地下水氟离子分布规律与超标成因浅析——以北京南郊第四系地下水为例
【类型】期刊
【作者】张雪，晏婴（北京市地质矿产勘查开发局信息中心；北京市地质工程勘察院）
【作者单位】北京市地质矿产勘查开发局信息中心；北京市地质工程勘察院
【刊名】城市地质
【关键词】 地下水；氟；分布规律；形成原因；反相关系；施工工艺；水化学；水质
【ISSN号】1007-1903
【页码】P38-43
【年份】2019
【期号】第4期
【摘要】饮用水中氟浓度超标,是导致地方性氟中毒疾病的主要因素。通过水质资料综合分析,结合农村安全饮水工程的施工及水质专项调查,开展了地下水中氟分布规律的研究,掌握了氟在地下水空间的分布规律。浅层地下水中氟离子浓度超标范围主要集中在东南部及南部地区,氟离子浓度与含水层深度呈反相关系,随时间变化幅度较大。深层地下水中氟离子浓度超标区主要集中在中部,当含水层埋深在300m以内时,氟离子浓度与含水层深度呈正相关系,随时间变化幅度较小。浅层地下水中氟的富集与气候条件、含水层岩性、地下水径流速度密切相关,深层地下水氟超标是由地质原因造成的。研究成果为水井施工设计提供了技术支持,为研究治理地下水中氟浓度超标的措施提供依据。
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地下水氟离子分布规律与超标成因浅析
——以北京南郊第四系地下水为例
摘 要：饮用水中氟浓度超标,是导致地方性氟中毒疾病的主要因素。通过水质资料综合分析，结合农村安全饮水工程的施工及水质专项调查，开展了地下水中氟分布规律的研究，掌握了氟在地下水空间的分布规律。浅层地下水中氟离子浓度超标范围主要集中在东南部及南部地区，氟离子浓度与含水层深度呈反相关系，随时间变化幅度较大。深层地下水中氟离子浓度超标区主要集中在中部，当含水层埋深在300m以内时，氟离子浓度与含水层深度呈正相关系，随时间变化幅度较小。浅层地下水中氟的富集与气候条件、含水层岩性、地下水径流速度密切相关，深层地下水氟超标是由地质原因造成的。研究成果为水井施工设计提供了技术支持，为研究治理地下水中氟浓度超标的措施提供依据。
关键词：地下水；氟；分布规律；形成原因；反相关系；施工工艺；水化学；水质
0 前言
研究区是北京市重点发展的卫星城之一，伴随城市的迅速发展，需水量大增，加之近年来连续干旱，造成本区第四系地下水水位持续下降，水质恶化。日渐紧张的水资源形势，对研究区的社会经济可持续发展造成了严重影响和制约[1]。
在2004年，北京市卫生局、水务局和爱卫会对全市郊区农村饮用水进行了检测，发现通州区、大兴区、房山区、顺义区、朝阳区和延庆县30万农民的饮用水不符合北京市饮用水水质卫生标准。为此，2005年北京市启动了总投资约5亿元的北京市郊区30万农民安全饮水工程。
由于研究区地下水中氟的分布较广，且氟超标后对人体危害大。长期饮用高氟水将导致氟斑牙，严重的会引起氟骨症。本文结合农村安全饮水工程的开展，通过分析地下水水质检验成果，对研究区第四系地下水中氟的分布规律进行了研究，为研究治理该地区地下水中氟超标的措施提供了依据（图1）。
图1 水质取样点分布图
1 水文地质概况
研究区第四系覆盖于基岩与第三系之上，受大兴凸起控制，第四系沉积厚度变化大，从西北40m往东南厚度逐渐增大至300m。鹅坊、狼垡等地第四系沉积厚度50～60m左右，周村、黄村、旧宫、亦庄一带第四系厚度为70～90m，向南厚度逐渐增大，在榆垡、康营一带最大达300m。
（1）研究区浅层地下水分为潜水和浅层承压水，在永定河东岸立垡一带，第四系含水层为单一的砂砾石层；北部地区含水层为砂砾石层为主，中细砂次之；往东南颗粒明显变细，主要以中细砂层为主，砂砾石层较薄。从北往南地下水水位埋深由深变浅，北部埋深30m左右、南部埋深18m左右；地下水水位标高西北高、东南低。浅层地下水的补给来源主要为大气降水补给，其次为地下水侧向径流补给、河流入渗和灌溉回归等。在天然状态下，研究区地下水径流方向为自西北向东南（图2）。该地区浅层地下水由于不是主要的开采层位，目前的径流方向没有大的改变，仅在魏善庄以北、黄村以东地区地下水径流方向发生了改变，对区域范围内地下水径流方向影响不大。研究区浅层地下水的排泄主要是农业开采和向东南侧径流流出。根据1991年以来浅层地下水水位动态资料分析，从1991～1999年，浅层地下水水位基本没有下降，但由于1999年北京地区开始出现连续干旱年，导致地下水水位逐年下降（图3），最高水位标高为26.49m，最低水位标高为13.47m，下降了约13.02m[2～5]。
图2 研究区2010年7月潜水等水位线图
图3 浅层地下水多年水位动态曲线图
（2）研究区深层承压含水层主要位于中部及东南部第四系埋深150m以下的地下含水层组，从西南往东北沿西麻各庄至魏善庄和四海庄东南地区，分布面积567km2。相邻承压含水层之间，大多都有厚度在20m以上的隔水层。深层承压含水层累计厚度在20～100m。该区农村主要的饮用水取水层是以深层承压水为主。承压水的补给来源主要是侧向径流补给，在地下水大量开采的地区，还有来自上部含水层的越流补给。在天然状态下，研究区的深层地下水流向和浅层地下水相同，自西北流向东南。由于承压水是工业和生活用水的主要取水水源，补给条件较差，在瀛海、青云店及礼贤地区形成了大范围的地下水降落漏斗。受漏斗影响[6]，中北部地区深层地下水的流向由西北－东南变为向漏斗中心汇流（图4）。研究区深层地下水的排泄量主要是生活和工业开采，从近7年地下水动态曲线看（图5），研究区深层地下水2004-2010年的水位标高下降3m左右，变化幅度不大，说明深层地下水与降雨的联系紧密程度不如浅层地下水。
图4 研究区2010年7月承压水等水压线图
图5 深层地下水多年水位动态曲线图
2 水化学特征
2.1 浅层地下水
研究区第四系浅层地下水水化学类型主要分为三种：HCO3-Ca・Mg、HCO3-Mg・Na以及HCO3-Ca・Mg・Na。其中，HCO3-Ca・Mg型地下水分布最广，分布于整个北部地区；其次为HCO3-Na・ Mg，主要分布于南部的绝大部分区域；HCO3-Na・Ca・Mg型地下水分布范围最小，主要集中于榆垡镇的西南部，礼贤镇的东北部以及安定镇的西南部。另外发现在北部，主要集中于黄村附近地区有HCO3・Cl-Ca・Mg以及HCO3・SO4-Ca・ Mg型地下水零星检出，呈点状分布，显示该地区地下水受到了一定污染，水化学类型复杂（图6）。
图6 研究区第四系浅层地下水水化学类型分区图
2.2 深层地下水
图7 研究区第四系深层地下水水化学类型分区图
研究区第四系深层地下水水化学类型主要分为两种：HCO3-Ca・Na和HCO3-Ca・Mg・Na。其中，HCO3-Ca・Na型地下水分布较广，整个西部以及东部均有分布，而HCO3-Ca・Mg・Na型地下水分布范围较为集中，主要分布于中部及南部的部分乡镇（图7）。第四系深层地下水水化学类型比较简单，没有发现HCO3-Cl型以及HCO3-SO4型地下水，在一定程度上反映了该区第四系深层地下水受到的污染较少，水质较浅层地下水好。
图8 浅层地下水氟离子浓度分布图
3 氟离子分布规律
3.1 平面分布特征
根据253个浅层地下水和159个深层地下水水质化验中在东南部及南部地区，其中主要涉及的乡镇为长子营镇的东部及南部、采育镇的大部分地区、青云店镇的东南角、安定镇的南部、礼贤镇南部以及榆垡镇的东部及东南部地区（图8）；深层地下水中氟离子浓度超标地区则主要集中在中部的魏善庄镇魏善庄车站以及青云店镇沙子营附近（图9）。
图9 深层地下水氟离子浓度分布图
3.2 垂向分布特征
研究区第四系含水层中氟离子浓度在垂向上的分布情况较为复杂，从水质资料分析，其浓度与取水层位的深度有密切关系，垂向上浓度的分布规律在不同地区有各自的表现形式。
（1）东南部及南部地区
通过水质普测发现：该区域大部分农业井氟离子浓度超标，而生活井中氟离子一般不超标，从图8、图9可看出，该区域农业井中氟离子浓度超标面积较大，而生活井氟离子浓度没有检出超标（表1）。综上判断，氟离子浓度与含水层深度呈反相关关系：即含水层越深，氟离子浓度越低；含水层越浅，氟离子浓度越高。
表1 研究区东南部及南部地区地下水中氟离子浓度分析成果表
注：生活饮用水卫生标准氟离子浓度低于1.0mg/L
乡镇 地点 井深（m）封井深度（m）水井类型F（mg/L）采育 倪村 70 0 农业 1.3倪村 300 120 生活 0.54采育 沙窝店村 80 0 农业 1.3沙窝店村 300 120 生活 0.66长子营 朱庄 80 0 农业 1.76朱庄 300 140 生活 0.38长子营 长子营村 50 0 农业 1.04长子营水厂 300 120 生活 0.33安定 于家务 100 10 农业 1.4于家务 300 110 生活 0.35安定 大渠 80 0 农业 1.46大渠 300 110 生活 0.48礼贤 荆家务 80 0 农业 1.06荆家务 280 120 生活 0.3榆垡 太子务 80 0 农业 1.36太子务 308 220 生活 0.48榆垡 郭家务 80 0 农业 1.28郭家务水厂 300 120 生活 0.25
（2）中部地区
该区主要涉及魏善庄镇和青云店镇，通过水质普测发现，农业灌溉井氟离子浓度较低，而生活用水井中氟离子浓度相对高于与农业井，结合图8、图9分析，中部地区农业井中氟离子浓度不超标，而生活井中氟离子浓度超标明显（表2）。综上判断，当含水层埋深在300m以内时，氟离子浓度与含水层深度的关系与该区东南部、南部正好相反，即含水层越深，氟离子浓度越高；含水层越浅，氟离子浓度越低。
表2 永乐店柴厂屯地区地下水中氟离子浓度分析成果表
乡镇 地点 井深（m）封井深度（m）水井类型F（mg/L）魏善庄镇 大刘各庄80 0 农业井 0.32 300 120 生活井 1.84青云店镇沙子营 80 0 农业井 0.5 210 150 生活井 1.36
3.3 动态变化特征
在采育镇、安定镇和魏善庄镇分别选择1组水井，每月检测1次水质，以此分析该区地下水中氟离子浓度随时间的变化规律。从长期监测孔水质化验结果可以看出，采育镇与安定镇深层地下水中氟离子浓度随时间变化幅度较小，而采育镇与安定镇浅层地下水中氟离子浓度则随时间变化较大[7]。分析结果显示该区生活井主要取水层位氟离子浓度比较稳定，在该区施工生活饮水井时可以不考虑季节因素（图10）。
图10 第四系地下水氟浓度月动态变化曲线
4 氟离子超标成因浅析
研究区第四系地下水中氟离子浓度分布规律十分复杂，超标的原因也呈现出多元化。目前，对于地下水中氟的富集有观点认为：浅层地下水中氟的富集主要与当地气候条件、含水层岩性以及地下水径流速度密切相关；而深层地下水中氟离子浓度则与所在地区下伏基岩以及有无大型断裂有关[7～9]。研究区已发现深层地下氟超标区呈南西－北东向分布，基本与当地蓟县系雾迷山组地层一致，蓟县系雾迷山组为北京市地热资源主要的热储层，氟离子浓度非常高，可以推测地层岩性与第四系深部地下水有一定水力联系，但需要进一步勘察探明。因此初步推测研究区第四系地下水中氟浓度超标，主要是由于地质原因造成的，属于原生性的氟浓度富集，人为因素（污灌等）对于氟的富集影响程度还需要进一步验证。
5 结论
研究区浅层地下水中氟离子浓度超标范围主要集中在东南部及南部地区，超标区面积为258.57km2；深层地下水中氟离子浓度超标区主要集中在中部的魏善庄镇以及青云店镇沙子营附近，面积为20.91km2。
该区东南部以及南部地区，含水层越深，氟离子浓度越低；含水层越浅，氟离子浓度越高。中部地区，含水层越深，氟离子浓度越高；含水层埋深越浅，氟离子浓度越低。
氟离子超标的机理比较复杂，水质处理难度较大[10]。对照区域基岩地质图，浅层地下水氟离子超标区主要集中在牛堡屯－大孙各庄迭凹陷内，为面状分布；深层承压水氟离子超标区为零星点状分布。氟离子超标与构造、岩性、水文等多种因素有关，具体原因需要进一步深入分析研究。
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The Distribution Laws of Fluoride Ion in Groundwater and Its Cause Analysis—An Case Study of Quaternary Groundwater in the Southern Suburbs of Beijing
Abstract：Excessive fluoride concentration in drinking water is the main factor leading to endemic fl uorosis. Through the comprehensive analysis of water quality data，combined with the research area of rural safety drinking water project construction and water quality special investigation, the distribution law of fl uoride in groundwater was studied. The concentration of fl uoride in the shallow groundwater is mainly concentrated in the southeast and the south of the area. The concentration of fl uoride ion and the depth of the water bearing layer is in inverse relationship with the time. The concentration of fl uoride in the deep groundwater is mainly concentrated in the middle part. When the water bearing layer is buried deep within the 300m, the fluoride concentration is positively related to the depth of the aquifer. The enrichment of fl uorine in shallow groundwater is closely related to the climatic conditions, the lithology of the aquifer, the groundwater fl ow velocity, and the deep groundwater is caused by the geological reasons. The research results provided the technical support for the construction design of the well, which provided the basis for the study of the measures to control the excessive fl uorine in groundwater.
Keywords：Groundwater; Fluoride ion; Distribution law; Formation reason; Inverse relationship; Construction process; Water chemistry; Water quality
中图分类号：P641
文献标识码：A
文章编号：1007-1903（2015）04-0038-06
Doi：10.3969/j.issn.1007-1903.2015.04.008