呼伦贝尔高原地下水氟分布特征及其开发利用建议 7页

第37卷第3期2010年6月中国地质GEoLoGYINCHINAV01．37．No．3Jun．，2010呼伦贝尔高原地下水氟分布特征及其开发利用建议李旭光王长琪郭常来蔡贺(中国地质调查局沈阳地质调查中心，辽宁沈阳110034)提要：本文通过对呼伦贝尔高原地下水中氟、TDS等元素的分布规律及相关分析，探讨了其地下水化学特征。采用灰色聚类模型分析。进行饮水安全评价。根据该区地下水中氟、TDS含量分布情况和饮水安全评价结果，提出了地下水开发利用区划建议。关键词：呼伦贝尔高原；高氟、高矿化度；分布规律；开发利用中图分类号：P641．3文献标志码：A文章编号：1000—3657(2010)03—0665一071区内概况呼伦贝尔高原大部分地区属于温带大陆性半干旱气候．北部属于寒温带大陆性季风气候。春季较干旱而多大风．夏季凉爽湿润而短促．秋季雨多霜冻降临较早．冬季冰天雪地严寒漫长。热昼夜温差大。有效积温利用率高，无霜期短．日照丰富，降水量不多，降水期多集中在7—8月。区内河流湖泊众多．有额尔古纳河、克鲁伦河、辉河、乌尔逊河、莫尔格勒河及呼伦湖等较大河流、湖泊。除克鲁伦河外．多属嫩江水系和额尔古纳河水系。呼伦贝尔高原位于大兴安岭西侧．为山地和丘陵所环抱。东部与东南部地势较高。为中低山丘陵地带，海拔多在700---1000rn以上。中部为波状起伏的呼伦贝尔(海拉尔)台地高平原，位于中低山丘陵地带西南。一直延伸到呼伦湖东岸。地势东高西低。高平原中有3条大沙带和零星沙丘堆积。2研究区水文地质条件呼伦贝尔高平原区地下水主要分为3个类型(图1)：松散岩类孑L隙水、碎屑岩类裂隙孔隙水和基岩裂隙水．松散岩类孔隙水主要分布大兴安岭以西的海拉尔河中下游、伊敏河、额尔古纳河的河谷平原中，为冰水砂砾石孔隙潜水：碎屑岩类裂隙孔隙水分布于高平原中辉河与伊敏河之间及呼伦湖以西的局部地区．在辉河以西、呼伦湖以东有部分地区间有分布．含水层岩性为古近一新近系、白垩系河湖相砂砾岩、砂岩及煤层等构成：基岩裂隙水分布于呼伦贝尔高原。低山丘陵区。含水层由古生界变质岩、火山岩：中生界火山岩、火山碎屑岩及燕山期花岗岩组成。呼伦贝尔高平原上的潜水分布不连续．主要分布在河谷中。在满洲里地区．由于溶解、淋滤作用，局部低洼地区径流条件差．水化学类型为HCO，一Na或HC03"SO。一Na型，矿化度一般小于1g／L。在海拉尔盆地和伊敏河河谷等地．含水层由透水良好的砂砾石组成，地表水、地下水径流畅通，交替作用强烈，以溶滤作用为主。不利于富集盐分。水化学类型为HCo厂Ca型或HCO，一Na·Ca型。矿化度小于1g／L。在呼伦湖漫滩及克鲁伦河西侧地区．由于地形较为平坦，切割微弱，地下径流缓慢，以蒸发浓缩作用为主。利于水中各种盐分富集。水化学类型为收稿日期：2010—02—01：改回日期：2010-04-12基金项目：东北地方病严重区地下水勘查及供水安全示范项目(1212010634701)资助。作者简介：李旭光，男，1982年生，助理工程师，从事水文地质环境地质研究；E-mail：john2011@163．com。 中国地质图1呼伦贝尔高原水文地质简图Fig．1SimplifiedhydrogeologicalmapofHulunBuirplateauHC03-Na或HCO，．C1一Na型为主。矿化度大于1g／L。且新巴尔虎左旗、新巴尔虎右旗氟含量均大于1叽。3地下水中氟的分布特征呼伦贝尔高平原高氟地下水主要分布在潜水含水层中．地下水中氟超标检出率为5()．0％，平均值高达1．12mg／L，最高值达2．8mg／L。在承压水含水层中．虽然。氟含量最大偏高，超标检出率为30．o％，但平均值略低于标准值。最高值为2．54mg／L，总体上看水质略优于潜水(表1)。海拉尔河流域及辉河流域附近氟含量较低，氟含量小于1mg／L。新巴尔虎右旗、新巴尔虎左旗境内呼伦湖以西、西南、南部，氟含量普遍较高，新巴尔虎右旗附近出现最高值．在2．8mg／L．其他地区分布相对均一．在1．5mg／L左右。在承压水含水层中．高氟区主要分布在呼伦湖东南部漫滩及新巴尔虎右旗至新巴尔虎左旗一带。表l呼伦贝尔高原地区不同类型地下水氟含量及分布Table1Flnorinecontentanddistributionindifferent．——typesofgroundwaterinHulunBuirGrassland．．范围值平均值标准值地下水类型(mg／L)(mg／L)(mg／L)潜水0．05～2．81．121．0承压水0．47～2．540．91新巴尔虎右旗氟含量为2—4mg／L．呼伦湖东部至新巴尔虎左旗氟含量1—2mg／L．在新巴尔虎右旗氟含量最高达2．54mg／L。根据地下水中氟的分布、地质与水文地质条件推测本区氟的来源主要是含氟的岩石风化。各类岩石中．以酸性岩浆岩平均含氟较高为800mg／kg，中性岩浆岩和沉积岩次之，约500mg／kg。基性及超基性岩浆岩较低，各为370mg／kg及100mg／kg。随岩浆岩中SiO，含量的减少，氟的含量也减少⋯。本区的火山岩较为发育．尤其是以酸性花岗岩类更为明显， 第37卷第3期李旭光等：呼伦贝尔高原地下水氟分布特征及其开发利用建议667在呼伦湖以西及西南部分布广泛，在海拉尔河、辉河沿岸也间有分布．局部揭露。通过大气降水渗入基岩裂隙后溶滤母岩化学成分．而后以径流的方式沿裂隙向下运移。由于山区地形切割剧烈．水文网发育．从而构成排泄地下水的通道。大部分地下水经短暂的径流就在沟头谷坡以泉的形式排出地表．注入河流。但是在河谷平原局部地区由于湖积洼地地下水含水层中颗粒细物质较多．透水性较弱．地下径流及水交替滞缓．强烈的蒸发浓缩作用．致使地下水中氟离子富集。形成高氟区。4氟离子与其他水化学组分的相关性利用SPSS软件相关分析模块中的单相关分析图2地下水中氟离子含量等值线Fig．2Contourlinesoffluorineioncontentingroundwater图4地下水中重碳酸根离子等值线Fig．4Contourlinesofbicarbonaterootioncontentingroundwater模块．定量分析了地下水中F一与Na+、K+、Ca2+、Mg+、TFe、HCO；、C1一、S07、N03、总硬度、PH、TDS的相关关系．得出结论呼伦贝尔高原高氟区F一与Na+、HC03、CI一、TDS呈正相关关系，相关系数分别为0．650、0．576、0．564、0．662，F与TDS相关系数最大，说明在研究区内F的分布与TDS的分布有必然联系。而r与其他离子均未表现出明显的相关关系。F一与Na+、HCO；、CI一、TDS等值线图(图2～6)显示：在研究区F一离子与Na+、HC03、CI一、TDS最高值均出现在新巴尔虎右旗西南．也就是说当氟离子出现高值时。钠、重碳酸根、氯离子及矿化度也出现高值。因此．氟离子与钠、重碳酸根、氯离子及矿化度呈正相关性。同时可以看出氟离子在新巴尔虎左图3地下水中钠离子含量等值线rig．3Contourlmesofsodiumioncontentingroundwater图5地下水中氯离子含量等值线rig．5Contourlinesofchlorineioncontentingroundwater 668中国地质图6地下水中TDS含量等值线rig．6ContourlinesofTDScontentingroundwater旗、新巴尔虎右旗地区的呼伦湖西南克鲁伦河流域及呼伦湖漫滩区地下水中较发育。5开发利用区划为了查明全区的地下水水质情况．保障饮水安全，对呼伦贝尔高原地区进行地下水饮水安全评价。应用了地下水样测试数据．采用灰色聚类模型进行饮水安全评价。最后根据该区的地下水中氟、TDS含量分布情况和饮水安全评价结果．进行饮水安全区划。5．1原理和计算步骤灰色聚类是将聚类对象于不同聚类指标所拥有的白化数．按几个灰类进行归纳．以判断该聚类对象属于哪一类。灰色聚类计算步骤如下：①给出聚类白化数巩并确定灰类白化函数五(X)水样点记为1{f≠，2≠j}，3≠≠，⋯，并以i表示，称此为聚类对象。测试指标以户1，2，3，⋯，表示，称之为聚类指标。水质评价等级则以肛I，Ⅱ，Ⅲ，⋯，表示，称为聚类灰数。记巩为聚类白化数。表示第f个水样第f种测试指标的实测值。参照国家规定的水质分级标准并结合当地实际情况．若将水质分为P级，则有P个灰类。然后按聚类指标所属类别．确定出不同的白化函数。第1类(第1级水)对于第f个指标规定的白化函数为：五(西=1dE【O，A』1)—j等d∈[A一，A皿)(1)0de[A一，oo)第k类(第k级水，k=2，3，⋯，p-1)对于第‘『个指标规定的白化函数为：五(回=璺二兰止=!AJ厂Al卜1≠咩州五舯，～∥AJ，-+1一A业“‘。“‘卜1”了，‘7d∈[五∥～H。)0d岳【A产。，～，H，)(2)第P类(第P级水)对于第．『个指标规定的白化函数为：五(回=0毒杀叫¨川④0d∈【A蒯，h)1d∈【A_I，∞)②标准聚类权，，H的确定聚类权是衡量各个指标对同一灰类的权重。在水质评价中．由于各聚类指标的单位不同．且某些指标的绝对值相差很大，因而不能直接进行计算．必须事先对灰类进行无量纲化处理。对应于不同的水质指标．可分为2种情况：对数值愈大污染愈重的指标。例．上如酚、亚硝氮等，其计算式为，白=&／÷艺&；而对于．F，k=l数值愈大污染愈轻的指标，例如溶解氧等，其计算式为％2专／苦荟专；其中黾为第J个指标第足个灰类(级别)的灰数(标准值)，k为其无量纲数。然后．采用下式计算标准聚类权：叩自=k／∑～i21(4)式中玎。为第f个测试指标第k个灰类的权重。从式(4)中可以看出。聚类标准权即为水质分级标准中各个污染因子在某一污染等级中所占的权重。③聚类系数的计算聚类系数是通过灰类白化函数的生成而得到的．它反映了聚类样本对灰类的亲疏程度．其计算式为： 第37卷第3期李旭光等：呼伦贝尔高原地下水氟分布特征及其开发利用建议669O"kj=∑五(吒)叩茸(5)J=1式中盯。为第i个样本关于第良个灰类的聚类系数。式(5)表明，对于任何一个监测点，仃。表示各个污染因子对水体质量的共同影响结果在某一评价等级中所占的权重。其中某一污染因子的白化程度由给定的蠡(X)求得。这样，便可构造聚类行向量。仃(1)={盯f1，仃岔⋯，盯。}④聚类按最大隶属原则，若仃埘=鬻(盯蔚)，则盯。所对应的灰类h为此样本所属的类别。把各个样本同属的灰类进行归纳，即是灰色聚类的结果。至此，就能将各水样点所属水质级别判断出来。同一水质级别的水样点归为一类。⑤饮水安全评价现将采样点作为聚类对象(i=1，2，⋯，12)；9项评价因子作为聚类指标(『_1，2，⋯，12)，玩为第f个采样点的第f个污染指标的样本值．对地下水进行水质评价。确定白化函数：以中华人民共和国国家标准地下水质量标准GB／T14848—9作为水质标准．将水质分为5级，即5个灰类(k=l，2，⋯，5)。选用表2中不同指标的分级标准值作为各灰类白化函数的阈值Am依据式(1)-(3)构造各指标白化函数。5．2灰色聚类权值确定由于各聚类指标的量纲不同且数值差别较大．因此需先作无量纲化处理．然后按式(4)计算灰色聚类权值，计算结果如表3所示。求灰色聚类系数盯坷及灰色聚类矩阵d。灰色聚类系数：仃茸=∑兀(乃)，，茸(6)，=I依据上式计算各水样对应的灰色聚类系数。判断聚类对象所属灰类按仃f：裟(盯。)划分水质类别，即盯。在中由各行找出最大聚类系数．此最大聚类系数所属灰类即聚类对象“测点)所属灰类(水质类别)，根据聚类矩阵可判断各采样点的水质级别。根据该区的地下水中氟、TDS含量分布情况和饮水安全评价结果对呼伦贝尔高原区地下水开发进行区划(图7)．结果表明：在新巴尔虎左旗、新巴尔虎右旗地区的呼伦湖西南克鲁伦河流域、呼伦湖漫滩区、陈巴尔虎旗的西乌珠儿镇及陈巴尔虎旗完工农场附近的地下水水质较差，该地区受地质构造、地貌、气候等冈素影响造成地下水中氟离子、矿化度、硫酸根、氯离子等元素超过生活饮用水标准值，均为Ⅳ、V类水。不利于开采使用。其他地区水质较好，均属I、Ⅱ、Ⅲ类水．符合居民用水及工农业、牧畜用水要求．可以分层开采。6结论与建议(1)高氟地下水主要分布在潜水含水层中，在承压水含水层中，虽然，氟含量最大偏高，超标检出率较低，总体上看水质略优于潜水。(2)F一与Na+、HCO；、Cl一、TDS相关性较大的指表2地下水水质评价标准Table2Standardforgroundwaterqualityevaluation 670中国地质2010矩表3灰色聚类权值，7自Table3Graydusterweightedvalue标在研究区的分布范嗣．直观的反映出研究区地下水中F一及TDS等离子超标范嗣区域．其中氟离子在新巴尔虎左旗、新巴尔虎右旗地区的呼伦湖两南克鲁伦河流域及呼伦湖漫滩区地下水中较发育．陈巴尔虎旗的西乌珠儿镇及陈巴尔虎旗完工农场附近。(3)通过对呼伦贝尔高原地下水水化学特征及高氟地下水的成阕及分布特征的分析得出：在呼伦湖漫滩区及克鲁伦河流域出现高氟现象主要原因是河谷平原两侧有高氟岩体．经降水溶滤作用将氟离子通过地下径流方式补给到河谷平原区。由于地形较为平坦，切割微弱．地下径流缓慢．以蒸发浓缩作用为主，利于水中各种盐分富集．所以形成高氟地下水：而在海拉尔盆地和伊敏河河谷等地．虽然地形较低。但地表水系发育．含水层由透水良好的砂砾石组成，地表水、地下水径流畅通．交替作用强烈，以溶滤作用为主．不利于富集盐分。(4)采用灰色聚类模型对呼伦贝尔高原地区进行地下水进行饮水安全评价．最后根据该区的地下水中氟、TDS含量分布情况和饮水安全评价结果显示，在新巴尔虎左旗、新巴尔虎右旗地区的呼伦湖西南克鲁伦河流域、呼伦湖漫滩区、陈巴尔虎旗的两乌图7呼伦贝尔高原地区地下水开发Ⅸ划rig．7RegionalizafionofgroundwaterexploitationinHulunBuirplateau 第37卷第3期李旭光等：呼伦贝尔高原地下水氟分布特征及其开发利用建议671珠儿镇及陈巴尔虎旗完工农场附近的地下水水质较121王双合．用灰色聚类法对石羊河下游水环境质量的评价们·甘肃差．均为Ⅳ、V类水。其他地区水质较好，均属l、Ⅱ、Ⅲ、类水．符合居民用水及工农业、牧畜用水要求，可以分层开采。但在开采时要坚持可持续发展原则，需分层止水．逐步开采使用，尽量减少各含水层的连通。【3】参考文献【References)：【1】陈国阶，余大富．环境中的氟M．北京：科学出版社，1990：64—83．ChenGuojie，SheDafu．TheFluorineinEnvironment[M]．Bdjmg：SciencePress，1990：64—83(inChinesewithEngLishabstract)．水利水电技术，2000。1：59-63．WangShuanghe．Usingthegrey孚usteranalysismethodtoevaluatethewaterqualityofShiyangRiverdownstreamⅡ1．GamWaterConservancyandHydropowerTechnology，2000，1：59—63(inChinese)．高健磊．吴泽宁．左其亭．水资源保护规划理论方法与实践[MI．郑州：黄河水利出版社，2002：97—103．GaoJi3J1lei，WuZening，ZuoQiting．TheTheoryMethordandPracticeofWaterKesourcesProtectionPlans【MI．Zhengzhou：YellowRiverConservancyPress，2002：97—103(inChinesewithEnglishabstract)．FluorinedistributioncharacteristicsofgroundwaterinHulunBuirplateauandsomesuggestionsforgroundwaterexploitationandapplicationLIXu—guang，WANGChang—qi，GUOChang—hi，CAIHe(ShenyangGeologicalSuweyCenter,CGS,Shenyang110034，I．daoning,China)Abstract：ThispaperdealswiththedistributionreguhrityoffluorineandTDSingroundwaterofHulunBuirplateau，andprobesintochemicalcharacteristicsofgroundwater．Usingspecialmethods，theauthorsevaluatedthesafetyofpotablewater．AccordingtothedistributionregularityoffluorineandTDSingroundwaterandtheresultsofthesafetyevaluationofpotablewater。theauthorsputforwardSOITIesuggestionsfor出eexploitationandapplicationofgroundwater．Keywords：HulunBuirplateau；highfluorine；highsalinity；distributionregularity；exploitationandapplicationAboutthefirstauthor：LIXu—guang，male，bornin1982，assistantengineer，engagesinthestudyofhydrogeologyandenvironmentalgeology；E—mail：john2011@163．com．