地学前缘 ›› 2025, Vol. 32 ›› Issue (4): 510-522.DOI: 10.13745/j.esf.sf.2024.6.37
黄诗雯1(), 夏绮文1, 何江涛1,*(
), 何宝南1, 陈翠柏1, 孙继朝2
收稿日期:
2024-01-31
修回日期:
2024-03-26
出版日期:
2025-07-25
发布日期:
2025-08-04
通信作者:
*何江涛(1974—),男,教授,主要研究方向为污染水文地质学。E-mail:作者简介:
黄诗雯(1999—),女,硕士,主要研究方向为水文地质与工程地质。E-mail:17302418319@163.com
基金资助:
HUANG Shiwen1(), XIA Qiwen1, HE Jiangtao1,*(
), HE Baonan1, CHEN Cuibai1, SUN Jichao2
Received:
2024-01-31
Revised:
2024-03-26
Online:
2025-07-25
Published:
2025-08-04
摘要:
本文以华北平原浅层地下水为研究对象,基于地下水系统分区和海侵历史,以及碘的浓度分布特征,划分出4个典型区域:海河平原地下水系统区(A)、海河平原地下水系统-海侵区(B)、古黄河下游地下水系统区(C)和古黄河下游地下水系统-海侵区(D)。总体而言,华北平原浅层地下水整体呈近中性-偏碱性,碘离子浓度分布具有明显的分带性,从山前地带到滨海区,地下水中碘离子浓度呈明显上升趋势,水化学类型也出现由低TDS的HCO3-Ca型水(A),到TDS高于1 g/L的HCO3-Na型水(C),再到TDS高于3 g/L的Cl-Na型水(B、D)。高碘地下水主要分布在B、C和D区,其碘离子浓度平均值分别为128.27、176.7和179.2 μg/L,且C和D区的中位数值均超过100 μg/L。针对3个高碘区域,筛选碘的影响因子,运用随机森林等方法初步探讨了研究区内高碘地下水的成因。结果显示: C区属于中TDS-高碘区,该区由于黄河多期泛滥沉积形成了复杂的黏土和砂土互层现象,地下水循环弱,碘离子的浓度与冲积湖沉积物中有机质、黏土矿物和铁氧化物含量有关,高碘地下水形成的主要作用为蒸发浓缩。D区为高TDS-高碘区,历史上发生的海侵事件使得大量的碘储存在沉积物中,为地下水中的碘提供了来源,有机质的生物降解作用是该区高碘地下水形成的主要驱动因素。B区属于高TDS-中碘区,历次海侵事件形成的海相沉积物同样是该地区含水层中碘的来源,九河下梢的淋滤作用使该区的碘浓度要略低于D区。
中图分类号:
黄诗雯, 夏绮文, 何江涛, 何宝南, 陈翠柏, 孙继朝. 华北平原浅层地下水碘的分区特征及成因研究[J]. 地学前缘, 2025, 32(4): 510-522.
HUANG Shiwen, XIA Qiwen, HE Jiangtao, HE Baonan, CHEN Cuibai, SUN Jichao. Study on zoning characteristics and genesis of iodine in shallow groundwater in North China Plain[J]. Earth Science Frontiers, 2025, 32(4): 510-522.
图3 浅层地下水碘浓度分布图(a)和碘离子浓度频数直方图(b)
Fig.3 Distribution map of iodine concentration in shallow groundwater (a) and iodine ion concentration frequency histogram (b)
图4 华北平原地下水系统划分(据文献[20])(a),海侵范围(据文献[29])(b),研究区4个区域划分(c)
Fig.4 Groundwater system division in North China Plain (adapted from [20]) (a), transgression range (adapted from [29]) (b), four regional divisions of the research area (c)
区域 | I- 浓度/(μg·L-1) | pH | TDS/(mg·L-1) | Eh/mV | 水化学类型 | |||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
均值 | 中位数 | 均值 | 中位数 | 均值 | 中位数 | 均值 | 中位数 | |||||
总流域 | 116.4 | 60 | 7.51 | 7.5 | 1 935 | 980.94 | 74.18 | 63 | HCO3-Ca | |||
(A) | 50.19 | 14 | 7.5 | 7.5 | 1 088 | 649.9 | 131.47 | 147.5 | HCO3-Ca | |||
(B) | 128.27 | 60 | 7.47 | 7.4 | 3 081 | 2 296.4 | 54.43 | 2.11 | Cl-Na | |||
(C) | 176.66 | 120 | 7.55 | 7.52 | 1 504 | 1 107.24 | 7.18 | -4.35 | HCO3-Na | |||
(D) | 179.2 | 100 | 7.39 | 7.3 | 7 570 | 3 278.59 | 87 | 42.7 | Cl-Na |
表1 华北平原浅层地下水水化学特征主要参数统计汇总
Table 1 Statistical summary of main parameters of hydrochemical characteristics of shallow groundwater in North China Plain
区域 | I- 浓度/(μg·L-1) | pH | TDS/(mg·L-1) | Eh/mV | 水化学类型 | |||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
均值 | 中位数 | 均值 | 中位数 | 均值 | 中位数 | 均值 | 中位数 | |||||
总流域 | 116.4 | 60 | 7.51 | 7.5 | 1 935 | 980.94 | 74.18 | 63 | HCO3-Ca | |||
(A) | 50.19 | 14 | 7.5 | 7.5 | 1 088 | 649.9 | 131.47 | 147.5 | HCO3-Ca | |||
(B) | 128.27 | 60 | 7.47 | 7.4 | 3 081 | 2 296.4 | 54.43 | 2.11 | Cl-Na | |||
(C) | 176.66 | 120 | 7.55 | 7.52 | 1 504 | 1 107.24 | 7.18 | -4.35 | HCO3-Na | |||
(D) | 179.2 | 100 | 7.39 | 7.3 | 7 570 | 3 278.59 | 87 | 42.7 | Cl-Na |
图5 各区浅层地下水主要水化学指标数值分布特征
Fig.5 Characteristics of the numerical distribution of the main hydrochemical indicators of shallow groundwater in each region
潜在影响因素 | 缩写 | 单位 | 对地下水碘离子浓度的影响 |
---|---|---|---|
溶解性总固体 | TDS | mg/L | 指示海侵事件形成的海相沉积物或蒸发浓缩作用[ |
地下水钠离子浓度 | Na+ | mg/L | 指示海侵事件形成的海相沉积物或蒸发浓缩作用[ |
地下水氯离子浓度 | Cl- | mg/L | 指示海侵事件形成的海相沉积物或蒸发浓缩作用[ |
地下水锰离子浓度 | Mn | mg/L | 指示地下水的氧化还原环境[ |
地下水铁浓度 | Fe | mg/L | 还原环境条件下沉积物中的铁氧化物溶解促进了碘的释放[ |
地下水硝氮浓度 | mg/L | 指示水环境氧化还原条件的特征指标[ | |
地下水镁离子浓度 | Mg2+ | mg/L | 指示水-岩相互作用中岩石矿物的风化溶解[ |
地下水钙离子浓度 | Ca2+ | mg/L | 指示阳离子交换吸附作用等水化学作用[ |
地下水硫酸根浓度 | mg/L | 指示氧化还原反应[ | |
地下水重碳酸根浓度 | mg/L | 有机质生物降解过程伴随着 | |
地下水pH值 | WpH | — | 指示地下水环境的酸碱性[ |
氧化还原电位 | Eh | mV | 指示地下水的氧化还原环境[ |
采样点到渤海的距离 | DisB | m | 指示受海侵的影响[ |
年平均蒸发量 | EVP | mm | 指示蒸发浓缩作用[ |
年平均降雨量 | PRE | mm | 指示淋滤作用[ |
表2 15个潜在影响因素及其对高碘地下水的影响
Table 2 15 potential influencing factors and their impact on high iodine groundwater
潜在影响因素 | 缩写 | 单位 | 对地下水碘离子浓度的影响 |
---|---|---|---|
溶解性总固体 | TDS | mg/L | 指示海侵事件形成的海相沉积物或蒸发浓缩作用[ |
地下水钠离子浓度 | Na+ | mg/L | 指示海侵事件形成的海相沉积物或蒸发浓缩作用[ |
地下水氯离子浓度 | Cl- | mg/L | 指示海侵事件形成的海相沉积物或蒸发浓缩作用[ |
地下水锰离子浓度 | Mn | mg/L | 指示地下水的氧化还原环境[ |
地下水铁浓度 | Fe | mg/L | 还原环境条件下沉积物中的铁氧化物溶解促进了碘的释放[ |
地下水硝氮浓度 | mg/L | 指示水环境氧化还原条件的特征指标[ | |
地下水镁离子浓度 | Mg2+ | mg/L | 指示水-岩相互作用中岩石矿物的风化溶解[ |
地下水钙离子浓度 | Ca2+ | mg/L | 指示阳离子交换吸附作用等水化学作用[ |
地下水硫酸根浓度 | mg/L | 指示氧化还原反应[ | |
地下水重碳酸根浓度 | mg/L | 有机质生物降解过程伴随着 | |
地下水pH值 | WpH | — | 指示地下水环境的酸碱性[ |
氧化还原电位 | Eh | mV | 指示地下水的氧化还原环境[ |
采样点到渤海的距离 | DisB | m | 指示受海侵的影响[ |
年平均蒸发量 | EVP | mm | 指示蒸发浓缩作用[ |
年平均降雨量 | PRE | mm | 指示淋滤作用[ |
图7 观测和预测I-浓度(采用对数形式)(a)和不同区域特征重要性结果(b)
Fig.7 Observations and predictions of I-concentration (in logarithmic form) (a) and results of importance of different regional features (b)
图8 Gibbs图分析C区低(a)、中(b)、高(c)碘地下水水化学作用
Fig.8 Gibbs plot analysis of low (a), medium (b), and high (c) iodine groundwater hydrochemical interactions in Zone C
[1] |
何宝南, 何江涛, 孙继朝, 等. 区域地下水污染综合评价研究现状与建议[J]. 地学前缘, 2022, 29(3): 51-63.
DOI |
[2] | 韩云波, 唐当柱. 我国全民补碘的现况[J]. 职业与健康, 2020, 36(8): 1142-1145, 1149. |
[3] | 国家质量监督检验检疫总局, 中国国家标准化管理委员会. 水源性高碘地区和高碘病区的划定: GB/T 19380—2016[S]. 北京: 中国标准出版社, 2016. |
[4] | TOGO Y S, TAKAHASHI Y, AMANO Y, et al. Age and speciation of iodine in groundwater and mudstones of theHoronobe area, Hokkaido, Japan: implications for the origin and migration of iodine during basin evolution[J]. Geochimica et Cosmochimica Acta, 2016, 191: 165-186. |
[5] | FERNANDA Á, REICH M, PÉREZ-FODICH A, et al. Sources, sinks and long-term cycling of iodine in the hyperarid Atacama continental margin[J]. Geochimica et Cosmochimica Acta, 2015, 161: 50-70. |
[6] | VOUTCHKOVA D D, ERNSTSEN V, KRISTIANSEN S M, et al. Iodine in major Danish aquifers[J]. Environmental Earth Sciences, 2017, 76(13): 447. |
[7] | 薛肖斌, 李俊霞, 钱坤, 等. 华北平原原生富碘地下水系统中碘的迁移富集规律: 以石家庄—衡水—沧州剖面为例[J]. 地球科学, 2018, 43(3): 910-921. |
[8] | 吴飞, 王曾祺, 童秀娟, 等. 我国典型地区浅层高碘地下水分布特征及其赋存环境[J]. 水资源与水工程学报, 2017, 28(2): 99-104. |
[9] | 王妍妍, 马腾, 董一慧, 等. 内陆盆地区高碘地下水的成因分析: 以内蒙古河套平原杭锦后旗为例[J]. 地学前缘, 2014, 21(4): 66-73. |
[10] | 吕晓立, 刘景涛, 韩占涛, 等. 快速城镇化三角洲地区高碘地下水赋存特征及驱动因素: 以珠江三角洲为例[J]. 环境科学, 2022, 43(1): 339-348. |
[11] | TANG Q F, XU Q, ZHANG F C, et al. Geochemistry of iodine-rich groundwater in the Taiyuan basin of central Shanxi Province, North China[J]. Journal of Geochemical Exploration, 2013, 135: 117-123. |
[12] | CENDÓN D I, HUGHES C E, HARRISON J J, et al. Identification of sources and processes in a low-level radioactive waste site adjacent to landfills: groundwater hydrogeochemistry and isotopes[J]. Australian Journal of Earth Sciences, 2015, 62(1): 123-141. |
[13] |
王焰新, 李俊霞, 谢先军. 高碘地下水成因与分布规律研究[J]. 地学前缘, 2022, 29(3): 1-10.
DOI |
[14] | ZHANG E Y, WANG YY, QIAN Y, et al. Iodine in groundwater of the North China Plain: spatial patterns and hydrogeochemical processes of enrichment[J]. Journal of Geochemical Exploration, 2013, 135: 40-53. |
[15] | 张二勇, 张福存, 钱永, 等. 中国典型地区高碘地下水分布特征及启示[J]. 中国地质, 2010, 37(3): 797-802. |
[16] | ZHANG Y J, CHEN L N, CAO S W, et al. Iodine enrichment and the underlying mechanism in deep groundwater in the Cangzhou Region, North China[J]. Environmental Science and Pollution Research, 2021, 28(9): 10552-10563. |
[17] | 薛肖斌. 海侵和过量抽水影响下滨海平原高碘地下水形成与演化[D]. 武汉: 中国地质大学(武汉), 2021. |
[18] |
CHEN Z Y, NIE Z L, ZHANG Z J, et al. Isotopes and sustainability of ground water resources, North China Plain[J]. Groundwater, 2005, 43(4): 485-493.
PMID |
[19] | WANG S Q, TANG C Y, SONG X F, et al. Factors contributing to nitrate contamination in a groundwater recharge area of the North China Plain[J]. Hydrological Processes, 2016, 30(13): 2271-2285. |
[20] | 张兆吉, 费宇红, 陈宗宇, 等. 华北平原地下水可持续利用调查评价[M]. 北京: 地质出版社, 2009. |
[21] | 曹国亮. 华北平原地下水系统变化规律研究[D]. 北京: 中国地质大学(北京), 2013. |
[22] | 孟素花. 华北平原地下水脆弱性及污染防治区划研究[D]. 北京: 中国地质科学院, 2011. |
[23] | HAN D M, CURRELL M J, GUO H M. Controls on distributions of sulphate, fluoride, and salinity in aquitard porewater from the North China Plain: long-term implications for groundwater quality[J]. Journal of Hydrology, 2021, 603: 126828. |
[24] | 邢丽娜. 华北平原典型剖面上地下水化学特征和水文地球化学过程[D]. 北京: 中国地质大学(北京), 2012. |
[25] | 中国地质调查局. 地下水污染地质调查评价规范: DD 2008—01[S]. 北京: 中国地质调查局, 2008. |
[26] | JEVŠENAK J, SKUDNIK M. A random forest model for basal area increment predictionsfrom national forest inventory data[J]. Forest Ecology and Management, 2021, 479: 118601. |
[27] | KOCH J, BERGER H, HENRIKSEN H J, et al. Modelling of the shallow water table at high spatial resolution using random forests[J]. Hydrology and Earth System Sciences, 2019, 23(11): 4603-4619. |
[28] | WANG Z R, TIAN X, WU X. Hydrochemical characteristics and quality assessment of shallow groundwater and CBM co-produced water in the Shizhuangnan block, Qinshui Basin, China[J]. Environmental Earth Sciences, 2018, 77(3): 57. |
[29] | LIN J X, DAI L P. Quaternary marine transgressions in Eastern China[J]. Journal of Palaeogeography, 2012, 1(2): 105-125. |
[30] | MA R, SHI J S, LIU J C, et al. Combined use of multivariate statistical analysis and hydrochemical analysis for groundwater quality evolution: a case study in north chain plain[J]. Journal of Earth Science, 2014, 25(3): 587-597. |
[31] | 吴世汉, 邢光熹. 我国主要土壤类型中溴和碘的分布特性[J]. 土壤, 1996, 28(1): 21-23. |
[32] | XIA Q W, HE J T, HE B N, et al. Effect and genesis of soil nitrogen loading and hydrogeological conditions on the distribution of shallow groundwater nitrogen pollution in the North China Plain[J]. Water Research, 2023, 243: 120346. |
[33] | ZOU H, HE J T, CHU Y J, et al. Revealing discrepancies and drivers in the impact of lomefloxacin on groundwater denitrification throughout microbial community growth and succession[J]. Journal of Hazardous Materials, 2024, 465: 133139. |
[34] | FENG F, JIA Y F, YANG Y, et al. Hydrogeochemical and statistical analysis of high fluoride groundwater in northern China[J]. Environmental Science and Pollution Research, 2020, 27(28): 34840-34861. |
[35] | DUAN L, WANG W K, SUN Y B, et al. Iodine in groundwater of the Guanzhong basin, China: sources and hydrogeochemical controls on its distribution[J]. Environmental Earth Sciences, 2016, 75(11): 970. |
[36] | LI J X, WANG Y X, GUO W, et al. Iodine mobilization in groundwater system at Datong basin, China: evidence from hydrochemistry and fluorescence characteristics[J]. Science of the Total Environment, 2014, 468: 738-745. |
[37] | 徐清, 刘晓端, 汤奇峰, 等. 山西晋中地区地下水高碘的地球化学特征研究[J]. 中国地质, 2010, 37(3): 809-815. |
[38] | 雷米, 周金龙, 范薇, 等. 新疆阿克苏平原区地下水水化学演化特征[J]. 地球与环境, 2020, 48(5): 602-611. |
[39] | 周海玲, 苏春利, 李俊霞. 地表灌溉对沉积含水层中碘迁移释放过程的影响[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2018, 48(6): 1810-1820. |
[40] | 罗义鹏, 邓娅敏, 杜尧, 等. 长江中游故道区高碘地下水分布与形成机理[J]. 地球科学, 2022, 47(2): 662-673. |
[41] | 钱会, 马致远. 水文地球化学[M]. 北京: 地质出版社, 2005. |
[42] |
GIBBS R J. Mechanisms controlling world water chemistry[J]. Science, 1970, 170(3962): 1088-1090.
DOI PMID |
[43] | 张旭平, 田洪梅. 黄河下游河道变迁的历史考察[J]. 中学历史教学参考, 2003(6): 24-26. |
[44] | 董龙凯. 近代山东黄河水患与人口迁移的时空变化[J]. 学术研究, 2016(6): 126-134, 178. |
[45] | 赵振宏, 田文法. 沧州市浅层高碘地下水成因及分布规律的初步探讨[J]. 水文地质工程地质, 1988, 15(6): 44-47. |
[46] | 李彤. 天津查氏园林文人雅集及其环境研究[D]. 天津: 天津大学, 2021. |
[47] | 李广凤. 静海区休闲渔业发展现状及对策[J]. 现代农村科技, 2022(8): 107-108. |
[1] | 黄毅, 董璇, 马志远, 田西昭, 朱帅, 朱云. 华北地区典型城市水体中内分泌干扰物酚类化合物赋存特征及风险评价[J]. 地学前缘, 2025, 32(4): 353-362. |
[2] | 徐东辉, 黎涛, 林艳竹, 陈添斐. 基于关联性监测指标的辽东湾地下水硝酸盐源解析[J]. 地学前缘, 2025, 32(4): 376-387. |
[3] | 秦阳, 刘池洋, 彭光荣, 黄雷, 李洪博, 梁超, 吴哲, 杨丽华. 珠江口盆地云开低凸起形成演化及构造分区作用[J]. 地学前缘, 2025, 32(4): 422-443. |
[4] | 张学航, 何宝南, 何江涛, 马硕, 刘菲, 杨珊珊, 史芫芫, 何炜, 杨白驹. 永定河回补区地下水污染风险演化研究[J]. 地学前缘, 2025, 32(4): 523-536. |
[5] | 谌宏伟, 朱智超, 李正最, 喻娓厚, 周慧, 于莎莎, 彭向训. 极端气候下洞庭湖河水-地下水相互作用:以资江洞庭湖河段为例[J]. 地学前缘, 2025, 32(2): 445-455. |
[6] | 褚宴佳, 何宝南, 陈珍, 何江涛. 基于随机森林模型识别浅层地下水TDS异常的方法研究[J]. 地学前缘, 2025, 32(2): 456-468. |
[7] | 王威, 程行, 高旭波, 田振环, 刘春华, 武占辉, 李成城, 孔淑琼. 黄河三角洲地区地下水水质成因研究:以山东省东营市孤岛镇为例[J]. 地学前缘, 2025, 32(2): 469-483. |
[8] | 钟林健, 郭朝晖, 谢慧民, 黄驰岳, 高梓伦, 梁学超, 徐锐. 地下水位对尾矿中重金属释放及其在土壤中吸附的影响研究[J]. 地学前缘, 2025, 32(2): 484-494. |
[9] | 欧阳恺皋, 蒋小伟, 杜亚楠, 张志远, 韩鹏飞, 吴业楠, 王旭升. 华北“23·7”强降雨事件对不同埋深地下水的补给机理:以雄安新区为例[J]. 地学前缘, 2025, 32(1): 432-439. |
[10] | 王婉丽, 段雅娟, 张薇, 朱喜, 马峰, 王贵玲. 基于管控单元的城市尺度浅层地热能开发控制因素及指引导则:以雄安新区起步区为例[J]. 地学前缘, 2024, 31(6): 158-172. |
[11] | 何佳汇, 毛海如, 薛洋, 廖福, 高柏, 饶志, 杨扬, 刘媛媛, 王广才. 赣抚平原东北部地下水硝酸盐浓度变化特征及成因[J]. 地学前缘, 2024, 31(3): 360-370. |
[12] | 付宇, 曹文庚, 张春菊, 翟文华, 任宇, 南天, 李泽岩. 基于集成学习优化的河套盆地地下水砷风险评估[J]. 地学前缘, 2024, 31(3): 371-380. |
[13] | 杨冰, 孟童, 郭华明, 连国玺, 陈帅瑶, 杨曦. 基于Kd的某酸法地浸铀矿山地下水铀运移模拟[J]. 地学前缘, 2024, 31(3): 381-391. |
[14] | 谌宏伟, 杨瑶, 黄荷, 周慧, 彭向训, 于莎莎, 喻娓厚, 李正最, 王赵国. 基于氡同位素示踪的洞庭湖区枯水期湖水与地下水交互作用研究[J]. 地学前缘, 2024, 31(2): 423-434. |
[15] | 吕良华, 乔文静, 张晗, 叶淑君, 吴吉春, 王水, 蒋建东. 脱卤杆菌介导的厌氧微生物富集菌群对1,2,4-三氯苯的降解特性[J]. 地学前缘, 2024, 31(2): 472-480. |
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