摘　要:以華北平原和關(guān)中盆地?cái)?shù)據(jù)為例,分析我國(guó)高氟水形成特點(diǎn)的主要影響因子為背景巖石、蒸發(fā)作用、地溫環(huán)境以及人類活動(dòng),并針對(duì)我國(guó)高氟水特點(diǎn),提出防止氟中毒的方案。

關(guān)鍵詞:高氟水;影響因素;防氟方案
 

0　引　言

氟(F)是與人體健康密切相關(guān)的微量生命元素,原生環(huán)境中氟過量或不足均會(huì)導(dǎo)致機(jī)體產(chǎn)生疾病。國(guó)家規(guī)定生活飲用水中適宜的氟含量為0.5~1.0 mg/ L[1]。高氟地下水指氟含量超過飲用水標(biāo)準(zhǔn),并使人體產(chǎn)生氟中毒現(xiàn)象的地下水體。高氟地下水影響區(qū)域在我國(guó)廣泛分布,我國(guó)內(nèi)陸除上海市外,各省、市、自治區(qū)均有病區(qū)。全國(guó)飲水型地方氟病分布面積約220萬(wàn)km2,據(jù)全國(guó)重點(diǎn)地方病防治規(guī)劃(2004—2010年),截至2003年底,全國(guó)有氟斑牙患者3 877
萬(wàn)人、氟骨癥患者284萬(wàn)人[2]。因此探討我國(guó)高氟地下水形成的特點(diǎn),并提出防止氟中毒方案具有現(xiàn)實(shí)意義。

1　我國(guó)高氟水形成特點(diǎn)的主要影響因子

氟的富集是長(zhǎng)期地質(zhì)作用和地球化學(xué)演變的結(jié)果,我國(guó)高氟水形成特點(diǎn)主要影響因子概括為背景巖石、蒸發(fā)作用、地溫環(huán)境以及人類活動(dòng)。

1.1　背景巖石

氟廣布于自然界中,地殼巖土中的含氟礦物就在百種以上,絕對(duì)不含氟的巖土是很少見的。土壤中黏土礦物為氟源,在風(fēng)化過程中,這些礦物促使土壤中的元素和循環(huán)水中的元素發(fā)生離子交換。一般情況黏土礦物土壤中除了云母、角閃石中的F-被氫氧基置換以外,磷灰石、冰晶石和螢石是循環(huán)水中F-的主要來源[3]。磷灰石、冰晶石、螢石風(fēng)化淋溶產(chǎn)物見下式:

Ca₅(PO₄)₃F→F^-+5Ca₂++3PO₃^-4
Na₃AlF₆→6F^-+3Na⁺+Al³⁺
CaF²→2F^-+Ca²⁺

以華北平原地下水背景巖石數(shù)據(jù)為例,作出地下水氟含量與巖石氟含量的相關(guān)關(guān)系圖(如圖1所示),顯示富含氟的巖石含水層中地下水含氟量高,在地下水-巖石系統(tǒng)中,地下水中氟含量與含水層巖石氟含量呈正相關(guān)關(guān)系?？梢姾畬又械母环鷰r石為高氟水的形成提供了條件。

由于氟離子(F-)的化學(xué)性質(zhì)活潑,下面進(jìn)一步分析水中化學(xué)環(huán)境對(duì)其遷移和轉(zhuǎn)化的影響。

1.1.1　地下水的pH值

在pH值低的酸性水中,氟離子與氫離子生成氫氟酸,氫氟酸溶解二氧化硅及硅酸鹽巖石生成氣態(tài)的氟化硅,使地下水中的氟減少,不利于氟的富集;另外由于氟離子(F-)和鈣離子(Ca2+)能形成難溶的氟化鈣(CaF2)[4],其反應(yīng)式為
2F-+Ca2+→CaF2pH值低的酸性水使反應(yīng)物F-降低,而促使F-遷移,不利于氟的富集;pH值高的地下水可使鋁硅酸鹽礦物溶于水。當(dāng)堿金屬水解時(shí),可增強(qiáng)水的堿性,促使含氟硅酸鹽礦物的溶解,使巖石中的氟溶出,地下水中的氟含量增大。由此得出,pH值越高的地下水越有利于氟的富集。

1.1.2　水中各種離子

鈉質(zhì)水分布區(qū)氟含量高,鈣質(zhì)水分布區(qū)則相反。氟的鈉鹽和鈣鹽在水中的溶解度極不相同,氟化鈣的溶解度為16 mg/L,氟化鈉的溶解度為42×103mg/L,氟化鈉在水中完全溶解時(shí),氟在地下水中呈離子狀態(tài)存在。前者在水中溶解度很低,大部分為白色沉淀,大部分氟賦存在礦物中而未游離出來,形成地下水中高鈣低氟、高鈉高氟的現(xiàn)象[3]。當(dāng)水中鈣離子為主要陽(yáng)離子時(shí),氟化鈣溶解度減小,地下水中氟含量減小;當(dāng)水中鈉離子或者鎂離子為主要離子時(shí),氟化鈣的溶解度增加。當(dāng)水中鈣離子含量增加時(shí),氟的絡(luò)合物遭到破壞,鈣與氟結(jié)合成難溶的氟化鈣,減少了地下水中氟含量。另外,由于碳酸根及碳酸氫根會(huì)促進(jìn)氟化鈣的溶解,使地下水中的氟含量增加。

1.2　蒸發(fā)作用

我國(guó)部分高氟水地區(qū)處于長(zhǎng)期干旱少雨氣候及高蒸發(fā)蒸騰氣候條件,導(dǎo)致淡水循環(huán)緩慢,地下水在含水層中長(zhǎng)期滯留。由于地下水的低水頭傳導(dǎo),地下水在風(fēng)化含水層中水的滯留時(shí)間變長(zhǎng)。這些條件促使含氟礦物溶解,并促使風(fēng)化產(chǎn)物中F-和OH-之間離子交換作用,致使地下水中F-進(jìn)一步富集。我國(guó)大部分的沖洪積扇地區(qū),從山前到平原地
下水中的氟含量逐漸增高。在地勢(shì)平坦或低洼地帶,由于地下水徑流滯緩、水交替條件差、水位埋藏淺、蒸發(fā)作用強(qiáng)烈,氟離子與其他化學(xué)元素一同在淺層地下水中濃縮富集。一般情況下隨含水層埋深加大,氟含量減低,但有些地區(qū)受古地理、古氣候、古沉積環(huán)境影響,深部地下水氟含量亦較高。內(nèi)蒙古高原、黃土高原和一些山地丘陵地區(qū)的巖石、土層中富含氟,經(jīng)過地下水的長(zhǎng)期溶蝕以及地表水溶濾的共同作用,巖層中的氟不斷遷移進(jìn)入地下水,再加上干旱半干旱氣候、強(qiáng)烈的蒸發(fā)作用,使地下水中氟不斷富集,產(chǎn)生高氟地下水。

1.3　地溫

地溫是影響地下水氟含量的重要因子。隨著溫度的升高,地下水中氟的含量升高。最典型的為我國(guó)分布廣泛的溫泉水。秦嶺北麓、關(guān)中盆地中央及關(guān)中盆地“北山”南緣等地的斷裂熱水型高氟水為深大斷裂型地下熱水,即沿活動(dòng)性深大斷裂帶分布的溫泉、熱水井等,氟含量均大于1 mg/L[5]。在活動(dòng)性深大斷裂構(gòu)造帶,地下水在深部循環(huán)過程中得到加溫,并攜帶某些化學(xué)組分向淺部運(yùn)動(dòng),又因深部巖層中含有較多的氟化物,在高溫高壓下,地球化學(xué)作用強(qiáng)烈,產(chǎn)生一系列化學(xué)作用。熱水中氟化氫發(fā)生電解與水中Na+、K+結(jié)合形成氟化物溶于水中,導(dǎo)致氟含量增高,形成高氟地下水。這種類型高氟水多以泉的形式出露,沿?cái)嗔殉蕩罘植?。根?jù)關(guān)中盆地地下水?dāng)?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),溫泉水的含氟量高于常溫水含氟量,而且水溫越高,含氟量越高[2]。另?yè)?jù)關(guān)中盆地地下熱水?dāng)?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)[5],當(dāng)關(guān)中盆
地地下熱水中溶解性總固體含量達(dá)到930 mg/L時(shí),地下熱水中氟含量達(dá)到峰值(如圖2所示),推測(cè)我國(guó)地溫影響類高氟水普遍有此特點(diǎn)。

1.4　人類活動(dòng)

人為污染型高氟水,系指由于人類經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的影響,致使地下水中氟含量增高而形成的。人類活動(dòng)污染主要是工業(yè)污染和農(nóng)業(yè)污染。含氟化物大氣煙塵和工礦企業(yè)的含無機(jī)或有機(jī)氟廢水排放,使大量可溶性和不溶性氟進(jìn)入地表水體和淺層地下水體中。在傳統(tǒng)灌溉條件下使用肥料,導(dǎo)致Cl-,SO2-4, NO-3和F-進(jìn)入地下水中,使水中氟離子富集,F-含量在農(nóng)灌區(qū)地下水中含量高于其他土地類型地區(qū)[3]。

2　降氟方法

針對(duì)我國(guó)高氟水形成的特點(diǎn),防氟主要采取以下方法。

2.1　尋找新水源

尋找適當(dāng)含氟量的新水源是降氟理想、經(jīng)濟(jì)的途徑。尋找新水源有三種途徑:①打防氟深井。在查清氟的形成環(huán)境、水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上,尋找低氟含水層;②選擇適于飲用的地表水作水源。適于飲用且經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件許可的可開發(fā)利用的地表水和泉水;③利用雨雪作水源。在既無適宜的地下水又無地表水的地區(qū)考慮因地制宜,修建水窖,收集雨雪水以備飲用。

2.2　人工降氟

由于我國(guó)高氟區(qū)分布范圍廣,許多地區(qū)沒有可供利用開采的低氟含水層,而引用地表水工程費(fèi)用巨大,甚至無水可引,故采用人工理化方法降氟是另一條必然的途徑。目前國(guó)內(nèi)外降氟方法多種多樣,但主要分為三大類:混凝沉淀法(投藥法)、濾層吸附法和電化學(xué)法。前兩類方法主要針對(duì)單純氟離子含量較高,而其他指標(biāo)相對(duì)較低或符合飲用水標(biāo)準(zhǔn)的高氟水地區(qū),而第三類方法主要針對(duì)氟離子含量較高,而其他指標(biāo)相對(duì)也較高,不符合飲用水標(biāo)準(zhǔn)的高氟-苦咸水地區(qū)。另外,美國(guó)發(fā)明了一種僅適于軟化水同時(shí)使用的溶解性小的鎂鹽,它與水中氟相對(duì)連續(xù)作用,降氟后泥漿連續(xù)沉淀,從而達(dá)到降氟目的[6]。但是,目前的降氟方法均在不同程度上存在缺憾。因此,保護(hù)好水源地,采取綜合的生態(tài)環(huán)境治理措施為長(zhǎng)遠(yuǎn)策略。

2.3　綜合生態(tài)環(huán)境治理

含氟化物大氣煙塵和工礦企業(yè)的含無機(jī)或有機(jī)氟廢水應(yīng)處理后再進(jìn)行排放;在進(jìn)行各類環(huán)境影響評(píng)價(jià)時(shí)加強(qiáng)氟對(duì)人體健康影響的評(píng)價(jià)。改變傳統(tǒng)灌溉方式,例如大水漫灌,應(yīng)該由先進(jìn)灌溉技術(shù)———噴灌代替,這樣可以減少風(fēng)化作用和溶濾作用,減少水蒸發(fā)損失,防止氟大量富集。種植適當(dāng)生態(tài)植物覆蓋土壤以減少蒸發(fā),防止高氟水產(chǎn)生。

2.4　加強(qiáng)防病知識(shí)教育

政府應(yīng)加強(qiáng)對(duì)人民的防病知識(shí)教育工作,使人民了解高氟水對(duì)人體健康的危害,與是防氟的有效手段之一。

3　結(jié)　語(yǔ)

背景巖石是巨大的氟源,是形成各類高氟水的物質(zhì)基礎(chǔ),包含大部分黏土的土壤強(qiáng)烈吸附氟是F-的主要來源,循環(huán)水的堿度也是F-存在的原因。鈉質(zhì)水分布區(qū)氟含量高,鈣質(zhì)水分布區(qū)則相反;干旱氣候決定了高氟水分布的廣泛性;封閉或半封閉的地形,地下水徑流條件差,高蒸發(fā)蒸騰率和風(fēng)化區(qū)的低水頭傳導(dǎo)性,引起水在含水層中滯留時(shí)間長(zhǎng),也是引起含氟礦物溶解而增加地下水中F-含量的輔助原因。地溫產(chǎn)生深部高氟地下水源,當(dāng)?shù)叵聼崴腥芙庑钥偣腆w達(dá)到某一數(shù)值時(shí),氟含量達(dá)到峰值,推測(cè)我國(guó)地溫影響型高氟水具有此特點(diǎn)。人類活動(dòng)污染主要是工業(yè)和農(nóng)業(yè)污染。針對(duì)我國(guó)高氟水形成特點(diǎn),尋找淺層低氟潛水源、開采深層地下冷水,并采用適當(dāng)?shù)娜斯そ捣椒ㄊ菧p少高氟水危害的主要和有效的措施,但若根治其危害應(yīng)長(zhǎng)期加強(qiáng)對(duì)生態(tài)環(huán)境的綜合治理,同時(shí)政府應(yīng)加強(qiáng)防病知識(shí)教育工作。

參考文獻(xiàn):

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