淮河流域平原区浅层地下水铁锰分布特征及成因浅析＊

2014-03-18周锴锷王赫生龚建师侯莉莉朱春芳

华东地质 2014年2期

周锴锷，王赫生，龚建师，侯莉莉，朱春芳

（南京地质矿产研究所，江苏南京 210016）

淮河流域地貌类型主要有山区、丘陵、平原及湖泊洼地，其中平原区占52%以上，区内浅层地下水资源较为丰富。随着地表水水质的不断恶化，水资源短缺问题更显突出，开采地下水是淮河流域内大多数地区解决缺水出路的一个主要方式，浅层地下水成为农村地区生活饮用的主要水源。根据淮河流域地下水的水文地质条件，浅层地下水可定义为可参与浅部水循环交替的地表以下20～50m 深度范围内的潜水和微承压水［1］。据淮河流域2004－2006年的水质分析资料，部分浅层地下水中存在铁锰超标现象（饮用水水质标准规定铁含量限值为0．3mg／L，锰含量限值为为0．1mg／L）。铁、锰是人体必需的微量元素，但饮用水中含量过高，会直接影响人体健康［2］。因此，为保障淮河流域平原区饮水安全，分析其分布特征及规律具有十分重要的意义。

1 研究区概况

1．1 自然地理

淮河流域（包括淮河水系和沂沭泗水系）位于东经111°55′～120°45′、北纬30°55′～36°05′之间，面积约26．9万km2，地域主要涉及河南、安徽、江苏和山东四省。淮河流域地形的总趋势是西高东低，流域内有山区、丘陵、广阔的平原及湖泊洼地。其中平原区面积20．1万km2，气候自北向南由暖温带过渡到亚热带区内气候温和、四季分明。

1．2 水文地质条件

松散岩类孔隙水是淮河流域平原区分布最广泛、最具有供水意义的含水层组，按其埋藏深度可分为浅层地下水和深层地下水。浅层含水岩组一般埋藏在地下50m 以浅，包括全新统、上更新统及部分中更新统地层，岩性主要为粉砂与细砂，厚5～30 m，水质具有水平和垂向分带的变化规律。其分布与富水性变化受古河道带的控制，呈条带状展布。浅层孔隙地下水水位主要受降水、蒸发及地表水影响，水位变幅一般为1．5～2．5m［3，4］。

2 淮河流域平原区浅层水铁锰分布特征

本文以国家地质大调查项目《淮河流域环境地质调查》为基础，在淮河流域内含水层的不同层位进行了统一的水样采集工作。地下水测试样品采集在地下水埋深小于50m 层位进行，共采水样3260件。埋深小于50m 的地下水样采集以民井为主，部分为手压井及灌溉用机井，埋深小于50m 的地下水为广大农村居民的饮用水水源，调查该层位的地下水水质状况对农村居民的安全饮水问题有很大帮助。

2．1 浅层地下水中铁元素含量的分布特征

根据在研究区地下水中检测出的铁浓度值，按照地下水质量标准，研究区可划分为≤0．1mg／l（Ⅰ类水）区，0．1～0．2mg／l（Ⅱ类水区），0．2～0．3mg／l（Ⅲ类水）区，0．3～1．5mg／l（Ⅳ类水）区和＞1．5mg／l（Ⅴ类水）区五个区（图1）。

≤0．1mg／l（Ⅰ类水）区：分布于河南段荥阳市－漯河市－罗山县－固始县、柘城县北部－永城市西部，山东段东明县－单县－兖州市－滕州市－微山县，安徽段淮北市北部与南部、亳州市北部与南部、宿州市－灵璧县、阜阳市、阜南市、淮南市、天水市西部，江苏段丰县－沛县－徐州市、邳州市－宿迁市－泗阳县、泗洪县、盱眙县、灌南县东南等地，面积71514．27km2，占评价区39．59%。

0．1～0．2mg／l（Ⅱ类水区）：分布于河南段郑州市外围、开封市西部－尉氏县－太康县－柘城县、夏邑县东部与南部、叶县、周口市、西平县、上蔡县西部－息县外围－固始县北部，山东段鄄城县西部、郓城县、荷泽市、曹县－单县南部，安徽段砀山县东南、宿州市北部－涡阳县－固镇县西部－颖上县、天水市西部，江苏段丰县－沛县南部、邳州市西北、宿迁市东部－淮阴市－睢宁县、灌南县等地，面积37113．35km2，占评价区20．54%。

图1 淮河流域浅层地下水（0～50m）铁含量分布图Fig．1 Distribution of Fe contents in shallow groundwater（0～50m）of the Huaihe River valley

0．2～0．3mg／l（Ⅲ类水）区：分布于河南段郑州市外围、尉氏县北部、太康县－商丘市东部－夏邑县－永城市、上蔡县西部－驻马店南部、新蔡县西部－固始县北部、息县，山东段鄄城县西北、荷泽市、郓城县，安徽段砀山县、淮北市－亳州市南部、蒙城县、利辛县－阜阳市西部、颖上县、蚌埠市－五河县、天水市西部，江苏段邳州市西北部、宿迁市东部－淮阴市、东台市西南等地。面积22069．53km2，占评价区12．21%。

0．3～1．5mg／l（Ⅳ类水）区：分布于河南段郑州市、开封市－兰考县－商丘市、尉氏县北部、扶沟县东部、淮阳县、周口市西部、上蔡县－驻马店市、新蔡县、淮滨县、潢川县西部，山东段鄄城县西北、郓城县西南、荷泽市北部，安徽段砀山县西北、淮北市、亳州市、利辛县、临泉县西部－阜南县南部、固镇县西部、泗县南部、灵璧县北部，江苏段宿迁市东部、连云港－滨海县－涟水县－兴化市－海安县等地，面积40998．67 km2，占评价区22．69%。本区含量超标，一般超标0．03～1．00倍。

＞1．5mg／l（Ⅴ类水）区：分布于河南段开封市东部、民权县东南、上蔡县东南、新蔡县南，山东段鄄城县西北，安徽段阜阳市西南、阜南县南部、蚌埠市北部，江苏段泗洪县南部、洪泽县北部、射阳县－盐城市－大丰县、泰州市等地，面积8980．98km2，占评价区4．97%。本区含量超标倍数较多，一般超标4．40～14．00倍。河南段最大值出现在开封县兴隆乡，含量7．55mg／l，超标24．16倍。

2．2 浅层地下水中锰元素含量的分布特征

根据研究区地下水中检测出的锰浓度值，研究区可分为以下4个区（图2）：

图2 淮河流域浅层地下水（0～50m）锰含量分布图Fig．2 Distribution of Mn contents in shallow groundwater（0～50m）of the Huaihe River valley

≤0．05mg／l（Ⅰ、Ⅱ类水）区：分布于河南段荥阳市－禹州市－汝州市、鹿邑县、虞城县北部、永城市西部、上蔡县南部－确山县，山东段汶上县北部－兖州市－微山县、济宁市北部、荷泽市东部－成武县北部，安徽段亳州市、界首市东北、涡阳县北部、太和县北部、利辛县南部、淮南市、五河县、天水市，江苏段丰县、邳州市－宿迁市北部－泗洪县、盱眙县等地，面积19850．72km2，占评价区10．99%。

0．05～0．1mg／l（Ⅲ类水）区：分布于河南段郑州市－杞县－长葛市－鲁山县、太康县、西华县、鹿邑县、永城市、商水县、郸城县－沈丘县、上蔡县－正阳县－罗山县，山东段济宁市北部、荷泽市东部－成武县、单县，安徽段砀山县西北、淮北市西北及市区－利辛县－阜南县－灵璧县、天水市西北部与东部，江苏段丰县、邳州市、宿迁市－沭阳县、泗洪县西部、淮阴市南部、盱眙县东部、洪泽县南部、金湖县南部等地。面积49336．07km2，占评价区27．31%。

0．1～1．0mg／l（Ⅳ类水）区：分布于河南段郑州市北部－商丘市－柘城县－平舆县－固始县，山东段东明县东部－巨野县－单县，安徽段砀山县－淮北市、亳州市北部与南部、界首市北部、太和县、阜南县南部、颖上县、泗县、蚌埠市，江苏段邳州市北部、宿迁市、连云港－盐城市－泰州市面积106060．43km2，占评价区58．7%。本区含量超标，一般超标0．1～7倍。

＞1．0mg／l（Ⅴ类水）区：分布于河南段驻马店东部、新蔡县东南、淮滨县东部，山东段鄄城县东部、郓城县、嘉祥县南部，安徽段淮北市北部，江苏段泗阳县南部、淮阴市－建湖县等地，面积5429．57km2，占评价区3．01%。本区含量超标倍数较多，一般超标10．10～15．00倍。河南段最大值出现在郾城县新店乡齐罗村，含量1．71mg／l，超标16．10倍。

3 淮河流域浅层水中铁锰的形成原因及危害

埋深0～50m 的地下水中铁含量为0．3～7．55 mg／l，锰含量为0．1～1．94mg／l（图1、图2），铁、锰含量较高的超标区域在淮河流域平原区中呈岛状分布。

铁、锰的主要形成原因是淮河流域内第四纪各个时期均沉积有铁、锰组分，早更新世流域上游山前地带及中游偏上沉积有含钙质结核及铁锰小球的地层，且砂层中含黄铁矿晶体；中更新世流域内上游及中游沉积富含钙质结核及铁锰小球的亚粘土。如河南省下更新统含豆大的铁、锰结核，中更新统亦含较多的铁、锰结核及铁锰质侵染，上更新统下部亦含有铁锰结核。这为流域内浅层地下水中铁锰的聚集提供了物源基础。

据全区水质分析资料，流域内第四系和第三系含水层水质多为弱酸性水质，铁的溶解度在酸性水溶液中大于碱性溶液。在上述环境地质条件下，地层中铁锰质结核及黄铁矿、赤铁矿含铁硅铝酸盐等在地下水中溶解，影响铁锰的富集和迁移［5］。这些铁和锰质组分在淋滤、地下水运移过程中溶解于地下水，造成含量升高。另外，人类活动造成的污水进入地下水中激发地层中的铁和某些组分发生交换使铁含量升高。

据有关研究资料，高铁地下水从含水层抽到地表的过程中，由于氧化还原环境、压力、不同层位的水混合等条件的骤然变化，会在井管过滤器及附近地层发生铁的氧化物沉淀、矿化物等物质沉淀，导致出水量衰减，影响水井正常使用，而且含铁的水中铁细菌广泛存在是井管堵塞和腐蚀的重要因素细菌对水质的影响也具有潜在的危险性。另外，污水中的有机质属较强的还原剂，可将土壤中的高价锰还原为二价锰，同时，有机微生物降解反应产生CO2，二价锰在水中与CO2作用而溶解，造成锰含量升高［6－9］。

铁锰和植物的生理过程也密切相关，植物所处的地质条件及气候决定了其内铁锰的含量。在沼泽或洪水泛滥区，由于植物中的铁锰被萃取而溶于水中，使附近地表水、地下水中的铁锰含量增高。当发育有湖沼相、牛轭湖相、漫滩相沉积物时，尤其发育有淤泥或泥炭时，铁锰离子就会发生富集，而在洪积相、冲积相或河流上游的沉积物中，一般地下水中含铁量较低［10］。

有机物质和硫化氢在地下水中都是较强的还原剂，使得高价锰还原为低价锰。因此，有机质含量较高或与大气隔绝较好的封闭还原环境及地下水中含量较高的酸性介质环境是高锰的水文地球化学环境，与富铁的水文地球化学环境相同。因此，pH 值是地下水中铁、锰含量大小的原因之一［11］。江苏段超标区域主要位于废黄河河床、漫滩相以外的地区与河间洼地等地带，沉积颗粒细及地下水径流条件差，易于富集。

综上所述，认为淮河流域地下水中铁锰的形成和分布特征除受含水介质成分、径流条件、上覆土层性质、酸碱条件等影响外，主要受氧化还原环境控制。人体摄入过量会引起中枢神经中毒，震颤麻痹，长期饮用高铁地下水可引起脏器官内铁沉淀，使肝脏受损。因此，淮河流域浅层地下水高铁锰含量地区，在饮用时必须采取相应的措施。降低地下水中铁锰含量的方法有如下几种，一是采用曝气法配合采用除铁除锰设备进行水质处理，可取得良好的效果；二是采用木炭、河砂过滤掉地下水中的铁锰；三是根据用途选择适当的开采层位，寻找铁锰含量低的饮用水源，配合除铁锰工艺已达到各自的用水目的；四是优化水井结构，下部井管尽量避免采取铁丝、铜丝结构［12－15］；五是通过改变地下水循环条件，促进铁锰的迁移排泄，降低其含量。