吉蘭泰沙漠盆地地下水環(huán)境特征及高氟區(qū)飲用水安全風(fēng)險控制.pdf

1、我國西北干旱荒漠區(qū),具有山地和盆地相間分布的特殊地理空間格局。高山峻嶺環(huán)繞的沙漠盆地地下水資源比較豐富,盆地中綠洲農(nóng)牧業(yè)發(fā)展條件優(yōu)越,人口相對密集,另一方面,干旱氣候環(huán)境下復(fù)雜多變的地下水系統(tǒng)造成地下水氟離子富集和鹽分的積累,地下水氟中毒性疾病已經(jīng)成為了西北沙漠盆地區(qū)分布范圍最廣,危害程度最大的一種地域性病癥。
　　以內(nèi)蒙古自治區(qū)阿拉善高原東南邊緣的吉蘭泰沙漠盆地作為研究區(qū),將吉蘭泰盆地劃分為烏蘭布和沙漠牧區(qū)、查哈爾灘沙漠綠洲農(nóng)業(yè)

2、區(qū)、吉蘭泰鹽湖工業(yè)區(qū)三個地下水環(huán)境功能區(qū),采用野外調(diào)查與現(xiàn)場、室內(nèi)實驗結(jié)合的研究手段,綜合各交叉學(xué)科的理論與方法,對吉蘭泰沙漠盆地地下水環(huán)境演化,氟富集、遷移規(guī)律、行為特征及氟環(huán)境健康風(fēng)險評價進(jìn)行了深入研究;以結(jié)晶動力學(xué)的冰凍降氟理論為指導(dǎo),通過冰凍試驗研究了冰凍溫度、冰凍時間對降氟效果的影響及高氟高礦化劣質(zhì)水降氟脫鹽規(guī)律;采用自動化控制技術(shù),研制了適用于西北沙漠地區(qū)的冰凍降氟設(shè)備。研究的目的在于解決沙漠盆地地下水氟地球化學(xué)理論和降氟技

3、術(shù)等方面一些關(guān)鍵科學(xué)難題,從而為吉蘭泰農(nóng)牧區(qū)科學(xué)用水、保護(hù)和改良水質(zhì)提供理論和應(yīng)用基礎(chǔ),為其它西北沙漠類似地區(qū)地下水環(huán)境演化研究及高氟劣水改良提供借鑒與參考。主要研究成果與結(jié)論如下:
　　(1)阿拉善盟境內(nèi)的吉蘭泰沙漠盆地是一個沿北東-西南向展布的斷陷盆地,其地下水系統(tǒng)由基巖山區(qū)、山前傾斜平原、古湖積平原及沙漠帶四個次級地下水系統(tǒng)組成。賀蘭山、巴音烏拉山和淖爾套臺融雪和降水及黃河側(cè)向補(bǔ)給是區(qū)域地下水和地表鹽湖的主要補(bǔ)給來源。地下水

4、主要流向為由盆地邊緣指向盆地中心。第四系承壓水在向盆地中心運(yùn)移的過程中,部分以越流的形式補(bǔ)給上覆潛水含水層。吉蘭泰鎮(zhèn)工業(yè)用水井的和查哈爾灘農(nóng)業(yè)灌溉井的地下水超量開采是區(qū)域地下水環(huán)境惡化的主要原因。
　　(2)吉蘭泰沙漠盆地地下水位動態(tài)特征表現(xiàn)為:由盆地邊緣到湖盆內(nèi)部潛水埋深逐漸變淺,變化范圍為0.23~9.47m。查哈爾灘綠洲灌區(qū)潛水年下降0.27m~0.45m;吉蘭工業(yè)區(qū)承壓水位年下降值為0.2~0.4m,潛水年下降0.2m,鹽

5、湖自流泉消失,沙漠腹地潛水年下降0.12m。吉蘭泰工業(yè)區(qū)和查哈爾灘綠洲等工農(nóng)業(yè)用水增加是地下水位逐年下降的主要原因,從而造成沙漠鹽湖高礦化地下水向綠洲灌區(qū)方向入侵。
　　(3)吉蘭泰沙漠盆地地下水水化學(xué)類型分布沿地下水徑流方向有明顯的分帶性,反映地下水從補(bǔ)給區(qū)→徑流區(qū)→排泄區(qū),水質(zhì)由好變差的一般演變規(guī)律;潛水的礦化度和氟離子含量也符合從補(bǔ)給區(qū)到徑流區(qū)再到排泄區(qū)逐漸增大的規(guī)律;60.5％的地區(qū)潛水中氟離子含量超過飲用水標(biāo)準(zhǔn),嚴(yán)重影響

6、著當(dāng)?shù)鼐用竦慕】?。此?承壓水中氟離子含量明顯高于潛水。
　　(4)查哈爾灘綠洲水化學(xué)場總體向鹽化和堿化以及地下水化學(xué)類型趨于復(fù)雜化、水質(zhì)變差的方向演化,表現(xiàn)為 Ca2+、Mg2+離子基本達(dá)到飽和,HCO3-雖有增加,但相對含量在減少,Na+、SO42-、Cl-和 F-離子含量顯著增加,水井的硝酸鹽含量和鹽堿度也呈上升趨勢。由于大規(guī)模的采鹽和常年的人工補(bǔ)水,吉蘭泰鹽湖晶間鹵水的 Na+、Mg2+和Cl-等離子濃度的變化呈下降趨勢。

7、
　　(5)潛水的氟離子含量具有從山前補(bǔ)給區(qū)到徑流區(qū)再到沙漠盆地中心排泄區(qū)逐漸增大的分帶性總體規(guī)律。在局部地段,受微地貌和水動力條件控制,高氟區(qū)分布著氟含量低的安全島:沙漠盆地中心次級小鹽湖區(qū)地下水氟離子呈環(huán)形島狀分布,高氟區(qū)內(nèi)出現(xiàn)沙丘低氟環(huán);沿古河道分布著條帶形島狀低氟區(qū)。
　　(6)山區(qū)基巖及沙漠風(fēng)沙土是吉蘭泰沙漠盆地潛水中氟的主要來源,大陸性干旱氣候和沙漠盆地封閉式地下水系統(tǒng)是形成高氟環(huán)境的根本條件。在地形地貌及地下水

8、徑流、潛水埋深、毛細(xì)上升高度等各種環(huán)境因素的影響下,人類水事活動改變了氟富集、遷移過程和行為特征。地下水氟離子含量與(K++Na+)/(Ca2++Mg2+)比值呈正相關(guān)關(guān)系,與pH值沒有明顯的正負(fù)相關(guān)關(guān)系,而與礦化度之間關(guān)系復(fù)雜,并不嚴(yán)格體現(xiàn)正相關(guān)性關(guān)系。同一礦化度水平下,硬度越高,Ca2+含量越大,F-含量越小。
　　(7)借鑒地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險評價理論,建立了地下水氟環(huán)境質(zhì)量分區(qū)評價模型:Fi=αWi+βSi,選取降水量、地形、地下

9、水位埋深、含水層巖性、(K++Na+)/(Ca2++Mg2+)比值、蒸發(fā)量六個危險性評價因子,及人口密度、16歲以下人口比率、56歲以上人口比率三個易損性評價因子,在 ARCGIS9.3[TM]軟件平臺上應(yīng)用信息量法和層次分析法實現(xiàn)了研究區(qū)地下水氟環(huán)境質(zhì)量分區(qū)。在氟的環(huán)境質(zhì)量分區(qū)基礎(chǔ)上,以污染因子的非致癌風(fēng)險指數(shù)作為參考值進(jìn)行了氟的水質(zhì)健康風(fēng)險評價。高風(fēng)險區(qū)位于湖盆中心和巴彥烏拉山北側(cè)山前,面積3587.23km2,占研究區(qū)面積的30.

10、7%,地下水中氟離子含量超標(biāo)嚴(yán)重。
　　(8)以結(jié)晶動力學(xué)理論和分子擴(kuò)散理論為基礎(chǔ),建立氟離子遷移規(guī)律的微觀數(shù)學(xué)模型,晶體生長速度參數(shù)、氟離子擴(kuò)散速率,冰凍降氟過程中結(jié)晶排斥作用是冰凍降氟結(jié)晶關(guān)鍵技術(shù)參數(shù),而冰中的氟離子含量決定于原溶液的濃度、冰凍溫度、結(jié)冰率和冰凍歷程。以人工制冷系統(tǒng)為模擬自然冰凍環(huán)境,以自配高氟水、高鹽度水為基本水樣,進(jìn)行多組平行冰凍降氟實驗?？偨Y(jié)出不同冷凍溫度、時間和不同濃度溶液等各種冷凍條件與降氟效果之間的

11、影響規(guī)律。
　　(9)野外現(xiàn)場采集5個潛水高氟或高礦化劣質(zhì)水井樣,冰凍降氟驗證性實驗表明:冰凍法對降氟和脫鹽均有明顯效果,天然水樣的復(fù)雜性和高礦化度會使降氟率進(jìn)一步下降。高氟高礦化度水樣在一次冰凍實驗的情況下,一次性降氟和脫鹽后,達(dá)不到飲用水標(biāo)準(zhǔn)。
　　(10)根據(jù)降氟脫鹽率、冰凍溫度、氟濃度等關(guān)鍵技術(shù)參數(shù),充分利用西北內(nèi)陸的天然冷能資源,設(shè)計出低溫室外自動制冰降氟設(shè)備和通用室內(nèi)自動飲用水降氟設(shè)備。這兩套設(shè)備可實現(xiàn)將高氟劣質(zhì)