高存荣, 刘文波 , 冯翠娥, 刘 滨, 宋建新

1)中国地质环境监测院, 北京 100081; 2)中国地质大学(北京), 北京 100083

在我国北方, 地下水是重要的供水水源, 然而部分地区由于地下淡水资源贫乏, 咸水广布(姚秀菊等, 2002), 以及一些不良地下水的存在, 如高砷地下水等(高存荣等, 2014; 刘春华等, 2013), 给地下水资源开发利用带来了很大困难。河套平原是我国最大的引黄灌溉区, 也是内蒙古自治区重要的粮食生产地区之一。近年来在该地区发生的地下水砷中毒事件(赵寿珍等, 1995; 汤洁等, 1996; 林年丰等,1999; 杨瑞英等, 2000; 侯少范等, 2002; 马烨等,2003; 金银龙等, 2003; 郭志伟等, 2011), 已严重影响了当地居民的身体健康和生活水平的提高, 也已成为制约该地区经济、社会发展的重要因素之一。河套平原不仅是一个高砷地下水的分布区(高存栄,1997; 高存栄等, 1999; 高存荣, 1999; 高存荣等,2008, 2010; 郭华明等, 2007, 2009; Guo et al., 2007;何薪等, 2010; 韩双宝等, 2010; 刘文波等, 2010),同时也是一个存在有大量地下咸水分布的地区(内蒙古自治区水文队, 1982; 王琪, 2009)。该地区地下水的水质状况如何, 当地居民的供水靶区在何处,区域经济社会发展和国家决策对于河套平原地下水资源合理开发利用及其环境地质问题防治有着重大需求, 急需用科学的方法和理论, 开展深入的调查和研究工作, 同时也应加强对一些有毒有害元素形态分析技术(李冰等, 2013)等方面的研究工作。

针对上述问题, 2006年到2009年, 在中国地质调查局地质调查项目的资助下, 作者在该区域开展了较为广域的地下水水质调查与地质环境勘查工作,其中采集各类地下水水质样品 757件, 钻探取样调查总进尺1944 m, 调查研究总面积12510.83 km2。本文将以这些水质调查勘查数据资料为依据, 对河套平原地下咸水与高砷水的空间分布特征、相互关系进行分析研究, 从而揭示其成生关系。

1 研究区概况

1.1 位置与气候

河套平原是我国北方最大的一个引黄灌溉平原, 位于内蒙古自治区西部, 地理坐标为北纬40°10′—41°20′, 东经 106°15′—109°30′, 行政区划属于巴彦淖尔市, 东西长约 250 km, 南北宽约60 km, 总面积约13000 km2(图 1)。

该平原区属中温带大陆性季风气候, 光照充足,热量丰富, 降水量少, 蒸发量大, 无霜期短, 昼夜温差大, 四季分明等是其主要气候特征。多年平均降雨量西部为100 mm左右, 东部为220 mm左右,多年平均蒸发量2155 mm, 属于典型的干旱半干旱地区。

图1 调查研究区域与取样点位置分布图Fig.1 Regional map of the study area showing distribution of sampling sites

1.2 区域地质构造

河套平原为一形成于侏罗纪晚期的中新生代断陷盆地, 位于阴山隆起与鄂尔多斯台地之间, 西界和北界为狼山山前断裂, 东界为乌梁素海断裂,南界为鄂尔多斯北缘断裂, 也称“黄河断裂”(图3),是鄂尔多斯周缘断陷带中规模最大、构造活动和垂直差异运动十分显著的地区。在构造形态上, 呈现北深南浅, 西深东浅不对称的簸箕状拗陷。据石油勘查与航磁物探等资料(地质部航空物探大队,1966), 基底拗陷深度由东南向西北逐渐加大, 由东部乌拉特前旗的500～1500 m向西部杭锦后旗以北增至7000～8000 m。

1.3 水文地质条件

河套平原的沉积构造条件, 形成了以细粒相为主的冲积湖积含水层系统。含水层的分布主要受以湖相为主的古地理环境和黄河泛滥改道冲积的影响,由于受不同地质时期的古气候、古地理环境、沉积相和新构造运动的控制, 含水层在水平方向和不同深度的分布形态、发育程度以及水文地质特征呈现出明显的差异。在第四系分层的基础上, 按其埋藏条件和含水层的水文地质特点, 结合含水层的开发利用价值, 区内含水层划分为上更新统(Qp3)—全新统(Qh)含水岩组(第一含水岩组)和中更新统(Qp2)含水岩组(第二含水岩组)(图2)。第一含水岩组厚度最大, 分布最广, 供水意义较大; 第二含水岩组在山前和隆起区分布较广, 埋藏较浅, 有一定的供水意义。

地下水总的流向为自西向东, 但是, 因含水层岩性粒度较细, 水平渗透性弱从而使得径流条件差,加之地形平缓, 水力坡度小, 地下水径流极其缓慢。大部分的浅层地下水靠区内数条自南而北的排水干渠, 汇入北部的总排干渠, 然后又从总排干渠流入东部的乌梁素海, 东部地区往往又受到乌梁素海回水的补给, 使地下水水位不断抬升, 产生了大量的土壤盐渍化。

图2 河套平原含水岩组划分示意图Fig.2 Schematic diagram of aquifer lithology classification in Hetao Plain

河套平原几乎无排泄出路, 是一个以垂直水交替为主的封闭的地下水盆地。由于降雨量少, 除了北部山前洪积扇的地下水是来自于山区的基岩裂隙水的补给外, 大部分的地下水是由引黄灌溉水的补给形成, 在非灌溉期的 8月份, 地下水的水位埋深1.5～4.26 m, 在10月份的冬灌期部分地区的水位可上升到0.5 m。

2 调查研究方法

2.1 区域水文地质调查

为了掌握研究区的基础水文地质条件, 查明含水层的分布、水量、水质等状况, 在调查区内对地下水砷中毒区地质环境有控制意义的地段开展了野外水文地质补充调查工作。调查内容主要包括地下水的形成条件, 即地下水的补、径、排条件, 含水层类型、产状、岩性、厚度、埋深、水量、水质、水力特征等基本情况的调查及地下水开发利用状况的调查。调查方法主要是在收集与分析研究前人资料的基础上, 结合当地实际情况, 采用实地踏勘、遥感与物探资料分析、水文地质钻探等技术方法手段等。

2.2 区域专项水质调查

水质调查的主要对象以当地居民的压水井为主, 包括部分地表水体和机井, 其中压水井深度为10～40 m, 机井50～80 m, 水质调查取样以线路法和网格法相结合为原则。精度方面采用先稀后密: 初次取样以每 2～3 km取一个样, 发现高砷点时再加密一倍, 在水质好的地方再放大到 3～4 km取一个样。在取样过程中除了现场测定和记录地下水的常规物理化学指标外, 还记录以下要素: 采样井状况(机、民井等)、取水地点、位置(经纬度)、采水时间、地形标高、井深、水位埋深、主要用途等。同时在实地用中国疾病预防控制中心生产的试剂盒对地下水的砷含量进行了现场半定量的测试, 主要目的是用以现场确定取样点的密度。当天采集的水质样品当天送到有水质分析资质的巴彦淖尔市水利科学研究所, 在 24 h之内对 As和矿化度(TDS)进行了分析。

As含量的分析方法依据中华人民共和国国家标准GB7485—87中的二乙基二硫代氨基甲酸银分光光度法, 其最低检出限为 0.007 mg/L; 矿化度的测定依据中华人民共和国水利部(1994)的行业标准SL79—1994中的重量法, 将一定量的水样经过过滤除去漂浮物及沉降性固体, 放在称至恒重的蒸发皿内蒸干, 并用过氧化氢除去有机物, 在 105～110℃下烘干恒重, 称得的质量减去蒸发皿质量再加上1/2重碳酸根的质量, 即为该样品的矿化度。

3 调查结果

河套平原浅层地下水(深度在 10～40 m)的矿化度(TDS)均值为 2.54 g/L(n=634), 最大值为54.05 g/L, 最小值为0.39g/L; 地下水中的砷含量均值为0.07 mg/L, 最大值为1.37 mg/L, 最小值为无检出, 见表1。

按照常规的咸淡水划分方法《地球科学大辞典》应用学科卷(黄宗理等, 2005), 将地下水按TDS划分为五类: (1)地下淡水: TDS<1 g/L; (2)地下微咸水: 1 g/L50 g/L。

各类水 As超标的样品检出率见表 2, 运用MapGIS将浅层地下水矿化度和砷含量分别制作成水质单要素图, 求得地下咸淡水和高砷水(As≥0.05 mg/L)面积(表3), 区域上分布见图3和图4, 图4中As含量质量分类据GB/T 14848—93, 结果查明:河套平原浅层地下水淡水面积为 1145.75 km2, 微咸水面积为 9025.51 km2, 咸水盐水面积为2339.57 km2; 全区高砷水(As≥0.05 mg/L)的分布面积为4196.75 km2, 占调查区总面积的33.54%, 其中在淡水区、微咸水区和咸水盐水区的分布面积分别是 233.85 km2、2965.74 km2和 997.16 km2。

4 地下咸水与高砷水分布特征

4.1 地下咸水分布特征

河套平原地下咸水的分布受地貌、古地理和构造条件的控制, 表现出明显的南北向分带规律, 自南而北分为两个带(图3)。

北部冲积扇前缘洼地咸水带:自西向东沿冲积扇裙前缘洼地南侧呈带状分布, 从平原西部的哈腾套海、召庙、太阳庙、三道桥、南渠乡、蛮会、巴音保力格、团结、石兰计等沿山体走向与总排干相平行, 分布在总排干以南一线, 宽度约 5～10 km,一直到东部乌梁素海西侧苏独仑农场、胜丰、德岭山、红旗等地, 但是在中、东部地区与下部的咸水连为一体, 目前已表现为上淡(微咸水化)下咸的水质结构(图5)。

从平原形成与演化的角度来看, 西北部的咸水区域处于平原的沉降中心地带, 也是狼山山前深大断裂的影响区域, 这一带地势较低洼, 在构造上为冲积扇裙前缘断裂南侧的深陷带, 形成地形和构造上一致的由南向北倾斜的构造洼地, 长期成为地表水和地下水的水盐聚集带, 在这一地带, 断裂活动较为强烈(图6), 微量元素硼(B)、碘(I)和溴(Br)显著异常(内蒙古自治区水文队, 1982; 陆徐荣等, 2014),在巴音毛道地区, 地下水中的镧(La)为13～28 mg/L,钐(Sm)为 0.74～1.53 mg/L, 镱(Yb)为 1.25～3.86 mg/L,是世界淡水中这些元素丰度的数十倍至数百倍(杨瑞瑛等, 2000), 因此认为, 在该区域除了浅、表水的蒸发浓缩外, 还叠加了深层盐卤水的侵染, 从而形成咸水分布区。

表1 河套平原地下水矿化度和As含量分析结果统计Table 1 Statistical results of TDS and As content of groundwater in Hetao Plain

表2 咸淡水样品数及As超标率统计(n=634)Table 2 Samples of saline and fresh groundwater and statistics of exceeding-standard rates of As (n=634)

表3 研究区咸淡水分布面积及As超标面积统计Table 3 Statistics of saline and fresh groundwater area as well as exceeding-standard area of As in the study area

图3 河套平原浅层地下咸淡水分布图Fig.3 Distribution of saline and fresh shallow groundwater in Hetao Plain

图4 河套平原浅层地下水砷含量分布图Fig.4 Distribution of As content in shallow groundwater of Hetao Plain

图5 河套平原中部咸淡水分布剖面图Fig.5 Profile showing distribution of saline and fresh groundwater in the middle of Hetao Plain

南部咸水带:分布于民族乡—复兴—西小召—乌拉特前旗一带, 沿总干渠北侧呈东西向条带状分布, 西部较窄, 东部变宽, 一般宽约5～10 km(图3)。该带为本区矿化度最高的盐卤水带, 矿化度一般大于 10 g/L, 并有向东增高趋势, 尤以铁路沿线一带矿化度最高, 在乌拉特前旗南新义村, 矿化度最大值达到54 g/L, 推断其成因为深层盐卤水的活动侵染。这一地带构造活动强烈, 经地震、航磁等物探与勘探资料证实(地质部航空物探大队, 1966; 中国国家地震局地震研究所, 1989), 这一带为乌拉山向西延伸的潜伏隆起带, 第四系厚度较薄, 其两侧均有断裂控制(见图 7), 新生代以来继承性的断裂活动, 一方面使中更新统地层的抬升, 这一地层本身含盐量高(内蒙古自治区水文队, 1982), 另一方面促进了盐卤水运移和侵染。在临河东部的八一地震监测井(井深 2500 m, 为自流涌水状态), 测得的矿化度为 40.39 g/L, 地下水中的硼(B)51.41 mg/L、碘(I)16.78 mg/L、溴(Br)49.33 mg/L, 出现显著异常,同时在乌拉特前旗的兵团化肥厂地区存在有热液异常, 地下水水温高达23℃。

图6 河套平原西部咸淡水分布剖面图Fig.6 Profile showing distribution of saline and fresh groundwater in the west of Hetao Plain

图7 河套平原东部咸淡水分布剖面图Fig.7 Profile showing distribution of saline and fresh groundwater in the east of Hetao Plain

4.2 高砷地下水分布特征

2006—2009年的 7—8月期间, 在河套平原共采集地下水砷含量样品 757组, 取样井几乎为民用用水井, 其深度大部分在10～40 m之间, 取样调查位置见图1。从区域分布上看(见图4), 地下水砷含量超过0.05 mg/L的区域以平原中部的宏丰—银锭图—塔尔胡—景阳林一线为分界线, 可分为东西两个区域, 西部的高砷地下水沿狼山山前冲洪积扇缘的低洼地带呈北东向的条带状分布, As>0.50 mg/L的高砷点几乎全部分布在这一区域, 砷含量最大值可达 1.368 mg/L; 东部区以五原为中心, 高砷地下水多呈不规则的片状分布, 范围较广, 但是As>0.50 mg/L的高砷点很少。另外, 在区域上高砷点的分布与中国地震研究所和IGCP第206项目中国工作组推断的活动断裂的位置有关, 特别是西北部区域, 高砷点的分布有沿断裂分布的倾向(IGCP第206项中国工作组, 1989)。从局部看, 砷含量在水平方向上, 短距离内变化较大, 垂向上在平原中部的 80 m以内, 同一点上随着深度的增加砷含量增大(表4和图8)。

5 地下咸水与高砷水的相关性分析

1)从样品统计学的角度分析。在全区采集的634组地下水水质全分析样品中, 检出为淡水的有 111个, 占样品总数的 17.51%; 检出为微咸水的有 380个, 占总样品数的59.94%; 检出为咸水的有132个,占样品总数的 20.82%; 检出为盐水的有 11个, 占总样品数的 1.74%; 在淡水、微咸水、咸水和盐水样品中, 砷含量的超标率分别是26.13%、26.58%、29.55%和 45.45%(表 2), 看上去是随着地下水中盐分含量的增加砷超标样品率增大, 但是地下水水质中的矿化度与砷含量并不存在正相关关系(图9)。

2)从分布面积的统计分析。通过对研究区的取样调查和制图, 运用 Mapgis软件计算出了浅层地下淡水、微咸水、咸水盐水的分布面积(表3), 其中砷含量超标面积在淡水中占20.41%最小、微咸水中占32.86%, 咸水盐水中占42.61%最大。该结果表明地下水砷含量的超标区与咸水的分布区有一定的关系。

表4 A、B、C、D地点不同深度地下水中的As、Fe和TDS(位置见图1)Table 4 As, Fe and TDS concentrations in groundwater at various depths in localities A, B, C and D (see Fig.1)

3)从地下咸水与高砷水分布区域的一致性分析。从图3和图4可以看出, 在平原的西北部地区,浅层咸水与高砷水在平面上的分布基本一致, 而在东部和东南部则不相一致, 由此推断: 西北部区域高砷水的成因与咸水的成因有一定关系, 或均受控于构造, 而东部地区高砷水的成因则与咸水无关,或不受控于构造。

图8 典型调查区不同深度地下水砷含量分布图(位置见图1中“典型调查地区”)Fig.8 Distribution of arsenic content in groundwater at different depths in a case study area(see Fig.1 for the location of the “case study area”)

图9 河套平原地下水矿化度与砷含量Fig.9 TDS and arsenic content of groundwater in Hetao Plain

6 结论

通过对内蒙古河套平原区域水文地质调查、区域专项水质调查和地下咸水与高砷水的分布特征研究, 得出如下结论:

1)河套平原分布有大量的咸水和高砷地下水,在调查研究区12510.83 km2的范围内, 在10～40 m的浅层地下水中, 分布有淡水1145.75 km2、微咸水9025.51 km2、咸水盐水2339.57 km2, 分别占研究区总面积的9.16%、72.14%和18.70%; 在淡水区、微咸水区和咸水盐水区, 分别存在有 233.85 km2、2965.74 km2和 997.16 km2的高砷(As≥0.05 mg/L)地下水, 分别占各类水面积的 20.41%、32.86%和42.62%。

2)咸水体分别呈南北两个条带状分布。北部的咸水体自西向东沿冲积扇裙前缘洼地南侧分布, 与山体走向和总排干相平行, 分布在总排干以南一线,宽度约 5～10 km, 一直到东部乌梁素海西侧苏独仑农场、胜丰、德岭山、红旗等地, 在东部地区目前已表现为上淡下咸水质结构; 南部咸水体分布在民族乡—复兴—西小召—乌拉特前旗一带, 沿总干渠北侧呈东西向条带状分布, 西部较窄, 东部变宽,一般宽约5～10 km。

3)从平原形成与演化的角度分析认为, 河套平原地下水咸水体的分布主要受控于构造。北部为断凹带, 长期成为地表水和地下水的水盐聚集带, 除了浅、表水的蒸发浓缩外, 还叠加了深层盐卤水的侵染, 从而形成了咸水区; 南部为乌拉山向西延伸的潜伏隆起带, 新生代以来继承性的断裂活动, 一方面使含盐量高的地层抬升, 另一方面促进了盐卤水运移和侵染。

4)高砷水的分布有明显的分区特征, 以平原中部的宏丰—银锭图—塔尔胡—景阳林一线为分界线,西部区的高砷地下水沿狼山山前冲洪积扇缘的低洼地带呈北东向的条带状分布, 水砷含量高, 分布较为集中; 东部区以五原为中心高砷地下水多呈不规则的片状分布, 范围较广, 水砷含量差异较小。在区域上, 西北部区域高砷点有沿推断活动断裂位置分布的倾向。

5)河套平原地下水中的盐分含量与砷含量不存在正相关关系, 但是, 西北部区域高砷地下水与咸水的分布区基本一致, 认为均受控于构造, 而东部地区高砷水的分布则与咸水无关。

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