内蒙古河套平原原生高砷地下水的分布与形成机理研究

论文摘要

本文选择浅层地下水砷异常较为严重的内蒙古河套平原作为研究区,在资料分析、野外调研和室内实验测试的基础上,开展了对研究区水文地球化学和高砷地下水形成机理的研究,主要内容如下:1.分析了研究区地下水环境演化过程。河套盆地是一个新生代断陷盆地,自更新世早期以来经历了由湿冷-湿冷/暖-全新世干旱的古气候变化,盆地的发展经历了湖泊全盛期-收缩期-消亡期-河流发育期,沉积环境演化为湖积/河积交错沉积。根据14C年龄测试结果,9～23m地层属于上更新统上部地层,而这个时期,气候趋于干旱,湖水退缩,残留湖泡形成。湖泊在消亡过程中,高度浓缩的富含砷的湖水被埋藏、保存到沉积物的空隙中,成为区域地下水的一部分,经长期演化形成了今天的高砷水,也是当地居民的取水层位。2.揭示了高砷地下水的水化学特征。平原浅层地下水中砷的浓度范围为0.6～572μg/L。高砷水以高浓度的Fe、Mn、HCO3-和S2-,以及低浓度的NO3-、SO42-为特征。pH值介于7.01～8.43,大部分为弱碱性水,氧化还原电位为-153～98 mV,As（III）是As的主要形态,平均达到As总量的75%,Fe含量较高,最高达5.90 mg/L。3.综合研究了3个代表性钻孔资料,得出:高砷地下水通常埋藏于由灰黑色细砂构成的强还原的冲湖积含水层中。沉积物中总As含量为7.3～73.3 mg/k（g平均值为18.9 mg/kg）。与总As和总S含量的弱相关性相比,总As与Fe、Mn的总量表现出稍强的相关性。系列提取试验表明具化学活性的As主要吸附于Fe/Mn氧化物上,达到3500μg/kg。还原条件下As的迁移取决于Fe/Mn氧化物的还原性溶解和As还原性解吸。4.首次进行了关于地下水颗粒物对砷行为影响的研究。43个地下水水样的化学分析结果显示未经过滤的水样中大多数元素（Ba、Co、Mn、Mo、Ni、V、Sr、Mg、Ca、Na、K）的浓度与经0.45μm滤膜过滤的水样中的基本一致,两者比率接近1.00。尽管SI方解石、SI白云石大于零,但在地下水中它们也可以小型胶体颗粒形式存在。在经0.45μm膜过滤的水样中Cd、Pb、Fe及Al的浓度明显小于未经过滤水样。尽管少量As、Cu、Zn可被大颗粒无机胶体吸附,但是这些元素主要还是与粒径小于0.45μm的有机配位胶体结合。5.对研究区有代表性的36个地下水样的27个化学成分指标进行了R型聚类分析。建立了As与其他化学成分之间的多元线性回归模型,并进行了相关性分析。对As（III）和Eh进行了曲线回归分析。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪言
• 1.1 地下水砷异常概述
• 1.1.1 砷的特性及分布
• 1.1.2 饮水砷卫生标准
• 1.1.3 地下水中砷的形态及监测技术
• 1.2 高砷地下水的研究现状
• 1.2.1 含水介质中砷形态研究
• 1.2.2 微生物影响下含水层中砷的释放研究
• 1.2.3 同位素方法的应用
• 1.2.4 高砷地下水区饮用水安全保障技术
• 1.3 研究背景、选题依据及目的和意义
• 1.3.1 研究背景和选题依据
• 1.3.2 研究目的和意义
• 1.3.2.1 研究目的
• 1.3.2.2 研究意义
• 1.4 研究思路和研究方法
• 1.4.1 研究思路、本文的特色
• 1.4.2 研究方法
• 1.4.2.1 地下水样采集与测试
• 1.4.2.2 沉积物的采集与分析
• 1.4.2.3 质量控制
• 2 国内外原生高砷地下水的分布及特征
• 2.1 概况
• 2.2 国外原生高砷地下水分布及特征
• 2.2.1 印度和孟加拉
• 2.2.2 其它地区
• 2.3 中国原生高砷地下水分布及特征
• 2.3.1 台湾
• 2.3.2 新疆
• 2.3.3 内蒙古、山西和吉林
• 2.3.4 宁夏和青海
• 2.3.5 甘肃、四川和云南
• 2.3.6 江苏和浙江
• 2.3.7 北京、河南、安徽和湖北
• 2.3.8 辽宁、河北和陕西
• 2.4 小结
• 3 河套平原区域环境地质概况
• 3.1 自然地理概况
• 3.1.1 地理位置
• 3.1.2 地形地貌
• 3.1.3 气象及水文
• 3.1.3.1 气象
• 3.1.3.2 水文
• 3.1.3.3 灌溉
• 3.2 区域地质概况
• 3.2.1 区域地质构造
• 3.2.2 地层岩性
• 3.3 区域水文地质条件
• 3.3.1 含水层分布规律
• 3.3.1.1 含水组划分
• 3.3.1.2 含水组的水文地质特征
• 3.3.2 地下水循环及动态特征
• 3.4 主要环境地质问题
• 3.5 小结
• 4 河套盆地地下水环境演化
• 4.1 盆地沉积物特征和年代
• 4.1.1 沉积物特征
• 4.1.2 沉积物测年结果与分析
• 4.2 盆地沉积环境演化及古地理特征
• 4.2.1 中生代以来盆地沉积环境演化
• 4.2.2 第四纪以来盆地沉积环境演化及古地理特征
• 4.3 地下水环境演化
• 4.4 高砷地下水的形成
• 4.5 小结
• 5 地下水及其颗粒物的水文地球化学研究
• 5.1 研究区地下水水化学特征
• 5.1.1 地下水水化学特征
• 5.1.2 地下水水化学过程
• 5.1.2.1 地下水饱和状态
• 5.1.2.2 地下水水化学过程
• 5.2 研究区高砷地下水特征和分布规律
• 5.2.1 高砷地下水水化学特征
• 5.2.2 砷的空间分布
• 5.3 地下水中颗粒物的水文地球化学研究
• 5.3.1 概述
• 5.3.2 水样采集与分析
• 5.3.3 结果分析
• 5.3.3.1 过滤水样与未过滤水样比较
• 5.3.3.2 逐级过滤水样
• 5.4 高砷地下水形成的地球化学过程
• 5.5 小结
• 6 沉积物地球化学及其对地下水的富砷意义
• 6.1 概述
• 6.2 地下水高砷、低砷区沉积物矿物及化学特征
• 6.2.1 沉积物XRD 分析结果
• 6.2.2 钻孔结构分析
• 6.2.3 沉积物化学全分析结果
• 6.3 沉积物中砷的赋存状态
• 6.3.1 概述
• 6.3.2 沉积物中砷的赋存状态
• 6.4 研究区浅层地下水中砷的迁移富集机制
• 6.4.1 沉积物提供直接砷源
• 6.4.2 富含有机质还原条件的诱发作用
• 6.4.3 地下水水化学过程的影响
• 6.4.4 地质环境条件与气候的决定作用
• 6.5 小结
• 7 基于SPSS 的高砷地下水水化学特征分析
• 7.1 聚类分析
• 7.1.1 原理
• 7.1.2 研究区地下水水化学成分的R 型聚类分析
• 7.2 多元线性回归分析
• 7.2.1 原理
• 7.2.2 多元线性回归的结果及分析
• 7.3 多重共线性和非线性回归的探讨
• 7.3.1 多重共线性问题的探讨
• 7.3.2 非线性回归问题的探讨
• 7.4 小结
• 8 结论与建议
• 8.1 结论
• 8.2 建议
• 致谢
• 参考文献
• 附录