任金峰

(山東省德州市水利局，山東 德州 253014)

德州市地下水錳含量的分布特征及成因分析

任金峰

(山東省德州市水利局，山東 德州 253014)

德州市位于華北平原東南部，屬于典型黃河下游沖擊平原空隙水文單元，具有咸淡兩種水體共存的水環(huán)境特征，針對(duì)德州市淺層地下水和深層地下水錳含量的分布特征分析，表明含水層介質(zhì)及上覆蓋層性質(zhì)、酸堿條件、氯離子含量和氧化還原環(huán)境是造成該地區(qū)地下水錳含量分布特點(diǎn)的主要因素，而人類活動(dòng)對(duì)該市地下水賦存狀況擾動(dòng),水質(zhì)發(fā)生變化，使深層地下水中Mn2+含量普遍較低。

地下水；錳含量；分布特征；成因分析

德州市位于華北平原的東南部，屬于典型的黃河下游沖積平原孔隙水水文地質(zhì)單元，具有咸、淡兩種水體共存的水環(huán)境特征。地下水賦存于第四系和第三系松散沉積物的孔隙中，含水層(組)在空間分布上，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、重疊交錯(cuò)，具有明顯的分帶性。按含水層(組)在垂向上的埋藏條件和水化學(xué)成分的差異，將800 m以內(nèi)的地下水分為淺層淡水(埋深60 m以內(nèi))、中層咸水(頂界面埋藏深度平均為60 m，底板埋藏深度190～250 m)和深層承壓淡水(頂板埋藏深度平均為200 m，底界面埋藏深度為600～800 m)三個(gè)含水層(組)。

進(jìn)入20世紀(jì)80年代以來，隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人畜飲水的需求，人類開發(fā)活動(dòng)導(dǎo)致了引黃灌溉縣市區(qū)地下水位較高和機(jī)井灌溉縣市出現(xiàn)地下水漏斗的環(huán)境地質(zhì)問題，使本區(qū)地下水化學(xué)場(chǎng)發(fā)生了較大變化。本文根據(jù)德州市地下水監(jiān)測(cè)資料，對(duì)與人類中樞神經(jīng)、智力和生殖功能有關(guān)的錳的分布特征及特點(diǎn)和成因做了初步分析研究，對(duì)于促進(jìn)當(dāng)?shù)厝诵蟀踩盟哂惺种匾囊饬x。

1 地下水中錳含量分布特征及特點(diǎn)

1.1 樣品采集概況

在全市范圍內(nèi)依據(jù)面平均布點(diǎn)原則對(duì)淺層地下水監(jiān)測(cè)井取樣474件，其中符合飲用水標(biāo)準(zhǔn)(Mn≤0.1 mg/L)160件，占取水水樣的33.8%；對(duì)深層地下水監(jiān)測(cè)井取樣343件，其中符合飲用水標(biāo)準(zhǔn)(Mn≤0.1 mg/L)305件，占取水水樣的88.9%。這些點(diǎn)位的布設(shè)能夠反映出全市淺、深層地下水總體概況。

1.2 淺層地下水錳含量分布特征及特點(diǎn)

1.2.1 淺層地下水錳含量分布特征

符合國家生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)(Mn≤0.1 mg/L)井點(diǎn)的分布區(qū)面積為3 653.8 km2，占全市面積的35.3%;超過國家生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)(Mn>0.1 mg/L)井點(diǎn)的分布區(qū)面積為6 702.2 km2，占全市面積的64.7%，其中0.1 mg/L1.0 mg/L井點(diǎn)的分布區(qū)面積為258.9 km2，占全市面積的2.5%(圖1)。除齊河縣、禹城市、平原縣、陵縣和德城區(qū)大于41%的區(qū)域面積錳含量未超出生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)外，其余縣市錳含量未超標(biāo)的區(qū)域面積均小于13%，部分區(qū)域錳含量較高，特別是慶云、臨邑、武城、夏津、寧津五縣和樂陵市均屬于高錳區(qū)(圖2)。全市最大值2.84 mg/L，超標(biāo)27.4倍，出現(xiàn)在慶云縣崔口鎮(zhèn)小屯村(淺井6 m)。

圖1 德州市淺層地下水錳含量分布圖

圖2 德州市各縣市區(qū)淺層地下水錳含量分布面積對(duì)比圖

1.2.2 淺層地下水錳含量分布特點(diǎn)

從圖1和圖2可見，符合國家生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)(Mn≤0.1 mg/L)井點(diǎn)的分布區(qū)主要位于引黃老灌區(qū)上的齊河縣、禹城市、平原縣、陵縣和德城區(qū)。而錳含量超標(biāo)區(qū)主要位于引黃下游的井灌縣市。

1.3 深層地下水錳含量分布特征及特點(diǎn)

1.3.1 深層地下水錳含量分布特征

符合國家生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)(Mn≤0.1 mg/L)井點(diǎn)的分布區(qū)面積為9 803.9 km2，占全市面積的94.7%;超過國家生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)(Mn>0.1 mg/L)井點(diǎn)的分布區(qū)面積為552.2 km2，占全市面積的5.3%，其中0.1 mg/L1.0 mg/L井點(diǎn)的分布區(qū)面積為20.1 km2，占全市面積的0.2%。全市各縣市區(qū)深層地下水錳含量超標(biāo)的區(qū)域較少(圖3)，超標(biāo)區(qū)主要有武城縣甲馬營鄉(xiāng)、騰莊鎮(zhèn)；寧津縣張大莊鄉(xiāng)、杜集鎮(zhèn)；樂陵市鐵營鄉(xiāng)、丁烏鎮(zhèn)和禹城市房寺鎮(zhèn)、安仁鄉(xiāng)。

1.3.2 深層地下水錳含量分布特點(diǎn)

占全市面積94.7%的深層地下水錳含量符合國家生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)(Mn≤0.1 mg/L)，遠(yuǎn)高于全市淺層地下水錳含量的達(dá)標(biāo)率。

圖3 德州市各縣市區(qū)深層地下水錳含量分布面積對(duì)比圖

2 錳含量分布特征成因分析

2.1 淺層地下水

1970年以前，德州市工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和居民生活用水以開采地下水，尤其是淺層地下水為主，為緩解當(dāng)?shù)氐叵滤可儋|(zhì)差的窘境，自70年代初期開始先后興建了潘莊、李家岸兩處大型引黃灌區(qū)和韓劉、豆腐窩兩處中型引黃灌區(qū)，全市農(nóng)業(yè)生產(chǎn)逐漸形成了引黃上游縣市區(qū)以引黃灌溉為主、引黃下游縣市以井灌為主以引黃灌溉為輔的格局。

但自90年代始，黃河經(jīng)常發(fā)生斷流，1992-1998年的7年中，黃河德州河段平均每年斷流54.7 d，嚴(yán)重影響了德州經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展，尤其農(nóng)業(yè)損失更大。為此，市委、市政府提出以井保豐、以河補(bǔ)源的方針，全市尤其引黃下游縣市機(jī)井建設(shè)再掀高潮，因起初缺乏統(tǒng)一規(guī)劃，機(jī)井建設(shè)盲目性大，布局失調(diào)，造成引黃下游縣市因超采地下水形成淺層漏斗，引黃上游縣市區(qū)因超灌黃河水產(chǎn)生次生鹽漬化等環(huán)境地質(zhì)問題。由此，人類生產(chǎn)活動(dòng)對(duì)當(dāng)?shù)氐叵滤绕錅\層地下水水環(huán)境造成了擾動(dòng)和影響。

引黃上游縣市區(qū)，在農(nóng)田灌溉時(shí)，多余的含溶解氧的黃河水入滲補(bǔ)給淺層地下水。地下水中溶解氧(O2)是最強(qiáng)的氧化劑，它可以使地下水中所有組分(元素)都處于最高氧化態(tài)。含溶解氧(O2)黃河水的入滲補(bǔ)給，使淺層地下水中錳發(fā)生了氧化反應(yīng)：

O2+2Mn2++2H2O=2MnO2(固)+4H+

從而使淺層地下水中Mn2+含量降低。

另一方面，井灌超采區(qū)，淺層地下水位下降，使較深部位淺層地下水處于還原狀態(tài)。地層內(nèi)有機(jī)物質(zhì)是最強(qiáng)的還原劑，它可以使所有的組分(元素)都處于最低氧化態(tài)(還原態(tài))。隨著淺層地下水位的下降，發(fā)生了如下的還原反應(yīng)：

CH2O+2MnO2(固)+3H+=2Mn2++HCO3-+2H2O

從監(jiān)測(cè)結(jié)果得知，淺層地下水位下降區(qū)域，多表現(xiàn)為Cl-、SO42-含量較高區(qū)域，進(jìn)一步加劇了錳的還原。由此使淺層地下水中Mn2+含量升高。

2.2 深層地下水

根據(jù)德州市深層地下水監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析結(jié)果，隨埋藏深度的增加，深層地下水水化學(xué)類型由Cl·SO4-Na型漸變?yōu)镠CO3-Na型，趨于淡化，陽離子中的Na+、Ca2+、Mg2+和陰離子中的Cl-、SO42-的濃度由高逐漸降低，而pH和F-的濃度卻由低逐漸升高。深度200 m以下地下水中Na+含量占陽離子總量的90%以上，HCO3-含量約占陰離子總量的50%～60%，HCO3-是弱酸根，與Na+可以發(fā)生水解反應(yīng)，呈現(xiàn)堿性，即：

Na++HCO3-+H2O→Na++H2CO3+[OH]-

上述水解反應(yīng)決定了深層地下水具有偏堿性的水化學(xué)環(huán)境。在堿性水化學(xué)環(huán)境中，Mn2+與OH-發(fā)生如下反應(yīng)：

Mn2++2OH-=Mn(OH)2↓

從而使深層地下水中Mn2+含量較低。

3 結(jié)語

人類活動(dòng)的影響，不僅對(duì)德州市地下水賦存狀況產(chǎn)生了擾動(dòng)，而且使淺層地下水水質(zhì)發(fā)生了變化，表現(xiàn)為機(jī)井灌區(qū)地下水中Mn2+含量較高(與還原作用正相關(guān))，引黃灌區(qū)地下水中Mn2+含量較低(與氧化作用負(fù)相關(guān))。深層地下水因呈現(xiàn)堿性，Mn2+含量普遍較低。

[1]任金峰.德州市淺層機(jī)井布局優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].中國農(nóng)村水利水電.2000，(10).

[2]沈照理.水文地球化學(xué)基礎(chǔ)[M].北京：地質(zhì)出版社.1986.

[3]趙全升，馮娟，安樂生.德州市深層地下水水質(zhì)演化研究[J].地理科學(xué).2009,29(5)：766-772.

2016-08-14

任金峰(1967-)，男，山東德州人，高級(jí)工程師，主要從事水資源開發(fā)利用方面工作。

P641.12

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1004-1184(2017)01-0037-02