（环境工程专业论文）安徽淮北平原浅层地下水氟的分布特征及迁移试验研究.pdf

摘要 摘要 氟是与人体健康密切相关的微量化学元素。人体中的氟大部分来自饮用水， 作为饮用的地下水，其含氟的大小是环境健康中一个值得关注的课题。论文在查 阅国内外相关文献的基础上，以安徽省淮北平原浅层地下水中氟为研究对象，根 据淮北平原浅层地下水的水文地质条件，通过现场调查、采样、测试、分析，得 出该地区浅层地下水的水化学类型主要以n a - c a - h c 0 3 型、n a - h c 0 3 型、n a - s 0 4 型、n a - m g - h c 0 3 s 0 4 型为主。其氟含量在平面上，具有由中部向西北部增高， 向东南部逐渐降低的变化特征；在垂向上，北部超标集中在1 9 2 2 m 范围，中部 集中在1 3 5 2 0 m 之间，而南部氟含量大都低于1 0 m g l 。浅层地下水中的氟与p h 之间具有正相关关系，与硬度则具有负相关关系。与e h 、e e 、t d s 之间，其相 关性在空间上，差异明显。氟与( c a 2 + + m 9 2 + ) ( n a + + k + ) 、( s 0 4 2 + c l ) h c 0 3 。在空间 上也有不同程度的相关性。此外，根据淮北平原的饱和一非饱和带的结构特征，设 计氟的淋滤模拟试验，揭示氟离子在浅层地下水中的迁移与变化规律。结果表明 氟元素的运移具有明显的滞后性，氟离子浓度衰减变化基本符合指数衰减曲线规 律。氟离子浓度峰值沿土柱深度方向呈现二次函数衰减关系。最后，分析了浅层 地下水中氟的影响因素及形成机理，并根据采样区浅层高氟水改水现状和存在问 题，提出具体措施和建议。 图【6 0 】表【2 1 】参【5 8 】 关键词：淮北平原；浅层地下水；水文地球化学；氟；迁移试验 中图分类号：x 5 2 3 安徽理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t f l u o r i d e ，w h i c hi sc l o s e l yr e l a t e dt oh u m a nh e a t h , i st h et r a c ec h e m i c a le l e m e n t h u m a nb o d y sf l u o r i n ec o m e sf r o md r i n k i n gw a t e rm a i n l y , a sad r i n k i n g ，c o n t e n to f w h i c hi sw o r t ha t t e n t i o n a lt o p i cf o rt h ee n v i r o n m e n t a lh e a l t h r e f e r e n c et oal o to f m a t e r i a la b o u ti t , f l u o r i d ef r o ms h a l l o wg r o u n d w a t e ri st a k e ni nh u a ib e ip l a i na s s t u d y i n gp r o j e c t b a s e do nh y d r o g e o l o g i c a lc o n d i t i o n so fs h a l l o wg r o u n d w a t e ri nt h e h u a i b e ip l a i n , c o n c l u d e dt h a tt h eh y d r o c h e m i s t r yt y p ea r em a i n l yn a - c a - h c 0 3 t y p e ，n a - h c 0 3t y p e ，n a - s 0 4t y p e , n a - m g - h c 0 3 一s 0 4t y p eo fs h a l l o wg r o u n d w a t e ri n t h i sa r e at h r o u g hs p o ti n v e s t i g a t i o n , s a m p l i n g ，t e s t i n g ，a n a l y s i s f l u o r i n ec o n t e n ti nt h e p l a n eh a si n c r e a s e df r o mt h ec e n t r a lt on o r t h - w e s ta n dd e c r e a s e df r o mt h ec e n t r a lt o s o u t h e a s t ；o nv e r t i c a l ，t h er a n g ei sa t19 - 2 2 ms c o p ei nn o r t ha n d13 5 - 2 0 ms c o p ei n t h ec e n l r a l ，b u tn o te x c e s s i v ei ns o u t h i ti sp o s i t i v ec o r r e l a t i o nb e t w e e nf l u o r i n ea n d p h ， a n dn e g a t i v ec o r r e l a t i o nb e t w e e nf l u o r i n ea n dh a r d n e s si ns h a l l o wg r o u n d w a t e r t h e d i f f e r e n c eo ft h ec o r r e l a t i o ni ns p a c ei sc l e a rb e t w e e nf l u o r i n ea n de h ，e e ，t d s i th a s v a r y i n gd e g r e e c o r r e l a t i o ni n s p a c ea m o n gf l u o r i n ea n d ( c a 2 + + m 矿+ ) ( n a + 斗- k + ) ， ( s 0 4 z + c i ) h c o 。i na d d i t i o n , a c c o r d i n gt os a t u r a t e d n o n s a t u r a t e db e l ts t r u c t u r a l f e a t u r ei nh u a i b e ip l a 沁f l u o r i n el e a c h i n gs i m u l a t i o nt e s ti sd e s i g n e da n dr e v e l e dt h e m i g r a t i o na n dc h a n g er u l eo ff l u o r i n ei o ni ns h a l l o wg r o u n d w a t e r t h er e s u l ti n d i c a t e d t h a tt h ef l u o r i n em i g r a t i o nh a st h eo b v i o u sh y s t e r e s i sq u a l i t y , a n dd e s c r i b e dt h ef l u o r i n e i o nc o n c e n t r a t i o nw e a k e nc h a n g ec o n f o r mt ot h ee x p o n e n t i a ld e c a yc u r v er u l eb a s i c a l l y , f l u o r i n ec o n c e n t r a t i o np e a kv a l u ep r e s e n t e daq u a d r a t i cf u n c t i o na l o n gt h es o i lc o l u m n f i n a l l y ，t h ef o r m a t i o nm e c h a n i s ma n di n f l u e n c i n gf a c t o r so ff l u o r i n ew e r ea n a l y z e di n s h a l l o wg r o u n d w a t e r , p r o p o s e ds o m es p e c i f i cm e 褥u r e sa n ds u g g e s t i o n sa c c o r d i n gt o t h ec u r r e n ts i t u a t i o na n de x i s t i n gp r o b l e m so fs h a l l o wh i g h - f l u o r i n ew a t e ra r e a f i g u r e 【6 0 】t a b l e 【21 】 r e f e r e n c e 【58 】 k e yw o r d s ：h u a i b e ip l a i n ；s h a l l o wg r o u n d w a t e r ；h y d r o g e o c h e m i s t r y ；f l u o r i d e ； m i g r a t i o nt e s t c h i n e s eb o o k sc a t a l o g ：x 5 2 3 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的 地方以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包含为获得塞邀堡王太堂或其他教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：挫日期：4 年妇盟日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞徼垄三太堂有保留、使用学位论 文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位 属于塞邀垄王太堂。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交 论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权安徽 理工大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 文。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：膨苏，j 1 灸签字日期：炒7 年占月，7 日 导师签名：确纱5 ， 签字日期：移f 年月；夕日 j 7 1 绪论 1 1 研究目的和意义 1 绪论 受自然环境的影响，氟病是世界上普遍存在的地方病之一，世界上很多国家 如：前苏联、朝鲜、印度、美国、英国、德国、罗马尼亚、希腊、西班牙、葡萄 牙、意大利、南非、冰岛、墨西哥、阿根廷、摩洛哥、埃及、新西兰、澳大利亚 等国均有地方性氟病的发生。在我国很多地方都存在高氟地下水的问题，氟病范 围分布也比较广泛，尤其在依赖地下水为饮用水的农村地区更为常见。据统计， 除上海市外，其他各省、市、自治区均有不同程度的氟中毒流行。全国共查出近 1 0 0 0 个县中7 1 0 0 0 多个自然村有氟中毒发病，受威胁的人口达7 2 7 万多，氟斑牙患 者达2 1 0 0 多万人，氟骨症患者1 0 0 多万人【l 】。其中，安徽省的淮北平原也是氟病发 生地区之一，它包括阜阳市、毫州市、宿州市、淮北市、淮南市、蚌埠市大部分 市、县( 区) 。 淮北平原为冲积平原区，特殊的地质、地理条件为浅层地下水中氟的形成、 迁移和富集创造了必要的条件。据安徽省水利和卫生等部i - 2 0 0 4 年调查，截止2 0 0 4 年底，全省饮用含氟超标水的人口有4 3 5 6 万人，主要集中在淮北平原区的阜阳市、 毫州市、淮北市、宿州市、蚌埠市以及淮南风台县。其中各市占全省的比例为：阜 阳市3 1 1 ，毫州市2 6 9 ，宿州市2 6 2 ，淮北市6 9 ，蚌埠市4 2 ，淮南市1 9 ， 其他地区2 8 。 为了解安徽省地下水氟含量地理分布规律，以及地方性氟中毒疾病区居住人 口情况，水利和卫生部门曾联合组成地方性氟中毒病情调研组，于2 0 0 1 年2 月至6 月对以上各市、县( 市、区) 进行调研。调查结果表明：安徽省淮北平原是全省的 重病区。全省生活在高氟水区( 浅层地下水中氟含量超4 o m g l ) 人1 3 约4 万人，其 中涉及毫州市谯城区的3 1 个自然村的6 1 1 6 人，泗县的4 个自然村的1 6 7 3 人，萧县的 1 1 个自然村的6 7 6 3 人，砀山县2 5 个自然村的1 2 8 8 7 人，涡阳县的2 8 个自然村的9 0 3 0 人，利辛县1 个自然村的3 0 5 人，固镇县的1 个自然村的3 4 9 人，淮北市濉溪县的9 个 自然村的2 2 2 8 人，共涉及n 8 个病区县，1 1 0 个病区自然村 2 1 。 生活在淮北平原氟病区的人们多以浅层地下水为生活饮用水，这些地区浅层 地下水中氟含量一般在1 0 - - 3 o m g l ，少数地方可达4 o m g l 以上，其问氟病区内 各县氟斑牙患病率低的达5 0 ，重点病区高达9 0 ，生活在萧县、砀山和宿州市墉 桥区黄泛冲积平原区的居民氟斑牙患病率在7 0 以上1 2 1 。居住在颖河、涡河、西淝 安徽理工大学硕士学位论文 河等河间地区的居民多以浅层水作为饮用水源，经调查，病区村氟斑牙患病率一 般可达5 0 以上，沿淮河两岸由于地下水与河水水力联系密切，当地居民生活用水 主要饮用河水和地下水，多以河水为主，水中含氟量一般为0 5 - - 1 o m g l ，局部地 区可达1 5 m g l 3 1 ，超过生活饮用水标准嗍。 浅层地下水中氟以多种形式存在，形成很多类的氟化物，这些氟化物大都具 有很好的水溶性。地下水氟含量与地方氟病分布有密切关系1 5 】。大量研究表明地 下水氟浓度与p h 值，硬度、水文地质条件、地下水化学条件、气候条件等因素 密切相关。安徽省淮北平原不少地区氟含量严重超标，在全国范围内可归为重灾 区，其浅层地下水中氟污染的研究目前尚处于初步探索阶段。因此，研究该区浅 层地下水中氟的分布特征和迁移转化机理，可以为科学地制定高氟区治理对策提 供充分的依据。 1 2 研究现状和存在问题 国内外许多学者从地球化学，水文地球化学和地理的角度，对高氟地下水的 形成分布水文地球化学特征，地下水中氟的迁移，富集的影响因素，以及地方性 氟病的地球化学问题进行了大量的研究工作，取得了很多研究成果。 1 2 1 国外研究现状 国外对高氟区地下水中的氟也有不少研究，可以归纳为以下几方面： 1 、氟的来源及成因研究 a l e xh e i k e n s 和s r is u m a r t i ( 2 0 0 5 ) 等详细地分析了印度的i j e nc r a t e r 湖中氟 的来源及地氟病产生的主要因素1 6 。n nk a r r o 和n ei n d e r m i t t e 等( 2 0 0 6 ) 对爱沙 尼亚公共用水系统氟含量偏高进行了分析，认为过量的氟来源于奥陶系和志留系 碳酸盐岩组成的地下含水层系统【_ 7 1 。a b i d af a r o o q i 等( 2 0 0 6 ) 研究了巴基斯坦的 拉舍尔等地的地质条件，总结出当地地下水氟的聚集主要是来源于空气污染和碱 性的地下水有利于氟的存在等环境造成i s 。a p v i e r o 和c r o i s e n b e r g 等( 2 0 0 8 ) 研究了巴西南部波尔图的阿莱格尔花岗岩含水层中的氟的来源，认为该地区包括 一个由前寒武纪花岗岩和片麻状岩石构成的裂隙含水层系统和一个新生代泥沙， 以沙质沉积物所形成的多孔含水层系统，得出氟来自多孔含水层系统的混合及不 同自由基热力等距条件下的方解石，白云石，萤石【9 1 。 2 、氟的水文地球化学研究 w b a p a m b i r e 等( 1 9 9 2 ) 主要从地下水的地球化学环境、来源进行分析【l o 】。 2 一 1 绪论 c a c i r i ( 1 9 9 3 ) 则侧重于天然水中氟的来源及其地球化学作用i 】。j j c a r r i l l o r i v e m 和a c a r d o n a 等( 2 0 0 2 ) 从温度、当地的水文地质条件、地下水氟化物的饱和状 态等方面，分析了墨西哥s a nl u i sp o t o s i 盆地地下水中高氟物质的聚集条件，从 而提出氟化物的控制和治理的方法【1 2 1 。g u n n a rj a c k s 和p r o s u nb h a t t a c h a r y a ( 2 0 0 5 ) 论述了印度地区地下水氟的溶解、地下水蒸发及c a 2 + 浓度和n a + c a 2 + 的增加将会 导致f 浓度的增加，为控制地氟病提供了理论指引1 3 】。g i t a kc h a e ，s e o n g t a e k y u n 等为了让人们更好地认识地下水中氟化物的的来源和地球化学行为，通过对 韩国南部一批不同大小的花岗岩和黑云母进行溶出实验，该研究表明，地下水中 氟的发生和行为主要取决于由几个地球化学过程，如解散钙含矿物质，方解石沉 淀，并吸附和或阳离子交换等作用下沉降萤石控制的钙离子浓度【1 4 1 。w a l t e r d a l e s s a n d r o 和s e r g i ob e u o m o 等( 2 0 0 7 ) 对意大利西西里岛收集的市民饮用水 6 6 7 个水样进行了分析，其中氟浓度介于0 0 2 3 至3 2 8m g l ，最高值超过最高容 许浓度为1 5 m g l ，认为这与驻留在该地区的结晶( 火山或变质岩) 或蒸发岩， 或与热液活动的污染有关i l 别。m l g o m e z 、m z b l a r a s i n 、d e m a r t i n e z 分析了阿 根廷中部地区莫尔德斯科罗内尔镇湿陷性黄土含水层地球化学条件与砷和氟的关 系，认为在由碳酸氢钠、硫酸钠氯化物组成的潜水层的水地球化学特征下，小苏 打水在适当的条件下与砷和氟的含量有很大的相关性【l6 】。 3 、高氟水与人体健康的研究 f m f o r d y c e a ei c 和v r a n a a ee 等( 2 0 0 7 ) 在对欧洲中部氟健康风险评估 中，通过地缘化学与健康研究，以探讨在高氟化物饮用水与健康之间的关系的相 互影响i l7 。vs h i t u m b a n u m a 、f t e m b o 等( 2 0 0 7 ) 对赞比亚南部省份霍马地区的 当地居民氟斑牙高发病率和温泉的关系进行了调查研究，认为氟斑牙高发病率与 当地居民饮用含高浓度的氟化物的温泉的水有很大关系【1 8 】。 4 、高氟水处理方法的研究 ejn c u b ea n dc fs c h u r e ( 2 0 0 5 ) 通过从南非d w a f 的水管理系统( w m s 系 统) 的数据库提取氟化物地下水水质数据，并搜集有关氟资料，分析发现南非很 多农村地下水氟离子浓度高的地区，其氟斑牙的患病率的比例也高，因此有必要 因地制宜地研究既便宜又简单的技术，从含氟丰富的地下水中小规模地去除氟化 物或开发替代方法f 1 9 1 。s a j i d u ，s m i 和m a s a m b a ，w r l 等( 2 0 0 8 ) 分析了马 拉维南部地区一些村庄饮用水源地中氟的含量，发现很多地方氟超标，并探讨了 用当地的铝土矿去除高氟的方法【2 0 1 。 3 安徽理工大学硕士学位论文 1 2 2 国内研究现状 我国学者从不同角度研究了高氟地区地下氟的水文地球化学特征及其与地氟 病的关系，主要有以下几个方面： l 、高氟区地下水的成因进行研究 众多学者的研究在这方面取得了较一致的认识，认为高氟区地下水的形成是 多种因素共同作用的结果，其中氟的来源、地质构造、水文地球化学环境与氟的 赋存形式、气象和人类活动等方面是高氟区地下水中氟离子背景含量的主要影响 因素。如：浅层地下水的质量平衡反应模型及其化学演化( e a 溅辉等，1 9 9 5 ) ，对高 氟地下水的形成进行了量化的讨论【2 l 】；曾昭华( 1 9 9 7 ) 认为地下水高氟与断裂构造、 地下水温度、含水介质及径流条件有密切关系1 2 2 1 ；非饱和带土体一浅层地下水系 统氟的地球化学以河北邢台山前平原为例( 曾溅辉等，1 9 9 7 ) ，认为浅层地下水和非 饱和带土体构成了一个完整的水文地球化学系统，其中前者直接受控于土体的矿 物成分、化学成分及粒度组成，而后者主要取决于浅层地下水的化学成分特征团j 。 尹国勋、李春生等( 1 9 9 7 ) 研究了岳庄水源地地下水高氟的成因。认为水质类型、 地貌、气候等因素是促成其高氟含量i 拘# 1 - 部条件【2 4 1 。曹小虎等( 1 9 9 7 ) 通过对运 城盆地高氟地下水分布规律及成因探讨，确认高氟水是由于本区半干旱的气候、 富含氟化物的包气带土壤、碱性的地球化学环境及独特的水文地质的构造等环境 背景条件下形成的【2 5 1 。苏英( 1 9 9 9 ) 从岩土条件、地貌、水文地球化学、气候及 地质构造等方面分析了成阳城区高氟地下水的成因，并指出了寻找优质低氟水的 方向嘲。卢莉莉( 2 0 0 6 ) 通过对运城盆地高氟地下水的分布规律及成因探讨，确 认高氟是受在本区半干旱的气候条件、富含氟化物的包气带土体、碱性的地球化 学环境及独特的水文地质构造综合作用下形成的，并详细地揭示了区内高氟地下 水的形成机理【2 7 】。郑明凯等( 2 0 0 7 ) 采用多因素分析的方法，结合高氟区内氟的 来源，高氟区所处的位置、特点、氟的富集条件、迁移转化等方面，对焦作地区 地下水高氟区的成因进行探讨1 2 羽。蔡琉( 1 9 9 9 ) 通过对高氟地下水赋存的地质环 境及地球化学特征等综合分析，认为本区高氟地下水赋存的地质环境和高氟物质 来源是高氟水形成的前提条件，而蒸发浓缩等地球化学作用，是造成地下水中氟 离子富集的重要因素1 2 9 j 。蔡珩和岳利平( 2 0 0 0 ) 从地氟病的分布、饮用水水源、 病情与自然环境、病情与饮食环境方面报道了阜阳市地氟病，是因长期饮用高氟 水而导致的慢性中毒。预防地氟病最根本措施是消除致病介质中的高氟f 3 0 l 。王国 强等( 2 0 0 2 ) 研究了安徽省淮北地区因水土环境引发的地氟病，中、北部广大河 4 1 绪论 间地区地下水氟含量较高，地带性氟病较为普遍1 3 1 】。 2 、高氟区氟的迁移和富集的研究 影响浅层地下水中氟迁移和富集的一个关键因素是地下水补给、排泄条件， 尤其是地下水的流畅性主要取决于浅层地下水的化学成分特征。有关这方面的研 究如：张景荣、朱法华等( 1 9 9 8 ) 通过对江苏丰、沛、铜地区太古界新生界氟的 地层地球化学剖面及岩浆岩和土壤中氟的丰度的研究，揭示该区土壤水溶氟较高， 经降水淋滤和浸取作用在凹陷区或河间洼地中聚集、蒸发浓缩形成高氟地下水区 【3 z j ；尹国勋、毕大园( 2 0 0 2 ) 研究永城矿区浅层地下水主要受控于包气带的物理 化学性质，淋溶、解吸吸附作用是控制地下水中氟迁移的主要作用，且f 与 ( n a + + k v c a 2 + 比值呈正相关关系【3 3 】。 3 、浅层地下水系统氟的水文地球化学定量研究 应用地下水地球化学模拟的理论和方法，对研究区浅层地下水系统氟的水文 地球化学进行定量研究，如：在华北平原，任福弘，曾溅辉等( 1 9 9 6 ) 分析了地 氟病致病的主要环境因素，讨论了形成高氟地下水的水文地球化学环境，并以河 北邢台地区山前平原浅层地下水系统为例，对浅层地下水系统氟的水文地球化学 进行定量研究，从统计学的角度分析了浅层高氟地下水中氟的组分存在形式与地 氟病患病率的相关关系【3 4 1 ；曾溅辉、刘文生等( 1 9 9 5 ，1 9 9 6 ) 对高氟地下水的形成进 行了量化讨论，如浅层地下水的质量平衡反应模型及其化学演化、浅层地下水氟 的溶解沉淀作用的定量研究等1 3 5 。 4 、地下水中高氟水的处理以及找水方向的研究 高氟水的处理方面的研究比较多，孙建( 2 0 0 4 ) 探讨了高氟地下水饮用处理 的主要方法、基本原理、工艺流程掣3 6 1 。修元清等( 2 0 0 7 ) 介绍对比了国内外各种 降氟方法共三大类( 混凝沉淀法、滤层吸附法、电化学法) 计2 0 余种；并优选了几 种有实际意义的降氟方法1 3 7 1 。而高氟区找水方向的研究，文献还不是很多如：邢 卫国等通过勘查示范，总结出了塔里木盆地示范区淡水体的赋存模式、寻找淡水 体的经验，为防病改水工作提供了科学依据i 弱j 。 5 、淮北平原浅层地下水氟的研究现状 关于淮北平原浅层地下水氟的研究，目前还处于零星研究阶段，如：李志刚 等( 1 9 9 3 ) 指出安徽省淮北平原，是饮水型高氟地方病严重流行区。地氟病区基本呈 北一西。南东向条带状分稚，病村主要分布于河间洼地、河间平地等地势平缓低洼之 处。李志刚，蒋金柱( 1 9 9 9 ) 重点论述了淮北平原形成浅层高氟水的四项基本条 件是高氟源、地下水补给排泄不畅、碱性苏打化的水化学条件、偏干早的气候条 5 安徽理工大学硕十学位论文 件。对氟病工作现状及存在问题提出了多途径改水和科学实施改水工程等对策方 案，对地氟病防治改水有一定的指导作用【3 9 1 。赵宏海等( 1 9 9 9 ) 通过多年来的水文 地质勘探和水文地质调查，对宿州矿区浅层地下水中氟含量及其赋存条件进行了 研究，其分布规律及形成机理与地层结构、岩性特征、气候条件、水文地质及水 文地球化学条件等有关m 。李宗平、程虎等人对阜阳市不同深度深井水含氟量调 查显示氟化物随井深增加呈显著增高的趋势，氟化物超标的水井也明显增多，这 可能与当地地形地势起伏不大( j g 面坡降1 1 0 0 0 ) 左右) ，地下水径流以垂直交替为 主，排泄滞缓，氟离子储存条件优越有关系【4 1 1 4 2 1 。陈礼宽等( 2 0 0 5 ) 探讨了高氟 地下水形成机理，阐述了滤料除氟原理和影响除氟因素；设计操作简便除氟装置； 制定行之有效的除氟工艺流程【4 3 j 。邓英春( 2 0 0 6 ) 从地球化学、水文地质和地下 水中氟离子来源及其富集条件的角度，详细介绍了安徽省高含氟地下水形成的原 因及其分布特征，以及地方性氟病的分布情况，并提出了解决地下水高含氟区居 民安全饮水方法p 引。 1 2 3 主要存在问题 由于氟的化学性质非常活泼，以多种形态、形式存在，加上大气降水垂直入 渗的条件下以及在地下水流缓慢作用下，氟在土壤及地下水中迁移转化过程有待 于进一步探讨： 1 、氟在地下水中迁移机理研究 地下水中溶质的运动很复杂，现有模型过分理想化，应用时精度难以达到要 求，因此还需要对它们的准确性、灵活性、通用性和可操作性做出科学的评价。 2 、对氟在非饱带和饱和带中迁移转化从系统上模拟较少，多数是从饱和带进 行的研究，没有将整个过程联系起来综合研究。 3 、由于氟在非饱和带中运移时，还受到物理、化学和生物作用的共同影响， 导致其浓度变化差异性大，因此，非饱和带土壤中的氟及地下水迁移及形成机理 仍需进一步深入探讨。 4 、饱和带中的氟来源与非饱和带中的氟的迁移具有内在联系，建立二者之间 的模型是氟迁移变化研究的重要方向之一。 6 1 绪论 1 3 研究内容及研究路线 1 - 3 1 研究内容 本论文是在安徽省高校自然科学基金项目( 项目编号：k j 2 0 0 8 8 1 9 9 ) 的资助 下，以淮北平原浅层地下水氟作为研究对象，在查阅国内外有关地下水氟研究内 容的基础上，广泛收集淮北平原浅层地下水相关资料，通过区内自然地理、水文 地质条件、地下水分布及补给、径流、排泄条件的分析，经采样、测试、并利用 机理试验，探讨氟在垂向上的迁移特征，主要内容为： 1 、氟地下水的形成背景分析 系统分析了淮北平原自然地理状况、水文特性、地下水补给、径流、排泄条 件，不同含水层分布特征和开采情况以及开采过程中存在的问题，为研究氟在浅 层地下水中的分布及其形成机理提供基础资料。 2 、浅层地下水中氟的空间分布特征研究 调查淮北平原浅层含水层的氟分布状况，设计采样点位置，测试水样氟浓度， 重点分析氟在浅层地下水中平面上和垂向上的分布特征。 3 、水化学特征及相互关系研究 运用多种方法测定各种组分，采用各种统计方法分析采样区的水化学成分特 征，划分水化学类型，重点研究淮北平原不同区块范围内氟与其它离子、水化学 类型之间变化关系。 4 、氟迁移机理试验分析 针对淮北平原现有背景地质条件，以及氟的赋存和分布现状，运用饱和一非饱 和带氟迁移动态试验，揭示淮北平原浅层地下水中氟的迁移变化过程。 5 、提出防治高氟地下水的方法 针对高氟水对人体的危害分析，结合淮北平原浅层高氟水成因和形成机理分 析结论，初步探讨高氟水的预防和治理方法，提出相应的改水措施和建议。 7 安徽理工大学硕七学位论文 1 3 2 研究路线 依据以上研究内容，其流程图如下： 图1 研究路线 f i g 1r e s e a r c hr o u t e 8 2 研究区概况 2 研究区概况 安徽淮北平原是指淮河干流以北到沙颍河以南的地区，位于安徽省北部，华 北平原南端，在东经1 1 4 。5 5 1 1 8 0 1 0 ，北纬3 2 0 1 5 3 4 。3 5 之间。东接江苏、南 临淮河、西与河南毗邻、北与山东接壤，南以淮河为界，交通便利，为黄淮海平 原的一部分。行政区包括阜阳市、毫州市、宿州市、淮北市、淮南市、蚌埠市， 如图2 。总面积约3 7 4 2 1k 一，占全省面积的2 6 8 ，其中平原区面积为3 6 7 0 5 k m 2 ( 包括洼地等) 。淮北平原地势平坦，北西高而东南低。由黄河、淮河历次泛滥 堆积作用形成，绝大部分属冲积、洪积平原。南部沿淮地带分布有河口洼地；东 北部有零j 按残丘与低山分布，约占淮北地区的2 5 ，其余均为新生界松散沉积 物覆盖，地势平坦，由西北向东南微徽倾斜，地面坡降为i h 5 0 0 1 1 1 0 0 0 0 ，海拔 高度为1 5 5 0 m 。淮北平原年平均降水量为8 6 96 m m ，年平均降水总量3 2 5 3 3 亿 m 3 ，自南向北递减。年平均蒸发量在8 0 0 l l o o m m 之问，由南向北逐渐增大， 年平均径流量7 7 7 2 亿矗，径流深约合2 0 8 m m ，年平均径流系数为0 2 4 。淮北平 原河流多为西北东南向，境内河流均为淮河流域“l 【4 5 1 1 4 6 1 。 闺2 安雀淮北平原地理龃 f i g 2 g e o g t a p 崎l o c a t i o n o f h u a i b e ip l a i n i n a n h u ip r o v i n c e 2 1 自然地理 1 、地形地貌 安徽理。l 人学硕十学位论文 淮北平原由黄河、淮河历次泛滥堆积作用形成，除东北部有零散残丘与低山 分布外，其余均为第四纪松散沉积物覆盖，地势平坦，由西北向东南微微倾斜， 地面坡降1 7 5 0 0 1 1 0 0 0 0 ，海拔高度1 5 - - 5 0 m 。河流多为西北东南向，由于诸河切 割，构成本区平原河谷地貌的自然景观。地貌类型可分为剥蚀堆积地貌、堆积地 貌、构造剥蚀地貌三种。 剥蚀堆积地貌分布于中南部河间地区，地势平坦，地面坡降1 1 0 0 0 0 ，地面高 程1 5 - - 3 5 m ，为第四纪全新统中段堆积地层。 堆积地貌主要分布在本区北部，为近代黄河泛滥堆积而成，属第四纪全新统 上段冲积地层，地面高程2 5 - - - 5 0 m ，坡降1 7 5 0 0 。 构造剥蚀地貌主要分布在本区东北部地区，总面积约1 0 6 0 时不足本区总面积 的3 。威丘、低山呈不连续分布，岩层由寒武、奥陶与震旦亚界灰岩组成，山体 排列方向与岩层走向一致，大体为北北东向，海拔高度5 0 - - - 3 9 0 m 2 、气象与土壤 1 ) 气候 淮北平原位于我国南北气候的过渡带，属暖温带半湿润气候区，季风盛行， 冬季风从大陆吹向海洋，气候寒冷干燥；夏季风从海洋吹向大陆，气候温暖湿润。 多年平均气温在1 4 - - - - 1 5 c 之间，由南向北递减，年际变化不大。7 月平均气温在 2 7 5 - - 2 8 3 ， 1 月平均气温0 7 - - 1 3 。 o 积温为5 1 0 0 5 5 0 0 ，1 0 积温为 4 5 0 0 - - - , 4 8 0 0 。c ，无霜期2 0 0 - - 2 2 0 天，光热水等条件较好，适于农业的综合发展。 极端最高气温达4 2 1 ( 毫少h 1 9 6 6 年7 月1 8 日) ，极端最低气温为2 3 7 ( 泗县1 9 6 9 年2 月5 日) 。日平均气温在0 以下的时间不长，一般不到1 5 天。年平均相对湿度一般 在7 3 以下，由南向北逐渐减少，砀山、毫州一带只有7 0 左右。 2 ) 土壤 淮北平原的土壤，由于人类活动和近代黄泛的覆盖和侵蚀，土壤类型较复杂。 中南部广大河间地区多为青黑土( 砂礓黑土) ，占淮北总面积的5 4 ；潮土则分布于 北部地区和主要河流的沿岸，系近代黄泛冲积所形成，面积约占3 3 ；沿淮岗地及 主要河流中游沿岸多为潮棕壤土和水稻土，呈带状分布，一般带宽为l - 一2 k m ，潮 棕壤土面积约占9 ，水稻土面积约占2 ；此外还有零星分布予低山残丘的棕壤、 褐土、褐潮土，面积约占2 。 3 、水系与河流 1 0 2 研究区概况 图3 安徽淮北平原木系分布 f i g3r i v e rs y s t e m d i s t r i b u t i o no f h u a i b e i p l a i n i n a n h u ip r o v i n c e 境内河流均属淮河流域，各河流自西北向东南流人淮河及洪泽湖( 见图) o 淮 河自西向东横贯于本区南部。该河段长约3 4 0 k i n ，北岸主要支流自西向东有谷河、 润河、颖河、西肥河、茨河、涡河、北淝河、浍河、沱河、濉河等( 图3 ) 。本区 西部河流( 北淝河以西) 属淮河水系；东部河流( 潞河以东) 属洪泽湖水系。此外，新 中国成立后先后开挖了不少以捧涝为主、结合分洪和综合利用的人工河道，大型 的有茨淮新河、阜蒙新河、新汴河等。受地势影响，淮河北岸支流较长，北岸支 流较短。为不对称的羽状水系。淮河年平均流量为8 2 5 m 3 s 最大流量为2 2 8 0 一s ，最小流量1 l m 3 “蚌埠站) o 支流水位、流量变化与干流一致。由于河床 坡度缓、降雨集中，而易发洪水。 2 2 水文特性 1 、降水 淮北地区属典型的季风气候区，气候特点是夏热多雨，冬寒晴燥，秋早少雨， 冷暖和旱涝的转变根突出。本区多年平均降水量8 6 9 6 m m ，年平均降水总量3 2 53 3 亿面3 。其分布趋势自南向北递减，阜阳龙亢- 五河一线以南地区年平均降水量为 9 0 0 9 5 0 m m ，北部砀山最p , 7 4 2 3 n u n 、毫州7 7 26 m m ，其余地区均在8 0 0 9 0 0 n u n 。 降水量年内分配很不均匀，夏季暴雨集中，6 9 月平均降水量占全年的7 0 左右， 7 - - 8 月占全年的4 5 5 0 ，最大为7 , 9 ，占全年的2 5 3 0 。降水集中的趋势 越偏北越明罹。 安徽理工丈学硕十学位论文 降水量的年际变化大，丰、枯水年降水量比差达3 - 4 倍。丰水年可达1 2 0 0 - 1 8 0 0 m m ，枯水年不足5 0 0 r a m 。实测最大年降水量为临泉站1 9 5 4 年1 8 8 0 8 m m ，最小 年降水蒙城站1 9 3 6 年3 6 0 5 m m 。年降水量变差系数c v 值在0 2 0 - - 0 3 0 ，西部大于东 部，西部为0 2 4 - - 0 3 0 ，东部为0 2 0 - - 0 2 8 。c v 分布有两个高值区，一是临泉、阜 南及颖河以西地区，c v 值为0 2 8 0 3 0 之间；二是宿州及灵壁、泗县两县北部地区， c v 值为0 2 6 - - 0 2 8 。由于降水量的年际变化大和年内分配不均，淮北地区发生的旱 涝灾害机率较多。据4 0 多年资料统计，水灾重现期为7 - 9 年，旱灾重现期为2 - 3 年，可见早多于涝。 2 、蒸发 根据1 9 5 1 - 1 9 9 8 年间的实测资料，我区多年平均蒸发量在8 0 0 - - - 1 l o o m m ，由 南向北逐增，南部一般8 0 0 - 9 0 0 m m ，中部大都在9 0 0 - - - 1 0 0 0 m m ，最大多年平均 蒸发量为临涣集1 0 8 6 6 m m 。蒸发量的年内分配受气候的月际变化支配，1 月蒸发量 最小，一般在2 0 - , 4 0 m m ；蒸发量最大值多出现在6 月，一般在1 5 0 - - 2 4 0 m m 之间。 多年平均陆地蒸发为6 0 5 m m ，约占多年平均降水的6 7 。降水量大部分耗于蒸发。 3 、径流 淮北地区多年平均径流量7 7 7 2 亿m 3 ，径流深约2 0 8 m m ，多年平均年径流系数 为o 2 4 。径流特性受降水与地形地貌条件制约。本区河流为雨源型，即河川径流来 源于降水，因而，径流的时空分布与降水的时空分布大体相一致，但年内分配更 为集中，汛期( 6 9 月) 径流可占年径流量的7 0 - - 8 0 ，最大值出现在7 ，8 月份。 在中小水年份，全年水量几乎都集中在汛期，甚至产生于讯期的几场乃至一两场 暴雨。 径流的年际变化也远大于降水，各站最大年径流量与最小年径流量可相差 2 0 - - 1 0 0 倍。年径流c 。值多在0 7 1 1 之间，是全省年径流变差系数c v 的高值区。 其分布为上游大于下游，流域集水面积d c v 较大，集水面积大c v 较小。有的地区 因受1 9 6 3 年、1 9 7 2 年特大洪水的影响，c v 值较大，达n 1 2 1 4 。主要控制站径流 特征值见表l ： 1 2 。ci 卜nn寸n卜n峪寸n 卜= 卜nn 寸 西一 寸心寸 过 鄙厘苔 o t o0 o 寸一 。一i心0 o 一i 一o a o 寸0心厶on o o一8 on 0 i ， 爨鼹鼯廿 卜寸寸n卜n n寸o o 式n n 卜oo 口9n ”式n n ”一n n 心no n 岔“寸i n no 8 nn t 岔n n 试 n 暑一砸爆硭露 疋 6 - n v 虽辱 卜口一寸岔西一 寸口夺一n 小岔一卜岔一寸岔口一婚昏一卜昏一寸岔小一寸西西一心岔一寸岔口一卜西小一 枣廿 n 卜岔o寸寸岔o 0n 心i i on o o 0 o 寸6 _ 嚣峪n 0 o 寸吨一 口n 套h on 寸0 心小oo 卜c o o 卜n 0n g o 一、 卿嫱辩 岔岔一”岔一 n 口岔一n 岔一n 岔一n 峪口一寸小一寸昏一寸小一寸婚岔一寸心岔一n 田小一 n 西【 $ 廿 o ，寸一 一心一6 n t 卜_ n 卜o 寸”厶n 一昏口一 。西no 乜一n o n 8 n 6 ”寸_i n _ o 咕8 n o o 9 n n 暑。【 娅堰鼯 廿嚼 廿堪 心竹卜寸一o no n n “n 岔on 8n 一一co c i 6口。一寸 一小8 o o 寸 n o i 寸 a “一 o 9 n g 。i 泖斌 o n 一 o n n 寸 。口小o z 寸n 式岔一哆醋n 一 岭1 一冀岔。一t 1 6 一心o n 一 1 _ ”_o t n o n 9 心 口峪n 一 卜口寸口一n nn 昏卜n；n 寸。卜寸n卜n n寸岔o n卜n 寸 寸n n no 口n 西n n 卜寸n 一”卜n o 一 暑m鹱避鼯 ，) i 娶匿 熙霉 廿特 露 廿输 簧球 星紧艇星球颦 星球键靶 星鼙垦蟮互 髅磐鹫娶樱晕蜷宾 垦三碍 粒睬 星鬈淼 星球瑚 肆若 暮喾菇暮乏薅 察喾 暮掣塔 暮艇 慝塔 裂瓷 磨碟 慝黍磨饔鳝暮 日dlj为一dd一日j|=一co一_g一。皇coo c一日严li k o q；一爵o一_曼jo_u量工。虹oc芒ko口一_一苗_一d盏 +t螺掣堪宰；婕靼按暴辍瞅州凶碧景樊_懈 蹙枣区碌器n 安徽理- 1 ：大学硕士学位论文 4 、泥沙 淮北平原地区地面坡降小，农业兴旺，作物茂盛，加之大规模的绿化造林， 水土流失不严重。根据颖河、涡河、浍河控制站多年资料，下游各站多年平均含 沙量很小，为0 0 5 , - - , 0 1 0k g m 3 。而上游多年平均含沙量偏大，为0 7 1 4 k g m 3 ，多 沙年份达4 o k g m 3 以i - _ 。主要原因是上游地区引黄灌溉，尾沙进入我省，造成上游 河道严重淤积。近年来由于黄河时常断流，水量逐年减少，故不再引黄灌溉，河 道淤积情况已明显好转。 5 、暴雨洪水 本区暴雨主要发生在6 - 8 月，且多集中在7 月中旬至8 月中旬，暴雨历时与强 度主要受副热带高压的强弱与进退影响。根据暴雨类型，淮北地区暴雨洪水可分 成如下两种：一是强度大，历时短，范围小的暴雨形成的地区洪水