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大同盆地高氟地下水成因探讨

来源:化拓教育网
第38卷第1期 山 西煤炭 VO1.38 NO.1 2018年2月 SHANXI C0AL Feb.2018 文章编号:1672—5050(2018)01—0049~05 DOI:10.3919/j.cnki.issnl672-5050sxmt.2018.02.013 大同盆地高氟地下水成因探讨 谭保国,马玲玲 (山西省地质环境监测中心,太原030024) 摘 要:山西大同盆地特别是山阴县居民,饮用高氟地下水,严重危害了身体健康,并且高氟地 下水导致该地区水质性缺水,时刻威胁着当地人民的生活,阻碍了当地社会经济的快速发展。文章 从水文地质背景、地下水水化学特征、水化学因子分析着手,采用了大量水样数据,详细分析了大同 盆地高氟地下水的形成机制,从而得出大同盆地高氟地下水的成因,为相关部门改善当地居民饮水 问题提供了一定的科学决策依据。 关键词:大同盆地;高氟;地下水;因子分析;水化学环境 中图分类号:P641 文献标识码:A Cause Analysis of High Fluorine Groundwater in Datong Basin TAN Baoguo,MA Lingling (Shanxi Geological Environment Monitoring Center,Taiyuan 030024,China) Abstract:Drinking high fluorine groundwater seriously endangers the health of the residents in Datong Basin of Shanxi Province,especially in Shanyin County.In addition,the high—fluorine groundwater has caused water shortage in the region,threatening the lives of the local people and hindering the local socio—economic development.A number of water samples were used to analyze the formation mechanism of high—fluorine groundwater in the Datong Basin,in terms of hydro— geological background,hydrochemical characteristics of groundwater,and hydrochemical factors. The study found the causes of the high fluorine groundwater in Datong Basin,which could be sci— entific basis for the relevant authorities to ieprove the drirnking water of the 1ocal residents. Key words:Datong Basin;high fluorine;groundwater;factor analysis;hydrochemistry envi- ronment 高氟地下水广泛分布于我国北方干旱半干旱地 区,是一种典型的劣质水源。山西大同盆地是全国 饮水型氟中毒最严重的地区之一,其高氟地下水已 成为大同盆地最典型,也是最突出的地质环境问题 之一,主要分布于盆地中北部地区,特别是山阴县。 解水资源供需紧张十分重要。本文从大同盆地水文 地质背景、地下水水化学特征和水化学因子分析着 手,对大同盆地研究区高氟地下水形成的水文地球 化学过程进行了探讨与分析。 地下水是山阴县及本区的唯一饮用水源,饮用高氟 1 水文地质背景 大同盆地倾斜平原区主要含水层组为冲洪积、 坡积卵砾石、中粗砂等,埋深2O m~150 m;盆地中 部重要含水层组埋藏于更新世至全新世地层组内, 主要为卵砾石、中粗砂、中细砂及粉细砂等,埋深 地下水严重危害了当地居民的身体健康,并且高氟 地下水导致了该地区水质性缺水,使水资源供需紧 张,严重制约了当地经济的快速发展。因此,查明高 氟地下水的成因,对控制盆地区饮水型氟中毒和缓 收稿日期:2017-11-15 作者简介:谭保国(1965一),男,山西长治人,本科,高级工程师,从事水文、工程地质以及灾害防治方面的研究。 50 山 西煤炭 第38卷 1o m~15O m,蓄水程度较低。根据含水层的分布 水里的无机盐和有机物的总称)含量和Ec(电导率) 特点,浅层水的埋深约为0 m~5O m,深层水埋深在 值较高,氟浓度的变化范围为0.Ol mg/L(DT一19) 50 m以上。盆地松散孔隙水的补给来源有两种,一 ~10.37 mg/L(DT一03),平均浓度为2.76 mg/L;深 为垂向补给,二为侧向补给。垂向补给主要来自大 层地下水中氟浓度的变化范围为0.01 mg/L(DT一 气降水入渗,其次是农田灌溉回归水和地表水体、河 29)~3.14 mg/L(DT一27),平均浓度为1.57 mg/L。 流的渗人。侧向补给来自山丘区的地下径流,其中 在浅层及深层地下水样品中,大多数氟浓度超过了 沿河谷的地下径流占重要成分。盆地内孔隙地下水 中国饮用水标准1.0 mg/L。大体上,氟的分布符合 径流方向总体为由周边经洪积倾斜平原向盆地中心 研究区的地形变化特征,随着地下水从盆地边缘汇 运动。倾斜平原区地下水主要排泄方式为人工开 流向中心,氟离子浓度逐渐增加,低氟地下水(<O.1 采,其次以侧向径流的方式向冲洪积平原区排泄。 mg/L)主要分布于盆地边缘。 冲洪积平原区地下水的主要排泄方式为潜水蒸发、 人工开采、补给河流及地下径流沿桑干河干道流向 下游排出区外 。 2 地下水水化学特征 2009年8月对盆地中部(研究区)高氟区地下 水进行了系统采样分析,共采集地下水样31件(见 图1)。水化学分析结果如表1水样水化学组成特 征表所示。本次采样覆盖了山阴县最严重的氟中毒 地区。浅层地下水中,TDS(溶解性总固体,溶解在 图1采样点分布图 Fig.1 Layout of sampling points 表1水样水化学组成特征表 Table 1 Hydrochemistry composition characteristics of water samples 第1期 谭保国,等:大同盆地高氟地下水成因探讨 51 研究区地下水中主要阳离子为Na 、Ca抖和 Mg ,主要阴离子为HCO。一、SO 卜和Cr。低氟 和高氟地下水中的主要离子均为Na 和HCO。一, 见图2。高氟地下水与低氟地下水相比,高氟地下 水中Ca 的含量低,而Na 含量较高,主要水化学 类型为HCO。~Na及Cl—Na型水,与其他地区高 氟地下水有着共同的水化学特征L2]。 围2丈同盆地地F水Piper三线图 口一低氟地下水;o一高氟地下水 Fig.2 Piper trilinear homograph of groundwater in Datong Basin口:low-fluorine groundwater: O:high—fluorine groundwater 在盆地中心的地下水排泄区,第四纪含水层中 的主要矿物是硅酸盐和铝硅酸盐,这些矿物的溶解 能释放阳离子Ca抖、Mg抖、Na 、K ,导致沿地下 水流,TDS逐渐增加。矿物表面发生的Ca 、Na。。 交换反应可导致地下水中Na 含量升高和ca 含 量降低。地下水中HCO。一浓度较高则主要是铝硅 酸盐水解的产物,高浓度的HCO。一可抑制地下水中 Ca抖的浓度【3]。因此地下水和含水层沉积物的相 互作用导致了氟的富集。 大同盆地地下水TDS与[Na]/FCa]比值关系 见图3。浅层高氟地下水中TDS含量比较高,但随 着TDS升高[Na]/[-Ca]值增加较为缓慢。深层高 氟地下水的[Na]/[ca]比值较高,并且[Na]/[Ca] 值随TDS增加而急剧升高,见图3-a。根据TDS与 [Na]/[ca]比值关系表明,浅层高氟地下水与深层 高氟地下水分别存在受不同的水文地球化学过程影 响的可能。研究区浅层地下水在强烈的蒸发浓缩作 用下,Na 的浓度会随TDS值增加而增大,见图3一 b,由于方解石和萤石溶解度的影响,Ca抖的浓度在 地下水中受到限制。因此,浅层高氟地下水中Ca抖 浓度在方解石和萤石过饱和的条件下能够维持在一 定的浓度水平。深层地下水受蒸发浓缩作用较弱, TDS值相对浅层地下水较低,但离子交换使得深层 地下水中的Na 含量增加,而Ca抖含量降低,从而 导致[Nal/J-Ca]值较高,并且随TDS增大而急剧增 加。因此,根据高氟地下水TDS与[Na]/[Ca]值的关 系,表明影响浅层高氟地下水的主要水文地球化学过 程是强烈的蒸发浓缩作用,而控制深层高氟地下水的 主要水文地球化学过程可能是阳离子交换作用。 TDS/(mg L ) 3-a TDS与[Na]/[Ca]比值关系 善 TDS/(mg‘L- ) 3-b Na+浓度与TDS值的关系 o:深层高氟地下水;●:浅层高氟地下水;v:低氟地下水 圈3大同盆地地下水TDS与Na/Ca比值散点图 Fig.3 Scatter plot of ratio of TDS to Na/Ca of groundwater in Datong Basin 52 山 西煤炭 第38卷 3 水化学因子分析 本次采样多数水样分布于盆地中心地下水排泄 区,土壤盐渍化程度较高,浅层地下水经历了较为强 影响,萤石溶解沉淀,导致地下水中F一浓度的上 2 0 8 6 4 2 0 升|4J。因此,地下水和含水层沉积物的相互作用导 致了水化学特征朝着HCO。一Na型演化,同时也导 致了氟的富集。 烈的蒸发浓缩作用,导致地下水TDS急剧增加。 根据地下水饱和指数计算结果,盆地地下水中 白云石和方解石处于过饱和状态,由于受到白云石 和方解石溶解度的共同影响,地下水中Ca抖会不断 研究区部分深层地下水具有高含量的砷和氟, Ca抖的低含量可能与Na 一Ca。 交换作用有关,阳 离子交换作用会导致地下水中Ca抖含量降低。 Na 一Ca 交换作用在深层地下水中较为显著,由 被沉淀,使Ca。 浓度受到限制,不断降低。地下水 中F一浓度与萤石饱和指数(SI)关系(图4)表明,浅 层和深层地下水中F一含量均受到萤石溶解沉淀的 于地下水中F~含量主要受到萤石溶解沉淀的控制, 所以高氟地下水具有低Ca特征。 一6 —5—4 —3 —2 一l 0 l 2 F一浓度与萤石饱和指数(SI)关系图 4-a地下水样 c(F’,(mmol·L ) 4_b萤石在25_C条件下的饱和曲线 o:深层高氟地下水;●:浅层高氟地下水;V:低氟地下水 图4萤石对地下水中氟浓度的控制 Fig.4 Control of fluorite on fluorine concentration in groundwater 水中白云石和方解石的沉淀影响F一的富集;而深层 4 高氟地下水的形成机制 盆地地下水水化学及因子分析表明,控制研究 地下水中Na 与Ca 的离子交换影响F一的富集。 区高氟地下水水化学特征的主要化学过程有:铝硅 5 结束语 对大同盆地高氟地下水开展的水化学及因子分 析研究表明: 酸盐矿物水解、碳酸盐矿物溶解沉淀、离子交换及蒸 发作用等。其中,铝硅酸盐矿物水解、碳酸盐矿物溶 解沉淀是浅层高氟地下水的主要水化学控制过程; 铝硅酸盐矿物水解和阳离子的交换作用是影响深层 1)大同盆地高氟地下水以HCO。一Na型水为 主。浅层和深层高氟地下水具有不同的水化学特 征,反应了不同的水化学过程对地下水中F一富集的 控制。 2)因子分析表明,地下水和含水层沉积物的相 高氟地下水的主要水化学控制过程。含氟矿物的水 解作用是影响氟含量的主要过程,而不是蒸发作用。 地下水和含水层沉积物的相互作用导致了水化学特 征朝着HCO。一Na型演化,同时也导致了氟的富 集。方解石和萤石是控制高氟地下水化学特征的主 要矿物,由于方解石的沉淀导致地下水中钙离子的 互作用导致了水化学特征朝着HCO。一Na型演化, 同时也导致了F一的富集。 3)萤石溶解的水化学过程控制F一在地下水中 缺失,有利于萤石溶解及地下水中氟的富集。 总之,高氟地下水有较高的离子浓度和不同的 水化学类型,适中的TDs。高浓度的Na 、 HCO。一,低浓度的Ca。 有利于F一在地下水中的富 集,萤石溶解控制F一在地下水中的富集,浅层地下 的富集,高浓度的Na 、HCO。一,低浓度的Ca。 有 利于F一在地下水中的富集。浅层地下水中白云石 和方解石的沉淀是F一的富集的重要影响因素;而深 层地下水中F一富集的重要影响因素是Na 与Ca 的离子交换。 (下转第57页) 第1期 杜恩广,等:热泵能源站的应用探索 57 A1一(10—3) 元/m /B×9个月×1O万In。一 4)年投资回报率一(F2。一P)/P/21 a=28.5 。 由此可见,一个好的地表水热泵能源站的收益 率有点让人“出乎意料”。 630万元。 A2一(10—3) 元/m /月×9个月×20万iTI = 1 260万元。 3)终值F 为第i年末的现金总值 F2一P+2A1一(一3 000)+630+630一 6 结论 从我国地热开发的新趋势不难看出热泵能源站 将是地源热泵未来发展的主要的形式。热泵能源站 (一1 740)万元, F3一F2+A2=(一1 740)+1 260一(一480) 并不是越大越好,它的实施有一些具体的要求。热 泵能源站是复合能源系统,是一个集多种能源方式 万元, F 一F。+A2一(一480)+1 260=780万元>0, 和技术的综合体。从财务角度出发,一个好的能源 站一定有一个好的投资回报。热泵能源站一定会得 到越来越多社会资本的认可,地热开发将进入一个 新的高度。 投资成本已收回,且盈利780万元, F2。一P+2A +18A2—20 940万元(不考虑残 值价值)。 参考文献: [1]华贲.分布式供能与区域能源的异与同[N/0L].中国能源报,2017-02—13[2017-12—31].http://paper.people.com.cn/zg nyb/html/2017-02/13/content一1750007.htm. 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