华北平原浅层含氟地下水演化特点及成因

摘要：以华北平原浅层地下水中氟为研究对象，在收集历史资料、实地水文地质调查、取样分析的基础上，运用水化学图解、统计分析、水文地球化学模拟等方法，对比分析了历史阶段（980～985年）和现阶段（2005～200年）F-质量浓度空间分布，探讨了现阶段华北平原浅层地下水中F-的空间分布特征、演化特点及成因。结果表明：现阶段高氟水的区域范围相比历史阶段明显增加；从山前冲洪积倾斜平原补给区（Ⅰ区），到中部冲积湖积平原缓慢径流区（Ⅱ区），最后到东部冲积海积滨海平原排泄区（Ⅲ区），浅层地下水中F-质量浓度呈低高低的变化；高氟水的水化学类型较为复杂，CO-3和Na+富集的苏打型碱性水化学环境有利于F-的富集，而Ca2+、Mg2+则会抑制F-的富集；高氟水的形成与其迁移、赋存的环境条件有关，在Ⅰ区地下水中F-质量浓度主要受萤石溶解作用、F-解吸作用控制，在Ⅱ区地下水中F-质量浓度受蒸发浓缩作用、萤石溶解作用、方解石白云石沉淀作用、F-解吸作用等控制，而在Ⅲ区高氟水主要受方解石白云石的沉淀作用、F-解吸作用、阳离子交换吸附作用等控制。

关键词：地下水；氟离子；水文地球化学；空间分布；演化特点；水化学特征；成因；华北平原

中图分类号：P643 文献标志码：A

0引言

氟是自然环境中广泛分布且人体必需的化学元素之一；人体中的氟有2/3来自食物，/3来自饮用水。但是食物中的氟由于构成复杂不易被人体吸收，而饮用水中的氟则大部分能被人体吸收，所以地方性氟病与饮水有直接关系。《生活饮用水卫生标准》（GB 5749—2006）和《地下水质量标准》（GB/T 4848—93）［2］均规定：饮用水中F-质量浓度不得超过0 mg·L-。F-质量浓度超过0 mg·L-的水为高氟水，长期饮用高氟水可引起慢性氟中毒［3］。

华北平原存在范围较大的高氟地下水区，属于高氟水重灾区。前人在该区曾做了大量有益的地质调查及相关研究，取得了许多重要成果。曾溅辉等以河北邢台山前平原为例，运用地下水质量平衡反应模型的理论和方法，建立了浅层地下水氟的质量平衡反应模型，探讨了氟的化学演变过程和形成机制［4］。曾溅辉等还对高氟区浅层地下水氟的溶解/沉淀作用进行了定量讨论，确定了控制浅层地下水中氟迁移和富集的固相沉淀物以及不同化学类型的浅层地下水中含氟固相沉淀物的溶解沉淀条件［5］。任福弘等应用水文地球化学模拟的理论和方法对研究区浅层高氟水进行地球化学定量研究，进一步分析了氟的组分存在形式与地氟病患病率的相关关系［6］。曾溅辉等将浅层地下水与非饱和带土体作为一个完整的水文地球化学系统，指出非饱和带土体的氟源强度直接受控于土体的矿物成分、化学成分和粒度组成，而浅层地下水体聚集和保存氟的条件主要取决于浅层地下水的化学成分特征［7］。李世君等以北京大兴区地下水为研究对象，分析了第四系高氟水的分布规律，为指导开发利用地下水提供了依据［8］。

笔者以氟为研究对象，充分利用20世纪80年代以来的历史监测数据及200年的取样分析成果，运用统计分析、离子比值、水文地球化学图解等方法，综合研究了华北平原浅层地下水中氟的演化特点，探讨了演化过程中的一些关键控制因素。

研究区概况

华北平原位于中国东部，西起太行山东麓，东至渤海湾，北起燕山南麓，南至黄河，是黄淮海平原的一部分。行政区域包括北京、天津、河北3省（市）相连平原区和河南、山东2省黄河以北的平原区，面积39×04 km2，共计9市80县（市），人口0 7768×04，是中国水资源最为短缺的地区之一，人均水资源量只有450 m3左右，是中国经济发展受水资源制约最严重的地区之一［9］。华北平原属北温带半干旱半湿润气候区，年均气温4 ℃～4 ℃，受季风影响，降雨量自东南向西北由 200 mm逐渐减少到400 mm，年均蒸发量 000～2 000 mm。

华北平原地下水主要赋存于第四系孔隙地下含水岩系中，根据其埋藏特征和水力性质，自上而下划分为4个含水层组：第含水层组底界面埋深0～50 m，是地下水积极循环交替层；第2含水层组底界面埋深20～20 m，属于微承压、半承压地下水，地下水循环交替能力较强，是该区农业用水主要的地下水开采层；第3含水层组底界面埋深250～30 m，是目前深层承压地下水主要开采层；第4含水层组底界为第四系基底。按照目前地下水开采深度及含水层的开启程度，可将含水层组划分为浅层地下水和深层地下水，第含水层组的地下水为浅层地下水，第2～4含水层组的地下水为深层地下水。山前平原的第、2含水层组的地下水已经混合开采，故统称为浅层地下水。

根据华北平原第四纪地质地貌、地下水动力特征及地下水化学特征，华北平原地下水在平面分布上呈现明显的分带规律，从山前到滨海形成一个完整的、统一的地下水系统。从西部山麓至东部渤海海岸，华北平原可划分为山前冲洪积倾斜平原补给区（Ⅰ区）、中部冲积湖积平原缓慢径流区（Ⅱ区）和东部冲积海积滨海平原排泄区（Ⅲ区）（图）。浅层地下水以大气降水、河流季节性补给为主，西部接受上游侧向补给，地下水从西流向东或东北，东部径流滞缓，水力坡度为/750～/2 600，以人工开采和蒸发排泄为主［0］。

2材料与方法

为了充分反映浅层地下水中F-质量浓度随时间的变化规律，使用2个阶段的浅层地下水监测结果：历史阶段（980～985年；图2）和现阶段（2005～200年；图3）。对于现阶段（2005～200年），采用572个浅层地下水的分析结果。其中，45个为200年7月采集的，另外527个为2005～2008年地下水近期监测资料。所采集的地下水样品均来自于深度小于60 m的抽水井。地下水采样点分布见图。对于历史阶段（980～985年），使用208个浅层地下水的监测数据。

3浅层地下水中氟的空间分布与演化

3浅层地下水中氟的空间分布

从图3可以发现，2005～200年华北平原大部分地区浅层地下水F-质量浓度ρ（F-）小于0 mg·L-。地下水中F-质量浓度最高为59 mg·L-，出现在河北任丘，大于50 mg·L-的点分别分布在山东乐陵（58 mg ·L-）、河南濮阳（56 mg·L-）、天津蓟县（53 mg·L-）。F-质量浓度高于0 mg·L-的地下水主要分布在河北任丘、石家庄、廊坊、香河，天津市区、蓟县，山东乐陵、德州、临清至河南濮阳、长垣、封丘一线周边地区；而高于20 mg·L-的主要位于中部冲积湖积平原缓慢径流区。受到地下水径流条件的影响，地下水中氟的分布与华北平原水系走向较为吻合。除北京外，华北平原其他省市均出现局部高氟区。高氟地下水均呈局部小范围分布，主要由自然条件所造成。