蔡 玲，胡 成，陈植华，王 清，王宁涛,，常 威，黄 琨

(1.中国地质大学(武汉)研究生院，湖北 武汉 430074；2.中国地质大学(武汉)环境学院，湖北 武汉 430074；3.中国地质调查局武汉地质调查中心，湖北 武汉 430223)

大别山区是全国14个集中连片贫困区之一，也是基岩贫水山区，水资源是限制当地经济发展的重要因素。为解决大别山区用水安全问题，服务当地社会经济发展，中国地质调查局武汉地质调查中心于2016年开始负责实施“大别山连片贫困区1∶5万水文地质调查”7个图幅。在肖港幅1∶5万水文地质调查过程中，发现肖港镇地区地下水中铁、锰普遍存在超标情况。铁(Fe)、锰(Mn)是人体必需的微量元素，但摄入过量则会损害胰腺、肝脏、皮肤，引起疾病[1]，在我国《生活饮用水卫生标准》[2]中铁的限值是0.3 mg/L、锰的限值是0.1 mg/L，长期饮用高铁高锰水会对人体的健康产生危害[3]。

高铁高锰地下水在我国分布较广泛，目前已在全国18个省市的地下水中发现铁、锰超标的情况，主要分布在大型冲积平原和内陆盆地等人口较密集区[4]。作为一种地质成因的原生劣质水，高铁高锰水是地下水与周围岩土之间长期相互作用的结果，其形成受含水层的岩性与物质组成、地下水的补径排条件以及地下水的氧化还原环境等多因素影响[5]。已有研究表明：还原条件下铁锰氧化物发生还原性溶解作用导致岩土中的铁锰释放进入地下水，地下水中的铁锰主要以Fe2+和Mn2+的低价离子形式存在；而氧化条件下铁锰氧化物的还原性溶解作用被抑制，地下水中的铁锰被氧化，主要以Fe3 +、Mn4 +高价形式存在,并易形成难溶的氢氧化物而沉淀，或通过吸附作用等被固定至沉积物中[6]。地下水中铁锰的含量和分布与氧化还原电位相关，而地下水氧化还原条件主要受地下水流场特征的控制[7]，因此，综合分析地下水动力条件和化学环境等多种信息对研究高铁锰地下水的分布与形成十分必要。

肖港镇地区位于江汉平原东北部，地下水是当地居民生活用水和农业灌溉的主要水源，但是由于地势平缓，大中型水力工程缺乏，水资源调节能力不足；基岩山区表层土壤少，蓄水能力弱，第四系地层厚度薄，地下水资源量少，部分当地居民饮水得不到保障。同时，区内地下水水质不佳，铁锰含量超标普遍，对当地居民的健康造成潜在的危害。根据野外水文地质调查、岩土与地下水的地球化学分析测试结果，详细分析研究区地下水的补径排规律和水化学特征，揭示区内高铁锰地下水的分布规律与形成条件，为区内地下水的开发利用和安全供水规划提供科学依据，为江汉平原以及其他类似地区的高铁锰地下水调查工作提供参考。

1 研究区水文地质概况

研究区位于江汉平原东北部的孝感市肖港地区，属于大别山区和江汉平原的过渡带，整体地势北高南低，东西高中间低，澴水从研究区中部自北向南径流，北部为低丘岗地，南部以澴水堆积平原为主，自澴水两侧往河床地势微微倾斜。

图1 研究区地质图Fig.1 Geological map in the northeast of Jianghan plain

图2 研究区地下水的补径排特征示意图Fig.2 Schematic diagram of groundwater recharge in the study area

2 样品采集与测试方法

2.1 水样采集与测试

为查明研究区主要含水层中的铁锰含量与分布特征，本次以当地民井为调查对象，包括压水井和机井(井深一般5～20 m)，于2016年9月期间统一采集地下水样品309件，采样点分布见图3。采集水样时，先开泵抽水15 min后再采集新鲜水样。取样后利用0.45 μm微孔滤膜对水样进行过滤，然后装入50 mL聚乙烯瓶冷藏保存，每个采样点采集3瓶水样，1瓶用于阴离子测定，1瓶加入浓硝酸使水样的pH小于2，用于阳离子测定，还有一瓶加入钙粉并在24h内用滴定法测定重碳酸根含量[8]。采用便携式水质分析箱(SX751型)测试现场指标，包括pH、Eh、水温等，其余指标采样送实验室测定。阳离子采用ICP-OES电感耦合等离子体发射光谱仪测定，阴离子采用IC离子色谱仪进行测定[9]，碳酸氢根采用滴定法测定。测试工作在中国地质大学(武汉)教育部长江三峡库区地质灾害研究中心完成，分析误差均小于5%。

2.2 岩(土)样采集与测试

为了查明研究区内基岩和盆地沉积物的物质成分与铁锰含量的背景值，采集了区内不同时代地层的岩(土)样品18组，采样点分布见图3。松散沉积物和岩石样品均取自钻孔岩芯含水层所在层位，样品取好后立即装入采样袋密封、贴标签，并于当天送实验室进行化学全分析测试。岩石样品主要化学组分(Na2O、MgO、Al2O3、SiO2、P2O5、K2O、CaO、TiO2、MnO、Fe2O3、FeO、H2O+、CO2等)采用XRF-1800波长色散型X射线荧光光谱仪测定，总氟和总硫用元素分析仪测定，其它微量元素采用ICP-AES和ICP-MS电感耦合等离子体质谱仪测定。土壤样品主要化学组分(Na2O、MgO、Al2O3、SiO2、P2O5、K2O、CaO、TiO2、MnO、Fe2O3、LOI1000等)采用X射线荧光光谱仪测定，氧化亚铁(FeO)采用重铬酸钾滴定。测试工作在中国地质调查局武汉地质调查中心完成，分析误差均小于5%。

图3 研究区地下水及岩土样品采样点分布图Fig.3 Distribution of the groundwater and rock samples in the study area

3 地下水中铁锰特征

3.1 地下水中铁锰空间分布规律

表1 地下水中铁锰含量统计表Table 1 Statistical results of iron and manganese contents in groundwater

研究区地下水中Fe、Mn含量的空间分布规律基本一致，总体上北部地势稍高的低丘岗地，降雨入渗补给的条件较好，地下水的Fe、Mn含量较低，其中Fe含量一般小于等于0.05 mg/L，Mn含量一般小于等于0.02 mg/L；地下水TDS较低，含量不超过300 mg/L，水化学类型以HCO3—Ca型为主；沿地下水径流方向Fe、Mn含量逐渐增高，TDS也随之增加，到中部澴河河床与I级阶地为Qhal孔隙潜水含水层分布区，是地下水排泄区，Fe、Mn含量及超标率均最高，TDS含量大于600 mg/L，水化学类型由HCO3—Ca型过渡到HCO3·Cl—Ca·Mg型和HCO3·Cl—Ca·Na型等。整体上，高铁锰地下水沿北北东向呈带状分布(图4)，地下水中Mn的超标率比Fe高，高锰水的分布范围比高铁水广，与研究区东南部黄陂—新洲一带的高铁锰地下水分布规律一致[8]。

图4 大别山东北部地下水铁、锰含量分布图(单位：mg/L)Fig.4 Distribution of Fe and Mn contents in groundwater

3.2 地下水中铁锰与相关关系

图5 地下水中铁锰与相关关系图Fig.5 Correlation diagram of iron and manganese with

4 高铁锰地下水的成因分析

含水层沉积物中的铁锰是地下水中铁锰的主要来源，沉积物中Fe、Mn氧化物的溶解是Fe、Mn进入地下水最重要的地球化学过程，该过程主要受地下水的氧化还原电位(Eh)和酸碱度(pH)影响[16]。

4.1 铁锰的来源

表2 研究区各地层岩石土壤铁、锰含量统计表Table 2 Statistical results of iron and manganese contents in rock soils in different regions of the study area

4.2 氧化还原条件

研究表明地下水处于相对封闭的还原环境(低Eh值)有利于沉积物中Fe、Mn氧化物的溶解释放，导致地下水中Fe、Mn含量增大，地下水中Fe、Mn主要以低价态的Fe2+、Mn2+存在；开放的氧化环境(高Eh值)会抑制Fe、Mn氧化物的溶解作用，地下水中的Fe2+、Mn2+易被氧化沉淀固定至沉积物中，导致地下水中Fe、Mn含量降低，在调查采样过程中经常能发现水样接触空气后生成黄色沉淀物[1]。为了分析地下水中Eh与Fe、Mn含量之间的关系，根据各水样现场测试的Eh值，绘制研究区地下水Eh等值线图(图6)。

图6 大别山东北部地下水Eh等值线图Fig.6 Isopleth map of Eh in groundwater in the northeastern Dabie Mountains

从图6可知，Eh值和Fe、Mn含量的空间变化具有良好的相关性。总体上，从研究区东西两侧(补给、径流区)往中部澴河(排泄区)，沿地下水流向Eh值逐渐降低，Fe、Mn含量逐渐增大，澴河一级阶地Qhal孔隙潜水含水层是区域地下水排泄于澴河的通道，Fe、Mn含量及超标率最高。受地层岩性及结构影响，澴河东西两侧地下水的Eh值变化规律各有特点。澴河以西地区，西北角的曾店镇和西南角的吴铺镇Eh值较高100～200 mV，偏氧化环境，地下水中的Fe、Mn含量低，分别小于等于0.05 mg/L和小于等于0.02 mg/L，曾店镇和吴铺镇之间存在一条近东西向的低Eh值带，Fe、Mn含量高，是高铁锰地下水分布区；并且自西向东往澴河方向Eh值逐渐减小-50～90 mV，地下水逐渐转变为还原环境，地下水中的Fe、Mn含量增加，分别增加到0.05～0.3 mg/L和0.02～0.1 mg/L；到澴河沿岸Eh值最低，Fe、Mn含量最高，局部地带(如研究区中南部白莲村一带)为强还原环境(Eh值为-57～-23 mV)，也是高铁锰地下水集中分布区，Fe、Mn含量异常高，部分超过3 mg/L和2 mg/L。

Eh值与地下水中铁锰整体变化趋势一致，但个别铁锰超标点与Eh值相关性较弱，这与Eh值本身极易受到地下水环境影响有关，不仅在微生物作用下Eh值会逐渐降低，外部环境如井点用水量增加会带入大量氧气，Eh值迅速增加，因此导致Eh值偏大。

4.3 酸碱度

通常情况下，Fe2+、Mn2+比较容易从地层中进入地下水，而Fe3+、Mn4+(铁锰氧化物)相对难以从地层中进入地下水。然而随着酸碱条件改变，当环境逐渐朝酸性条件发展时，Fe2+、Mn2+、Fe3+、Mn4+都将变得更加容易进入地下水中[18-19]。

根据各水样现场测试的pH值，绘制研究区地下水pH等值线图(图7)，结果表明：地下水中pH与高铁锰地下水的分布具有良好的相关性，高铁锰地下水与弱酸性地下水(pH为6～6.8)的分布区基本一致。研究区有两个分布面积较大的弱酸性区，一个沿北北东向呈带状分布于研究区中部，与Qhal含水层的分布范围基本一致，区内pH在6～6.7之间，是区内地下水铁锰含量和超标率最高的地区；另一个位于研究区西南吴铺镇和陡岗镇一带，pH在6.2～6.8之间，是澴河西侧高铁锰地下水的分布区。总体上，弱酸性地下水分布区，地下水的Eh值也较低，可能是还原条件下沉积物中有机质分解产生CO2、H2S所致[20]，弱酸性、还原的地下水环境有利于形成高铁锰地下水。

图7 大别山东北部地下水pH等值线图Fig.7 Isopleth map of pH in groundwater in the northeastern Dabie Mountains

地下水中铁锰含量受含水层沉积物的物质组成与地下水的物理化学条件共同影响，因此，受水文地质条件控制，在空间上铁锰含量沿地下水流向呈现出明显的分带，高铁锰地下水主要分布于区域地下水的排泄区和局部地下水径流滞缓区，地下水呈弱酸性、还原环境的特点。

5 结论

(1)研究区不同类型地下水中Fe和Mn均存在一定程度的超标现象，而且总体上Mn的超标率更大，超标范围更广。研究区内从变质岩山区到沉积平原区，再到澴河流域，地下水中铁锰含量持续增加，最后在澴河中下游地区达到最大，局部超标100倍以上。

(2)研究区位于江汉平原和大别山区的过渡地带，区内盆地沉积物来源于北部山区的基岩碎屑，山区变质岩、岩浆岩中铁、锰含量较高，因此盆地沉积物中铁、锰含量也较高，为高铁锰地下水的形成提供了物质来源。

(4)针对区内地下水资源量较贫乏，地下水天然水质不佳的现状，建议加快集中供水和自来水的普及率，完善工程长效运行管护机制，优先保障生活用水和安全用水。