地下水环境背景值形成分析

黄河冲积平原地下水的形成，是元素（组分）自身的物理化学性质，多沙性黄河多次泛滥改道的地质背景条件及人为影响因素等内、外因相互作用、相互影响、长期演化的结果，地下水环境背景分布综合反映了地下水化学成分形成的水文地球化学特征。

一、地下水环境背景值形成的影响因素

地下水环境背景值，除了其元素组分自身物理化学性质及地壳半度对化学成分的溶解及迁移有直接的关系外，主要受自然地理因素、地质及水文地质条件、水文地球化学环境、人为影响等因素的影响。

（一）自然地理因素

1.水文、气象因素的影响

（1）黄河的控制影响作用

黄河是我国第二大河，尤以其含沙量大而著称。黄河在第四纪地质历史时期，对地质地貌的影响是巨大的，也是黄河冲积平原形成的主导营力。早在第三纪时期，全区分布着许多大小湖泊，气候温暖湿润，到第四纪气候变冷，中更新世末期，黄河冲积扇开始形成，黄河后期多次泛滥改道，加快了黄河冲平原的发展，逐步形成了现代地貌景观。

黄河的泛滥改道对地下水的形成分布有着十分重要的影响。冲积平原的形成过程，实质上是多沙性黄河不断淤积和决口改道的结果，河流改道后，地面上留下一条条高地，形成河道带，主要由沙组成，十分有利于地下水组分的溶滤及迁移，而河间地带成为泛流地带，易使地下水盐分积累，黄河再泛滥时，形成洼地沉积物。

现代黄河，由于河床的不断淤积，而形成地上“悬河”。据黄河侧渗研究资料，黄河补给影响宽度一般为2～5km，最远可达10km，平均侧渗量达3133m³/(d·km），可见黄河影响之大。

（2）气象因素

本区地下水埋藏浅，地形平缓，十分有利于降水的补给，降雨补给是浅层地下水的主要补给来源。因此，大气降水对地下水化学成分也有十分显著的影响。

此外，本区地外半干旱半湿润季风气候区，蒸发作用较强，十分有利于地下水蒸发浓缩作用的进行，尤其是地形低洼地段。

2.地形地貌的影响

黄河决口泛滥的过程中，形成了决口扇形地、洼地、高地等微地貌景观，使得其水文地球化学环境产生差异进而影响地下水环境背景值的形成与分布。I₃单元主要为岗地及岗间洼地，地形起伏大，有利于溶滤作用的进行以及化学组分的迁移，相反，I₃环境单元地形平缓，有利于化学组分的积累，使得环境单元的大部分组分背景水平高于I₃环境单元。

3.土壤的影响

土壤及包气带岩性对地下水化学成分也有显著的影响。地下水中Cu、Pd、Zn、Co、Ni、Cr、As等微量元素的含量随着土壤中元素的含量增高而增高。

除砂性土、粘性土外，兰考县、开封县等地还分布有盐碱土，盐碱土中NaCl、Na₂SO₄含量较高，盐碱土中可溶盐类溶解进入地下水中，致使地下水矿化度升高。

（二）地质、水文地质条件的影响

1.含水介质

含水介质的矿物成分和化学性质是控制地下水化学成分背景分布的基本条件，也是主要条件。本区地下水的赋存介质是黄河不同时期泛滥冲积物，黄河冲积物主要来自黄河上游黄土高原及基岩风化物，冲积物的化学成分控制了地下水中化学成分的背景分布，也就是说，岩土中有什么成分，地下水中就有什么成分，地下水的成分随着岩土中含量增高而增高。

2.水动力条件及水交替条件

地下水上游及冲积河道带，地下水径流条件好，含水砂量厚，颗粒粗，水的交替以水平方式为主，地下水化学组分易迁移，宏量组分含量及矿化度较低，而在冲积平原下游及泛流带洼地，含水砂层薄，颗粒细，砂性土与黏性土交互沉积，地下水的径流条件较差，水的交替以垂直方式为主，地下水化学组分不易迁移而富集，宏量组分含量及矿化度较高。如本区Ⅰ₂单元以泛流相带或洼地堆积为主，径流条件较差，水的交替以垂直方式为主，其矿化度较高，形成微咸水，其地下水化学组分的背景水平也明显高于Ⅰ₁、Ⅰ₃单元。

3.酸碱度的影响

地下水的酸碱度对元素的迁移、富集有很大的影响，但仅限于对能形成氢氧化物沉淀的元素起作用，对其他元素影响不大，本区pH值变化在7.1～8.6之间，呈弱碱性。从地下水上游到下游pH值有增高趋势。

本区地下水Cr、V、Mo、Hg、Se、F、As等元素随pH 增大而增高，而Zn、Ni、Cu、Pd、Ca、Fe^2＋、Mn^2＋等元素一般随pH值增大而有所减少，见表6-15。

表6-15 不同环境单元下元素含量与pH值关系表　单位：mg/l

续表

（三）人为因素的影响

本地区部分地区，如杞县、兰考县，在20世纪五六十年代，盐碱地分布广泛，地下水位埋藏浅，分布有较大面积的咸水和微咸水，矿化度高者达数克。70年代以后，由于打井排灌，大量开采利用地下水，改造盐碱地使得地下水水位埋深增大，盐碱地分布面积减少，大大地改变了地下水的交替条件，咸水分布面积大大缩小，水中矿化度也大大降低，水中矿化度最大为2.9g/l。

此外，农业施用有机肥以及农药、化肥的使用都对地下水中化学组分有一定影响，如本次在杞县傅集地下水中检出六六六、DDT组分，显然是由于人为活动的影响所致。

总之，地下水化学组分的含量及背景分布是上述因素综合作用的结果，但主要因素是含水介质、水动力条件及水交替条件。

二、地下水环境背景值的形成

地下水环境背景值的形成是地球表层水圈、大气圈、岩土圈环境体系中化学物质的迁移、转化、循环系统中的组成部分，是一个复杂的化学演变过程。根据地下水化学组分的背景分布特征，将重点研究元素和主要常量组分环境背景值的形成条件简述如下。

（一）Cr、V、Co、Mo环境背景值的形成

Cr、V、Co、Mo均为亲铁元素，但Cr、V 主要还是亲氧性，Co还有亲硫性。自然界中，Cr、V 主要以三价或五价存在，Co以二价状态存在，它们的矿物经水解作用，形成易溶解于水的化合物进入地下水中，并以

黄河冲积平原地下水中，上述元素的形成主要与含水介质有关，并且主要与地下水中氧化还原条件及酸碱度有密切关系。在氧化环境和碱性条件下，Cr、V化合物在水中溶解度大，迁移能力强，本区Ⅰ₃环境单元及Ⅰ₁单元Cr、V 含量相对较高，高于I₂环境单元及中、深层地下水，而Co、Mo则在径流条件差、还原环境中富集，如I₂环境单元，背景值为0.000348mg/l，背景值为0.003736mg/l，背景较高。

（二）Cu、Pd、Zn、Cd环境背景值的形成

Cu、Pd、Zn、Cd等元素与硫的亲和力强，易形成复杂的硫化物，在强氧化条件下形成硫酸盐，这些硫酸盐通过溶液滤作用以离子形式进入地下水中，成为本区地下水中Cu、Pd、Zn、Cd的主要来源，受氧化还原环境、酸碱条件以地下水径流条件的影响，背景含量分布有所差异。

I₁微咸水环境单元地下水径流条件较差，有机质及腐酸质含量较高，为弱还原环境，易形成较稳定的络合物，使其溶解性增强，被吸附性减弱，地下水中含量较高。Cu、Pd、Zn、Cd的集中值分别为0.000233mg/l、0.0021mg/l，0.0013mg/l和0.000017mg/l，均高于其他环境单元，此外，Cu在氧化环境中，有机物被氧化析出后，可被高度分散的细小颗粒吸附，从而降低它在水中的吸附性，Zn随着矿化度的增大而增高，在弱氧化环境中易溶解和迁移；Cd由于地壳丰度较低，为0.2ppm，所以，地下水中背景甚低。

（三）Fe、Mn环境背景值的形成

Fe、Mn均为可变价的过渡元素，Fe与氧的亲和力大于Mn，可溶性Fe的稳定性不及Mn，在条件相同时，Fe^2＋比Mn^2＋的迁移能力弱，但由于Fe的地壳丰度（56300ppm）远远大于Mn(950ppm），所以，地下水中Fe^2＋仍高于Mn^2＋。

环境单元水交替条件较差，缺氧且含有机质、淤泥质，局部地下水位高，土层长期处在饱和状态，为低电位的弱还原环境，有机质产生大量CO₂和H₂S还原物质，使Fe₂O₃、MnO₂等高价锰、Fe化合物还原成低价的，从而使地下水中Fe^2＋、Mn^2＋含量增大。I₂环境单元Fe^2＋的含量为0.51～0.62mg/l，Mn^2＋含量为1.13～1.65mg/l，I₁、I₂单元为弱氧化环境，缺少粘较及淤泥质，故其Fe^2＋、Mn^2＋含量相对较低。

（四）As环境背景值的形成

As是自然界中较普遍存在的一种元素，本区地下水中As的迁移除了与含水介质、上覆土层的性质、有机质等有关外，主要受氧化还原条件和酸碱条件的影响。

浅层地下水、I₂微咸水环境单元为弱还原环境，pH 为7.4～7.9，呈弱碱性，该单元As含量多大于0.015mg/l，背景较高；而尉氏西部，为弱氧化环境，背景含量较低，一般小于0.0007mg/l。

（五）Hg环境背景值的形成

Hg是极分散的亲铜元素，为本区地下水中含量最小的元素，含Hg矿物。HgS在表生带较稳定，但在富含氧气、Fe^3＋等氧化带中，可使Hg进入地下水中，Hg与氯离子、有机质和其他阴离子可以形成具有不同稳定性的络离子，其中[HgCl₂]、[HgCl₄]^2﹣和Hg的有机质络合物在地下水中溶解度较大，且随Cl﹣增加而增高。H g的水解的pH值偏向碱性，所以Ⅰ₂环境单元，特别是兰考县许河、张君墓和杞县柿园、平城一带，Cl^－背景高达232.8mg/l，Hg的含量为0.000044～0.0001mg/l，高于其他地区。

（六）F环境背景值的形成

黄河冲积平原地下水中的F，主要来源于含水介质，因环境地质条件的差异，局部F背景较高，导致地方性氟中毒病的发生。

黄河冲积平原下游泛流带及低洼地区，颗粒细、水交替条件差，并有微咸水或盐碱土分布，如通许练城、尉氏朱曲等地，形成高F背景，F含量可达2.93～3.6mg/l。相反，在开封辛店、尉氏北部的黄河冲积上游，水交替条件较好，含水介质颗粒粗，F的背景较低。

F的含量与地下水中酸碱条件有关系，F含量随着pH值的增大而增高。另外，与水中矿化度及地下水化学类型也有一定关系。同时，F含量随着矿化度的增大而增高，水中F含量大于2.0mg/l者，多为苏打水。

（七）K^＋、N a^＋、Ca^2＋、Mg^2＋环境背景值的形成

K^＋、Na^＋、Ca^2＋、Mg^2＋都是地壳中分布广泛的元素，也是本地区地下水中主要阳离子。地下水中K^＋、Na^＋、Ca^2＋、Mg^2＋主要来自硅酸盐矿物的溶解。I₂环境单元，由于含水介质颗粒较细，含粘粒成分多，K^＋易被吸附，Na＋易进入水中。相反，I₁环境单元地下水中阳离子Ca^2＋、Mg^2＋占有优势。

（八）

I₂环境单元，

水中

地下水中Cl^﹣来源于无机物和有机物两种，Cl^﹣含量主要与水动力条件有关。I₁环境单元，水交替条件较好，Cl^﹣含量为7.3～25.9mg/l，I₂环境单元，水的交替条件较差、径流条件差，Cl^﹣含量为176～290.62mg/l，背景含量较高。