浅层高氟地下水的成因

1.包气带中的氟分布规律及成因

周口开封地区浅层地下水埋藏较浅，浅层地下水和包气带土体构成了一个相互作用的水文地球化学系统。在该系统中，地下水垂直交替运动比较强烈，包气带中的氟化物伴随水，在水盐的垂直交替运动过程中参与淋溶、运移、富集等演变，从而影响浅层地下水中氟的迁移和富集。因此，包气带土体的氟源强度是地下水氟转移和富集的一个关键因素，直接控制浅层地下水中氟的迁移和富集。

衡量土壤氟的分布状况的一个重要尺度就是土壤氟含量，一般以土壤中各种形态的氟和相对数量来表示，通常比较普遍采用的是全氟和水溶性氟这两个指标。全氟是指土壤中各种形态的氟的总含量，它反映了土壤中氟的贮量水平，是了解氟的化学特征和区域差异的基本指标。水溶性氟是以中性水作为溶剂浸提出的氟，没有外来元素或物质的干扰，同时在大多数情况下能近似反映自然状况。

在周口及开封地区选择1985年查明的高氟区域，开挖取样坑6个（见图6-1）按10cm分层取土样共60个。用碱熔法处理，再采用离子选择电极法测定样品中的全氟；以水土比10：1振荡3h，用离子选择电极法测定水溶性氟。统计结果见表6-9，频率分布直方图如图6-8所示。

表6-9 周口开封地区土壤氟含量统计表

图6-8 周口开封地区土壤氟含量直方图

研究区岩性以粉砂和亚黏土为主，图6-9a，d所示为取样坑岩性均为粉砂，图6-9c所示取样坑均为亚黏土，图6-9b所示取样坑上层为粉砂，下层为黏土，图6-9e所示取样坑上部为黏土，下部为亚黏土，图6-9f所示取样坑上部为粉砂，下部为亚黏土。土壤中水溶性氟含量变化范围较小，为3.94～38.66mg/kg，总氟含量差异较大，变化范围为416.04～901.83mg/kg。所取土体样品均在1m范围内，主要属于土壤淋溶层，据《中国土壤元素背景值》资料显示，全国土壤淋溶层总氟含量最小值为50mg/kg，最大值为3467mg/kg，算术平均值为478mg/kg，河南省土壤淋溶层总氟含量最小值为192mg/kg，最大值为962mg/kg，算术平均值为406mg/kg。研究区土体样品总氟含量平均值603.1mg/kg，高出全国平均值478mg/kg和河南平均值406mg/kg，这表明研究区包气带中总氟含量偏高（表6-10）。有研究表明，我国地氟病发生区表层土壤水溶性氟的平均值为2.50mg/kg，在土壤水溶性氟大于2.50mg/kg的地区很可能发生氟元素过量引起的地方性氟中毒，研究区土壤中水溶性氟含量的平均值为12.82mg/kg，且所有土壤样品中水溶性氟含量均大于2.50mg/kg，最小值为3.94mg/kg。

表6-10 土壤中总氟含量对比表

根据取样坑数据绘制研究区不同取样坑中土壤总氟含量、水溶性氟含量随取样深度变化图（图6-9）。从图6-9可以得出如下规律：①地表的总氟和水溶性氟含量都比较低，随着深度的加大有增高的趋势，增高到某一深度会出现一个峰值，有的取样坑还存在两个峰值，如图6-9a，d所示取样坑均为粉砂土，水溶性氟含量的峰值出现在60～70cm范围处，但总氟含量的变化转折点不一致；②在氟含量达到峰值后，各取样坑的氟含量变化有升高也有降低；③水溶性氟与总氟的变化曲线大致平行，总氟含量高，水溶性氟含量也高，总氟含量低，水溶性氟含量也低。

出现上述峰值的原因可能有两个：

①在包气带中可能存在一个零通量面，在这个零通量面以上，水盐受蒸发作用向表层运移，而在这个零通量面以下则遵循入渗规律向深处运移；②岩性的变化可能造成这种情况，如图6-9f所示取样坑总氟含量和水溶性氟含量的峰值出现在岩性变化处，剖面上层为粉砂土，下层为亚黏土，从粉砂土到亚黏土渗透性降低，造成氟在这里聚集。

总之，在地下水系统中，包气带在其中是地下水化学场的调节器，起着稳定局域水化学环境的作用，在一定条件下，它可以将原先吸附的氟释放到地下水中，在另外一些条件下，则可吸纳水中某种离子形态的氟，使之暂时聚集在土体内。在冲洪积扇、冲积平原两种不同地貌类型的下游地区，黏性土与砂砾质土上下叠置、交错分布，如同众多调节器彼此串联或并联的组构形式，从而形成了局域水化学环境的多样化格局，即地下水类型的多样化和氟浓度的高低不一。

图6-9 各取样坑土壤剖面氟含量分布图

2.浅层高氟地下水分布成因

除了上述包气带对浅层水的影响之外，由于浅层水靠近地表，蒸发作用和地形的变化对其影响较大，因此区域上的影响因素对浅层高氟地下水的形成也至关重要。地表起伏、水动力条件等上述的区域作用在浅层水中表现更为明显。

研究区地下水的补给分为垂直补给和水平补给两种，而以垂直补给为主。垂直补给以大气降水为主，其次为河流、渠系及灌溉回渗补给。大气降水的补给与降水量大小，降水强度、包气带岩性、土壤含水量、地形条件、地下水位埋深及植物等因素有关。它们对降水入渗补给量的大小，都不同程度地起控制作用和影响作用，但在一般情况下，降水入渗补给量是随降水量增加而增大的，随地下水位埋深增大而减少，包气带岩性越粗、地形越平坦、地下水径流越迟缓、土壤含水量越少、植被越密集则补给量越大，反之则补给量愈小。本区广大平原区地形平坦，地表径流迟缓，岩性以亚砂土为主，地下水位埋深为3～4m，部分埋深为1～2m，少数埋深为4～6m，这对降水补给十分利。尉氏县西部条形岗地，起伏较大，地表径流较好，降水补给条件稍差。

本研究区地下水的主要补给来源为大气降水，其次在雨季部分河流补给地下水，旱季排泄地下水。地下水位埋深较浅，这对降水补给十分有利。随降水入渗，包气带中的含氟组分在溶滤作用下随之迁移到地下水中。

蒸发是研究区地下水排泄的主要形式，由于包气带岩性不同和地下水埋深不同，其蒸发强度也不相同。我国蒸降比为1的地带可以大致看作高低氟地下水的分界区，蒸降比越大，水氟的浓缩特征越明显，这种浓缩特征在以松散均质沉积物构成的平原区尤为显著。在地下水位埋深1～2m的地区，蒸发量最大，地下水位埋深在4m以下的蒸发量微小。研究区蒸降比达到2，地下水位埋深一般2～4m，部分地区1～2m和4～6m，地表岩性尤以亚砂土为主，毛细管作用强烈，蒸发量大，十分有利于氟的浓缩富集。

总的来说，周口开封地区为黄河冲积平原，地貌类型分为以下四类：黄河泛流平原、黄河冲积平原、淮河冲积平原、冲洪积残岗。地势为西北高，东南低，相对平缓，地形坡降在1/1000～1/4000。地下水径流缓慢，地下水流向为从西北流向东南，以蒸发作用为主要排泄方式，有利于盐分的富集，为地下水中氟的富集提供了有利条件，使高氟地下水在本区域分布十分广泛。