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《中国地质大学》 2010年
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河套平原农业灌溉影响下地下水中砷迁移富集规律研究

何薪  
【摘要】: 目前,高砷地下水已相继在70多个国家和地区被发现,并威胁着1.5亿人口的饮水安全。高砷地下水已成为各国政府、公众和学术界高度关注的全球性问题。 砷(As)是变价元素(常见的是+3和+5),毒性强(As(Ⅲ)As(ⅤV)),在多数地下水环境中(pH为6.5-8.5之间)As可以多种形式存在。氧化环境中,当pH约小于6.9时,H2AsO4-占优势;当pH值较高时,以HAsO42-为主(H3AsO40和AsO43-可能分别在强酸和强碱环境中存在)。还原环境中,当pH值约小于9.2时主要以电中性的H3AsO30形式存在。As的释放和迁移对人为干扰很敏感。在某些地区,由于抽取地下水用于灌溉、改变农业方式、建造防堤工程等都将改变地下水流场和/或砷的物质来源,从而影响地下水中As的含量。砷的独特的水文地球化学特点决定了其成因是复杂的。 灌溉作为人类的一种重要的农业活动,不仅改变着高砷地下水分布区地下水的水动力场和水化学场,同时可能将地质环境中的砷带入食物链,进而威胁人类的粮食安全。为此,灌溉影响下地下水中砷的迁移富集规律研究成为当今地学界高度关注的热点研究领域。 内蒙古河套平原是我国高砷地下水分布最为广泛和严重的地区之一。地下水中砷的含量最高达1.74mg/L,超过国家饮用水标准(10μg/L)174倍。已发现的高砷地下水分布于巴彦淖尔市临河区、五原县、杭锦后旗、阿拉善盟阿左旗等19个乡镇,近100个自然村,受威胁的人口超过30万,砷中毒患者达2000余人(2002年)。河套平原作为我国重要的商品粮基地之一,有着上千年的引黄灌溉历史,构筑了亚洲最大的一首制自流灌区。巨大的排灌水网孕育着50多万公顷的耕地和100多万河套人民。 自河套平原高砷地下水被发现的十多年间,国内外学者围绕该地区高砷地下水成因开展了卓有成效的研究,但却忽略了灌溉这一重要影响因素。引黄灌溉水是该地区地下水最主要的补给来源,通过灌溉,土壤中的氮、磷、砷等组分将被淋滤而进入地下水环境,有可能对地下水造成污染。该地区任何不考虑灌溉影响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区——杭锦后旗为研究区,以地下水系统理论和水岩相互作用理论为指导,在对研究区地下水、灌溉水、土壤、沉积物等系统开展水文地球化学野外调查基础上,综合运用水化学、正向水文地球化学模拟等方法,以面状和线状入渗为主线,首次开展了灌溉影响下地下水中砷的迁移、富集规律研究,揭示了灌溉水-地下水-含水层介质间的水文地球化学过程,提出了灌溉影响下的砷释放概念模型。本研究丰富和发展了我国高砷地下水研究的内容和方法,对于进一步提升我国对高砷地下水成因的认识水平,科学指导高砷地下水分布区水资源的合理开发利用,具有重要理论和实际参考价值。 本文取得了如下研究进展: 1.研究区灌溉水水样的水化学特征分析表明研究区内引黄灌溉水本身并不是地下水中As浓度增加的来源,灌溉水中As含量很低(3.7μg/L)。 2.排干沟承担着排泄灌溉余水的作用。按照“源头-上游-中游-下游”的采样原则,在研究区三个主要的排干沟沿程采集了12件排干水。排干水的水化学特征表现为:除总排干源头之外,其余各点的排干水总As含量均高于灌溉水中的;各排干中的TOC的含量以及全盐量均高于灌溉水中的;总N、总P和NH4-N无明显变化规律。导致排干水水化学特征发生变化的原因包括:(1)从灌溉到排水的过程中,水-土之间发生了相互作用;(2)生产、生活废水等排入排干沟,排干沟的水质受到影响。 3.为了研究排干水中As的来源,我们在研究区排干沟附近共采集了6件不同深度的地表土并进行总As含量的测定。测定结果显示,研究区表层土壤As含量超过了内蒙古表层土壤As含量背景值6.12mg/kg,说明土壤中的As能够在灌溉水的淋滤下迁移并随灌溉退水排入排干沟中,As含量较高的表层土壤可以为排干水中As浓度的增加提供物源。 4.为了研究杭锦后旗地下水中As的来源,我们于2007年在研究区钻凿了三个深度约50m的钻孔。沉积物化学组成分析结果显示,高砷区沉积物中的As含量高于非高砷区的。As含量较高的沉积物所在层位主要岩性为粘土、亚粘土。从垂向分布上来看,沉积物中As与Fe、Mn、Sb、B、V的含量变化规律较为一致。沉积物中P含量高的层位,As含量相对较低。这可能是磷酸盐与As进行竞争吸附的结果。 5.研究区高As地下水主要分布在总排干流经的地带。这里是研究区的低洼地带。多数高As地下水呈弱碱性,电导率变化较大。高As地下水中TOC与HCO3-、总N与TOC、总As与TOC以及总As与总P之间存在较好的正相关关系。 6.总排干附近地下水中As含量升高的来源包括:(1)研究区北部狼山一带含砷多金属硫铁矿床的开采引发As的释放,随着大气降水的淋滤进入地下水,并向南部山前冲洪平原前缘的低洼地带(总排干附近)流动。此外,山区一些风化的含砷矿石、岩石在大气降水、洪水的搬运作用下向平原方向移动。在水动力条件缓和的冲洪积平原前缘的低洼地带,含砷碎屑物逐渐沉积下来,随着大气降水或地下水的淋溶,其中的As有可能释放并进入地下水。(2)平原区因农业灌溉而使用的含砷农药也会在灌溉水的淋滤作用下释放As而进入地下水。这两种补给来源不同的高As地下水最终在总排干流经地带汇流,因此导致总排干附近地下水As含量升高。 7.总排干附近地下水As富集的原因为:(1)总排干内底泥As含量高,是潜在的地下水As污染源,当排干水的pH值、氧化还原条件等因素发生变化时,底泥上吸附的As会随之释放进入地下水中;(2)残留在土壤中的过量磷肥在灌溉水和雨水的淋滤下渗入地下。随着夏灌、秋浇的持续交替进行,渗入地下的磷素在地下水水位周期性涨落的情况下被逐渐带入地下水中,由于磷酸盐竞争吸附沉积物表面的吸附点位,导致原本吸附在沉积物表面的As释放并进入地下水中。随着地下水向总排干方向流动,因此,释放到地下水中的As逐渐在总排干附近富集;(3)还原环境的形成也为总排干富集高As地下水创造了条件。由于灌区不合理的漫灌方式,导致总排干附近低洼地带的地下水位抬升明显,在强烈的蒸发浓缩作用下,土壤积盐现象严重,极易造成土壤盐渍化,因此土壤的透气性降低,空气中的氧气难以进入含水层,为含水层还原环境的形成创造了条件。此外,由于总排干中沉积底泥含有大量有机质,也为还原环境的形成提供了条件,这将有利于沉积物中铁锰氧化物的还原性溶解,从而As随之释放到地下水中。 8.利用正向水文地球化学模拟方法中的混合模型对研究区灌溉水-地下水-含水层介质之间的化学热力学平衡进行了模拟。制定了几组不同的灌溉水与地下水的混合比。模拟结果显示,灌溉水入渗到含水层的量增大时,将促进铝硅酸盐矿物的非全等溶解,从而形成更多的次生矿物,它们将会吸附更多的As。当含水层环境发生变化时,这些吸附在粘土矿物表面的As将释放到地下水中。 9.结合地下水和沉积物的地球化学特征分析结果和水文地球化学模拟结果,建立了研究区农业灌溉影响下的砷释放概念模型:大量灌溉水的渗透促进了土壤中的As向水相中迁移。As向下迁移,粘土矿物成为潜在的As的源或汇。随着灌溉水下渗量的增加,地下水位抬升了许多,此时更多的粘土矿物与地下水接触。另外,土壤中因过量施肥而残留的磷素也随着灌溉水下渗。抬升的地下水位使得更多的磷酸盐向地下水中迁移。由于磷酸盐的竞争吸附,使得原本吸附在粘土矿物表面的As向地下水中释放,因此导致地下水中As含量增加。 本文的主要创新点: (1)提出了灌溉影响下的地下水中砷的释放、迁移与富集模式; (2)应用正向水文地球化学模拟定量揭示了灌溉水-地下水-含水层介质间的水文地球化学过程。成果丰富和发展了高砷地下水研究的内容和方法。
【学位授予单位】:中国地质大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:X523

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【引证文献】
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5 全爽;白沙河—墨水河流域地下水向海排泄数值模拟研究[D];青岛大学;2013年
6 曹珍珍;延安城区及周边地区地下水水化学特征与污染成因研究[D];西北大学;2012年
7 高如;复杂环境下山岭隧道区域水流场分布及涌水量预测[D];西南交通大学;2012年
8 吴昌将;基于Visual MODFLOW的呼和浩特地下水硝酸盐污染数值模拟研究[D];内蒙古工业大学;2010年
9 崔建勇;遥感技术探测绿洲地下水分布的方法研究——以于田县为例[D];新疆大学;2003年
10 魏静文;华北平原地下水与地表水的水文地球化学及氢氧同位素特征分析[D];中国地质大学(北京);2012年
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