吉兰泰沙漠盆地地下水环境特征及高氟区饮用水安全风险控制

摘要

我国西北干旱荒漠区,具有山地和盆地相间分布的特殊地理空间格局。高山峻岭环绕的沙漠盆地地下水资源比较丰富,盆地中绿洲农牧业发展条件优越,人口相对密集,另一方面,干旱气候环境下复杂多变的地下水系统造成地下水氟离子富集和盐分的积累,地下水氟中毒性疾病已经成为了西北沙漠盆地区分布范围最广,危害程度最大的一种地域性病症。
　　以内蒙古自治区阿拉善高原东南边缘的吉兰泰沙漠盆地作为研究区,将吉兰泰盆地划分为乌兰布和沙漠牧区、查哈尔滩沙漠绿洲农业区、吉兰泰盐湖工业区三个地下水环境功能区,采用野外调查与现场、室内实验结合的研究手段,综合各交叉学科的理论与方法,对吉兰泰沙漠盆地地下水环境演化,氟富集、迁移规律、行为特征及氟环境健康风险评价进行了深入研究;以结晶动力学的冰冻降氟理论为指导,通过冰冻试验研究了冰冻温度、冰冻时间对降氟效果的影响及高氟高矿化劣质水降氟脱盐规律;采用自动化控制技术,研制了适用于西北沙漠地区的冰冻降氟设备。研究的目的在于解决沙漠盆地地下水氟地球化学理论和降氟技术等方面一些关键科学难题,从而为吉兰泰农牧区科学用水、保护和改良水质提供理论和应用基础,为其它西北沙漠类似地区地下水环境演化研究及高氟劣水改良提供借鉴与参考。主要研究成果与结论如下:
　　(1)阿拉善盟境内的吉兰泰沙漠盆地是一个沿北东-西南向展布的断陷盆地,其地下水系统由基岩山区、山前倾斜平原、古湖积平原及沙漠带四个次级地下水系统组成。贺兰山、巴音乌拉山和淖尔套台融雪和降水及黄河侧向补给是区域地下水和地表盐湖的主要补给来源。地下水主要流向为由盆地边缘指向盆地中心。第四系承压水在向盆地中心运移的过程中,部分以越流的形式补给上覆潜水含水层。吉兰泰镇工业用水井的和查哈尔滩农业灌溉井的地下水超量开采是区域地下水环境恶化的主要原因。
　　(2)吉兰泰沙漠盆地地下水位动态特征表现为:由盆地边缘到湖盆内部潜水埋深逐渐变浅,变化范围为0.23~9.47m。查哈尔滩绿洲灌区潜水年下降0.27m~0.45m;吉兰工业区承压水位年下降值为0.2~0.4m,潜水年下降0.2m,盐湖自流泉消失,沙漠腹地潜水年下降0.12m。吉兰泰工业区和查哈尔滩绿洲等工农业用水增加是地下水位逐年下降的主要原因,从而造成沙漠盐湖高矿化地下水向绿洲灌区方向入侵。
　　(3)吉兰泰沙漠盆地地下水水化学类型分布沿地下水径流方向有明显的分带性,反映地下水从补给区→径流区→排泄区,水质由好变差的一般演变规律;潜水的矿化度和氟离子含量也符合从补给区到径流区再到排泄区逐渐增大的规律;60.5％的地区潜水中氟离子含量超过饮用水标准,严重影响着当地居民的健康。此外,承压水中氟离子含量明显高于潜水。
　　(4)查哈尔滩绿洲水化学场总体向盐化和碱化以及地下水化学类型趋于复杂化、水质变差的方向演化,表现为 Ca2+、Mg2+离子基本达到饱和,HCO3-虽有增加,但相对含量在减少,Na+、SO42-、Cl-和 F-离子含量显著增加,水井的硝酸盐含量和盐碱度也呈上升趋势。由于大规模的采盐和常年的人工补水,吉兰泰盐湖晶间卤水的 Na+、Mg2+和Cl-等离子浓度的变化呈下降趋势。
　　(5)潜水的氟离子含量具有从山前补给区到径流区再到沙漠盆地中心排泄区逐渐增大的分带性总体规律。在局部地段,受微地貌和水动力条件控制,高氟区分布着氟含量低的安全岛:沙漠盆地中心次级小盐湖区地下水氟离子呈环形岛状分布,高氟区内出现沙丘低氟环;沿古河道分布着条带形岛状低氟区。
　　(6)山区基岩及沙漠风沙土是吉兰泰沙漠盆地潜水中氟的主要来源,大陆性干旱气候和沙漠盆地封闭式地下水系统是形成高氟环境的根本条件。在地形地貌及地下水径流、潜水埋深、毛细上升高度等各种环境因素的影响下,人类水事活动改变了氟富集、迁移过程和行为特征。地下水氟离子含量与(K++Na+)/(Ca2++Mg2+)比值呈正相关关系,与pH值没有明显的正负相关关系,而与矿化度之间关系复杂,并不严格体现正相关性关系。同一矿化度水平下,硬度越高,Ca2+含量越大,F-含量越小。
　　(7)借鉴地质灾害风险评价理论,建立了地下水氟环境质量分区评价模型:Fi=αWi+βSi,选取降水量、地形、地下水位埋深、含水层岩性、(K++Na+)/(Ca2++Mg2+)比值、蒸发量六个危险性评价因子,及人口密度、16岁以下人口比率、56岁以上人口比率三个易损性评价因子,在 ARCGIS9.3[TM]软件平台上应用信息量法和层次分析法实现了研究区地下水氟环境质量分区。在氟的环境质量分区基础上,以污染因子的非致癌风险指数作为参考值进行了氟的水质健康风险评价。高风险区位于湖盆中心和巴彦乌拉山北侧山前,面积3587.23km2,占研究区面积的30.7%,地下水中氟离子含量超标严重。
　　(8)以结晶动力学理论和分子扩散理论为基础,建立氟离子迁移规律的微观数学模型,晶体生长速度参数、氟离子扩散速率,冰冻降氟过程中结晶排斥作用是冰冻降氟结晶关键技术参数,而冰中的氟离子含量决定于原溶液的浓度、冰冻温度、结冰率和冰冻历程。以人工制冷系统为模拟自然冰冻环境,以自配高氟水、高盐度水为基本水样,进行多组平行冰冻降氟实验。总结出不同冷冻温度、时间和不同浓度溶液等各种冷冻条件与降氟效果之间的影响规律。
　　(9)野外现场采集5个潜水高氟或高矿化劣质水井样,冰冻降氟验证性实验表明:冰冻法对降氟和脱盐均有明显效果,天然水样的复杂性和高矿化度会使降氟率进一步下降。高氟高矿化度水样在一次冰冻实验的情况下,一次性降氟和脱盐后,达不到饮用水标准。
　　(10)根据降氟脱盐率、冰冻温度、氟浓度等关键技术参数,充分利用西北内陆的天然冷能资源,设计出低温室外自动制冰降氟设备和通用室内自动饮用水降氟设备。这两套设备可实现将高氟劣质水冰冻降氟脱盐,水质达到了饮用水标准。

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第一章 绪论

1.1 选题背景及研究意义

1.2 国内外研究现状

1.3 研究内容

1.4 技术路线

第二章 吉兰泰盆地自然环境及地下水系统

2.1 西北沙漠盆地概述

2.2 研究区自然地理环境

2.3 研究区地质环境

2.4 研究区水文地质环境

2.5 人类水事活动对地下水环境的影响

2.6 本章小结

第三章 研究区地下水环境特征

3.1 地下水动态特征

3.2 地下水化学环境特征

3.3 本章小结

第四章 研究区地下水氟地球化学行为过程

4.1 样品采集与测定

4.2 氟的空间分布特征和规律

4.3 氟的富集、迁移及行为特征

4.4 本章小结

第五章 基于 GIS 的地下水氟的环境质量分区和健康风险评价

5.1 地下水氟与人类健康

5.2 基于 GIS 的氟环境质量分区评价

5.3 氟的环境质量分区评价指标体系

5.4 基于 GIS 的氟环境质量分区评价的实现

5.5 地下水氟的水质健康风险评价

5.6 本章小结

第六章 牧区饮用水冰冻降氟的实验与实践

6.1 冰冻分离技术概况

6.2 基于结晶动力学的冰冻降氟理论研究

6.3 冰冻降氟实验研究

6.4 冰冻降氟影响因素分析

6.5 本章小结

第七章 牧区高氟劣质水冰冻验证性实验及冰冻降氟技术设计方案

7.1 牧区高氟劣质水冰冻验证性实验

7.2 牧区高氟劣质水冰冻降氟技术设计方案

7.3 本章小结

结论与建议

8.1 主要研究结论

8.2 创新之处

8.3 建议

参考文献

附表

攻读学位期间取得的研究成果

致谢