张怀胜，蔡五田，边 超，刘金巍

(中国地质调查局水文地质环境地质调查中心，保定 071051)

氟是人体必需微量元素之一，可参与并影响骨骼代谢，适当的氟有利于牙齿健康。氟在自然界中多以矿物形式存在，如萤石CaF2，冰晶石Na3[AlF6]以及氟磷灰石Ca10(PO4)6F2等。若长期通过消化道或呼吸道摄入过量的氟，将对人体产生毒害，危害骨骼健康，体现为氟斑牙、氟骨症[1]。华北平原是中国地形阶梯的最低一级，地质历史上曾经历过复杂的地质环境变化，最终构成了较为复杂的地层结构与水系流场。受人类活动影响，因地下水超采与污染造成的环境与资源问题层出不穷，如地下水漏斗形成与迁移、地面沉降、地裂缝等[2-4]。衡水市桃城区拥有近50万常住人口，也曾出现地方性氟中毒现象。然而，桃城区水文地质状况复杂，地表水系类型、数量繁多，对应的地下水化学成因与影响因素较为多样。曾有研究对于石家庄-沧州一线、鲁北、鲁西北一带高氟地下水的分布及水化学特征进行过调查，其中也曾覆盖桃城区及周边县区，但针对桃城区浅层地下水专门的、高精度高密度的研究仍属空白[5-6]。为此，通过野外地质调查与水样分析，对桃城区浅层高氟风险地下水进行水化学特征阐述与成因分析，有助于控制地方病、了解桃城区高氟地下水的水文地球化学成因及影响因素。

1 研究区概况

桃城区隶属于河北省衡水市，经纬度115°25′1″～115°51′12″E，37°36′10″～37°49′55″N，总面积951 km2(图1)。区域地势较为平坦，地势由西南向东北倾斜，坡度为0.3‰～0.6‰。气候上，桃城区属大陆季风气候区，具温暖半干旱型特征，四季分明。水文地质条件上，桃城区属河北平原水文地质区，涵盖了滹沱河冲洪积水文地质亚区和滏阳河冲湖积水文地质亚区[7]。按地层形成时代，在垂向上将第四系沉积层分为4个含水组，包括河流冲积和沼泽洼地沉积而成的全新统地层第1含水组、以河流冲洪积为主的上更新统地层第2含水组、以河流冲洪积中粗砂为主的中更新统地层第3含水组和以细沙为主的河湖相下更新统第4含水组[8]。另外根据区域水文地质条件演变及地方开采现状，又以110～140 m为界，将第四系含水岩组划分为浅层含水岩组和深层含水岩组。此次研究样品取自浅层含水岩组，相当于第1含水组和第2含水组的上部。

2 材料与方法

研究所采集的样品为浅层地下水样品，共14组，采集时间为2020年12月，取样点分布如图1所示。来源为国家级或地方、厂区监测井，井深8.25～100 m，滤水管深度2.9～90 m，采样时的水位埋深在3.33～12.79 m(图2)。

图2 桃城区浅层地质剖面图

所获数据利用Mapgis软件分析空间分布特征。采用Excel 2007与SPSS 25.0版本进行数据汇集整理与统计学分析。采用PHREEQC软件llnl.dat数据库进行矿物饱和指数(saturation index，SI)的计算，以分析地下水中相关矿物的水岩作用，判别石膏、萤石等矿物溶解-沉淀作用的方向与强度[9-10]。采用Piper三线图解、Gibbs图解、氯碱指数进行水化学特征及相关成因分析与研究。

3 地下水化学特征

表1 桃城区浅层地下水主要离子含量

表2 桃城区浅层地下水主要离子间相互关系

4 水化学成因分析

4.1 溶滤作用

(1)

(2)

(3)

2H2O

(4)

(5)

图4 矿物饱和指数与F-含量的关系

图5 矿物饱和指数与Ca2+含量的关系

表3 F-、Ca2+浓度与各矿物饱和指数间相关关系

4.2 蒸发浓缩作用

γ为离子的摩尔质量

4.3 离子交替吸附作用

ICAI-1={γ(Cl-)-[γ(Na+)-γ(K+)]}/γ(Cl-)

(6)

(7)

图7 氯碱指数与F-含量的关系

γ为离子的摩尔质量

5 结论

(3)结合高氟水水化学特征及其成因的分析，18 m等水位线一带具有最适宜F-溶解与解吸的环境，区域对应水位埋深4～5 m，同属蒸发浓缩作用可产生显著影响的深度。