浅析沈丘县深层地下水氟高的成因

杨 飞，黄 凯

(1.河南省水文地质工程地质勘察院，河南郑州450045;2.河南省地矿局第二地质勘查院，河南许昌461000)

氟是地壳中普遍存在的微量元素，也是人体所必需的生命元素，在维持人体正常的新陈代谢过程中起着重要的作用，但其浓度过高或者过低对人体均有害。而人体所需的氟80%来自日常饮用水[1]。当饮用水中的氟含量超过1mg/L时即为高氟水。如果长期饮用高氟水可引起氟中毒。氟中毒时一种慢性的全身性疾病，早期表现为疲乏无力、食欲不振、头晕、头痛、记忆力减退等症状。过量的氟进入人体后，主要沉积在牙齿和骨骼上，形成氟斑牙和氟骨病。当氟含量超过1.5 mg/L时，将引起牙齿斑釉病，出现氟斑牙;当达到6～10 mg/L时，牙齿明显破损，造成骨质疏松，进而导致氟骨症;超过10 mg/L时，引起氟中毒，使胃腐蚀和肝、肾细胞变性[2]。

1 概况

沈丘县位于周口市东南部的豫皖交界处，西临项城市，西北、北部接淮阳县、郸城县，东南与安徽省的界首市、临泉县毗邻;地理坐标:东径 114°57'43″～ 115°21'31″，北纬 33°05'06″～33°31'45″，全县面积约 1069.92 km2。

沈丘县地形较为平坦，地势西北高东南低，地面高程最高42m，最低35.5m，地面比降为1/5000－1/7000，由西北向东南倾斜。地貌类型简单，属流水堆积地貌。根据成因类型及形态特征，全县分为沙颍河冲积平原、沙颍河沼泽平原、黄河泛流冲积平原三个地貌单元。

沈丘县境内主要河流有沙颍河和汾泉河，属于淮河水系。沈丘县年平均气温14.7°C。6－9月份占全年降水量的62.4%，12月至翌3月占总降水量的15.6%。区内多年平均蒸发量1185 mm，约为多年平均降雨量的1.4倍。

沈丘县全境处于广阔的沙颖河冲积平原上，第四系松散地层厚度可达360～410m，赋存孔隙水;新近系上新统最大揭露厚度257m，砂层无交结，松散，赋存孔隙水。本区含水层在垂向上分为浅、深两个含水层。浅层含水层组由地表以下50～70m深度内的砂层、粉质粘土、粉土层组成的浅层含水层组。深层含水层(组)顶板埋藏50～70m，底板埋深360～410m，由中更新统下粉细砂、细砂、中细砂组成;深层含水层(组)与浅层含水层(组)之间由较大厚度(一般60～100m)的粉土、粉质粘土、粘土层相隔，水力联系非常微弱。深层含水层是本次研究的对象。

从地下水的埋藏条件来看，本区深层含水层与其上部含水层有巨厚的粉质粘土、粘土层相隔，接受其上部含水层中地下水的补给非常微弱，因此，来自西部、西北部上游地段的地下水径流补给是其最主要的补给来源。而强开采地段(如县城一带)，其补给来源是其周围地下水径流补给。地下水总体流向是自西北流向东南，与物质来源一致。水力坡度约1/15000，地下径流滞缓。但局部开采地段地下水径流强烈，如县城一带，水力坡度约1/100。排泄途径除有地下径流方式排出区外，城镇生活及工业开采是其主要的排泄方式。

2 高氟水的成因分析

形成地下水氟高的成因，一是与本区的水文地质条件有关，二是与本区地下水的水文地球化学环境有关。

2.1 水文地质条件因素

1)水文条件

本区地下水总体流向是自西北流向东南，水力坡度约1/15000，地下径流滞缓。地下径流滞缓，地下水交替缓慢，排泄不畅，为氟的富集创造了有利条件。

2)地质条件

地下水水中氟的形成需具有提供氟源的地质背景，即具有含氟岩石的存在。本区的中、上更新统的粘性土体供氟源主要为含氟矿物黑云母、角闪石，且在粘粒和胶粒表面呈分散状存在的易溶氟化物NaF和难溶氟化物CaF2等。以上这些岩石都为地下水中氟的富集提供了物质来源。

2.2 水文地球化学环境因素

1)氟与PH的关系

本区内所采集水样PH值变化范围在7.5～8.64之间，构成了弱碱性环境。由图1可以看出，当F－≤1 mg/L时，PH值多在7.67～8.2之间，平均值为8.07;当F－ ＞1 mg/L时，PH值多集中多在8.2～8.6之间，平均值为8.38。可见地下水在弱碱性环境下为氟的迁移搬运提供了条件，氟在碱性环境中极为活跃，常呈离子状态存在，形成了本区分布范围较大的高氟水。

2)氟与溶解性总固体的关系

由图2可以看出，当F－≤1 mg/L时，溶解性总固体值在452～714 mg/L之间，平均值为569 mg/L;当F－含量＞1mg/L时，溶解性总固体值多集中在500～1000 mg/L之间，平均值为719 mg/L。在溶解性总固体变化空间不大的情况下(500～1000 mg/L之间)，F－浓度随着 TDS增大有升高趋势，在溶解性总固体大于1000 mg/L时，F－浓度有减小趋势但仍大于1。深入分析，造成F－浓度减小的原因可能是F－与地下水中某些离子发生了化学反应，形成络合物，降低了F－浓度[3]。

图1 F－与PH值变化关系图

图2 F－与溶解性总固体值变化关系图

3)氟与HCO3—Na型水的关系

从piper图(F－含量＞1 mg/L)(图3)上可以看出，影响高氟水浓度的优势阳离子为Na+，毫克当量百分比在62%以上;优势阴离子为HCO3－，毫克当量百分比在50%以上。可见Na离子占优势的地下水往往有利于F的富集，HCO3占优势的碱性环境中有利于含氟矿物中可交换的氟离子被水中的羟基置换而释放到水中，因此高氟水与HCO3—Na型水密切相关，HCO3—Na型有利于氟的迁移和富集。

图3 piper三线图(F－含量＞1 mg/L)

4)氟与Ca2+的关系

本次运用美国地质调查局研发的PHREEQC[4]地球化学模拟软件计算了地下水萤石CaF2的饱和指数SI值在－3.52～－0.71之间，均小于0，均未达到饱和。所有水样都落在萤石的溶度积曲线以下(图4);可见地下水水中的氟多以离子形式出现，这也是地下水水中氟高的原因之一。

图4 F与Ca2+浓度的关系图

3 高氟水泡茶试验

很多人喜欢喝茶叶水，因为茶水有很多好处;但是高富水地区用茶叶泡水后，茶叶水有益处吗?氟的含量是否会降低?带着这个疑问，我们做了一个实验，即先测下高氟水的本底值(F－原)，然后把高氟水煮开后，分别用信阳毛尖及普洱茶进行泡水，半个小时分别测其氟的含量。

由表1可知，煮开后的高氟水比本底值略高，其原因是浓缩的作用。用高氟水泡的茶叶水，氟的含量都有显著提高，提高幅度约在27% －72%之间;其原因是茶叶呈碱性。可见，在高氟水地区尽量少喝茶叶水。

表1 氟的含量对比表

4 结语

由于沈丘县浅层地下水受到污染，自2005年农村饮水安全工程实施以来，沈丘县开始开凿深井，取水段在120～400m，但是深层地下水多数为高氟水。本文查明了沈丘县地下水氟高的成因，为沈丘县城乡供水工程开发利用饮用地下水资源提供水文地质依据，为沈丘县水利局下一步开展除氟工作指明了方向。

[1]张群，李同贺，吕晓红.塔里木盆地西部地区氟分布规律及成因分析[J].水资源保护，2010.7，Vol.26 No.4:43 －45

[2]赵锁志，王喜宽，黄增芳，等.内蒙古河套地区高氟水成因分析[J].岩矿测试，2007.8，Vol.26 No.4:320 －324

[3]刘进，许光泉.浅层地下水氟的水化学特征及其水文地球化学成因[J].中国农村水利水电，2010.4:33 －35

[4]刘瑞平，朱桦，杨炳超，等.大荔潜水含水层中氟的赋存规律及水化学成因[J].西北地质，2008.6，Vol.41 No.4:134－140