张家口市下花园区地下水中氟的分布规律及成因探讨_杨志光.pdf

2020年第10期西部探矿工程 * 收稿日期 2020-04-09修回日期 2020-04-10 项目来源 河北省地下水饮用水源地水文及地质基础环境调查与监测， 课题编号 2017FY100402。 第一作者简介 杨志光 （1987-） ， 男 （汉族） ， 河北无极人， 工程师， 现从事水文工程地质及环境方面研究工作。 张家口市下花园区地下水中氟的分布规律及成因探讨 杨志光*， 尤冰， 霍秋雅 河北省水文工程地质勘查院， 河北 石家庄 050021 摘要 地方性氟中毒是冀西北地区各类地方病中分布范围最广、 患病人数量最多、 危害程度最高的 一种地域性病症。以下花园区作为研究区， 在野外调查、 取样测试的基础上， 采用多因素分析的方 法， 结合高氟区内氟的来源及地形地貌等方面， 对下花园全区地下水中氟的空间分布规律及形成的 环境特征进行了研究， 并对该区寻找低氟淡水提出了建议。 关键词 地下水； 氟； 富集； 成因分析 中图分类号 P641.12 文献标识码 A 文章编号 1004-5716202010-0103-04 1概述 地氟病的病因为饮用高氟水、 使氟在体内聚集， 引 起慢性中毒所致。近年来， 对地氟病病因的研究不断 深入和发展， 这种疾病在世界的很多地区都存在， 根据 中国地下水质量标准 GB/T 14848-2017 中规定[1]， 饮 用水中的氟含量不得超过1.0mg/L，饮用水中氟含量 超过1.0mg/L时， 称其为高氟水。下花园区高氟水主 要分布在西南部， 据调查统计大部分村民几十年仍在 饮用高氟水， 一般表现为氟斑牙， 并有少部分氟骨症。 所以了解地下水中氟的分布规律及高氟水形成的环境 特征， 可以有效地控制和防止氟病患的发生。 2自然地理概况 2.1地理位置 下花园区位于冀西北， 河北省张家口市东南部， 总 面积 315km2， 是环京津经济圈北京通往西北的重点节 点和交通枢纽。 2.2地形地貌 由于构造上升和河流水系的切割作用， 在研究区 内形成了一系列侵蚀构造地貌类型。地貌类型分为侵 蚀构造中山区、 侵蚀构造低山区、 断陷盆地及河谷平原 亚区。 3水文地质条件 3.1地下水赋存条件及分布规律 3.1.1松散岩类孔隙水 松散岩类孔隙水是本区主要的地下水类型， 分布 面积134.97km2， 地下水赋存于第四系砂、 砾、 卵石层 中。洋河、 戴家营河及施家营河的河床、 河漫滩地带， 第四系沉积物厚度一般15～70m， 由中粗砂、 砾石、 卵 石含水层夹粉土、 粉质粘土层组成， 一般为较富水区， 单井涌水量一般为1000～3000m3/d。戴家营河杨树沟 山前冲洪积缓斜地带， 第四系沉积厚度5～50m， 含水 层岩性由淡红色粘土、 粉质粘土层夹砂、 砾石、 卵石层 组成， 厚度25～35m， 为中等富水区， 单井涌水量500～ 1000m3/d。戴家营河以西、 施家营河的山前斜地及沟 谷地带含水层岩性为砂砾石、 砂碎石， 泥质较多， 一般 不含水， 只在沟谷地带有一定水量， 单井涌水量小于 500m3/d。 3.1.2碳酸盐岩类岩溶水 本区碳酸盐岩类岩溶水开发利用较少， 且分布不 均匀， 面积约14.82km2， 地下水赋存于蓟县系灰岩、 白 云岩层中。北部武家庄一带节理和裂隙发育， 主要赋 存于蓟县系雾迷山组白云岩中， 而南部岩溶水赋存于 蓟县系铁岭组白云质灰岩中， 为中等富水区。 3.1.3基岩裂隙水 分布范围较广， 面积约165.21km2， 该区按其含水 介质的成因类型划为两个亚类 构造裂隙水和风化带 网状裂隙水。主要赋存于侏罗系中下统砂砾岩、 安山 岩构造裂隙中以及燕山期岩浆岩裂隙中， 在地形陡峭 的分水岭附近， 地下水贫乏； 在风化带较厚， 地形有利 于地下水汇集的沟谷地势低洼地段， 富水性较好。基 103 2020年第10期西部探矿工程 岩中的断层破碎带或裂隙密集带、 阻水岩脉的迎水侧， 当地形地貌条件有利时， 往往是地下水富集的良好地 段。 3.2地下水补径排条件 本区地下水的补给来源主要为大气降水入渗补 给， 入渗补给后， 沿裂隙或孔隙运移， 其总的运移方向 与地形坡向基本一致。地下水具有径流途径短、 速补 速排的特点， 排泄方式主要为人工开采、 泉水溢出和地 下水侧向径流排泄。 3.3地下水水化学特征 工作区地下水水化学类型按照空间分布， 大概可 以分为三种类型。东部施家营河一带为HCO3-Ca型； 中部戴家营河定方水上游一带以HCO3-CaMg型为 主； 西部及南部以HCO3SO4-NaCaMg型水为主。 4氟的空间分布规律 下花园区西南部及北部少部分区域地下水氟超 标， 一般位于山前冲洪积、 坡洪积倾斜地、 火成岩为主 的低山下游地带等。F-只有在地形地貌有利部位以及 地下径流迟缓或以蒸发排泄为主时， 才会容易富集。 4.1氟的水平富集规律 地下水在形成、 径流、 排泄的流动过程中， 对氟离 子进行溶解、 水解、 搬运及堆积的水文化学作用， 沿流 域方向一般成较明显径向水平带规律。根据本次水质 分析结果可知， 在补给区地下水中氟化物的含量有一 定限度， 地下水在良好的循环过程中， 氟离子不容易聚 集， 因此在补给山区一般氟含量小于1.0mg/L。在山 前地带径流区， 当通过坡洪积斜地向下游径流排泄时， 粘性土所占比例增大， 地下水滞流时间相对较长， 使得 氟离子容易聚集， 氟含量大于1.0mg/L。在地下水的 排泄区， 地形平坦或低洼， 地下水埋藏浅， 蒸发浓缩作 用强烈， 使氟离子富集， 下花园区洋河F-含量1.36～ 1.75mg/L。 4.2氟的垂直富集规律 根据本次取样结果见表1， 选取高氟区范围内代表 水样可以看出， 地下水中具有较明显的垂直分带性。 如溢出的泉水， F-含量仅为0.44mg/L， 而侏罗系788m 深处F-含量比第四系80m含水层中F-含量高出将近一 倍。即F-含量呈由浅及深逐渐增高的变化趋势。 取样位置 泉水 第四系砂砾石 侏罗系砂砾岩 侏罗系砂砾岩 侏罗系凝灰岩与辉绿岩接触带 深度 （m） - 80 200 200 788 F-mg/L 0.44 1.4 1.59 1.87 2.28 水化学类型 H-CM H-NC SLH-NCM SH-NC - 溶解性总固体g/L 0.29 0.41 0.93 0.80 1.00 表1高氟区地下水F-含量垂直分带统计 5高氟水成因分析 5.1氟物质主要来源 氟物质主要来源是岩土中的含氟矿物。中国北方 主要平原周围山地的岩石主要以富氟的变质岩、 岩浆 岩、 沉积岩组成[2]。第四系下更新统胶结或松散砂砾石 地下水中F-含量1.5～4.7mg/L， 侏罗系砂岩、 中粗砂 岩、 含砾、 砂岩地下水中F-含量2.2～5.0mg/L[3]。下花 园区高氟区含水层岩性主要为第四系松散岩砂砾石、 侏罗系砂砾岩。 5.2氟富集的水化学环境 研究表明[4]， 水体中F-的富集和贫化与水化学环境 关系密切。根据下花园区取样测试统计结果 （2017～ 2018年测定） （表2） ， 可以总结出这样几方面的规律 据 曾溅辉[4]计算， 在中性和偏碱性水中， 氟的存在形式有 10 余种， 即 F-、 BFOH3、 HFaq、 CaF 、 AlF2 、 MgF、 AlF30、 AlF44-1等， 其中F-、 CaF、 MgF为主要形式， 一般 F-占总氟的79～96。本次所测定的67组水样都为 碱性水， 如图1所示， 检出F-的水样中大部分水样的pH 集中在7.5～8.0mg/L， 即在碱性环境中容易富集。碱 性、 偏碱性水使水中Ca2的活度降低， 从而抑制水中氟 离子聚集作用减弱， 有利于氟离子在地下水中富集， 如 图2所示， 水样中F-含量较高的Ca2的含量也较低。 在溶解性总固体在0.2～0.8g/L情况下 （图3） ， 随 着溶解性总固体的增加， 水中F-含量也增大， 整体对比 二者相关性不明显， F-在水体中呈离子态稳定存在并 聚集的化学因素比较复杂。图4可以反映K Na含 量与F-的关系， 大部分F-较高的水样中， KNa含量 都高于其他阳离子含量， 整体呈现F-随着K Na含量 104 2020年第10期西部探矿工程 增大而增大。王根绪[5]对西北内陆内陆干旱区地下水 氟研究得出地下水中SO42-含量的增加对氟在水中的 稳定性有较强的抑制作用。通过表2可以看出高氟区 的SO42-含量明显低于低氟区的含量。 图1F-含量与pH的关系散点图 图2F-含量与Ca2的关系散点图 从表3中水质分析结果可以看出， 洋河上下游F- 含量均超过了饮用水质量标准， 洋河上游取样点位于 取样点 低氟区 高氟区 F- mg/L 0.47 0.52 0.65 0.72 0.80 1.11 1.28 1.40 1.87 2.28 溶解性总固体 g/L 0.47 - 1.03 0.80 0.84 0.40 0.32 0.41 0.63 0.46 总硬度 mg/L 330.0 - 642.0 468.5 423.7 198.4 172.5 210.3 368.9 87.9 pH 7.75 7.93 7.69 7.66 7.66 7.89 7.89 7.82 7.73 8.25 离子含量 （mg/L） K 1.0 2.4 1.5 2.0 1.8 0.7 1.1 1.3 2.0 - Na 30.6 99.7 87.2 94.3 125.3 64.4 53.4 62.7 73.3 122.9 Ca2 87.4 103.8 156.9 97.8 86.2 47.9 38.7 52.7 81.0 - Mg2 27.1 72.6 60.8 54.5 50.6 19.1 18.4 19.1 40.4 - HCO3- 207.3 341.0 250.2 275.9 339.7 271.0 280.9 225.7 287.0 - Cl- 53.9 122.1 169.6 107.2 79.5 27.0 14.2 44.7 79.5 61.3 SO42- 116.1 163.8 210.4 254.0 225.0 66.4 20.4 58.4 92.4 102.9 表2地下水离子含量统计表 图4F-含量与K Na的关系散点图 图3F-含量与溶解性总固体的关系散点图 高氟区， F-含量高于下游含量。但下游区域地下水水 中的F-含量并未很高， 所以地下水高氟区的形成与地 表水和地下水之间的水力联系引起的基本可以排除。 6结束语 （1） 下花园区西南部及北部少部分区域地下水氟 超标， 氟物质主要来源是岩土中的含氟矿物， 在补给山 105 2020年第10期西部探矿工程 区一般氟含量小于1.0mg/L。在山前地带径流区， 当 通过坡洪积斜地向下游径流排泄时， 粘性土所占比例 增大， 地下水滞流时间相对较长， 使得氟离子容易聚 集， 氟含量大于1.0mg/L。在地下水的排泄区， 地形平 坦或低洼， 地下水埋藏浅， 蒸发浓缩作用强烈， 使氟离 子富集。地下水中具有明显的垂直分带性即F-含量呈 由浅及深逐渐增高的变化趋势。 （2） F-的水样中大部分水样的 pH 集中在 7.5～ 8.0mg/L， 即在碱性环境中容易富集。且与水中溶解性 总固体、 Ca2、 K Na、 SO42-等有密切关系。即碱性、 偏碱性水使水中Ca2的活度降低， 从而抑制水中氟离 子聚集作用减弱， 有利于氟离子在地下水中富集； 在溶 解性总固体在0.2～0.8g/L情况下， 随着溶解性总固体 的增加， 水中F-含量增大， 整体对比二者相关性不明 显； F-含量随着K Na含量增大而增大； SO42-含量的 增加对氟在水中的稳定性有较强的抑制作用。 （3） 根据地下水F-含量呈由浅及深逐渐增高的变 化趋势， 建议在高氟区不宜采取就地打深井的方法， 应 在附近山口采取引潜流或引山区泉水的方法来解决。 参考文献 [1]GB∕T 14848-2017 地下水质量标准[S]. 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[5]王根绪，程国栋.西北干旱区水中氟的分布规律及环境特征 [J].地理科学，20002153-158. 地理位置 下花园区洋河上游 下花园区洋河下游 离子含量 （mg/L） K 9.3 14.3 Na 134.8 136.8 Ca2 73.9 73.1 Mg2 39.2 42.6 HCO3- 337.3 257.6 Cl- 132.7 149.8 SO42- 155.9 222.4 F- 1.75 1.36 总硬度 mg/L 345.9 357.9 pH 7.73 7.55 表3洋河水样化验结果 （上接第102页） 在对转载机槽节本体结构的改造之后， 其结构强 度可以应对锤式破碎机高强度作业的要求， 也更符合 破碎机的安装环境。在解决这个转载机结构的问题基 础上， 在使用锤式破碎机装备过程中， 也能够通过减小 转载机挡煤板的高度， 能够在不堵塞的情形下有效减 少装载机本身的破碎数量。出于锤式破碎机具有高连 续性运行的特点， 并采用双驱轮动保证重心稳定不偏 移， 具有较高的适用性。 4应用效果分析 4.1装备安装便捷， 运行平稳高效 出于锤式破碎机装备结构简单的特点， 选择在转 载机入料口加装锤式破碎机在现场能够快速安装并投 入使用， 可以有效减少人工投入成本。同时， 锤式破碎 机装备凭借其高破碎效果， 可以有效解决转载机中因 为大块矸石和煤造成的入料口堵塞， 不需要人工采用 传统的方式进行破碎， 而且进一步降低转载机中部封 闭段堵塞的可能性， 避免人工进入转载机里面修理可 能产生的安全问题， 总体提高了作业工人的工作效率。 4.2结构强度高， 维护成本低 在本研究对破碎机和转载机的改造设计中， 破碎 机装备采用双驱动轮， 在转载机的槽节挡板中加装了 纵向的钢板， 并采用高强螺栓进行连接， 充分从结构的 本身进行加固， 使其有更高的作业强度， 降低了装备在 作业过程中的维护、 修理成本。 4.3适用性较高， 使用范围广泛 本研究提出的在转载机器入料口加装锤式破碎机 装备的研究设计， 以避免入料口堵塞的方式具有安装 简单、 改造工程较小、 效果显著等特点。此外， 在回采 工作面空间比较狭小的情形中更适用且具有优势， 无 需对底板卧槽采取任何措施， 在其它各种类型的综采 工作面中都可以得到广泛使用， 具有较强的普适性。 参考文献 [1]毛晓磊.转载机和皮带输送设备安全管理工作探究[J].山西 冶金， 2020 （1） 33-35. 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