塔城盆地地下水氟分布特征及富集机理

塔城盆地位于新疆维吾尔自治区西北部,干旱少雨,蒸发强烈。但相对于新疆其他盆地,塔城盆地地下水水质相对较好,溶解性总固体和F^-含量相对较低。为解译这种差异及盆地内高氟地下水的成因,本文在对盆地地下水样品水化学组分系统分析的基础上,结合多种水文地质调查数据,利用数理统计、离子比及主成分分析等手段,研究高氟水的成因及其分布规律。结果表明:受气候以及地质等因素控制,研究区地下水氟浓度总体较低,高氟水主要分布于扇前洼地及盆地中部的低洼地带;受承压含水层的顶托补给,地下水氟浓度呈现出上高下低的垂向分带特征。研究区地下水径流途径短,水循环快,水岩相互作用时间较短,且山区地下水以深径流形式循环补给平原区深层承压含水层,再顶托补给潜水,避免了强烈的蒸发浓缩作用。山前洪积扇地下水氟富集主要受控于沉积地层中含氟矿物的风化溶解,而岩石风化、蒸发浓缩、阳离子交换、竞争吸附为平原区地下水氟浓度的主要影响因素。     

塔里木盆地南缘绿洲带地下水砷氟碘分布及共富集成因

由于地表水资源稀缺,地下水是塔里木盆地南缘绿洲带重要用水水源,因此,系统查明该区地下水砷氟碘的分布及成因至关重要。基于塔里木盆地南缘绿洲带233组地下水水样检测结果,分析不同含水层中高砷、高氟和高碘地下水的空间分布及水化学特征,结合研究区地质、水文地质条件和地下水赋存环境进一步揭示影响地下水砷氟碘的来源、迁移与富集的水文地球化学过程。结果表明:地下水砷、氟、碘浓度变化范围分别为1.091.2 μg/L、0.0128.31 mg/L、10.02 637.0 μg/L。地下水高砷、高氟和高碘水样分别占总水样的7.3%、47.2%和11.6%,砷氟碘共富集占比为3.0%。砷氟碘共富集地下水主要分布于研究区中部的民丰县,水化学类型主要为Cl·SO₄-Na型。自补给区至过渡区再至蒸发区,地下水氟、碘浓度明显增大,砷浓度在过渡区和蒸发区均较大;砷氟碘共富集地下水取样点主要分布于36.060.0 m深度的浅层承压含水层中。浅层地下水受蒸发作用和矿物溶解沉淀作用的影响,随砷氟碘富集项的增多而增大。第四纪成因类型中风积物对氟浓度的影响较大,洪积-湖积物对砷和碘浓度的影响较大。细粒岩性、平缓的地形、地下水浅埋条件、偏碱性的地下水环境、微生物降解作用下有机质介导的矿物溶解是利于砷氟碘共富集的主要机制。     

河套平原西部地下水砷富集机制研究

干旱内陆盆地高砷含量的地下水威胁着当地饮用水安全，其形成机制尚不完全清楚。为厘清这类高砷地下水的形成机制，本文以河套平原西部地下水为研究对象，分析其中As等部分氧化还原敏感元素含量和氢、氧同位素组成(δD和δ¹⁸O)。结果表明，地下水样的As的质量浓度为1.5～155μg/L(均值为36.7μg/L),超半数样品超过10μg/L,主要分布于盆地中部的浅层含水层。水样的氢、氧同位素组成和离子间的相关性分析表明，虽然蒸发浓缩作用导致地下水富集Na⁺和Cl^-,但对As的富集影响不显著；在偏碱性环境中因解吸附作用产生的As进入地下水，对As的富集有一定贡献；负载As的铁氧化物还原性溶解和沉积物中的As(V)还原性解吸附是地下水中As富集的主要原因；强还原环境中，硫酸盐还原作用形成的硫代砷可能会促使As在地下水中高度富集。     

2010—2020年黄河下游河南典型灌区浅层地下水中砷和氟的演化特征及变化机制

黄河下游典型灌区河南段是豫北平原重要的农业种植区。该地区浅层水质整体较差,因常用于作物灌溉或家畜饮用,会对人体健康产生风险,因此对该地区地下水中砷与氟浓度变化特征和机制的研究将有助于提高对该地区地下水污染的认识水平。本文基于2010年和2020年在灌区范围内采集的327组浅层地下水样品,研究区内地下水砷和氟分布情况,并在此基础上对比研究十年间灌区浅层地下水中砷、氟的演化特征,探索分析砷与氟浓度及空间变化机制。研究结果表明：该地区浅层地下水中存在砷与氟超标问题,2020年浅层地下水中高砷（砷浓度大于10μg/L）和高氟（氟浓度大于1mg/L）的样品数量分别占总数的26.1%和26.06%。高砷水分布在太行山前洼地与黄河冲积平原等泥沙互层结构的沉积环境中,还原性较强,同时地下水径流不畅,较强的阳离子交换作用使得其所处环境中Ca²⁺浓度较高。近十年间砷浓度增加的水样占总数31.8%,砷浓度减少的水样占36.7%。砷浓度的增长（减少）是地下水还原性增强（减弱）使得锰氧化物溶解释放（吸附）导致。近十年间不同地区农业灌溉和水源置换等用水方式导致水位变化是引起砷浓度变化的潜在因素。高氟水主要分布在河南新乡与濮阳的黄河沿线,氟离子浓度受到沉积物中萤石等钙质矿物溶解影响,使得高氟地下水出现在低钙环境中。近十年间研究区中氟离子浓度减少的占总数60.2%,氟离子浓度增加的占32.1%,整体变化趋势向好,但是高氟区中氟离子浓度继续增加。氟浓度的变化同样受到Ca²⁺变化影响,在Ca²⁺浓度降低（升高）时氟浓度进一步升高（降低）。地下水中氟升高地区分布在黄河沿线,因此受到黄河水补给影响较大,地下水径流条件较好,阳离子交换作用减弱,使得Ca²⁺浓度降低,此时地下水中砷浓度受到环境影响而降低,因此研究区氟增加地区中砷与氟的分布和演化呈现反向关系。     

内蒙古土默川平原地下水水文地球化学特征及其成因

通过水文地质调查、水样采集,结合地下水流动系统、统计分析、吉布斯图、Piper三线图和相关性分析,对土默川平原地下水水化学特征进行研究。结果表明,该区地下水呈弱碱性,水化学类型以HCO3-Ca型和Cl-Na型为主。潜水水化学成分主要受水-岩相互作用和蒸发浓缩作用影响,承压水水化学成分主要受水-岩相互作用过程控制。79个潜水样品中方解石和白云石饱和指数小于0的分别为1个和5个,56个承压水样品中饱和指数小于0的均为20个。区域地下水的弱碱性环境、高Na+、低Ca2+为高氟水的形成提供了条件,受蒸发浓缩作用影响潜水高氟区主要分布于托克托县城以东地下水的滞留排泄区;受含水层介质的影响承压水高氟区主要分布于湖积台地区域。局部区域地下水的强还原环境,铁、锰氧化物和氢氧化物的还原性溶解以及HCO–3的竞争吸附是形成高砷水的重要原因,受哈素海湖相沉积物的影响潜水高砷区主要分布在哈素海—高泉营一带;受铁氧化物、氢氧化物还原性溶解及地下水径流条件的控制,承压水高砷区主要分布在平原中部大黑河沿岸。     

新疆阿克苏典型山前洪积扇内高氟地下水的化学特征及氟富集机制

在内陆干旱区,作为重要饮用水源的地下水常面临氟含量超标问题。查明内陆干旱区高氟地下水的分布规律,了解氟在地下水中的富集过程及其影响因素,既可丰富高氟地下水的研究体系,也是保证内陆干旱区饮水安全的重要基础。以新疆阿克苏地区典型山前洪积扇——依格齐艾肯河-喀拉玉尔滚河河间地带为研究区,基于水文地球化学调查结果,刻画了高氟地下水的分布区;结合氟离子含量与特征性水化学指标间的关系,揭示了高氟地下水的成因机制。结果表明:(1)地下水中氟含量的变化范围为0.8～6.1 mg/L,83%的水样氟含量超过《生活饮用水卫生标准》(GB 5749-2006)规定的上限(1.0 mg/L);(2)总体上,氟含量沿地下水流动路径逐渐增大,低氟地下水(ρ(F~-)≤1.0 mg/L)分布在国道314以北的补给区,高氟地下水(ρ(F~-)1.0 mg/L)分布在国道314以南的径流区和排泄区;(3)高氟地下水的水化学类型以Cl·HCO_3-Na型为主,而低氟地下水则以Cl·SO_4-Na型为主,高氟地下水相比于低氟地下水优势阴离子偏向于HCO~-_3;(4)地下水的pH值范围为7.9～8.9(均值为8.4),表明其处于弱碱环境中。地下水中ρ(F~-)与pH值呈正相关,此外构成浅层含水层的上更新统沉积物中含有黑云母、氟磷灰石等矿物,其表面存在一定数量的可交换F~-,这表明水中OH~-与矿物表面F~-间的阴离子交换可能对氟的富集有一定贡献;(5)地下水的F~-含量与Ca~(2+)含量呈负相关,即高氟地下水中ρ(Ca~(2+))小于低氟地下水。考虑到氟化钙(CaF_2)是自然界中的主要含氟矿物,也是地下水中氟的主要来源,ρ(F~-)与ρ(Ca~(2+))间的这种负相关指示着高氟地下水中可能存在去Ca~(2+)、Mg~(2+)作用,如阳离子交替吸附或碳酸盐岩沉淀等。研究区地下水样中ρ(F~-)与ρ(Mg~(2+))间也呈负相关关系,且和ρ(F~-)与ρ(Ca~(2+))间的关系高度相似,也佐证了高氟地下水中去Ca~(2+)、Mg~(2+)作用的存在;(6)绝大部分地下水样品都位于氯碱性指数图的负值区域,且ρ(F~-)与CAI-1和CAI-2均呈较好负相关,CAI-1和CAI-2都随ρ(F~-)的增大而减小,这表明高氟地下水中存在Ca~(2+)、Mg~(2+)与Na~+间更强的交换作用,对氟富集起着重要作用。地下水中ρ(F~-)与SAR间呈较好正相关关系,且高氟地下水样的SAR均值(5.71)远大于低氟地下水SAR均值(1.67),这也进一步证明高氟地下水中的Ca~(2+)、Mg~(2+)与含水介质的Na~+间存在强烈的交替作用,对氟的富集起着重要作用;(7)所有地下水样中的萤石均处于未饱和状态,且萤石的饱和指数(SI)与F~-含量间呈现较好的正相关,这表明地下水对含氟矿物(主要是萤石)的持续溶解应是导致研究区地下水中氟富集的主要原因。与之相反,研究区所有地下水样中的方解石均处于过饱和状态(SI0)。这表明CaCO_3的沉淀可能促进了CaF_2的溶解,导致地下水中氟离子质量浓度增高;(8)研究区低氟地下水的δ~(18)O值介于-11.20‰～-10.67‰间,平均值为-10.94‰,而高氟地下水的δ~(18)O值介于-11.65‰～-11.21‰间,平均值为-11.49‰,即低氟地下水较高氟地下水富集δ~(18)O。此外,F~-质量浓度较低(ρ(F~-)≤3.0 mg/L)的地下水样中δ~(18)O值与F~-质量浓度呈负相关,即低氟地下水具有更正的δ~(18)O值;F~-质量浓度较高(ρ(F~-)≥4.8 mg/L)的地下水样中δ~(18)O值与F~-质量浓度的相关性不显著,随F~-质量浓度的增高,δ~(18)O值基本维持不变。以上表明蒸发浓缩作用对地下水中氟的富集贡献较小;(9)研究区地下水中ρ(F~-)/ρ(Cl~-)比值与ρ(F~-)间呈现正相关,即ρ(F~-)/ρ(Cl~-)比值随ρ(F~-)增高呈增大趋势,这也说明地下水中氟富集的主要原因是含氟矿物的溶解,而不是蒸发浓缩作用。此外,Gibbs图也提供了证据:研究区地下水样基本处于水岩作用主导区域,表明地下水化学特征(包括氟的富集)主要受水岩作用控制,蒸发浓缩影响很小。总之,地下水中氟的富集主要由溶解作用引起,OH~-与矿物表面F~-间的交换也有贡献,但蒸发浓缩作用影响微弱。含氟矿物持续溶解的驱动机制是阳离子交替吸附(地下水中Ca~(2+)与岩土颗粒表面Na~+之间)及方解石沉淀所引起的地下水中Ca~(2+)的衰减。     

连云港北部地区高氟地下水分布特征及成因

为研究连云港北部地区地下水氟水文地球化学特征,采集测试了63件地下水样品,分析了高氟地下水的空间分布特征及其形成的水文地球化学过程。结果表明,地下水中氟的质量浓度呈现出随着地下水流动而逐渐升高的变化规律,高氟地下水分布于海湾低平原及平原洼地。HCO_3~-质量浓度高的弱碱性水化学环境是促进氟富集、并增强其从沉积物向地下水中转化的主要因素。高氟地下水的形成是长期地质作用和地球化学演化的结果,矿物溶解-沉淀作用、蒸发浓缩作用、阳离子交替吸附作用是控制地下水中氟富集的主要水文地球化学过程。     

内蒙古河套平原高砷地下水赋存环境特征

内蒙古河套平原是世界地方性砷中毒较为严重的地区之一。笔者以平原西部的重病区杭锦后旗为研究区,对高砷地下水赋存环境进行了调查研究。研究表明:高砷区沉积物中As的含量为7.7～34.6mg/kg,其中粘性土和亚粘性土中As含量相对较高。高砷地下水的pH值为7.0～8.3,平均Eh值为-155.1mV,平均矿化度为1.58g/L,主要的水化学类型包括:Cl-HCO3-Na型、Cl-Na型、HCO3-Cl-Na型,As的含量为15.5～1093μg/L,且主要以As(Ⅲ)形态存在,水中DOC(0.73～35.76mg/L)、HCO3-(283.75～1290.48mg/L)、NH4+(0.27～10.48mg/L)的浓度较高,硝酸盐和硫酸盐含量较低。研究区的氟中毒现象也较严重,高氟地下水中氟含量为1.11～6.01mg/L。绝大多数高氟水中砷含量也超标,出现了一种高砷水与高氟水并存的现象。综合判断,河套平原的高砷地下水赋存环境处于还原性环境。还原条件下,高砷区沉积物中的铁/锰氧化物的还原溶解易使吸附的砷释放到地下水中。这是研究区高砷地下水形成的主要原因。     

化隆—循化盆地不同类型含水层组高氟地下水的分布及形成过程

天然成因的高氟地下水是世界范围内备受关注的环境问题和饮用水安全问题。前人对高氟地下水的形成过程已开展了大量研究,但是对于高原盆地复杂水文地质条件下不同类型含水层组(第四系松散层含水层、基岩裂隙或岩溶含水层以及新生代古近纪以来的碎屑岩含水层)高氟地下水的分布和形成过程尚不明确。本文以化隆—循化盆地为研究区,通过采集、测试研究区内的各类地下水样品,分析研究区内不同类型含水层中地下水的化学特征及同位素特征。结果表明,高氟地下水(1.007.73 mg/L)主要分布在沿黄河的河谷区域和巴燕低山丘陵区域的泉水和潜水中以及深部的承压水中,在垂向上高氟地下水无明显分布规律。接受黄河水入渗补给的河谷潜水中氟离子浓度较低,补给黄河的河谷潜水中氟离子浓度较高。贫钙富钠的弱碱性苏打型水有利于地下水中氟的富集。泉水和潜水中氟主要来源于萤石的溶解,而承压水中氟除了来源于萤石外,还来源于其他含氟矿物。对于潜水和第四系松散层泉水,蒸发浓缩作用促进了地下水中氟的富集。另外,阴离子竞争吸附作用、阳离子交换吸附作用是泉水(第四系松散层泉水和基岩裂隙泉水)和潜水中氟元素富集的主要原因,而承压水中氟离子浓度受竞争吸附作用影响较大,阳离子交换吸附作用影响较小。研究成果可为化隆—循化盆地低氟地下水的勘查和开发提供科学依据。     

典型新生代断陷盆地内孔隙地下水地球化学过程及其模拟：以山西太原盆地为例

以地处中国北方半干旱地区的典型新生代断陷盆地--太原盆地为例,分析了影响孔隙地下水化学特征的水岩相互作用过程。研究结果显示:孔隙地下水的水化学类型表现出明显分带性,并与盆地水文地质单元分区吻合得很好。地下水地球化学过程的定性研究结论与基于PHREEQC的反向水文地球化学模拟结果一致,均表明对于地下水化学特征的形成和演化而言,硅酸盐和碳酸盐矿物的溶解沉淀作用、排泄区地下水的蒸发浓缩作用及其与含水层介质的阳离子交换作用是控制性的地球化学过程。研究表明：地下水地球化学特征可指示地下水流动场,水化学过程研究是地下水系统结构研究的重要手段之一。