论文部分内容阅读
摘要：由于受地层岩性、构造、地貌、气候、径流条件及人为等因素的影响，腾格里地区不同部位形成了不同水质类型的地下水，为了合理开发利用地下水，研究其分布规律和形成机制及演化过程，有着重要意义。
关键词：腾格里 地下水化学特征 矿化度 离子 成因探讨
一、前言
腾格里位于阿拉善左旗南部，区内蕴藏着丰富的芒硝、原盐、煤、铁等资源。腾格里工业园是以精细化工、煤化工及新型建材深加工为主的工业园区，是阿拉善盟重点打造的经济开发区，目前入驻企业40余家，2010年完成生产总值16亿元，财政收入1亿元。然而区内无可用的地表水，地下水是支撑经济发展的唯一水资源，经过几年的快速发展，水质性缺水问题日益显现，环境压力越来越大，成为制约当地经济进一步发展的瓶颈。因此，寻找新的水源，研究地下水的分布规律、水化学特征及形成机制已刻不容缓。
二、地下水分布规律及水化学特征
根据不同含水介质、埋藏条件和水力性质，区内地下水自上而下分为第四系孔隙潜水、第四系和新近系孔隙、裂隙混合承压水和新近系裂隙孔隙承压水。由于受区内地层岩性、构造、地形地貌、气候、水动力条件及人为等因素的控制，本区地下水比较复杂，现自上而下分述如下：
（一） 第四系孔隙潜水水化学特征
第四系潜水分布在本区南部，阴离子以S04·CI为主，HC03·S04·CI次之，阳离子以Na型为主，Ca·Na型次之，Mg·Na型少量，水化学类型为S04·CI——Na、HC03·S04·CI——Na、HC03·S04·CI——Ca·Na和S04·CI——Mg·Na型，矿化度在南侧沙漠边缘＜1g/L，向北逐渐过渡到＞2g/L。氟离子含量同矿化度相近，自南向北由＜1mg/L→1-2mg/L→＞2mg/L变化。由于该层水分布面积小，含水层薄，水质差，做为水源地进行集中供水意义不大，不在敖述。
（二） 第四系和新近系混合承压水水化学特征
该含水层位于第四系潜水之下，是本区主要开采层位，阴离子以CI·S04·HC03→HCO3·CI→CI·S04渐变，阳离子以Na·Ca·Mg→Na→Na·Mg→Na渐变。就分布面积而言，阴离子以CI·S04水为主，HCO3·CI和CI·S04·HC03水次之，阳离子以Na型水为主，Na·Ca·Mg、Na·Mg型水次之。水化学类型S04·CI——Na、HCO3·CI·S04——Na、HCO3·CI——Na 和HCO3·CI——Na·Ca·Mg。水分析成果见表1。
该层水虽然类型多样，但具有明显的水平分带规律，自盆地边缘向中心，矿化度由＜1g/L渐变为＞2g/L，氟离子由＜1mg/L渐变为＞2mg/L，见表2。氟离子同矿化度变化趋势相同，高矿化水区氟含量也高。
（三）新近系承压水水化学特征
该含水层位于混合承压水之下，阴离子以CI·S04、HC03·CI、CI为主，阳离子以Na、Na·Ca、Na·Ca·Mg为主。水化学类型为S04·CI——Na、HCO3·CI·S04——Na·Ca、HCO3·CI——Na 和HCO3·CI——Na·Ca·Mg，水分析成果见表3。
地下水自盆地边缘向中心，矿化度由＜1g/L渐变为＞2g/L，氟离子由＜1mg/L渐变为＞2mg/L，由于该层水埋藏深，水交替相对较弱，矿化度总体比混合水高，而氟离子布规律基本相近，见表4。
三、高矿化水成因探讨
1. 地层高含盐量是地下水高矿度的物质基础：区内新近系碎屑岩含盐量普遍较高，单孔每100克土中含盐量76.5-1185.6mg，全区平均每100克土中含盐量278.5mg，见表5、表6。
由表可见，除个别孔外，一般地层含盐量高，矿化度也相对较高，二者成正相关关系。由于溶滤作用及阳离子吸附交替的结果，地层中的盐分被转移到水中，并随水迁移并富集，使矿化度增高。各种盐类溶解度的顺序如下：CaCl2＞MgCl2＞NaCl＞KCl2＞MgS04＞Na2CO3＞CaS04＞CaCO3，氯化物和硫酸盐首先从岩（石）土中溶解，当蒸发时，这些盐的顺序刚好相反。其次，地下水的化学成分主要取决于盐的种类，如盐岩（NaCl）矿床内Na+及K+和CL-占优势。而在石膏、天青石、重晶石等矿床内S0-4和Ca+较多。区内沉积岩盐以前者居多，所以经过长期溶滤作用，区内地下水形成了CI·S04- Na为主的高矿水。
2. 地下水径流、排泄条件是控制矿化度的主导因素：地形起伏影响着地下水的径流及渗入补给强度，也控制着水交替强烈程度。本区地形起伏不大，由盆地边缘到中心水力坡度渐小，地下水随着水力坡度的减小径流逐渐缓慢，水交替局部处于停滞状态，盐分累积逐渐增大。其次，本区为半封闭的断陷盆地，地下水由西南、西、北向盆地中心径流，然后由东南排出区外，由于排泄断面狭窄，且基底隆起，地下水由盆地中心至排泄区径流条件渐差，局部受阻，水交替渐缓，矿化度随之增高。
3. 古地理环境也是高矿化水形成的重要因素：本区为山间半封闭断陷盆地，堆积了较厚的第三系碎屑岩和第四系松散层，在慢长的地质历史进程中，盆地呈断续间隙性沉降，地形低洼处多次形成古湖泊、沼泽等地貌形态，后因环境变迁，盆地进一步沉降，古湖泊又多次被沉积覆盖，封存了大量含盐、碱等矿物成份。后期地下水进入后，溶解了这些盐分形成了高矿化水。
4. 干旱气候也是高矿化水形成的原因之一，区内多年平均降水量仅150mm，而多年平均蒸发量高达2996mm。这就决定了本区极其干旱的气候特征，降水稀少，水动力条件差，蒸发强烈，浓缩作用加剧，致使矿化度增高。
四、高氟水的成因探讨
1. 背景岩石含氟高是形成高氟水的原因之一：氟广布于自然界中，绝对不含氟的岩土是很少见的。土壤中黏土矿物为氟源，其次，磷灰石、冰晶石和萤石是循环水中氟的主要来源。根据前人研究资料，岩石中氟含量与地下水中氟含量成正相关关系，见表7。而本地区砂岩、页岩、石灰岩及白云岩等分布甚广，因此，为形成高氟水提供了物质来源。
2. 地下水动力条件影响氟的迁移和富集：含水层颗粒越粗，水力坡度越大，径流条件越好，氟越不易富集。而本区含水层多以湖相沉积的泥质砂岩、含砾泥质砂岩及泥质细粉砂岩为主，平均水力坡度仅2-4‰，地下水径流条件差，不利于氟迁移，而有利于氟富集。
3. 地下水化学成份制约着氟的迁移和富集：
（1） 弱碱性水有利于氟的富集，本区地下水pH值均大于7，见表8。弱碱性水可使铝硅酸盐矿物溶于水，促使含氟硅酸盐矿物溶解,使岩石中的氟溶出。因此，pH值越高的地下水越有利于氟的富集。相反，在pH值低的酸性水中，氟离子与氢离子生成氢氟酸，氢氟酸溶解二氧化硅及硅酸盐岩石生成气态的氟化硅，使地下水中的氟减少,不利于氟的富集。
（2） 本区水中氟常以NaF形式存在，所以HCO3-Na型、CI·HCO3- Na型水有助于氟从岩石或土壤中溶滤及稳定的存在于水中，地下水中氟的富集与CI-、HCO3-离子含量呈正相关趋势。
（3） 地下水中氟含量有随硬度升高而降低的趋势，钙是氟在水中富集和迁移的障碍，由于氟离子(F-)和钙离子(Ca2+)能形成难溶的氟化钙(CaF2)，其反应式为2F-+Ca2+→CaF2，而本区地下水Ca离子含量较少，因此不易形成氟化钙沉淀使F-析出。其次，氟的钠盐和钙盐在水中的溶解度极不相同，氟化钙的溶解度为16mg/L，氟化钠的溶解度为42×103mg/L，氟化钠在水中完全溶解时，氟在地下水中呈离子状态，可隨水迁移和富集；而氟化钙在水中溶解度很低，大部分为白色沉淀，难融于水，不易随水迁移富集，因此，钠质水有利于氟的富集，钙质水不利于氟的富集。形成了高钙低氟、高钠高氟的现象。
4. 气候条件决定了本地区高氟水的广泛性，本区处于干旱少雨和高蒸发气候条件，水交替作用弱，导致地下水在含水层中长期滞留，促使含氟矿物溶解后富集，并使风化产物中的F-和OH-之间离子交换，致使地下水中氟离子进一步富集，一般情况下随含水层埋深加大，氟含量减低。
五、结语
综上所述，本区地层岩性是高氟、高矿化水形成的物质基础；水动力条件是高氟、高矿化水形成的主导因素；古地理环境及水化学特征是高氟、高矿化水形成的内在条件；干旱气候是高氟、高矿化水形成的外在因素。尽管有诸多因素影响，本区氟和矿化度在不同的环境水文地质条件下呈现有规律的变化。水平方向：在盆地边缘补给区，由于含水层颗粒粗，水力坡度大，径流条件好，水交替强烈，地下水矿化度和氟离子含量一般都小于1g/L和1mg/L，水质好，而在盆地中心径流区和东南排泄区，由于含水层颗粒变细，水力坡度减小，径流条件变差，水交替缓慢，矿化度和氟离子含量一般都大于1 g/L和1mg/L，局部大于2 g/L和2mg/L，水质逐渐变差；垂直方向：第四系孔隙潜水由于水位埋藏浅，蒸发浓缩作用使水中盐类和氟富集，水质最差；第四系和新近系混合承压水由于不受蒸发影响，含水层颗粒较下部粗，水交替较强烈，水质较好；而新近系承压水位于混合承压水之下，含水层埋藏深，颗粒较上部细，水交替相对较弱，水质较差。
但本区地下水成因多样，成份复杂，有待在今后的开发利用中进一步研究其空间分布规律、化学成份特征、形成机制及演化过程。针对本区高氟、高矿水的化学特征，提出以下预防和治理建议：1. 加强工业“三废”排放治理，和农林业农药污染和城镇生活污染治理；2. 净化包气带，植树造林，提高土壤自净能力；3. 科学利用地下水，隔离高氟、高矿化含水层，并在适宜部位利用分层开采中氟、中矿化地下水，以加强人工水循环来净化含水层；4. 采用集中供水，划分水源地卫生防护区；5. 对于饮用的高氟水可用以下简单方法去氟①将铝化物加入水中，形成胶状沉淀物，水中氟离子取代其中的羟基（OH-），从而使水中含氟量降低；②将活性碳等吸附剂放在过滤池中，吸附水中氟离子；③也可用煮沸去氟和结冰去氟。
参考文献：
[1] 地质矿产部水文地质工程地质研究队，1978，水文地质手册[M]，北京：地质出版社
[2] 王大纯.张人权.等，1995，水文地质学基础[M]，北京：地质出版社
关键词：腾格里 地下水化学特征 矿化度 离子 成因探讨
一、前言
腾格里位于阿拉善左旗南部，区内蕴藏着丰富的芒硝、原盐、煤、铁等资源。腾格里工业园是以精细化工、煤化工及新型建材深加工为主的工业园区，是阿拉善盟重点打造的经济开发区，目前入驻企业40余家，2010年完成生产总值16亿元，财政收入1亿元。然而区内无可用的地表水，地下水是支撑经济发展的唯一水资源，经过几年的快速发展，水质性缺水问题日益显现，环境压力越来越大，成为制约当地经济进一步发展的瓶颈。因此，寻找新的水源，研究地下水的分布规律、水化学特征及形成机制已刻不容缓。
二、地下水分布规律及水化学特征
根据不同含水介质、埋藏条件和水力性质，区内地下水自上而下分为第四系孔隙潜水、第四系和新近系孔隙、裂隙混合承压水和新近系裂隙孔隙承压水。由于受区内地层岩性、构造、地形地貌、气候、水动力条件及人为等因素的控制，本区地下水比较复杂，现自上而下分述如下：
（一） 第四系孔隙潜水水化学特征
第四系潜水分布在本区南部，阴离子以S04·CI为主，HC03·S04·CI次之，阳离子以Na型为主，Ca·Na型次之，Mg·Na型少量，水化学类型为S04·CI——Na、HC03·S04·CI——Na、HC03·S04·CI——Ca·Na和S04·CI——Mg·Na型，矿化度在南侧沙漠边缘＜1g/L，向北逐渐过渡到＞2g/L。氟离子含量同矿化度相近，自南向北由＜1mg/L→1-2mg/L→＞2mg/L变化。由于该层水分布面积小，含水层薄，水质差，做为水源地进行集中供水意义不大，不在敖述。
（二） 第四系和新近系混合承压水水化学特征
该含水层位于第四系潜水之下，是本区主要开采层位，阴离子以CI·S04·HC03→HCO3·CI→CI·S04渐变，阳离子以Na·Ca·Mg→Na→Na·Mg→Na渐变。就分布面积而言，阴离子以CI·S04水为主，HCO3·CI和CI·S04·HC03水次之，阳离子以Na型水为主，Na·Ca·Mg、Na·Mg型水次之。水化学类型S04·CI——Na、HCO3·CI·S04——Na、HCO3·CI——Na 和HCO3·CI——Na·Ca·Mg。水分析成果见表1。
该层水虽然类型多样，但具有明显的水平分带规律，自盆地边缘向中心，矿化度由＜1g/L渐变为＞2g/L，氟离子由＜1mg/L渐变为＞2mg/L，见表2。氟离子同矿化度变化趋势相同，高矿化水区氟含量也高。
（三）新近系承压水水化学特征
该含水层位于混合承压水之下，阴离子以CI·S04、HC03·CI、CI为主，阳离子以Na、Na·Ca、Na·Ca·Mg为主。水化学类型为S04·CI——Na、HCO3·CI·S04——Na·Ca、HCO3·CI——Na 和HCO3·CI——Na·Ca·Mg，水分析成果见表3。
地下水自盆地边缘向中心，矿化度由＜1g/L渐变为＞2g/L，氟离子由＜1mg/L渐变为＞2mg/L，由于该层水埋藏深，水交替相对较弱，矿化度总体比混合水高，而氟离子布规律基本相近，见表4。
三、高矿化水成因探讨
1. 地层高含盐量是地下水高矿度的物质基础：区内新近系碎屑岩含盐量普遍较高，单孔每100克土中含盐量76.5-1185.6mg，全区平均每100克土中含盐量278.5mg，见表5、表6。
由表可见，除个别孔外，一般地层含盐量高，矿化度也相对较高，二者成正相关关系。由于溶滤作用及阳离子吸附交替的结果，地层中的盐分被转移到水中，并随水迁移并富集，使矿化度增高。各种盐类溶解度的顺序如下：CaCl2＞MgCl2＞NaCl＞KCl2＞MgS04＞Na2CO3＞CaS04＞CaCO3，氯化物和硫酸盐首先从岩（石）土中溶解，当蒸发时，这些盐的顺序刚好相反。其次，地下水的化学成分主要取决于盐的种类，如盐岩（NaCl）矿床内Na+及K+和CL-占优势。而在石膏、天青石、重晶石等矿床内S0-4和Ca+较多。区内沉积岩盐以前者居多，所以经过长期溶滤作用，区内地下水形成了CI·S04- Na为主的高矿水。
2. 地下水径流、排泄条件是控制矿化度的主导因素：地形起伏影响着地下水的径流及渗入补给强度，也控制着水交替强烈程度。本区地形起伏不大，由盆地边缘到中心水力坡度渐小，地下水随着水力坡度的减小径流逐渐缓慢，水交替局部处于停滞状态，盐分累积逐渐增大。其次，本区为半封闭的断陷盆地，地下水由西南、西、北向盆地中心径流，然后由东南排出区外，由于排泄断面狭窄，且基底隆起，地下水由盆地中心至排泄区径流条件渐差，局部受阻，水交替渐缓，矿化度随之增高。
3. 古地理环境也是高矿化水形成的重要因素：本区为山间半封闭断陷盆地，堆积了较厚的第三系碎屑岩和第四系松散层，在慢长的地质历史进程中，盆地呈断续间隙性沉降，地形低洼处多次形成古湖泊、沼泽等地貌形态，后因环境变迁，盆地进一步沉降，古湖泊又多次被沉积覆盖，封存了大量含盐、碱等矿物成份。后期地下水进入后，溶解了这些盐分形成了高矿化水。
4. 干旱气候也是高矿化水形成的原因之一，区内多年平均降水量仅150mm，而多年平均蒸发量高达2996mm。这就决定了本区极其干旱的气候特征，降水稀少，水动力条件差，蒸发强烈，浓缩作用加剧，致使矿化度增高。
四、高氟水的成因探讨
1. 背景岩石含氟高是形成高氟水的原因之一：氟广布于自然界中，绝对不含氟的岩土是很少见的。土壤中黏土矿物为氟源，其次，磷灰石、冰晶石和萤石是循环水中氟的主要来源。根据前人研究资料，岩石中氟含量与地下水中氟含量成正相关关系，见表7。而本地区砂岩、页岩、石灰岩及白云岩等分布甚广，因此，为形成高氟水提供了物质来源。
2. 地下水动力条件影响氟的迁移和富集：含水层颗粒越粗，水力坡度越大，径流条件越好，氟越不易富集。而本区含水层多以湖相沉积的泥质砂岩、含砾泥质砂岩及泥质细粉砂岩为主，平均水力坡度仅2-4‰，地下水径流条件差，不利于氟迁移，而有利于氟富集。
3. 地下水化学成份制约着氟的迁移和富集：
（1） 弱碱性水有利于氟的富集，本区地下水pH值均大于7，见表8。弱碱性水可使铝硅酸盐矿物溶于水，促使含氟硅酸盐矿物溶解,使岩石中的氟溶出。因此，pH值越高的地下水越有利于氟的富集。相反，在pH值低的酸性水中，氟离子与氢离子生成氢氟酸，氢氟酸溶解二氧化硅及硅酸盐岩石生成气态的氟化硅，使地下水中的氟减少,不利于氟的富集。
（2） 本区水中氟常以NaF形式存在，所以HCO3-Na型、CI·HCO3- Na型水有助于氟从岩石或土壤中溶滤及稳定的存在于水中，地下水中氟的富集与CI-、HCO3-离子含量呈正相关趋势。
（3） 地下水中氟含量有随硬度升高而降低的趋势，钙是氟在水中富集和迁移的障碍，由于氟离子(F-)和钙离子(Ca2+)能形成难溶的氟化钙(CaF2)，其反应式为2F-+Ca2+→CaF2，而本区地下水Ca离子含量较少，因此不易形成氟化钙沉淀使F-析出。其次，氟的钠盐和钙盐在水中的溶解度极不相同，氟化钙的溶解度为16mg/L，氟化钠的溶解度为42×103mg/L，氟化钠在水中完全溶解时，氟在地下水中呈离子状态，可隨水迁移和富集；而氟化钙在水中溶解度很低，大部分为白色沉淀，难融于水，不易随水迁移富集，因此，钠质水有利于氟的富集，钙质水不利于氟的富集。形成了高钙低氟、高钠高氟的现象。
4. 气候条件决定了本地区高氟水的广泛性，本区处于干旱少雨和高蒸发气候条件，水交替作用弱，导致地下水在含水层中长期滞留，促使含氟矿物溶解后富集，并使风化产物中的F-和OH-之间离子交换，致使地下水中氟离子进一步富集，一般情况下随含水层埋深加大，氟含量减低。
五、结语
综上所述，本区地层岩性是高氟、高矿化水形成的物质基础；水动力条件是高氟、高矿化水形成的主导因素；古地理环境及水化学特征是高氟、高矿化水形成的内在条件；干旱气候是高氟、高矿化水形成的外在因素。尽管有诸多因素影响，本区氟和矿化度在不同的环境水文地质条件下呈现有规律的变化。水平方向：在盆地边缘补给区，由于含水层颗粒粗，水力坡度大，径流条件好，水交替强烈，地下水矿化度和氟离子含量一般都小于1g/L和1mg/L，水质好，而在盆地中心径流区和东南排泄区，由于含水层颗粒变细，水力坡度减小，径流条件变差，水交替缓慢，矿化度和氟离子含量一般都大于1 g/L和1mg/L，局部大于2 g/L和2mg/L，水质逐渐变差；垂直方向：第四系孔隙潜水由于水位埋藏浅，蒸发浓缩作用使水中盐类和氟富集，水质最差；第四系和新近系混合承压水由于不受蒸发影响，含水层颗粒较下部粗，水交替较强烈，水质较好；而新近系承压水位于混合承压水之下，含水层埋藏深，颗粒较上部细，水交替相对较弱，水质较差。
但本区地下水成因多样，成份复杂，有待在今后的开发利用中进一步研究其空间分布规律、化学成份特征、形成机制及演化过程。针对本区高氟、高矿水的化学特征，提出以下预防和治理建议：1. 加强工业“三废”排放治理，和农林业农药污染和城镇生活污染治理；2. 净化包气带，植树造林，提高土壤自净能力；3. 科学利用地下水，隔离高氟、高矿化含水层，并在适宜部位利用分层开采中氟、中矿化地下水，以加强人工水循环来净化含水层；4. 采用集中供水，划分水源地卫生防护区；5. 对于饮用的高氟水可用以下简单方法去氟①将铝化物加入水中，形成胶状沉淀物，水中氟离子取代其中的羟基（OH-），从而使水中含氟量降低；②将活性碳等吸附剂放在过滤池中，吸附水中氟离子；③也可用煮沸去氟和结冰去氟。
参考文献：
[1] 地质矿产部水文地质工程地质研究队，1978，水文地质手册[M]，北京：地质出版社
[2] 王大纯.张人权.等，1995，水文地质学基础[M]，北京：地质出版社