鲁西南地层—地下水系统中氟的迁移转化机理研究

背景地层是地下水巨大的氟源，是形成饮水型地方性氟中毒的物质基础，鉴于目前对氟在地层-地下水系统中的迁移转化机理研究相对薄弱，本项目选择鲁西南地方性氟中毒严重病区为研究区，运用水文地质学和环境地球化学的基本原理和方法，从岩-土-水系统出发，系统采集不同地质时代、不同岩性的岩土和地下水样品，研究氟在不同介质中的含量分布特征；通过典型地区的解剖，确定实验参数，精心设计室内模拟淋滤实验模型，揭示岩土组成、饱水性、浓度、酸碱度等各种因素对氟在地层-地下水系统中的迁移转化的影响；综合实地研究和室内实验两方面研究成果，运用已有溶质运移弥散模型，模拟氟污染物在地层-地下水系统中的迁移过程，建立氟在地层-地下水系统中的迁移数学模型。项目的研究成果有助于了解和探索氟等同类元素在地层-地下水系统中的行为特征和迁移转化规律，可为饮水型氟中毒区地氟病的防治提供科学依据。

本项目以鲁西南地区曹县为例，在大量野外调查、样品采集、分析测试、室内模拟分析等工作基础上，分析了鲁西南地氟病区水土环境中氟的含量、分布规律和赋存状态，探讨了氟在水-土环境中的迁移转化特征，基本完成了项目计划书所列研究内容。主要结论有：（1）研究区浅层地下水中氟含量超标率为52.08%，属于典型高氟水地区；高氟水主要分布在河槽地、缓平坡地、浅平洼地等地势平坦、地下水径流条件较差地区；研究区域地下水偏碱性，水化学类型以Na-HCO3型水为主，有利于氟在地下水中富集。（2）采集0-30m范围土层研究发现，土壤氟含量270~821mg/kg，水平方向上，土壤高氟区呈面状分布，高氟地下水区与高氟土壤区不对应；垂直方向上，土壤中氟含量与土壤质地明显相关，土壤中氟含量随粘粒含量的增大而增大；土壤中氟含量与水溶态氟、交换性阳离子、CaCO3含量、粘粒含量（<0.001mm）均呈显著正相关，与pH值呈显著负相关。（3）土壤中各形态氟所占比重差别极大，残余态氟所占比例最大，约为75%~90%，可交换态氟次之（约6%~18%），水溶态氟，有机束缚态氟及铁锰结合态氟含量相当（约1%~5%）；地下水中氟含量与土壤中水溶性氟含量相关，与土壤全氟含量关系不明显；土壤中氟的化学活动性受土壤质地影响，低氟水区土壤粘粒和总氟含量较高，但氟的化学活动性较弱，地下水中氟含量较低。（4）土壤中氟的吸附与解吸试验表明，土壤对氟的吸附量和解吸量随平衡浓度的增加而呈现增加趋势；粘土质土壤对氟的吸附量、解吸量都高于砂土质土壤；高氟水区土壤的低吸附量和高解吸量，造成地下水中氟含量偏高；Langmuir公式和Freundlich公式都能够较好地描述土壤对氟的吸附、解吸特性。（5）室内土柱试验表明氟离子在水—土系统中迁移过程复杂，受吸附和解吸作用的影响，表现在氟离子穿透曲线对称性不好，各测点浓度峰值沿程逐渐衰减，拖尾现象严重，用清水淋滤净化过程所需时间很长；氟离子在粘土土壤中向下迁移的过程中，由于受吸附作用影响，垂向迁移距离非常有限，因此粘质土壤中的氟很难直接垂向淋滤到地下水中，表现为表层土壤高氟含量地区和浅层地下水高氟含量地区分布是不对应的。