某市地下水铁锰超标成因研究

　　某市地下水铁锰超标成因研究

　　 铁锰元素虽然在地下水中是常见元素，但是过量的铁、锰会给人类的生产和生活带来许多危害。本次研究的对象为某市城西50～90 m地下水（第二含水层组），该含水层组存在抽取一段时间后水中 Fe、Mn含量上升超标的现象，分析当地高铁锰地下水形成的主要原因对进一步促进研究区饮用水安全和当地政府制定水源保护政策有重要意义。

　　1 地质背景条件概述

　　 研究区位于淮北北部丘陵与平原的过渡地区，地势总体北低南高，地貌类型北部为泛滥高地，南部为泛滥微高地。研究区地层地表岩性均为第四系全新统大墩组粉质粘土，松散层厚度180～200 m，西薄东厚。下伏基岩为第三系始新统界首组和第三系古新统双浮组砾岩、砂砾岩、砂岩、砂质页岩、泥岩。研究区位于宿北盆地中部，地质构造简单无断层、褶皱发育。

　　 研究区自晚第三纪以来沉积了以河、湖相为主具有多元结构的巨厚松散地层，在古河道带，砂层厚，颗粒较粗，分选性好，是孔隙地下水的主要富集带。河间地带砂层薄，颗粒细，富水性弱。研究区内主要开采的地下水类型均为松散岩类孔隙水。其中第一、二含水层组为研究区主要开采的含水层。

　　2影响因素

　　 研究区中深层地下水铁、锰元素超过Ⅲ类水标准，超标率分别为16. 00%、41. 67%，最大超标倍数为1. 105倍、1.233倍和2.14倍。通过野外调查、收集资料，研究区地下水铁锰离子含量可能受到4个方面影响：地层因素、水文地质因素、水文地球化学因素、人为因素。

　　3研究方法

　　 本次研究对象为第一、第二含水层，采用取样测试结合以往检测数据综合分析各个因素对研究区地下水中铁锰离子含量的影响。在研究区中部施工的水文地质钻孔共取0～83.22 m内岩土样8个，测试岩土体所属工程地质层及岩土体中的铁锰含量。选取采集开采时间长短不同的水样23组检测水中铁锰离子含量，水样类型包括：第一含水层组地下水；新开采第二含水层组地下水；开采了一段时间的第二含水层地下水和不同井管材质的地下水。

　　4试验成果及分析

　　4.1地层因素分析

　　 研究区内铁锰在第四纪各个时期均有沉积。根据收集的资料以及本次水文地质钻探取芯结果可知研究区大部分松散层地层均含有铁锰结核。

　　 采用Pearson相关系数对研究区内岩土体锰含量与铁含量的相关性进行分析，锰含量与铁含量的相关系数为0.819，表示为极强正相关。铁含量变化幅度较大，锰含量变化幅度小。粘土及粉质粘土中的铁含量高于细砂和粉细砂。

　　 引用《中国土壤元素背景值》中相关数据，当地土壤的铁元素背景值为3.1，本次取样铁元素平均质量分数为3.04，略低于背景值，岩性为细砂、粉细砂的地层铁元素含量低于粘性土地层。研究区素质量分数范围1.36～4.68，深度0.5～3.0m、31.16～32.75 m、32.75～53. 56 m、71.10～78.44 m地层中铁元素质量分数为：3.70、4.68、4.66、3.69，均高于当地背景值，最大值是背景值的1.51倍。

　　 引用《中国土壤元素背景值》中相关数据，该市土壤的锰元素背景值为0.0629，本次取样锰元素平均质量分数为0.058，略低于背景值，岩性为细砂、粉细砂的地层锰元素含量低于粘性土地层。研究区锰元素质量分数范围0.025～0.070，深度o．5～3.o m、31.16～32. 75 m、32. 75～53. 56 m地层中锰元素质量分数为：0.070、0.063、0.13，均高于当地背景值，最大值是当地背景值的2.08倍。

　　 地层中较高的铁锰质化合物含量为地下水中铁锰离子的富集创造了有利条件。

　　4.2水文地质因素

　　4.2.1地下水铁锰含量

　　 在对研究区第一含水层组5个水样和第二含水层12组水样铁锰含量统计后。第一含水层组（浅层地下水）中锰离子含量平均值为0.135 mg/l，第二含水层组（中深层地下水）中锰离子含量平均值为0.092mg/l。浅层地下水中锰离子含量略高于中深层地下水。

　　 第一含水层组（浅层地下水）中铁离子含量平均值0.118 mg/l，第二含水层组（中深层地下水）铁离子含量平均值0.14 mg/l。浅层地下水中铁离子含量低于中深层地下水。

　　4.2.2地下水铁锰含量变化特征

　　 根据《安徽省淮北平原地下水环境演变调查报告》研究区区域上1986～2005年浅层水Fe含量呈显著下降趋势的检测孔比例接近或超过30%，没有检测孔呈现上升趋势。Mn含量呈显著下降趋势的检测孔比例接近或超过10%～15%，呈显著上升趋势的检测孔不超过30%。1986～2005年中深层水 Fe含量呈显著下降趋势的检测孔比例接近或超过15%，没有检测孔呈现上升趋势。Mn含量呈无显著升降趋势的检测孔比例接近或超过90%，呈显著上升或下降趋势的检测孔仅1～2个。

　　 通过野外调查走访及收集资料发现研究区第二含水层组中铁锰元素与时间的关系与区域资料有差异，研究区内地下水铁锰含量都略高于区域指标。开采第二含水层组的水井在成井时水中铁锰含量较低符合饮用水标准，随着抽水时间增加水井普遍出现铁含量上升、锰含量偶尔上升的现象。

　　 经室内水质检测表明研究区内从使用一段时间后的水井中抽取的第二含水层组地下水pH值7.31～7.98，铁离子含量0.16～0.37 mg/l，锰离子含量0.04～0.10 mg/l。

　　 研究区中部新施工水井初始铁离子与锰离子含量均低于0.05 mg/l，使用3个月后铁离子含量0.125 mg/l，锰离子含量0.214 mg/l。研究区中部新施工的水井检测结果与野外调查走访均出现了抽取一段时间地下水后水中Fe、Mn离子含量上升超标的现象。

　　 研究区地表水取样结果中锰含量0.039 mg/l，铁含量0.103 mg/l。小于第一含水层组和第二含水层组中铁锰含量，地表水中铁锰离子对地下水中铁锰离子的影响较小。

　　 研究区开采第二含水层的井中水质普遍存在刚开采时铁离子含量正常，开采一段时间后铁离子含量升高超出饮用水标准的现象。原因如下：

　　 天然状态下，第二含水层组呈相对饱和状态，水头压力较大，接受上部浅层水的越流补给较弱，水质受上部铁锰含量高的地层影响较小，且第二含水层组含水介质铁锰含量较低，因此开采初期地下水铁锰含量不高符合饮用水标准。

　　 研究区内第一和第二含水层组之间隔水层为一套河相沉积，属于沿古河道带展布相对较薄的地区，局部地段有天窗，第二含水层组砂层上方的弱透水层铁锰含量较高(深度31.16～32. 75 m、32.75～53. 56 m)。随着第二含水层组地下水开采，水头压力减小，浅层水通过弱透水层或“天窗”对中深层水进行垂向为主的越流补给以及溶滤作用将第二含水层上部铁含量较高地层中的铁锰离子带给了第二含水层组砂层。

　　 区域上研究区处于地下水的汇水区，从上游地区获得侧向径流补给。受到人为开采地下水的影响，研究区位于该市地下水开采降落漏斗范围，由于对地下水的集中开采造成降落漏斗范围内水力坡度增大使得周围地下水向城区方向的流速加快。研究区水井开采也使周边地下水流动速度加快。

　　 在地下水的快速流动过程中使得地层中的铁锰元素被加速溶滤，当地下水径流条件变差时造成铁锰离子富集。

　　4.3水文地球化学因素

　　 地下水中铁离子超标原因除受到地层因素和水文地质因素的影响外，最主要的原因还是地下水所处的环境。还原环境下铁元素更容易以可溶解于水中的离子状态存在。铁元素超标的产生机理如下：

　　 一方面，含碳酸的地下水对岩土层中二价铁的氧化物起溶解作用；另一方面，在还原条件下三价铁的氧化物被还原成Fe2+，与Fe3+相比，Fe2+的活性更大，Fe2+矿物更易溶解于水中，造成了水中铁离子含量超标。

　　 还原环境是地下水中的变价元素铁的离子形成及其富集的重要控制因素；地下水铁元素含量在不同的环境区差异较大，在氧化环境区，Fe2+不稳定，易被氧化成为高价态形态形成沉淀析出，在还原环境中，在有机质的参与下，土壤中的铁的氧化物经溶滤作用被溶解，其中的高价Fe被还原并形成重碳酸亚铁而溶于水离解出Fe2+，随着地下水的流动， Fe2+在地下水中聚集，形成了研究区地下水Fe含量较高。研究区内地下水中氧化还原电位多为负值，说明地下水水环境以还原性为主。

　　 另外，Fe元素在水中的存在形式除受氧化还原环境的影响，还受pH值的影响，当pH为6～8时，有利于Fe2+的溶解富集；研究区内地下水pH值在7.31～8.1之间，在相对较弱的还原环境下，有利于高价Fe的溶解还原，进一步使得地下水中Fe2+含量升高。

　　 根据取样测试结果，研究区范围内深层水的铁离子含量略高于浅层水，原因有两点：①浅层地下水直接与包气带接触其含氧量相对较高，Fe2+能够被氧化为Fe3+以胶体或沉淀的形式存在于岩层中，造成地下水中Fe2+减少；②深层地下水含水层距地面较远其含氧量相对较低，使得大量被溶解的铁元素只能以Fe2+的状态溶解于水中，使深层地下水中铁离子的含量高于浅层。

　　4.4人为因素

　　4.4.1污水排放

　　 人类活动造成的污水进入地下水中激发地层中的铁和某些组分发生交换也会使铁含量升高。研究区周边环境为农田、居民区、学校，人类活动产生的污水主要排入城市污水管网，其余污水类型为居民生活用水，这部分污水量较小，污染范围有限，污染对象多为地表水和浅层地下水，对研究区内第二含水层组水中的铁离子含量影响非常小。

　　4.4.2井管材质

　　 研究区开采中深层地下水的井管材质多为铸铁管，为验证水体中铁离子含量增加与井管材质的关系，在新施工中进行了新材料成井实验，实验结果表明使用PVC-U管的水井水质也呈现出开采初期铁锰含量较低开采一段时间后铁锰含量上升的现象。因此研究区第二含水层组地下水铁锰含量上升受开采井井管材质影响较小。

　　5结论

　　 研究区特殊的地质、水文地质和水文地球化学条件共同作用导致了研究区地下水抽取一段时间后铁锰离子含量超标的现象。研究区内第四纪各个时期均有铁锰组分沉积，这为地下水中铁锰聚集提供了物质基础，原生沉积环境是影响地下水中的铁锰离子含量主要因素。随着研究区第二含水层组地下水开采，水头压力减小，浅层水通过弱透水层或“天窗”对深层水进行垂向为主的越流补给将第二含水层上部铁含量较高地层中的铁锰离子溶滤带给了第二含水层组；开采地下水时加快了地下水流动速度使得地层中的铁质被加速溶滤，径流条件变差使得地下水中的铁锰离子含量增加，最终导致研究区地下水铁锰含量超标。

　　摘自：《地质灾害与环境保护》2020年第1期