸发浓缩作用奠定了基础。因此，南阳盆地周围山区广泛的氟源所带来的含氟物质的不断聚集以及平原区内较浅的地下水位埋深以及较为迟缓的地下水流动情况造成的强烈的蒸发浓缩作用使得本区地下水中的氟含量逐渐增高，从而出现较大范围的中氟地下水的分布区域，同时也为局部地区高氟地下水的形成创造了理想的环境。

由于南阳盆地平原区是河南省小麦、玉米、棉花以及烟叶等粮食作物的高产区，农业灌溉是比较常见的，人为的影响也能够加剧区域内水分的蒸发，进而导致本区土壤积盐，氟在表层土壤中的堆积为进一步向地下水中的迁移提供了基础[4]。而且，由深层高氟地下水的分布极少的特征以及所掌握的深浅层地下水之间的水力联系资料得出，浅层高氟地下水中的氟多数是与地球浅表大陆盐化效应有关的元素堆积效应有关。

3.2 氟在深层地下水中分布的成因综述 就南阳盆地来说，其深层地下水的补给区大都在山区以及山前地带，通过调查研究也发现，南阳盆地山区与平原区之间的过渡带较短，山区相对较大的降水量所形成的流速较快的坡面流以及浅层地下水侧向渗流为本区各矿物组分的淋失提供了条件，从而，不论是山区还是山前地带的浅层地下水氟含量都相对较低，大多都为小于0.5mg/L的低氟水，这种现象从氟在南阳盆地浅层地下水中的分布情况也可以看出。所以，深层地下水的补给源具有较低的氟含量背景。

由于深层含水介质承受的巨大压力导致其渗透性变差，这种紧实的结构从某种程度上也使得固相的氟的迁移变得相对困难，而地下水流动缓慢使得地下水与介质的水岩作用的时间更长，水氟化学反应更完全，含水介质的脱氟与吸氟过程更充分[2]。而相关资料表明，南阳盆地平原区内不同地层的大部分岩性为片岩、砂岩以及泥岩，这种岩石的粒径相对较粗，对地下水中液相氟的吸附相对较弱，伴随着较长历史时期的脱氟为主的过程，其能脱出的氟就很少了。因此，由于这两种因素的共同作用，使得南阳盆地大部分地区的深层地下水具有较低的氟含量背景。而南阳盆地局部地区分布的中氟以及高氟地下水与地下热水、地层岩性、构造条件以及水化学条件等因素密切相关。

4 降氟的经验方法

4.1 寻找新水源 寻找适当含氟量的新水源是降氟理想、经济的途径。寻找新水源有三种途径：

①打防氟深井。在查清氟的形成环境、水文地质条件的基础上，寻找低氟含水层；

②选择适于饮用的地表水作水源。适于饮用且经济技术条件许可的可开发利用的地表水和泉水；

③利用雨雪作水源。在既无适宜的地下水又无地表水的地区考虑因地制宜，修建水窖，收集雨雪水以备饮用。

4.2 人工降氟 由于我国高氟区分布范围广，许多地区没有可供利用开采的低氟含水层，而引用地表水工程费用巨大，甚至无水可引，故采用人工理化方法降氟是另一条必然的途径。目前国内外降氟方法多种多样，但主要分为三大类：混凝沉淀法（投药法）、滤层吸附法和电化学法。前两类方法主要针对单纯氟离子含量较高，而其他指标相对较低或符合饮用水标准的高氟水地区，而第三类方法主要针对氟离子含量较高，而其他指标相对也较高，不符合饮用水标准的高氟-苦咸水地区。另外，美国发明了一种仅适于软化水同时使用的溶解性小的镁盐，它与水中氟相对连续作用，降氟后泥浆连续沉淀，从而达到降氟目的。但是，目前的降氟方法均在不同程度上存在缺憾。因此，保护好水源地，采取综合的生态环境治理措施为长远策略。

4.3 综合生态环境治理 含氟化物大气烟尘和工矿企业的含无机或有机氟废水应处理后再进行排放；在进行各类环境影响评价时加强氟对人体健康影响的评价。改变传统灌溉方式，例如大水漫灌，应该由先进灌溉技术――喷灌代替，这样可以减少风化作用和溶滤作用，减少水蒸发损失，防止氟大量富集。种植适当生态植物覆盖土壤以减少蒸发，防止高氟水产生。

5 结束语

本文通过对南阳盆地高氟地下水分布特征及成因分析，得出了高氟地下水所表现出的分带性在浅层地下水中的表现较为明显，中氟以及高氟地下水分布范围相对集中这一结论。一般集中分布在盆地的中部平原以及盆地下游，高氟水伴随中氟水以“插花状”形式出现；地下水氟浓度的变化情况总体上呈现出从山区到平原区逐渐升高的趋势。氟浓度随着地势的变化呈现出不均匀性。由于饮用高氟地下水而导致的地方病，严重影响了当地人民群众的身体健康。地下水中氟元素的富集是一个非常复杂的水文地球化学过程。在前人研究中国北方高氟水分布特征基础上，总结了高氟水形成的气候、水文、地质构造、岩性与土壤、水文地质条件和水化学特征。

参考文献：

[1]Apambire W B，Boyle O R，Michel F A.Geo-chemistry，genesis，and health implications of fluoriferous groundwaters in the upper regions of Ghana[J]. Environmetal Geoiogy，1997，33（1）：13-18.

[2]McCAFFREY LP and WILLIS JP（1993）Distribution of fluoride-rich groundwater in the eastern parts of Bophuthatswana，relationship to bedrock and soils and constraints on drinking water supplies：a preliminary report. Africa Needs Ground Water[J].An International Ground Water Convention.8-11.

[3]河南省地质环境监测院.河南省氟病区地质影响调查与防治报告[R].1985，7.

[4]陈国阶，余大富.环境中的氟[M].北京：科学出版社，1990.

[5]任福弘，曾溅辉，刘文生，张翠云.高氟地下水的水文地球化学环境及氟的赋存形式与地氟病患病率的关系──以华北平原为例[J].地球学报，1996（01）.

[6]何锦，张福存，韩双宝，李旭峰，姚秀菊，张徽.中国北方高氟地下水分布特征和成因分析[J].中国地质，2010（03）.

[7]朱其顺.安徽淮北平原浅层地下水氟的分布特征及迁移试验研究[D].安徽理工大学，2009.