德州市地下水锰含量的分布特征及成因分析

2017-03-08任金峰

地下水 2017年1期

关键词：县市区井点德州市

任金峰

(山东省德州市水利局，山东德州 253014)

德州市地下水锰含量的分布特征及成因分析

任金峰

(山东省德州市水利局，山东德州 253014)

德州市位于华北平原东南部，属于典型黄河下游冲击平原空隙水文单元，具有咸淡两种水体共存的水环境特征，针对德州市浅层地下水和深层地下水锰含量的分布特征分析，表明含水层介质及上覆盖层性质、酸碱条件、氯离子含量和氧化还原环境是造成该地区地下水锰含量分布特点的主要因素，而人类活动对该市地下水赋存状况扰动,水质发生变化，使深层地下水中Mn2+含量普遍较低。

地下水；锰含量；分布特征；成因分析

德州市位于华北平原的东南部，属于典型的黄河下游冲积平原孔隙水水文地质单元，具有咸、淡两种水体共存的水环境特征。地下水赋存于第四系和第三系松散沉积物的孔隙中，含水层(组)在空间分布上，结构复杂、重叠交错，具有明显的分带性。按含水层(组)在垂向上的埋藏条件和水化学成分的差异，将800 m以内的地下水分为浅层淡水(埋深60 m以内)、中层咸水(顶界面埋藏深度平均为60 m，底板埋藏深度190～250 m)和深层承压淡水(顶板埋藏深度平均为200 m，底界面埋藏深度为600～800 m)三个含水层(组)。

进入20世纪80年代以来，随着工农业生产和人畜饮水的需求，人类开发活动导致了引黄灌溉县市区地下水位较高和机井灌溉县市出现地下水漏斗的环境地质问题，使本区地下水化学场发生了较大变化。本文根据德州市地下水监测资料，对与人类中枢神经、智力和生殖功能有关的锰的分布特征及特点和成因做了初步分析研究，对于促进当地人畜安全用水具有十分重要的意义。

1 地下水中锰含量分布特征及特点

1.1 样品采集概况

在全市范围内依据面平均布点原则对浅层地下水监测井取样474件，其中符合饮用水标准(Mn≤0.1 mg/L)160件，占取水水样的33.8%；对深层地下水监测井取样343件，其中符合饮用水标准(Mn≤0.1 mg/L)305件，占取水水样的88.9%。这些点位的布设能够反映出全市浅、深层地下水总体概况。

1.2 浅层地下水锰含量分布特征及特点

1.2.1 浅层地下水锰含量分布特征

符合国家生活饮用水标准(Mn≤0.1 mg/L)井点的分布区面积为3 653.8 km2，占全市面积的35.3%;超过国家生活饮用水标准(Mn>0.1 mg/L)井点的分布区面积为6 702.2 km2，占全市面积的64.7%，其中0.1 mg/L1.0 mg/L井点的分布区面积为258.9 km2，占全市面积的2.5%(图1)。除齐河县、禹城市、平原县、陵县和德城区大于41%的区域面积锰含量未超出生活饮用水卫生标准外，其余县市锰含量未超标的区域面积均小于13%，部分区域锰含量较高，特别是庆云、临邑、武城、夏津、宁津五县和乐陵市均属于高锰区(图2)。全市最大值2.84 mg/L，超标27.4倍，出现在庆云县崔口镇小屯村(浅井6 m)。

图1 德州市浅层地下水锰含量分布图

图2 德州市各县市区浅层地下水锰含量分布面积对比图

1.2.2 浅层地下水锰含量分布特点

从图1和图2可见，符合国家生活饮用水标准(Mn≤0.1 mg/L)井点的分布区主要位于引黄老灌区上的齐河县、禹城市、平原县、陵县和德城区。而锰含量超标区主要位于引黄下游的井灌县市。

1.3 深层地下水锰含量分布特征及特点

1.3.1 深层地下水锰含量分布特征

符合国家生活饮用水标准(Mn≤0.1 mg/L)井点的分布区面积为9 803.9 km2，占全市面积的94.7%;超过国家生活饮用水标准(Mn>0.1 mg/L)井点的分布区面积为552.2 km2，占全市面积的5.3%，其中0.1 mg/L1.0 mg/L井点的分布区面积为20.1 km2，占全市面积的0.2%。全市各县市区深层地下水锰含量超标的区域较少(图3)，超标区主要有武城县甲马营乡、腾庄镇；宁津县张大庄乡、杜集镇；乐陵市铁营乡、丁乌镇和禹城市房寺镇、安仁乡。

1.3.2 深层地下水锰含量分布特点

占全市面积94.7%的深层地下水锰含量符合国家生活饮用水标准(Mn≤0.1 mg/L)，远高于全市浅层地下水锰含量的达标率。

图3 德州市各县市区深层地下水锰含量分布面积对比图

2 锰含量分布特征成因分析

2.1 浅层地下水

1970年以前，德州市工农业生产和居民生活用水以开采地下水，尤其是浅层地下水为主，为缓解当地地下水量少质差的窘境，自70年代初期开始先后兴建了潘庄、李家岸两处大型引黄灌区和韩刘、豆腐窝两处中型引黄灌区，全市农业生产逐渐形成了引黄上游县市区以引黄灌溉为主、引黄下游县市以井灌为主以引黄灌溉为辅的格局。

但自90年代始，黄河经常发生断流，1992-1998年的7年中，黄河德州河段平均每年断流54.7 d，严重影响了德州经济和社会的发展，尤其农业损失更大。为此，市委、市政府提出以井保丰、以河补源的方针，全市尤其引黄下游县市机井建设再掀高潮，因起初缺乏统一规划，机井建设盲目性大，布局失调，造成引黄下游县市因超采地下水形成浅层漏斗，引黄上游县市区因超灌黄河水产生次生盐渍化等环境地质问题。由此，人类生产活动对当地地下水尤其浅层地下水水环境造成了扰动和影响。

引黄上游县市区，在农田灌溉时，多余的含溶解氧的黄河水入渗补给浅层地下水。地下水中溶解氧(O2)是最强的氧化剂，它可以使地下水中所有组分(元素)都处于最高氧化态。含溶解氧(O2)黄河水的入渗补给，使浅层地下水中锰发生了氧化反应：

O2+2Mn2++2H2O=2MnO2(固)+4H+

从而使浅层地下水中Mn2+含量降低。

另一方面，井灌超采区，浅层地下水位下降，使较深部位浅层地下水处于还原状态。地层内有机物质是最强的还原剂，它可以使所有的组分(元素)都处于最低氧化态(还原态)。随着浅层地下水位的下降，发生了如下的还原反应：

CH2O+2MnO2(固)+3H+=2Mn2++HCO3-+2H2O

从监测结果得知，浅层地下水位下降区域，多表现为Cl-、SO42-含量较高区域，进一步加剧了锰的还原。由此使浅层地下水中Mn2+含量升高。

2.2 深层地下水

根据德州市深层地下水监测数据分析结果，随埋藏深度的增加，深层地下水水化学类型由Cl·SO4-Na型渐变为HCO3-Na型，趋于淡化，阳离子中的Na+、Ca2+、Mg2+和阴离子中的Cl-、SO42-的浓度由高逐渐降低，而pH和F-的浓度却由低逐渐升高。深度200 m以下地下水中Na+含量占阳离子总量的90%以上，HCO3-含量约占阴离子总量的50%～60%，HCO3-是弱酸根，与Na+可以发生水解反应，呈现碱性，即：

Na++HCO3-+H2O→Na++H2CO3+[OH]-

上述水解反应决定了深层地下水具有偏碱性的水化学环境。在碱性水化学环境中，Mn2+与OH-发生如下反应：

Mn2++2OH-=Mn(OH)2↓

从而使深层地下水中Mn2+含量较低。