何　　军，彭　　轲，曾　　敏

HE Jun，PENGKe ZENGMin

（中国地质调查局武汉地质调查中心，武汉 430205）

（Wuhan Center of China Geological Survey，Wuhan 430205，Hubei，China）

江汉平原东北部浅层高铁锰地下水环境特征

何军，彭轲，曾敏

HE Jun，PENGKe ZENGMin

（中国地质调查局武汉地质调查中心，武汉 430205）

（Wuhan Center of China Geological Survey，Wuhan 430205，Hubei，China）

铁、锰元素是影响江汉平原东北部浅层地下水质量的主要因素。为了查明该地区地下水中铁锰的分布特征及地下水环境特征，选择典型研究区，采集了13件地下水样品，测试了地下水中铁锰的含量以及酸碱度、矿化度和氧化还原条件，分析了上述条件对铁锰含量的影响，并与江汉平原腹地高铁锰地下水环境进行对比。结果表明，本研究区地下水以HCO3-Ca、HCO3-Ca·Mg型为主，高铁锰水主要分布于研究区东部和南部沿江地带，与江汉平原腹地地下水化学类型一致，铁锰的含量相对偏低。研究区上部土层中铁锰的氧化物为地下水中的铁锰提供了丰富的来源，地下水的酸碱度、矿化度和氧化还原环境是影响铁锰迁移的主要因素。研究区高铁锰地下水多呈弱酸性，矿化度较高，地下水中铁锰的含量与溶解氧具弱负相关，与氨氮具强烈正相关，表明相对还原的环境有利于铁锰释放到地下水中，江汉平原腹地处于更加还原的环境，是地下水中铁锰高于本研究区的主要原因。

江汉平原东北部；高铁锰地下水；水化学特征

铁、锰元素是人体所必需的元素，但饮用水中过量的铁、锰元素含量也会对人体健康造成威胁［1-2］。研究区位于江汉平原东北部，以冲洪积平原为主，铁锰是影响地下水质量的主要因素。曾昭华［3-5］于上世纪90年代对江汉平原东部地区地下水背景值进行了调查研究工作，在铁、锰的背景值以及迁移富集因素方面取得了丰富的基础数据。近年来依托长江“黄金水道”，武汉市经济飞速发展，北部平原区城市扩张，工矿企业剧增，大量生产、生活废水的排放，地下水水质以及地下水赋存的水文地球化学条件也发生了较大的变化，铁锰元素对地下水环境尤其是氧化还原条件的变化需要我们相应地进一步开展工作。陈庆峰等［6］对汉阳区武汉市动物园内的湿地孔隙水中铁锰与ORP的关系研究表明，孔隙水中的ORP与亚铁和全锰的浓度相关性极显著，与全铁的相关性不显著；甘义群等［7-8］在江汉平原腹地高砷地下水研究表明，地下水中的铁锰较高，主要是由于铁锰氧化物的还原性溶解引起。此外，地下水中的铁锰除了受氧化还原环境的影响外，pH以及Cl-等也是重要的因素［9］。本文以江汉平原的东北为例，探讨地下水中铁、锰元素的分布规律及其与酸碱度、矿化度和氧化还原条件相关性，与江汉平原腹地的仙桃市沙湖地区进行对比，分析研究区高铁锰地下水环境特征。

1　高铁锰地下水形成的地质背景

研究区地处长江中游，为江汉平原的东北边缘地带，包括了武汉市东西湖区、黄陂区、新洲区以及武昌区沿江地带（图1）。地势总体北高南低，北部盆地边缘以岗状平原为主，标高35-60 m，相对高差10-20 m［10］。出露地层为中更新统冲洪积紫红色粘土、亚粘土。南部为冲湖积平原，分布于长江和汉江两岸。冲湖积平原出露地层为全新统棕黄色粉细砂夹砾石，淤泥质粉细砂、亚砂土，上更新统亚粘土、亚砂土等（图1、图2）。

研究区地下水赋存在第四系砂、砂砾石孔隙中，除江心洲和三级河流两侧为潜水外，其余均具有承压性，顶板埋深9-27 m，含水层厚度为6-22 m，且以薄者居多（图2）。地下水的交替循环，主要取决于地下水的补径排状况。研究区地形低洼，分布面积广阔，地下水位高，有的甚至接近地表，水位年变幅约在1米左右。由于上覆盖层的弱透水性，水位变幅小，提供的势能有限，其垂向补排量极有限，沿江一带侧向排泄仅限于沿江不宽的条带地段，并受江边堆积物透水性的控制。就整个研究区而言，不论是侧向或垂向补排，对其平原地下水的交替循环在宏观上影响很小。地下水交替循环缓慢，地下水形成时间较长，基本上可视为封闭状态。地下水动力条件不佳，径流极为缓慢，水物质流动和水化学场保持相对平衡稳定，物质来源于含水介质及周围岗地和丘陵。所以含水介质和上覆土层中含有大量铁锰元素，是控制地下水铁含量较高的内在因素［11］，再加上相对有利的还原环境是地下水中高铁锰形成的主要原因。

图1　江汉平原东北部水文地质简图（A-A′水文地质剖面见图2）Fig.1 Simplified hydrogeological map ofplain in northern Wuhan

图2　江汉平原东北部A-A′水文地质剖面图Fig.2 Hydrogeological cross section alongthe line A-A’ofplain in northern Wuhan

2　实验方法

为了查明该地区地下水中铁锰的分布特征及地下水环境特征，于2014年11月采集13件地下水样（图1）。地下水采样点的设计主要考虑地形地貌、地下水补径排条件、母质土壤、人口分布等因素，主要采集潜水层地下水，采样深度小于25 m，大部分为10 m以内。现场使用HACH40d便携式水质分析仪测定pH、电导率、溶解氧，其余指标当天送往实验室进行测定。现场采集两份水样，其中一份用浓硝酸酸化至pH＜2。样品的分析方法采用《地下水污染地质调查评价规范》（DD 2008-01）中推荐的分析方法，钾、钠、钙、镁等主要阳离子采用ICP-AES测定、氯、硫酸根等主要阴离子采用离子色谱测定、重碳酸根采用滴定法测定，本次地下水的样品分析均在国土资源部长沙矿产资源监督检测中心完成。

3　结果与讨论

3.1铁锰的时空分布规律

不同取样位置铁锰含量见表1。由表1可见，研究区地下水样中有5件水样中有铁的检出，变化范围为0.06-2.47 mg/l，其中2件水样中铁的含量超过了0.3 mg/l的III类地下水质量标准（2007年），最高可达2.47 mg/l，超标8倍。从空间分布来看，高铁地下水主要集中于研究区的东部的新洲一带及南部的沿江地带。锰元素的检出率比铁高，有10件样品中检测出锰元素，变化范围为0.01-3.31mg/l，其中9件超过了III类地下水质量标准的0.1mg/l，最高可达3.31 mg/l，超标近30倍。与铁元素一样，锰的含量也是东部新洲一带比西部高，但高锰水的分布范围比高铁水更为广泛，研究区西部有锰检出而铁却未检出。

从江汉平原范围内铁锰分布上看，甘义群和段艳华等同年在仙桃地区对高砷地下水的研究显示［7-8］，江汉平原腹地地下水中Fe和Mn的变化范围分别为0.32-24.44 mg/l和0.17-5.70 mg/l，平均值分别为5.00 mg/l和1.22 mg/l，比本研究区的地下水中铁锰的含量高，这说明江汉平原中部地下水中铁锰的含量比平原边缘地带的要高。

从时间对比来看，根据陈庆峰等［6］在邻近本研究区西南边界的武汉市动物园2004-2006年结果显示，全铁和全锰的浓度变化范围分别是0.75-1.89mg/l和0.60-2.35mg/l，与本研究的铁锰含量相近。铁锰的浓度随季节变化波动受降雨量的影响较大，其中全锰、全铁的浓度在春夏季大于秋冬季，7、8月达到最大值。在更远尺度上，曾昭华［3］于上世纪90年代开展江汉平原东部地区地下水背景值研究，当时本研究区地下水铁锰的背景值分别为3.33 mg/l和0.41 mg/l，与其调查结果相比，现在地下水中的铁元素有含量所下降，锰元素含量则有所上升。

表1　研究区取样位置及铁锰测试含量Table 1 Sampling position and content of iron and manganese in the study area

3.2高铁锰地下水环境特征

在平原区，铁锰在地下水中的迁移富集除了与其形成的地质背景条件有直接关系，另外还受到酸碱条件、地下水中氯离子含量以及氧化还原条件等地下水赋存的环境特征的控制［9］。在缺氧环境中（DO＜1.0 mg/l），酸性条件（pH=6.0）能够促进铁锰的释放，而碱性条件（pH=9.0）则会抑制铁锰的释放；好氧条件下（DO＞5.0mg/l）铁锰的释放则受到明显抑制［12］。

3.2.1酸碱度

江汉平原东北部地下水中现场测试指标以及主要成分的统计值如表2所示。研究区地下水以弱碱性为主，仅有2处地下水呈弱酸性，电导率介于517和3620μs/cm之间。其中高铁锰质地下水pH值为6.49-8.09之间，根据地下水中铁锰的含量与pH值的关系（图3）可知，铁锰含量较高的地下水中pH一般较小，成中性-弱酸性，pH值与铁锰的含量具弱负相关，其中江汉平原腹地区地下水pH普遍小于7.6，总体小于平原边缘地带，这是平原腹地铁锰的含量较高的其中一个原因。

S03号样品的铁锰的含量较高，但pH值显示为碱性（图3），与pH值与铁锰的弱负相关性不符，原因是该样品中地下水的矿化度较高，为微咸水。对微咸水中的铁、锰离子的含量起主导作用的是Cl-［3，9］。矿化度和Cl-较高的地下水中，“盐”效应对铁锰产生较大的影响，使地下水中铁锰含量增高，造成有电性相同的Na+、Ca2+向吸附体交换出铁锰，与此同时，许多电性相反的离子争夺铁锰离子脱离固体表面转入地下水中，反映出随矿化度的不断增高，“盐”效应越强，不同电性离子交换吸附作用越大，地下水的铁锰含量越高。虽然本研究区地下水Cl-含量比江汉平原腹地高很多，但是仅有S03号为微咸水，其余水样与江汉平原腹地一样均为淡水，淡水中起主要作用的还是酸碱度和氧化还原条件，与“盐”效应关系不大，“盐”效应仅针对矿化度和Cl-较高的地下水。

3.2.2地下水化学类型

本次调查的地下水的piper三线图如图4所示，研究区地下水中K+、Na+、Ca2+和Mg2+等阳离子的含量变化范围较大，阳离子以Ca2+和Mg2+为主，阴离子以HCO3-和Cl-为主。地下水化学类型以HCO3-Ca、HCO3-Ca·Mg为主，少量为Cl·HCO3-Ca· Na、HCO3·SO4-Ca·Mg型。地下水矿化度较低，平均值为0.59 g/l，其中S03号矿化度最高达1.68 g/l，为微咸水。

表2　水化学参数及主要成分的统计表Table 2 Statistics of hydrochemical parameters and major ion concentrations

图3　地下水中铁、锰与pH的关系Fig.3 Plots ofFe、Mn and pH in groundwater

图4　地下水样piper三线图Fig.4 Piper’s diagramofgroundwater samples

其中S01-S06的地下水铁锰的含量较高，地下水化学类型主要为HCO3-Ca，少量为Cl·HCO3-Ca· Na型，与江汉平腹地的仙桃市沙湖原种场相比主要阳离子的含量较为接近，Cl-较平原腹地偏高，HCO3-离子的含量较平原腹地偏低，主要原因是平原腹地区沉积物中含有大量的有机物质，地下水中高含量的HCO3-与沉积物中有机物质的生物降解作用有关，该作用也会导致碳酸盐岩的溶解，从而进一步增加HCO3-的含量。

3.2.3氧化还原条件

图5　地下水中铁、锰与溶解氧和氨氮的关系Fig.5 Plots ofFe、Mn and DO、NH4+in groundwaters

氧化还原环境也是控制铁锰在地下水中迁移富集的重要因素。如图5所示，铁、锰的含量与地下水中溶解氧的关系图可知，高铁锰的地下水中溶解氧较低，而地下水中氨氮与铁锰的显著正相关，表明铁锰较高的地下水为相对还原的环境，其中江汉平原腹地区氨氮的含量更高，指示了比平原边缘更强的还原环境。在本研究区内，东部和南部地形比其他地区平缓，地下水位高，水力坡度小，循环交替迟滞，迳流条件差，土层的大部分处于地下水长期浸渍状态，且上部覆盖层位粘土或亚粘土，使其向下逐渐转为低电位的还原环境。研究区上部土层中富含有机质，含量在2%以上，而土层中有机质的分解，也加速了这一转化过程。

还原环境使土层中的铁、锰的低价态含量增多，增强其迁移性；又由于有机质不断分解，产生的二氧化碳和水作用，增高水中HCO3-含量，同时生成大量的Fe（HCO3）2与Mn（HCO3）2，在有机物的保护下，以溶液形式携带着Fe（HCO3）2、Mn（HCO3）2迁移至水中；在这种环境中有机质可促进铁、锰络合物的稳定性，以致在弱碱性介质中都不沉淀，且有机质能分解而产生大量二氧化碳和硫化氢等还原性物质，使氧化还原电位值降低，使Fe2O3、MnO2还原成低价的铁锰易溶盐，导致地下水中铁锰的含量增加。江汉平原腹地区地下水还原环境更强，因此铁锰的含量就要比平原边缘地带高。

4　结论

通过对比研究江汉平原东北部及平原腹地区高铁锰地下水水化学特征以及赋存的环境条件，可以得出以下结论：

（1）研究区含水介质和上覆土层中含有大量铁锰元素，加上平原区相对低洼，地下水动力条件不佳，地下水交替循环缓慢是高铁锰地下水形成的有利的地质背景条件。

（2）研究区高铁锰地下水中铁和锰的含量分别为0.06～2.47 mg/l和0.01～3.31 mg/l，高铁锰地下水主要集中于研究区的东部的新洲一带及南部的沿江地带。江汉平原腹地地下水中Fe和Mn分别为0.32-24.44 mg/l和0.17-5.70 mg/l，说明江汉平原中部地下水中铁锰的含量比平原边缘地带的要高。

（3）研究区与平原腹地区一样，地下水pH多小于7.6，以弱碱性为主，少量呈弱酸性，pH值与铁锰的含量具弱负相关。地下水化学类型以HCO3-Ca、HCO3-Ca·Mg为主。不同的是，平原腹地区地下水更偏酸性，HCO3-含量略高。在微咸水中，对铁锰离子的含量起主导作用的是Cl-。

（4）高铁锰的地下水中溶解氧较低，而地下水中氨氮与铁锰的显著正相关，表明铁锰较高的地下水为相对还原的环境，其中江汉平原腹地区氨氮的含量更高，指示了比平原边缘更强的还原环境，表明还原环境有利于铁锰在地下水中富集。

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Environmental characteristics of high Fe and Mn groundwater in shallow aquifers at northeastern Jianghan Plain.Geology and Mineral Resources of South China，2016，32（3）:258-264.

He J，Peng K，Zeng M.

Fe and Mn are the main factors affecting the quality of shallowaquifers in northeast of Jianghan Plain. 13 groundwater samples were collected to identify the distribution of Fe and Mn and environmental characteristics.The content of Fe and Mn and the influence by pH，salinity and redox conditions were studied by comparing with the hinterland of Jianghan Plain.The results showed that the major hydrochemical types were HCO3-Ca and HCO3-Ca·Mg.High Fe and Mn groundwater was mainly concentrated in the east of study area and the south along the Yangtze River.The major chemical characteristics were consistent with hinterland where accumulated more Fe and Mn.The upper soil with high iron and manganese oxides was a rich source of the Fe and Mn in groundwater.The pH，salinity and redox environment were major factors on migration of Fe and Mn.High concentrations of Fe and Mn in shallowaquifers are associated with lowpH，relatively high salinity and relatively reducing conditions，as evidenced by weak negative correlation with dissolved oxygen and a strong positive correlation with nitrate.The relatively high Fe and Mn in the hinterland of Jianghan Plain were due to the stronger reducingenvironment.

Northeast ofthe Jianghan Plain；high Fe and Mn groundwater；Environmental characteristics

中图分类法：P548A

1007-3701（2016）03-258-07

10.3969/j.issn.1007-3701.2016.03.008

2016-04-14；

2016-06-20.

中国地质调查局“中南重点地区地下水污染调查评价”项目（编号：1212011121142）资助.

何军（1984—），男，工程师，从事环境地质调查评价工作，E-mail：05302105hj@163.com.