运城盆地高氟地下咸水成因机制研究

发布时间：2020-04-14 05:11

【摘要】：地下水咸化已经成为了世界性的环境和水资源问题,它能够造成水质的恶化并危及地下水资源的开发和利用。地下咸水广泛分布于全球特别是干旱-半干旱发展中国家。据估计,全球地下咸水分布面积可达240万km~2,占总土地面积的16%。目前全世界有11亿人生活在咸水分布区。为了防治和科学利用地下水资源,国内外广大学者针对地下咸水和与其伴生的高氟水提出了多种成因模式,如大陆盐渍化型咸水,海水入侵型咸水等。最新的研究表明,人为活动,如农业灌溉等对地下水咸化的影响也不容忽视,引起了越来越多的重视。论文选取我国北方干旱-半干旱型内陆盆地(运城盆地)为研究区,以该区域大面积分布的高氟地下咸水为研究对象,综合运用水文地球化学信息解译、环境同位素及非传统同位素示踪、数据信息统计分析、地球化学模拟等多种手段,分析了研究区高氟咸水分布规律,阐明了浅层和中深层地下水中主要离子的物质来源,识别了影响和控制盐分富集的关键水文地球化学过程,并进一步分析了人类活动对地下水咸化及氟砷富集的影响,揭示了咸化作用导致的地下水次生氟污染问题及发生机制。研究成果有望进一步深化对内陆盆地型原生高氟咸水形成机制的认识;对科学防治地下水咸化,减少次生环境危害,合理开发区域地下水资源亦具有重要实际意义。论文取得的主要研究认识如下:依据研究区地下水水化学及盐分分布特征,可将区域地下水资源划分为淡水组(C1)、微咸水组(C2)和咸水组(C3)三大类。其中边山补给区地下淡水的水化学类型主要为Ca-Mg-HCO_3型水;沿着地下水流向,地下水类型逐渐向Na-Ca(Mg)-HCO_3(SO_4)型水转化。微咸水和咸水组地下水大部分属于Na-Cl-SO_4或者Na-SO_4-Cl型水。地下水污染调查结果表明,研究区内分布有大面积的高氟高砷地下水和片状分布的硼污染地下水。空间因子分析证明,地下水污染与人类活动(如地热资源开采等)和地下水咸化密切相关。依据地下水对污染物的敏感性程度,可将研究区地下水划分为高敏感性浅层地下水,中等敏感性浅层地下水和较低敏感性深层地下水。基于变量模式的因子分析表明,地下咸水在各个含水层中的分布具有显著的空间差异性。浅层地下咸水主要分布在盆地中部径流-排泄区,深层地下咸水主要分布于栲栳桓低台塬。地下咸水的空间分布差异性说明,盆地内深层和浅层咸水可能具有不同的形成机制。盆地内浅层地下咸水分布较广,超过60%的浅层地下水TDS大于1000 mg/L,约有50%的深层地下水TDS大于1000 mg/L。浅层地下水中主要离子组分及盐度均随地下水流向(从边山到盆地中央)呈现明显的增加趋势。盆地浅层地下水在氘氧同位素散点图上,均位于蒸发线附近,表明地下水受到了蒸发浓缩作用的影响。特别是在盆地中心区域,强烈的蒸发浓缩作用加剧了浅层地下水的盐分积累。基于矿物饱和指数的水化学模拟结果表明,水岩相互作用包括蒸发岩(岩盐,石膏及芒硝)和碳酸盐矿物的溶解/沉淀对浅层咸水的形成具有显著贡献。盐湖咸水入侵补给浅层地下水是地下水咸化的重要机制之一。盆地内地下水过量开采,导致形成了大面积的地下水降落漏斗。随着地下水水位的季节性变动和持续下降,咸淡水交界线逐渐向盐湖周边区域扩散,也促进了盐湖咸水入侵补给浅层地下水。氯质量平衡模型计算结果显示,盐湖咸水对浅层地下水咸化的贡献主要集中在盐湖北部区域,且对盐分富集的贡献率最高为4.27%。此外,阳离子交换作用对盆地补给-径流区内浅层地下咸水的形成也有一定贡献作用。初步的计算表明,其贡献率大约为1.23-15.20 mmol/L Na~+。盆地内深层地下水具有贫化的氘氧同位素:δ~(18)O_(-H2O)和δD最低值分别为-11.03‰和-81.7‰;说明其补给水源高程较高。同时,这些深层地下水还具有较低的放射性碳(~(14)C)活度,多数深层水~(14)C活度值小于20 pmC。据此推断,深层地下水接受了大量温度较低的古水(晚更新世和全新世初期)的补给。根据建立的T-δ~(18)O梯度变化模式,估算出补给水历史时期的气温较现代温度低3°C左右。联合运用主量-微量元素及δ~(34)S和δ~(13)C同位素示踪技术,识别出盆地内深层地下咸水中盐分的来源有三种:1)形成于晚更新世和全新世初期的古咸水。这类深层咸水主要分布于临猗七级和闻喜县的部分区域。经过长期的溶滤、蒸发和浓缩作用,溶滤出来的盐分逐渐累积而存留形成古咸水。尽管在后期的地下水循环过程中,不断地有较年轻的地下水补给,但这些地下水依然呈现出了比较典型的高盐分,高Na/Ca,B/Cl比值以及较低的Br/Cl值。2)深层地热水混合带来的盐分。由于受强烈水岩作用的影响,地热水中通常含有较高的盐分和较低的锂同位素值。在临猗大断裂和鸣条岗大断裂带附近,高盐度的深层地下水呈现出较高的水温和锂含量,以及较低的锂同位素值,反映出该处深层地下水可能受到了沿断裂带上升的地热水的混合补给。3)浅层地下咸水渗漏补给。受地下水水位下降影响,在深层地下水降落漏斗区范围内,浅层地下咸水更易于发生垂直下渗,补给深层地下水,从而导致深层地下水咸化。另外,水岩相互作用是控制盆地内深层地下盐分来源的主要地球化学过程。在深层地下水中,蒸发岩和碳酸盐矿物的溶解,以及阳离子交换均有利于地下水中盐分的富集。与之相对,在深层地下水中也存在由于硫酸盐还原作用而使地下水中盐分降低的现象。如,取自峨嵋台地的深层地下淡水中,相对较高的硫同位素值说明该处地下水中发生了有硫酸盐细菌参与的还原性生物硫循环作用(BSR)。这些还原作用极大程度上降低了地下水中的盐分含量。同时,在这些地下水中,δ~(34)S和δ~(13)C之间还存在显著的正相关关系,表明除硫酸盐还原作用外,还存在强烈的碳酸盐溶解作用。锂同位素作为新兴的“非传统同位素”之一,为识别地下水咸化和盐分来源提供了一种有效的技术手段。论文调查研究表明,研究区地下水锂同位素值δ~7Li范围为10.97‰-31.78‰,平均值为22.53‰。其中,地热水的δ~7Li值最低:10.97‰-14.29‰;深层地下水次之δ~7Li:14.65‰-21.87‰(均值21.87‰),浅层地下水δ~7Li值较高:19.57‰-31.78‰(均值24.81‰),区域盐湖水的δ~7Li最高(29.19‰,n=3),接近全球海水δ~7Li均值。不同端元水体锂同位素值的显著差异,为科学利用δ~7Li解译咸水和氟的来源提供了技术手段。人类活动对研究区地下水咸化具有显著的贡献作用。采用氯溴比、氢-氧、锂和碳等多种同位素手段,发现:浅层地下水由于与包气带相连通,因此其更容易受到人类活动的污染。在栲栳低台塬-运城盐湖一线的径流-排泄区内,浅层地下水普遍具有高的TDS,高的Cl/Br值,并且随着TDS的升高,其δ~(18)O_(-H2O)和δD同位素保持不变。可见,在这些区域,比较强烈的人为灌溉活动,造成了表层盐碱土壤冲刷,导致浅层地下水中离子含量上升。此外,地表污废水的无序排放及农耕时化肥的施用也对地下水咸化产生了一定的影响。在运城盐湖附近,高盐度的浅层地下水呈现出较高的NO_3,B含量,较高的Na/K,以及较低的δ~7Li值。这些水化学-同位素特征指示该区域浅层地下水受到了污废水及化肥的影响。近年来,盆地内快速发展的地热资源开采利用也在一定程度上加剧了地下水的咸化。研究区极为发育的深大断裂带为地热水的向上运移提供了良好的运移通道。在深层地热水向上运移的过程中,一部分地热水通过越流补给进入深层或浅层地下水中,从而使部分地下水受混合而盐分含量上升。但更为重要的是,由于地热水的无序开采和随意排放,使得大量地热废水直接排放进入地表和地下水环境,成为了区域咸水的另一新的盐分来源。地下水中盐分富集(地下水咸化)还诱发了一系列的次生环境问题,如氟(F)污染等。运城盆地地下水氟含量最高可达14.1 mg/L,远高于世界卫生组织饮用水标准(1.5 mg/L)。垂向上,高氟地下水主要分布在浅层含水层中,但在中深层含水层中也有少量的分布。超过69%的浅层地下水,44%的中层地下水及31%的深层地下水中F浓度高于1.5 mg/L。平面上,高氟地下水主要分布于盆地中心径流-排泄区内。盆地内高氟地下水呈现一些独特的水化学特征:高Na,低Ca和弱碱性pH及较高的HCO_3含量。1)研究区沉积物中矿物溶解-沉淀作用在富集盐分的同时导致地下水氟富集。i)含氟矿物的溶解(萤石和氟磷灰石)以及黄土中可交换性F的解吸附组成了地下水中F的主要物质来源。石膏溶解触发的碳酸盐沉淀作用会降低地下水中钙离子的含量,从而促进含氟矿物的进一步溶解,向地下水中释放更多的F离子。ii)酸缓冲矿物,特别是碳酸盐矿物的溶解,使得研究区地下水多为弱碱性HCO_3型或富HCO_3地下水。在碱性条件下,矿物表面电荷为中性或偏负,会抑制F~-的吸附作用,OH~-则可能取代吸附态F~-使其释放到地下水中。除了OH~-之外,HCO_3~-是吸附态F~-的又一强力竞争吸附离子。iii)盆地内地下水氟的富集还受到蒸发浓缩作用的影响。蒸发浓缩作用一方面使得地下水中各主要离子(包括F~-)浓缩富集,另一方面还会引起方解石饱和沉淀,降低Ca~(2+)/Na~+比,促进含氟矿物的溶解,并释放更多F~-。2)阳离子交换作用将钾钠置换进入地下水的同时也有利于吸附态氟的释出。地下水中高浓度的Ca~(2+)在迁移过程中,通过阳离子交换作用,可将土壤或含水层中吸附的Na~+置换出来,导致矿物相的F~-释放到水相中。其作用机制为:i)二价Ca~(2+)比一价Na~+具有更强的吸附亲和力,当地下水向贫钙富钠的类型转换时,金属水合氧化物表面吸附正电荷量减少,从而加速了负电荷F~-的解吸附;ii)阳离子交换作用能降低Ca~(2+)浓度,从而促进萤石等含氟矿物进一步溶解而释放F~-到地下水中。可见,高氟地下水水化学特征的形成也正是地下水咸化的过程,二者密切相关。论文研究表明,运城盆地高氟地下咸水的形成是天然地质-水文地质条件控制下,人类活动叠加作用的结果。基于以上研究认识,为科学防治地下水咸化和氟污染的进一步加剧,需采取地下水保护措施:i)加强地下水资源开发利用的管理,合理的配置地下水资源,避免地下水过度开发。ii)加强地表污染源治理,切断地下水污染途径;iii)科学使用农药、化肥,严格控制和逐步减少农药、化肥的施用量;iv)加强地热资源开发利用管理,避免地热废水无序排放。
【学位授予单位】：中国地质大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：P641.12
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本文编号：2626921