【摘要】： 目前,高砷地下水已相繼在70多個國家和地區(qū)被發(fā)現(xiàn),并威脅著1.5億人口的飲水安全。高砷地下水已成為各國政府、公眾和學術界高度關注的全球性問題。 砷(As)是變價元素(常見的是+3和+5),毒性強(As(Ⅲ)As(ⅤV)),在多數(shù)地下水環(huán)境中(pH為6.5-8.5之間)As可以多種形式存在。氧化環(huán)境中,當pH約小于6.9時,H2AsO4-占優(yōu)勢；當pH值較高時,以HAsO42-為主(H3AsO40和AsO43-可能分別在強酸和強堿環(huán)境中存在)。還原環(huán)境中,當pH值約小于9.2時主要以電中性的H3AsO30形式存在。As的釋放和遷移對人為干擾很敏感。在某些地區(qū),由于抽取地下水用于灌溉、改變農(nóng)業(yè)方式、建造防堤工程等都將改變地下水流場和／或砷的物質(zhì)來源,從而影響地下水中As的含量。砷的獨特的水文地球化學特點決定了其成因是復雜的。 灌溉作為人類的一種重要的農(nóng)業(yè)活動,不僅改變著高砷地下水分布區(qū)地下水的水動力場和水化學場,同時可能將地質(zhì)環(huán)境中的砷帶入食物鏈,進而威脅人類的糧食安全。為此,灌溉影響下地下水中砷的遷移富集規(guī)律研究成為當今地學界高度關注的熱點研究領域。 內(nèi)蒙古河套平原是我國高砷地下水分布最為廣泛和嚴重的地區(qū)之一。地下水中砷的含量最高達1.74mg/L,超過國家飲用水標準(10μg/L)174倍。已發(fā)現(xiàn)的高砷地下水分布于巴彥淖爾市臨河區(qū)、五原縣、杭錦后旗、阿拉善盟阿左旗等19個鄉(xiāng)鎮(zhèn),近100個自然村,受威脅的人口超過30萬，砷中毒患者達2000余人(2002年)。河套平原作為我國重要的商品糧基地之一,有著上千年的引黃灌溉歷史,構(gòu)筑了亞洲最大的一首制自流灌區(qū)。巨大的排灌水網(wǎng)孕育著50多萬公頃的耕地和100多萬河套人民。 自河套平原高砷地下水被發(fā)現(xiàn)的十多年間,國內(nèi)外學者圍繞該地區(qū)高砷地下水成因開展了卓有成效的研究,但卻忽略了灌溉這一重要影響因素。引黃灌溉水是該地區(qū)地下水最主要的補給來源,通過灌溉,土壤中的氮、磷、砷等組分將被淋濾而進入地下水環(huán)境,有可能對地下水造成污染。該地區(qū)任何不考慮灌溉影響的高砷地下水研究是不全面的。 本文以河套平原高砷地下水分布典型區(qū)——杭錦后旗為研究區(qū),以地下水系統(tǒng)理論和水巖相互作用理論為指導,在對研究區(qū)地下水、灌溉水、土壤、沉積物等系統(tǒng)開展水文地球化學野外調(diào)查基礎上,綜合運用水化學、正向水文地球化學模擬等方法,以面狀和線狀入滲為主線,首次開展了灌溉影響下地下水中砷的遷移、富集規(guī)律研究,揭示了灌溉水-地下水-含水層介質(zhì)間的水文地球化學過程,提出了灌溉影響下的砷釋放概念模型。本研究豐富和發(fā)展了我國高砷地下水研究的內(nèi)容和方法,對于進一步提升我國對高砷地下水成因的認識水平,科學指導高砷地下水分布區(qū)水資源的合理開發(fā)利用,具有重要理論和實際參考價值。 本文取得了如下研究進展： 1.研究區(qū)灌溉水水樣的水化學特征分析表明研究區(qū)內(nèi)引黃灌溉水本身并不是地下水中As濃度增加的來源,灌溉水中As含量很低(3.7μg/L)。 2.排干溝承擔著排泄灌溉余水的作用。按照“源頭-上游-中游-下游”的采樣原則,在研究區(qū)三個主要的排干溝沿程采集了12件排干水。排干水的水化學特征表現(xiàn)為：除總排干源頭之外,其余各點的排干水總As含量均高于灌溉水中的；各排干中的TOC的含量以及全鹽量均高于灌溉水中的；總N、總P和NH4-N無明顯變化規(guī)律。導致排干水水化學特征發(fā)生變化的原因包括：(1)從灌溉到排水的過程中,水-土之間發(fā)生了相互作用；(2)生產(chǎn)、生活廢水等排入排干溝,排干溝的水質(zhì)受到影響。 3.為了研究排干水中As的來源,我們在研究區(qū)排干溝附近共采集了6件不同深度的地表土并進行總As含量的測定。測定結(jié)果顯示,研究區(qū)表層土壤As含量超過了內(nèi)蒙古表層土壤As含量背景值6.12mg/kg,說明土壤中的As能夠在灌溉水的淋濾下遷移并隨灌溉退水排入排干溝中,As含量較高的表層土壤可以為排干水中As濃度的增加提供物源。 4.為了研究杭錦后旗地下水中As的來源,我們于2007年在研究區(qū)鉆鑿了三個深度約50m的鉆孔。沉積物化學組成分析結(jié)果顯示,高砷區(qū)沉積物中的As含量高于非高砷區(qū)的。As含量較高的沉積物所在層位主要巖性為粘土、亞粘土。從垂向分布上來看,沉積物中As與Fe、Mn、Sb、B、V的含量變化規(guī)律較為一致。沉積物中P含量高的層位,As含量相對較低。這可能是磷酸鹽與As進行競爭吸附的結(jié)果。 5.研究區(qū)高As地下水主要分布在總排干流經(jīng)的地帶。這里是研究區(qū)的低洼地帶。多數(shù)高As地下水呈弱堿性,電導率變化較大。高As地下水中TOC與HCO3-、總N與TOC、總As與TOC以及總As與總P之間存在較好的正相關關系。 6.總排干附近地下水中As含量升高的來源包括：(1)研究區(qū)北部狼山一帶含砷多金屬硫鐵礦床的開采引發(fā)As的釋放,隨著大氣降水的淋濾進入地下水,并向南部山前沖洪平原前緣的低洼地帶(總排干附近)流動。此外,山區(qū)一些風化的含砷礦石、巖石在大氣降水、洪水的搬運作用下向平原方向移動。在水動力條件緩和的沖洪積平原前緣的低洼地帶,含砷碎屑物逐漸沉積下來,隨著大氣降水或地下水的淋溶,其中的As有可能釋放并進入地下水。(2)平原區(qū)因農(nóng)業(yè)灌溉而使用的含砷農(nóng)藥也會在灌溉水的淋濾作用下釋放As而進入地下水。這兩種補給來源不同的高As地下水最終在總排干流經(jīng)地帶匯流,因此導致總排干附近地下水As含量升高。 7.總排干附近地下水As富集的原因為：(1)總排干內(nèi)底泥As含量高,是潛在的地下水As污染源,當排干水的pH值、氧化還原條件等因素發(fā)生變化時,底泥上吸附的As會隨之釋放進入地下水中；(2)殘留在土壤中的過量磷肥在灌溉水和雨水的淋濾下滲入地下。隨著夏灌、秋澆的持續(xù)交替進行,滲入地下的磷素在地下水水位周期性漲落的情況下被逐漸帶入地下水中,由于磷酸鹽競爭吸附沉積物表面的吸附點位,導致原本吸附在沉積物表面的As釋放并進入地下水中。隨著地下水向總排干方向流動,因此,釋放到地下水中的As逐漸在總排干附近富集；(3)還原環(huán)境的形成也為總排干富集高As地下水創(chuàng)造了條件。由于灌區(qū)不合理的漫灌方式,導致總排干附近低洼地帶的地下水位抬升明顯,在強烈的蒸發(fā)濃縮作用下,土壤積鹽現(xiàn)象嚴重,極易造成土壤鹽漬化,因此土壤的透氣性降低,空氣中的氧氣難以進入含水層,為含水層還原環(huán)境的形成創(chuàng)造了條件。此外,由于總排干中沉積底泥含有大量有機質(zhì),也為還原環(huán)境的形成提供了條件,這將有利于沉積物中鐵錳氧化物的還原性溶解,從而As隨之釋放到地下水中。 8.利用正向水文地球化學模擬方法中的混合模型對研究區(qū)灌溉水-地下水-含水層介質(zhì)之間的化學熱力學平衡進行了模擬。制定了幾組不同的灌溉水與地下水的混合比。模擬結(jié)果顯示,灌溉水入滲到含水層的量增大時,將促進鋁硅酸鹽礦物的非全等溶解,從而形成更多的次生礦物,它們將會吸附更多的As。當含水層環(huán)境發(fā)生變化時,這些吸附在粘土礦物表面的As將釋放到地下水中。 9.結(jié)合地下水和沉積物的地球化學特征分析結(jié)果和水文地球化學模擬結(jié)果,建立了研究區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉影響下的砷釋放概念模型：大量灌溉水的滲透促進了土壤中的As向水相中遷移。As向下遷移,粘土礦物成為潛在的As的源或匯。隨著灌溉水下滲量的增加,地下水位抬升了許多,此時更多的粘土礦物與地下水接觸。另外,土壤中因過量施肥而殘留的磷素也隨著灌溉水下滲。抬升的地下水位使得更多的磷酸鹽向地下水中遷移。由于磷酸鹽的競爭吸附,使得原本吸附在粘土礦物表面的As向地下水中釋放,因此導致地下水中As含量增加。 本文的主要創(chuàng)新點： (1)提出了灌溉影響下的地下水中砷的釋放、遷移與富集模式； (2)應用正向水文地球化學模擬定量揭示了灌溉水-地下水-含水層介質(zhì)間的水文地球化學過程。成果豐富和發(fā)展了高砷地下水研究的內(nèi)容和方法。
【學位授予單位】：中國地質(zhì)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2010
【分類號】：X523

【參考文獻】

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1 杜新強;齊素文;廖資生;李硯閣;;人工補給對含水層水質(zhì)的影響[J];吉林大學學報(地球科學版);2007年02期

2 朱成立,張展羽;灌溉模式對稻田氮磷損失及環(huán)境影響研究展望[J];水資源保護;2003年06期

3 馮兆忠,王效科,馮宗煒,劉宏云,李延林;河套灌區(qū)秋澆對不同類型農(nóng)田土壤氮素淋失的影響[J];生態(tài)學報;2003年10期

4 王嚴,杜紅,盛金妹;北京市飲用水TOC標準的研究[J];中國衛(wèi)生工程學;2005年05期

5 孫殿軍;;應進一步加強我國地方性砷中毒現(xiàn)場流行病學研究[J];中國地方病學雜志;2006年01期

6 楊友運;內(nèi)蒙河套盆地第四系生物氣藏形成地質(zhì)條件分析[J];西安科技學院學報;2004年03期

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1 高勝利;河套盆地淺層氣（生物氣）成藏地質(zhì)條件研究[D];西北大學;2007年

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