（地质工程专业论文）淮北平原钙质结核土与高氟水的形成关系研究.pdf

淮北平原钙质结核土与高氟水的形成关系分析 摘要 淮北平原是我国钙质结核土的主要分布区，同时也是我国地氟病的主要发病区， 在界首一利辛一固镇一线以北地区由于区域高氟水分布而引发地带性氟病和龋齿亟 待解决，成为该地区主要的环境问题。本文在参阅大量文献和前人的研究结果的基础 上，试图探讨钙质结核土在形成后对高氟地下水形成的影响关系。论文论述了钙质结 核形成的4 个条件，钙质结核形成的过程、分布区域和分布规律；在前人对淮北平原 高氟水研究的基础上，总结了高氟地下水的成因、分布区域和分布规律；通过对氟离 子与地下水中其他离子之间的相关性分析，探讨了在钙质结核形成后对地下水中氟离 子浓度影响的作用机理，得出二者在形成过程中的作用关系；最后在总结了前人降低 地下水中氟含量的方法，在综合考虑处理地区的化学、地质和经济条件基础上，对治 理该地区因高氟地下水而形成的地氟病提出了自己的建议。 关键词：钙质结核土高氟水相关关系淮北平原 s t d u yo nt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n c a l c a r e o u sc o n c r e t i o n s o i la n dt h ec a u s e so fh i g h - - f l u o r i n eg r o u n d w a t e r i n h u a i b e ip l a i no fa n h u ip r i v i n c e a b s t r a c t h u a i b e ip l a i ni st h em a i nd i s t r i b u t i o na r e ao fc a l c a r e o u sn o d u l e s ，w h i c hi sa l s ot h e m a i na r e ao ff l u o r i nd i s e a s ei nc h i n a t h ef l u o r i nd i s e a s ea n dd e n t a lc a r i e sw h i c hc a u s e db y l l i g l l f l u o r i nd i s t r i b u t et ot h en o r t ho fj i e s h o u l i x i n g u z h e ni s o ns o l v i n g ，w h i c hh a s b e c o m et h em a i ng e o l o g i c a le n v i r o n m e n to ft h ea r e a o nt h eb a s i so f b u l ko fd o c u m e n t a t i o n a n dr e s e a r c hr e s u l tb e f o r eb e l l ，t h et e x td i c u s st h ei n f l u e n c eo ft h ec a u s e so fh i g h - f l u o r i n e g r o u n d w a t e ra f t e ra l c a r e o u sn o d u l e sh a v ec o i n ei n t ob e i n g t h e d e f e n s ed i s c u s s e st h e f o u rc o n d i t i o n so fc a l c a r e o u sn o d u l e s w h o s ec o u r s ei sf o r m i n g 、d i s t r i b u t i o nr a e aa n d d i s t r i b u t i o nd i s c i p l i n a r i a n ；o nt h eb a s i so ft h es t u d yo fh i g h f l u o r i n e ，w h i c hs u m su pt h e c a u s e so fh i g h f l u o r i n e 、d i s t r i b u t i o nr a e aa n dd i s t r i b u t i o nd i s c i p l i n a r i a n ；f l u o r i d ea n do t h e r i o i l sg e ta c r o s st h eq u a l i t a t i v ea n dq u a n t i t a t i v ea n a l y s i s ，d i s s c u s et h ec o n c e n t r a t i o no ft h e m e c h a n i s mo fi n f l u e n c ea f t e rt h ef o r m a t i o no fc a l c i u mf l u o r i d ei ng r o u n d w a t e r , g e tt h e f o r m a t i o no fb o t ht h er o l eo fr e l a t i o n s h i p ；o nt h eb a s i so fs u m m a r i z e i n gt h ep r e v i o u s m e t h o d sw h i c hr e d u c e sh i g h f l u o r i d ei ng r o u n d w a t e r , c o n s i d e r i n gr e g i o n a lh y d r o g e o l o g i c a l c o n d i t i o n sa n do t h e rc o n d i t i o n s ，p u tf o r w a r dm yo w np r o p o s a l so nf a t h e r i n gf l u o r i nd i s e a s e w h i c hi sc a u s e db yh i g h f l u o r i n eg r o u n d w a t e r k e yw o r d s ：c a l c a r e o u sn o d u l e ss o i l h i g h - f l u o r i n eg r o u n d w a t e rr e l a t i o n s h i p h u a i b e i p l a i n 图2 1 图2 2 图2 3 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图5 1 插图清单 安徽淮北平原地貌图5 安徽淮北平原区域构造概况6 安徽淮北平原地理位置及水系分布图7 钙质结核土层分布示意图1 3 碳酸盐聚积模型图1 6 钙质结核形成模型图1 6 黄河下游河道历史变迁图17 高氟水分布区域图19 表3 1 表3 2 表3 3 表3 4 表4 1 表4 2 表5 1 表5 2 表5 3 表6 1 表6 2 表6 3 表格清单 古河相沉积物特征8 黄泛冲积物性质特征8 淮河母质沉积基础上形成的亚粘土性质9 淮北地区环境地质调查表10 钙质结核在土层剖面中的分布14 淮北平原钙质结核年龄表14 不同深度氟浓度统计表2 0 淮北平原氟离子浓度统计表2 1 淮北地区主要几种土壤中的氟含量2 2 p ( f 一) 与p ( n a + ，k + ) 、p ( c a 2 + ) 的相关系数2 6 p ( k + ，n a + ) p ( c a 2 + ) 与p ( f 一) 相关系数2 7 p ( f 一) 与p ( m g “) 的相关关系f 2 7 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志和致谢的地方外，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 金魍互些太堂 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。 i f 学位论文作者签字：砉鸟芝声字日期滩硝两d 归 学位论文作者签字：勺眢够莎签字日期多叼群必月d ) 旧 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 金g 巴工业盘堂 有关保留、使用学位论文的规定，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，允许论文被查阅或借阅。本人 授权 金壁王些太堂 可以将学位论文的全部或部分论文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) 学位论文者签名：幺锄 签字日期别拜心序甲日 导师签名：王国强 签字日期别晖如p 归 溯络 电话： 邮编： 致谢 首先感谢我的导师王国强教授! 没有他的悉心指导，本论文不可能顺利完 成。王老师渊博的学术知识、严谨求实的治学态度、宽厚的为人和积极乐观的 人生信念将使我终生受益! 他不仅教给我们专业方面的知识，而且教给我们许 多做人、处事的道理，使我受益匪浅。同时也要感谢王老师多年来对于我的成 长所倾注的关怀与帮助。值此论文完成之际，向老师致以我最衷心的感谢和最 诚挚的敬意! 在研究生学习和论文完成期间，得到了资源与环境工程学院各位老师，尤 其是岩土工程教研室各位老师在学习和生活中给与的诸多关怀和帮助。在此一 并向他们表示衷心的感谢! 感谢各位同学，在我学习和论文写作期间他们给我很多的帮助! 感谢我的家人，为了支持我的学业，他们付出了很多。他们的牵挂和鼓励， 催我奋进! 最后向所有关心、支持和帮助我的老师、同学和朋友表示衷心的感谢! 作者：徐冬生 2 0 1 0 年4 月 第一章绪论 1 1 概述 在安徽淮北平原，许多地区的土层中含有不同程度的、大小不等的钙质结 核。钙质结核又称石灰结核或砂姜，是由于分散的碳酸盐在硅酸、二氧化物、 三氧化物、铁和锰斑呈灰色、黄白色，形状呈姜状、核状或浑圆状，粒径一般 在3 8 c m 之间，大的可达3 0 c m ，最小的在l c n l 以下。钙质结核由于形成的年龄 不同和环境条件的不同而具有不同的形态和大小，具体可分为雏形钙质结核、 完形钙质结核和钙质结核硬磐三种形态，其中以完形形态钙质结核分布最为广 泛1 一钔。 钙质结核的存在使得该地区土层具有不同于原本土层的性质，具体有：特 殊的物质形态和结构组成；具有显著的非均匀性特点；其结构特征和工程性质 不同于粘性土同时又有别于碎石土，而且具有特殊的工程性质，因此属于区域 性特殊土范畴。为与一般粘性土相区别，合肥工业大学王国强等首先将含有钙 质结核的土层称之为钙质结核土，并首先提出应对其开展工程地质学基础研究 i s o 同时，在淮北平原，在一些地区，由于地下水氟含量过高而导致一系列的 疾病，对人们生活造成了严重的影响。氟既是人所必需的微量元素，也是一种有 毒元素。由于人体对氟的含量较敏感，在对氟需要量到氟中毒之间相差不多，所 以，氟对人体的安全控制范围比其它元素小得多。适量的氟对维持人体的钙、磷 代谢以及神经传导细胞酶活性等具有重要作用，可促进儿童生长发育，有益于老 年骨质疏松病的防治。但过量的氟则会影响人体的健康。 人体内的氟的主要来源是饮用水和食物，土壤中的氟是地下水中氟的主要 来源，因此也是饮用水和食物中氟的主要来源，如果土壤氟的含量过高，就会通 过水和食物的传导使人和动物摄入过多的氟，从而危害人的健康_ 1 。 数十年来，在改良钙质结核土层和氟地方病的问题上得到了大量研究，主 要是在成因和治理两方面。在前人的大量工作基础上，已基本了解钙质结核土 和高氟水的成因，并且在治理上也已经取得了一定的成效。但是，在钙质结核 土和高氟地下水的研究上，都是把两者分开来研究的。本文在通过研究二者分 布区域；二者在形成过程中的共性：地下水中氟离子质量浓度与其他离子之间 的相关性等的基础上，试图找出两者之间形成过程中的内在关系，并对治理研 究区的环境问题提供相关的建议。 1 2 淮北平原水化学类型 淮北平原区广泛分布第四系松散岩系地下水含水层组，按其埋藏条件和补 径条件大致可以分为3 个含水层：第一含水层组( o 5 0 r e ) 、第二含水层组( 5 0 - 一 15 0 m ) 、第三含水层组( 大于1 5 0 m ) 。第一含水层组( 简称一含) ，属于孔隙 潜水一弱承压水，水位标高在1 8 o 2 2 5 m 之间。上部含水层厚度在8 l7 m 之 间，分布区域非常广泛，而下部含水层厚度在2 8 m 之间，区域分布不均。第 二含水层组( 以下简称二含) ，其特性是属于河床相一河漫滩相沉积的孔隙承压 含水层，水位标高1 4 7 2 3 7 m 之间。地下水除侧向径流补给外，还有垂向补 给。第三含水层组( 以下简称三含) ，属于河漫滩相一湖泊相沉积的孔隙承压水 类型含水层。水位标高在1 4 6 2 4 1 m 之间。地下水为完整承压水，含水层厚 度一般在15 8 0 m 之间。富水性较强，地下水补径排条件较差，以侧向径流补 给为主。 地下水的水化学类型是影响地下水中离子含量的重要因素。淮北平原的地 下水化学类型非常复杂，一含的水化学类型纯属n a - h c o 。的地下水类型不多， 但是阴离子和阳离子分别以有利于氟迁移和富集的c i 、h c o 。- 和n a + 、k + 为主， 地下水化学类型主要为m g - c a - n a - h c o 。- c i 、n a c a m g c l h c 0 。和 c a n a m g h c 0 。- c i 等。在二含水中，平原北部的地下水化学类型仍然较为复杂， 在西北部地区主要是以n a m g s o 。一h c o 。和n a c a m g - s o 。- h c o 。型为主。其余地区 的水化学类型都较为简单，多数为n a - c l - h c o 。和n a - h c o 。，其中n a - h c o 。占大多 数。三含的地下水化学类型较为简单，大部分为n a - h c o 。，少数为n a - c i - h c o 。阳1 。 1 3 研究地下水水化学类型对本文的必要性 钙质结核的形成与地质时期海平面的升降、古河道的变迁、古气候的变化 及地下水作用等有关，碳酸钙的来源主要是土壤母质和富含h c o 。- c a ”的浅层地 下水，而钙质结核的形态和大小与保持在这一层位的地下水的时间长短以及蒸 发率有关阳1 叨3 。由于黄河的多次改道，淮北平原的上覆土层主要是黄泛冲积 物，由此基础上形成的土壤母质富含碳酸钙和氟，是钙质结核和高氟水形成的 主要物质来源。同时，黄河的多次改道不仅改变了研究区内地下水的分布情况， 同时也使地下水位发生变化。研究区内一般地势平坦低洼，地下水位较高，土 壤排水不良，水化学类型属于h c o 。- c a ”，为钙质结核的形成提供了良好的地下 水环境。 淮北地区的主要水环境问题是由于地下水氟含量过高而引起的地氟病、龋 齿等。通过研究发现，高氟水主要存在于浅层地下水中，其水化学类型纯属 n a h c o 。的地下水不多，但是阴离子和阳离子分别是以有利于氟迁移和富集的 c 1 一、h c o 。- 和n a + 、为主。为氟的储存提供了外在条件。 可见，两者之间的形成都与地下水水化学类型有着密切相关的联系，研究 该地区的地下水类型，对了解钙质结核和高氟地下水的成因以及二者之间的关 系是至关重要的。 1 4 本文的主要研究类容及工作 本文拟以对钙质结核土和高氟水的成因为基础，通过试验、分析等手段， 并紧密结合实践经验，对安徽省淮北平原钙质结核土的成因、高氟水的成因以 及影响地下水中氟离子聚集的因素等方面进行系统地研究，对解决该地区的高 氟地下水问题提出了自己的建议。研究内容如下： ( 1 ) 淮北平原钙质结核土的时代、成因及类型； ( 2 )淮北平原钙质结核土的区域分布； ( 3 ) 淮北平原高氟地下水的成因与区域分布； ( 4 )淮北平原氟离子质量浓度与其他离子质量浓度的相关性； ( 5 ) 淮北平原钙质结核土对高氟水形成的关系； ( 6 ) 解决高氟水问题的一些方案。 本文重点解决以下问题： ( 1 ) 淮北平原钙质结核土的形成条件与区域分布； ( 2 ) 淮北平原高氟水的形成条件与区域分布； ( 3 )得出地下水中氟离子质量浓度与其他离子之间的相关关系； ( 4 )初步探讨钙质结核土与高氟水的形成之间的关系。 通过课题研究，探讨淮北平原钙质结核土的成因类型和分布规律、高氟地 下水的成因以及分布规律、地下水中氟离子质量浓度与其他离子之间的相关性， 对淮北平原钙质结核土与高氟地下水在形成过程中之间的关系进行初步探讨， 对降低研究区地下水氟含量提出建议。 3 第二章研究区的地质概况 2 1 研究区地质概况 安徽淮北平原地处安徽省北部，为黄淮海大平原的一部分。其东西分别与 江苏和河南相接，北靠山东，南边为江淮波状平原。地势较为平坦，平均海拔 在1 5 4 6 m 之间，自西北致东南缓缓倾斜，坡降在1 7 5 0 0 1 10 0 0 0 之间。 在大地构造上，安徽包括三个不同的构造单元，南部为扬子准地台的中段， 中部为大别山一张八岭隆起区，北部为中朝准地台的一部分。从中生代的印支运 动起至今，地理面貌发生了显著的变化，形成了现在的地貌类型。自南而北依 次为皖南低山丘陵长、江沿岸平原、江淮低山丘陵和淮河中游平原。按新构造 运动的特征各区可以分为：断裂两侧断块的差异活动、大面积下降运动和大面 积上升运动和三种主要类型引。 淮北平原区是新构造时期安徽内部沉降最大的区域，一般沉降幅度在6 0 n 1 2 0 m 之间，最大者可达2 0 0 m 以上。淮北平原在第四纪期间基本上以沉降为主， 至晚更新世发生了掀斜运动，使淮北平原本来东南地区高与西北地区的面貌发 生改变，而使淮北平原由西北向东南微微倾斜，形成了与今大致相同的平原地 貌阳引。到了现代，每年仍有l m m 的速度缓缓上升。造成境内淮河各支流缓缓下 切，形成了由上更新统q 。的河间阶地组成的河间低平原。在平原东北部的宿一 泗以北的地区和北部的界首、亳县，在近代由于黄淮泛滥，在表层覆盖厚达十 几米的黄泛堆积物，形成了独特的黄泛堆积地貌引。第四纪地层主要为冲积粘 性土、冲洪积的砂及沙砾石，厚度不等，小者十米，大者可至百余米，全区广 泛分布为沉积物所覆盖3 1 。 平原表面为丰厚的第四纪堆积物所覆盖，呈现出独特的堆积性地貌景观 们。而且更新世以来黄河频频改道以及决口，造成大量的泥沙堆积于黄泛平原 区，叠加于晚更新世的剥蚀平原之上，厚度大小不等，由北致南缓倾，形成了 今天典型的黄泛特殊地貌h 扣川。 4 女 # t 甚翟；监翟矗军= 等兰喜：主：嚣翟i 二嚣氅兰1 搿哆苎警品警8 幽21 安徽淮北平原地貌图l 据金权j 本区内分却有大量河流，多为西北一东南走向，山于诸河切割，阶地上升， 构成本区平原河谷地貌的自然景观。地貌类型根据形成原因的的不同可分为堆 积地貌、剥蚀堆积地貌和构造剥蚀地貌三种“。 丰县一口致集断裂固镄一长丰断裂灵壁一武店断裂郯庐断裂1 永城复背斜2 大吴集复向斜 3 童亭裙裴系4 蚌埠复背斜i 徐窑弧形推疆构造 图2 2 安徽淮北区域构造概况图( 据朱光) n 9 3 2 2 水文地质概况 境内河流均属淮河流域，各河流自西北向东南流入淮河及洪泽湖。主要自 然河道有洪河、润河、西淝河、涡河、北淝河、浍河、沱河、濉河等。安徽淮 北平原地理位置及水系分布如下图所示。如果某段时间内降雨集中，河床坡度 缓，而易发洪水( 图2 3 ) n 引。 区域内水流以碳酸型地下水为主，溶解性总固体在0 5 1 5 9 l 左右。区 域内总体降水较多，但是年际之间、地区之间尤其是季节之间差别较大；蒸发 量也是差别较大，但由于大部分为雨源区，因此在地域上与降水区的情况相似。 6 图2 3 安徽淮北平原地理位置及水系分布图( 据乔丛林) 2 3 气候与气象概况 淮北平原为典型的暖温带半湿润性季风气候，总体来说雨量充足，季节之 间分际明显，光照合适。该区地处暖温带的南缘，年平均气温1 4 5 c ，0 积温为5 l o o 5 5 0 0 ，1 0 积温为4 5 0 0 4 8 0 0 ，无霜期2 0 0 2 2 0 天。淮北平 原年平均年降水量在8 5 0 m m 以上，为作物生长提供了丰富的降水资源，而且9 5 集中作物生长季节( 0 期间) 。水热同步，利于提高自然降水的利用效率。 但又由于其独特的地理位置使区内降雨时空变化较大，干湿交替。 其降水主要有一下二个特征： 是降水的年际变化较大，由于季风时间上的差异以及强弱程度的不同造 成不同年份之间该区内的降水量差别较大；二是季节之间的降水不均，不同季 节之间占全年降雨量的差别较大，其中以夏季居最，之间又以7 月为最多。正 是由于这种情况造成区域内时而旱灾频发又时而遭受洪涝灾害发生的现象。这 种干湿交替的气候环境，非常有利于钙质结核的形成。在雨季的时候，大量雨 水的注入，加强了淋虑现象，地下水的流动方便碳酸钙的运移与富集，使地下 水位相对较低的地区保持相对高的碳酸钙浓度；在旱季的时候，由于地下水的 蒸发，是碳酸钙过饱和度增大，从而是向着生成碳酸钙的方向进行，从而得使 钙质结核不断生成长大。同时也有利于高氟地下水的形成。 7 第三章淮北平原的水土环境特征 3 1 淮北平原主要土层特性 发育在晚更新世( q 。) 时期的黄土性古河湖相沉积是淮北平原分布最广的 母质类型，主要岩性为粘土、粉质粘土与粉细砂互层。呈带状广泛分布于本区 各河流之间的浅平河间洼地，土壤母质钙质和氟的含量都非常高，经过漫长的 地质年代，上部碳酸钙淋溶比较彻底，为浅灰黑色粉质亚粘土层，保留古沼泽 化有机质表层残余特征，但有机质含量不高。 表3 1 古河湖湘沉积物的特征如下幢。 发育在全新世中期( q 。) 的黄泛冲积物，在本区分布广泛，主要岩性为裂 隙状亚粘土，含钙质结核和亚粘土、粉细砂互层。主要分布在黄泛地区和淮河 垂岗集以下河谷及其支流河谷低地中。黄泛沉积物由于沉积时间较短，富含碳 酸钙，氟、磷、钾含量也较高，土壤呈碱性反应，p h 值 8 0 ( 表3 ) 。 表3 2 黄泛冲积物性质特征心0 1 发育在全新世晚期( q 。) 的近代淮泛冲积物。集中分布在淮河垂岗集以上 河各低地之中及泉河沿岸一带，面积较小。物质来源为淮河及其南岸支流的冲 8 积物。受土壤母质的影响，其性质与黄泛冲积物有明显的差异。其主要岩性为 裂隙状亚粘土，通体无石灰反应，土壤呈微酸性中性。 表3 3 淮河母质沉积基础上形成的粘士性质特征心们 在第四纪基岩风化的残积坡积物上发育的土壤，面积极小，母质为石灰岩 风化物，氟含量一般，主要分布在率区北部和东北部的丘陵、岛状孤山或山麓 地带。 此外，在沿淮地区，排灌较好的地区，还发育着少量的水稻土和菜园土( 耕 作土) 。由于这两种土受人类活动影响比较大，土壤母质氟含量非常高。 3 2 淮北平原主要环境问题 由于受地域地貌特征、水文地质条件的制约、岩土性质、水文和人类工程 活动等因素的影响，产生了区域地质灾害。地质灾害以岩石和土体为载体，从 而恶化和破坏研究区的地质生态环境。 3 2 1 地下水开采引起的地面沉降 淮北平原是找国重要的商品粮基地，工农业发展迅速，人口逐渐增加，对 水资源量的需求越来越大。同时淮北是淮河流域缺水虽严重的地区，该地区缺 水问题非常严重。淮河及其支流污染严重，再加上地表水匮乏且利用率低，使 得人们不得不集中开采地下水。 随着淮北平原的发展和城市化进程的速度加快，城市用水量在逐年增加， 而因水污染使地表水资源越来越少以及开发利用程度低，使得浅层地下水已经 难以满足城市用水要求。为了满足城市供水，只好超量、掠夺性地开采中深层 地下水。然而，在总体上，淮北地区中深层地下水资源较为贫乏，城区水源地 的允许开采量应是地下水开采最起码的约束条件。由于无节制，无计划地滥采， 几乎所有城市( 区) 都出现了不同程度的地下水超采，特别是阜阳市区、界首市 区严重超采，系数高达1 9 9 ，而这两市的中深层水文地质条件处在不好的区域。 淮北市区、毫州市区、萧县县城的超采系数在1 6 4 , - - - 1 7 4 之间，也已严重超标， 其他部分城市县城超采量也在逐年增加。由于局部地区开采井密度过大，相互 干扰强烈，造成开采区水位下降过快，水源地提前进入非稳定开采阶段，诱发 不良环境地质问题发生。 由此引发另一个严重的环境问题是有的城市出现了较为严重的地面沉降， 9 和地面下沉现象。阜阳市地下水开采层位为8 0 , - - 15 0 m ，现状开采量为1 3 5 万 m 3 d ，超采量为6 7 万m 3 d ，超采系数为1 9 9 ，经地面测量结果表明，阜阳市 地面沉降范围已达3 6 0 多k m 2 ，中心最大沉降量超过1 2 0 m ，地面仍呈下降趋势。 由于地面下沉，市区已有1 左右的深井错位、剪断损坏而报废，如面粉厂井管 相对抬高2 2 0 m m ；颖河大堤下沉。降低了防洪能力，更为严重的是位于城区的 颖河阜阳节制闸被拉裂、损坏而不能正常运行，虽然已投入16 0 0 万元加固、维 修，但若不迅速控制中深层地下水超采的局面，包括阜阳闸在内的高层建筑物， 仍将处于被破坏的危险境地。界首市也出现了较明显的地面下沉迹象，漏斗中 心的开采井井管已出现抬升，部分房屋已出现较明显的裂缝晗。 淮北地区大部分城镇都存在地下水过量超采问题，地下水位下降，漏斗区 逐年扩大，地下水开采深度逐年向深处发展。其部分城镇的地下水位下降深度 ( h ) 、地下水下降速度( h o ) 、祸斗区面积( s ) 继续开采地下水深度( h e ) 等调查指 标见表1 所列。由表1 可以看出，淮北地区由于超栗地下水引起的环境地质问 题是严重的，影响范围很大，应引起高度的重视。 表3 4 淮北地区环境地质调查表( 据王国强) 3 2 2 地下水质恶化 地下水中各种离子是处于一个动态平衡的状态，任何一种离子含量的变化 都会打破这个平衡。这一平衡的破坏，将引起地下水质恶化。淮北平原水质的 恶化主要表现在地表水环境恶化和污染源对地下水污染，水资源不合理开发利 用更使研究区水质的恶化进一步加剧。 研究区对水源地的环境保护问题一直没有得到重视，也没有按规范要求设 立卫生防护带，更为严重的是城市垃圾堆放点与排污染道大多修建在水源地内 部，且防渗措施很少，而水源地的开采使地下水资源的减少，进一步加剧了污 水下渗。该区被污染的表水体、浅层地下水可以从不均匀沉降的裂隙带或通过 天窗越流而侵入中深层地下水，进而污染中深层地下水。据部分水井水质分析 资料表明，因排污不当地表污水或被污染的浅层地下水对中深层地下水造成 了污染，有些水井中c 1 一、n o ：, - 都出现了较为严重的超标，污染物含量呈直线上 1 0 升趋势。另外，淮北市地下水因长期超采，硬度与矿化度均呈逐年上升的趋势， 硬度已超标。深层地下水中还出现了高氟水、高锰水、高铁水等，其分布越来 越广。 3 2 3 地方病 淮北地区的主要是以地方病地带性氟病和龋齿等疾病为主。主要是由于水 土环境的问题而引发的 淮北平原浅层高氟水含氟量往往相差很大，其浅层高氟水( 水氟含量大于 l m g l ) 区面积约占淮北平原面积的3 0 。主要分布于北部黄泛平原和南部浍河、 涡河、颖河等河流的河间地区。地下水中氟主要来源于土壤浅部松散层中可溶 氟的溶滤水解和包气带土氟的垂向淋溶，进而向地下水中迁移富集的过程 【2 2 ，2 3 2 4 。z s 第四章钙质结核土分布与成因 4 1 钙质结核土的分布 4 1 1 钙质结核土的分布区域 钙质结核，又名碳酸盐结核。根据它们在土壤特征，化学性质和发展程度变性形 式，可划分为雏形钙质结核、完形钙质结核和钙质硬磐三类。钙质结核的发展变化是 研究区土壤变性的重要特征。在淮北平原、苏北平原以及山东半岛右江河谷平原都含 有大量的钙质结核。钙质结核在土壤中通常聚集为层组，有的只在一层剖面出现，有 些是多层分布幢1 。 钙质结核在剖面中的分布，浅的大约为2 0 - 4 0 c m ，深的1 0 0 - 2 0 0 c m 。然而，钙质 结核在不同深度分布的类型也不同。总体而言，雏形钙质结核在土壤中的分布约为在 5 0 - 8 0 厘米；完形钙质结核件在土壤中的分布约在7 0 - 1 2 0 厘米；而钙质硬磐多分布于 土壤的下层，甚至超出一般的土壤剖面的范围。到达第一个地下水含水层( 深达3 米) 。 据对同一土壤或同一地区的土壤进行实地观察，雏形钙质结核和完形钙质结核，具有 不同的大小或颜色，在两个不同的土层或相同的土层中出现。由于淮北平原土壤退化， 钙结结核主要集中在黑土层以下的黄土层中分布。而在黑土层中，钙质结核的分布非 常少。 其中在淮北平原的钙质结核土广泛分布，面积大约为1 4 0 h m ，占淮北平原总面积 的5 2 5 ，占全国钙质结核土面积的4 1 5 。总体而言，淮北平原的地势是从北到南 呈逐渐降低的趋势，但总体比较平坦。通过对研究区的取样发现，在不同的标高地区， 钙质结核在剖面中的分布深度与地层的标高相一致。淮北平原钙质结核土集中分布 在河问平地、河流洼地及以黄泛冲积物为主的土地上，在淮北平原的整个中南部地区， 除了在水系比较发育的地区，其他地方都有钙质结核的分布。而在古河道高地、泛滥 微高地及河漫滩上，由于缺少充足的地下水以及能保持在同一水位比较长的时间，所 以在以上地点，鲜有钙质结核的出现，这也可以说明钙质结核的形成与地下水之间有 着密切的联系。同时，碳酸盐的分布是有一个往地势低的地方聚集的趋势，而碳酸盐 浓度聚集到低的趋势，所以在地势高的地区的边缘地带也常常会有钙质结核的存在。 雏形钙质结核主要分布在新近沉积的土层中，由于形成的年代较短，钙质结核的数量 少，粒径小，对土体工程性质的影响较小。而完形钙质结核则主要分布在上更新统的 土层中，钙质结核的数量多，粒径大。有些地区还有钙质硬磐的分布，如利辛、蒙城、 濉溪等地( 图4 1 ) 。 1 2 图4 1 钙质结核土层分布示意图 4 1 2 钙质结核土的分布特征 在水平方向上，钙质结核土主要集中分布于研究区的河间平地、河流洼地 及以黄泛冲积物为主的土层中，在淮北平原的整个中南部地区，除了在水系比较发 育的地区，其他地方都有钙质结核的分布。而在古河道高地、泛滥微高地及河漫滩上， 由于缺少充足的地下水以及能保持在同一水位比较长的时间，所以在以上地点，鲜有 钙质结核的出现，这也可以说明钙质结核的形成与地下水之间有着密切的联系。 钙质结核在土层中埋藏的深浅、厚度和大小各地都不一样，这主要是由于 地下水在该层位的保存时间的长短有关。通过对研究区的取样分析，结合工程 资料，雏形钙质结核的出现主要是在地表7 0 厘米处左右，而在1 米以下，主要 是完形钙质结核，钙质硬磐的出现主要是在3 米以下。同时，钙质结核的出现 还有个分布与地势也有密切的相关。 综上所述，我们可以发现，钙质结核的分布在水平方向上的分布与垂向上 的分布都与地下水有着密切相关的联系。在水平方向上，钙质结核的分布主要 分布在水流、径流不畅的地区。在垂向上，从上而下，钙质结核的分布依次为 雏形钙质结核、完形钙质结核以及钙质硬磐。3 种不同形态的钙质结核主要是 表现在大小上，而造成这一结果的是由地下水在这层位的保存时间的长短所 决定。下表是钙质结核在钙质结核在土壤中的分布( 表4 1 ) 1 。 表4 1 钙质结核在土壤剖面中的分布( k g m 3 土体) 4 2 钙质结核的形成 4 2 1 钙质结核的形成时期 钙质结核包括雏形、完形和硬磐三个不同发育程度的类型，在不同类型的 钙质结核中碳酸盐含量以及化学组成都不相同。在不同的钙质结核形态中，碳 酸盐的含量最高值和最低值的变化可以达到2 倍之多。在化学组分上，不同的 钙质结核形态主要表现在钙质结核中的碳酸钙，吸收的物质( 酸，二氧化硫， 三氧化硫，钛，锰等) 和入侵( 石英，长石碎屑和其他材料) 三个方面的不同 部分。在三个不同形态的钙质结核中，雏形钙质结核由于发育的时间较短，其 碳酸盐的含量在三个当中是最低的，但二氧化硅的含量比较高，其他二种则碳 酸盐含量较高，而二氧化硅的含量较低，主要原因是：地下水在这一层位的时 间较长；二者形成的时间较长，碳酸盐的不断富集和发育使得在这二种钙质结 核中含量非常高旧1 。当然，在不同钙质结核的分布地区，不同的地下水类型和 土壤环境条件，这也是导致钙质结核各种元素含量分异的主要因素。 碳酸盐是放射性碳断代的良好对象。钙质结核中含有大量的碳酸钙，可以 通过放射性来测定钙质结核的年代。钙质结核的年龄随着结核的发育程度的多 少，以及碳酸盐和氧化钙含量的增加而递增幢6 。 表4 2 是根据刘良梧的资料对钙质结核的年代进行了总结。 表4 2 淮北平原钙质结核年龄表 地层c 年龄( 年，距今) 雏形钙质结核层 完形钙质结核层 2 0 0 0 8 4 6 2 2 l - 4 - 2 0 3 3 6 1 0 2 2 0 4 8 6 5 1 3 8 5 4 4 1 2 0 3 6 8 9 2 1 7 0 6 9 8 4 7 6 - 1 4 2 5 0 5 0 0 1 8 1 9 4 3 8 2 2 7 8 5 1 1 8 0 钙质硬磐层 1 6 0 0 0 4 0 0 0 0 由表4 2 可以看出，雏形钙质结核层形成的时间较短，主要是在新近( 全 新世) 的沉积土层中出现；完形钙质结核主要是发育在以黄土性为主的古河流 相冲积物的土层中。完形钙质结核的分布范围最广，主要是由于当时的环境处 于针阔叶混交林一草原景观和温凉偏干气候。这种气候下，土壤中的c o 。充足， 同时在大量富含重碳酸盐的地下水的参与下，适合钙质结核的形成。 4 2 2 钙质结核土的形成过程 钙质结核的形成主要与地质时期海平面的升降、古气候的变化、古河道的 变迁、地下水作用等因素有关，而碳酸钙的主要来源是经过土壤淋溶富含 h c o 。- - c a ”的浅层地下水，而钙质结核的大小和形态与地下水保持在这一层位的 时间长短以及蒸发率有关。 由于碳酸钙在水中的溶解度非常低，必须变成碳酸氢钙c a ( h c o 。) ：才较易溶 解于水中。所以就存在以下的化学平衡条件陋”： c a c o 。+ h 2 0 + c 0 2 c a ( h c o 。) 2 由这个平衡可以看出，决定c a c o 。移动的主要有两个因素：一是土壤水分 状况：二是土壤中c 0 ：的含量。在同等条件下，如果土壤水中饱含c o ：，可使c a c o 。 的溶解度增大3 0 倍。淮北平原全新世以来气候变暖，植被茂密，广泛分布着湖 泊。在这个条件下，使土壤中的水分充足，而植被的茂密，使土壤中能够有充 足的c o 。同时，由于研究区蒸发量大于降水量的气候条件，对碳酸盐的累积 非常的有利心引。当地表水分通过渗流等进入条件进入土壤后，在土壤中富含的 c o 。与水的作用过程中，把越来越多的难溶性c a c o 。变成水溶性的c a ( h c o 。) 。，再 通过毛细作用等把其带到下层，在此过程中，反应的平衡方程向右移动。由于 水分是以毛管运动为主要形式，在黄土性母质的下面，水流下渗变缓，同时由 于下层土壤中c 0 。含量变少；同时，水分在此过程中也发生了变化，主要有2 部分：一是水分沿着土壤中的毛细管移动，这是在土壤中聚集碳酸盐的过程； 另一方面，由于蒸发浓缩的作用，水分的减少，碳酸盐在移动的过程中，在下 层逐渐富集，一部分呈块状，一部分呈层状。在此过程中，该反应的平衡方程 向左移动( c a c o 。+ h 。o + c o ：一c a ( h c o 。) ：) ，部分c a ( h c o 。) ：变成c a c o 。，这就是碳酸 盐在界面上形成暂时的聚积过程，也是钙质结核形成的初步形态。 c q 键 捕聃 靶鞴 刚 2 碳酸盐聚积模型圈 图43 钙质结核形成模型圈 这2 幅图就是土壤中碳酸钙变成钙质结核的主要过程。 从图42 上可以看出，当地表水分进入土壤后，土壤c a c o 与c 0 ：在水的参 与下，使c a c o 。淋溶，是碳酸盐聚集的过程。 从图43 可以看出，受气候的影响，由于蒸发浓缩作用，土体变干，水分 蒸发，反应平衡像左移动，同时c o 。析出，c a c o 。在土壤中沉积。在年复一年的 作用下，碳酸钙逐渐富集成个体，最后胶鲒成层状。 43 3 钙质结核的形成条件 从前面的分析来看，将钙质结核的形成所需要的条件总结如下： 沉积了富古c a c o 。的粉土、粉质粘土的古河湖湘黄土性沉积物 安徽省地形复杂，平原、丘陵和山地各占三分之一，在此基础上形成了地 质环境的分异和土层分布的多样化。黄河由于多砂善凇，变迁无常，改道十分 频繁。从公元前6 0 2 年河流迁徙起的2 6 0 0 多年的时间罩，黄河下游河道经历了 从北到南，又从南再到北的大循环摆动( 图44 ) ”。| 。“1 。 图4 4 黄河f 游河道历史变迁图( 据徐福龄) 历史上，黄河经过多次改道，而每次改道都会在沿途形成大量淤积砂、粉 土，而其中冲淤积砂中还夹有粉质粘土、粘土等沉积土层( 黄泛冲积物) 。而在 其沉积土层中含有大量的c a c o 。为钙质结核的形成提供了物质条件。 蒸发量大于降水量的自然环境条件： 在钙质结核土的形成区域，由于该区蒸发量大于降水量，使土体中水分变 干，c 0 ：析出，是钙质结核的形成中的至关重要的一点。 富含h c o 。- - c a ”的浅层地下水的垂直运动 由于黄河的多次改道，使研究区地下水系的分布情况发生改变，同时也加 剧了地下水位的变化。加上研究区内一般地势平坦低洼和土壤排水不良的地质 条件，而地下水位较高及在某一层位的保存时间，且又属于h c o 。- - c a “型，为钙 质结核的形成提供了良好的地下水环境。 成土母质处于地下水的变动范围内，地势的变化，造成了地下水径流缓 慢 由于钙质结核的形成和钙质结核形态的大小都与地下水在这一层位的保存 时间有密切的关系。而径流的缓慢，变相的使地下水在这一层位的时间更长， 从而有利于钙质结核的形成。 第五章淮北平原的高氟地下水成因分析 5 1 含氟地下水的分布特征及分布区域 5 1 1 含氟地下水的分布区域 研究区地氟病主要是由于饮水含氟量高( 1 o m g l ) 所致，属饮水型病区。 绝大多数是由于浅层地下水含氟量过高而致病，具有分布范围广、发病为数众 多的特点。淮北平原是高氟水的严重区域，为了解淮北平原的地下水氟含量地 理分布规律，以及地方性氟中毒疾病区人口居住情况，水利和卫生部门曾联合 组成调查小组，于2 0 0 1 年2 月致6 月对以上各市县进行调研。调查结果为：淮 北平原各地区氟病区的面积占全省的比例为：毫州约占4 4 4 3 ，阜阳市约 3 8 2 4 ，宿州市约占2 0 5 4 ，淮北市约占7 7 5 。生活在淮北平原高氟水区的 人们主要是以浅层地下水为生活饮用水，这些地区浅层地下水氟含量一般在 1 3 m g l ，最高可达1 4 4 m g l 。而因高氟水引起的氟斑牙在氟病区患病率低的 5 0 左右，最高可达9 0 ，生活在萧县、砀山和宿州黄泛冲积平原区的患病率在 7 0 左右。居住在颍河、涡河、西淝河等河间地区的居民多以浅层水作为引用源， 经调查，患病率在5 0 左右，沿淮河两岸由于地下水和河水水力联系密切，当 地居民生活用水主要引用河水和地下水，水中氟含量一般在0 5 1 o m g l ，局 部可达1 5 m g l 。氟病调研组在砀山、泗县等地氟病区采取了不同深度的地下 水，对水氟含量进行检测，检测结果是浅层地下水( 主要是人工水井，深度不 超过2 0 m ) ，氟含量大多在2 5 m g l 以上，中深层及深层地下水氟含量大多低 于1 o m g l ，符合饮用水标准强幻b 。 淮北平原东北部低山丘陵区周围地下水循环交替较快，地下水氟离子含量 一般小于1 o m g l 。平原区河道带及近河泛滥带地下水径流较为流畅，氟离子 含量一般小于1 o m g l 。远河泛滥带及湖湘沉积区，地下水径流相对滞缓，氟 离子含量多大于1 o m g l ，最高可达1 4 4 m g l ，是地方性氟病流行区，病区面 积约占淮北平原的4 0 ，发病村落主要分布于河间洼地、扇前、背河洼地及河间 等地势平缓低洼之处纠。区内地下水氟含量超过国家饮用水标准( 1 o m g l ) 的地区，主要集中在淮河以北的大部分县( 市) 以及淮河以南的六安市、安庆 市、黄山市、宣州市的少部分地区，尤以阜阳市的颍州区、临泉县、太和县、 阜南县、颍上县、界首市，毫州市的谯城区、涡阳县、蒙城县、利辛县、宿州 市的砀山县、萧县、灵璧县、泗县、淮北市的杜集区、相山区、烈山区、遂溪 县、蚌埠市的固镇县、淮南市的凤台县等地下水中氟含量较高，地方性氟中毒 较为严重b 。图5 1 是区域地下水氟含量区域分布图口3 1 。 1 8 i 封5l 高氟水分布区域留”。 5 1 2 含氟地下水的分却特征 5121 水平分布特征 为探究氟在平面上的分布特征，根据许光良的由北向南所采集的1 3 0 多个浅 层地下水水样的氟及相关指标的测试发现，准北平原的浅层水氟浓度呈非均匀 分布具有明显的区域规律。如卜圈所示，