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作为“丝绸之路经济带核心区”的新疆石河子地区，是我国西北干旱内陆典型的水质型缺水地区之一。该地区农垦开发力度大，畜牧养殖业、农产品及食品加工制造业相对发达，地下水资源是该地区的主要水源[1]。依据我国《GB/T 14848-2017地下水质量标准》中的Ⅲ类水标准，地下水As >10 μg·L−1为高砷地下水，地下水I− >80 μg·L−1为高碘地下水。新疆平原区高砷（As）、高碘（I）地下水主要分布于环塔里木盆地绿洲带和准噶尔盆地南缘[2-4]，部分地区存在鲜有报道的地下水砷碘共同超标的现象（此处定义为“砷碘共富集”），严重影响当地的饮水安全，威胁人体健康并制约当地经济社会的发展，但其形成机理尚未完全查明。
新疆是我国典型的干旱内陆盆地高As地下水分布地区，北部准噶尔盆地的高As地下水影响面积达1200 km2[5]，其中，准噶尔盆地南部的乌苏市车排子镇[6]和石河子地区北部均为高As地下水分布地区[3].
高I−地下水主要分布于包括新疆在内的干旱半干旱内陆盆地区、冲洪积平原区和沿海地区[7—9]。地下水I−的富集主要受其赋存与沉积环境、径流条件、气候以及人类活动影响[10-12]。新疆准噶尔盆地北部的阿勒泰地区西部和准噶尔盆地南部的石河子地区北部均为高I−地下水分布地区。
目前，全球广泛开展的高As或高I−地下水研究[13]，多侧重As或I−的单指标分析，而对于高I−地区伴生高As地下水环境问题研究相对较少[14]。仅在内蒙古河套盆地和山西大同盆地开展砷碘共富集的研究，结果显示，地下水As、I−具有相似的富集机制[15-16]。本文基于2014年新疆石河子地区地下水污染调查（1∶250000），对地下水As、I−的分布规律及其共富集成因进行分析研究。
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石河子地区（84°58′—86°24′ E，43°26′—45°20′ N）位于新疆北部，天山北麓中段，准噶尔盆地南缘，北临古尔班通古特大沙漠，东以玛纳斯河为界，西至沙湾县[17]。石河子地区是新疆天山北坡经济带的中心区域，区域总面积7529 km2。该区地形总体由南向北倾斜，平均海拔450.8 m，年降水量180—270 mm，年蒸发量1000—1500 mm，属大陆性荒漠干旱气候，降水量由南向北递减，而蒸发量由南向北递增[18-19]。
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研究区南北向水文地质剖面图如图1所示。312国道以南的山前带是由巨厚的卵石和砾石组成的单一结构潜水含水层，结构松散，孔隙发育，透水性好，潜水埋深15—150 m。在单一结构潜水含水层北部（312国道以北），分布着多层结构潜水-承压含水层，承压含水层上部由卵砾石层组成，下部由砾石、砂砾石或砂层组成，承压水位埋深5—150 m[19-20]。依据水利部《全国水资源综合规划细则》，承压水按井深划分为浅层承压水（井深<100 m）和深层承压水（井深>100 m）。研究区单一结构潜水含水层分布区地下水补给来源主要有地表水渗漏、农田灌溉水入渗和降水入渗补给，地下水排泄方式主要为侧向径流和人工开采；多层结构潜水-承压含水层地下水补给来源主要为侧向径流补给、地表水渗漏、农田灌溉水入渗和降水入渗补给，地下水排泄方式主要为人工开采、侧向流出和蒸发蒸腾；地下水径流条件与所处含水介质岩性有关，自南向北含水层介质粒径减小，透水性降低，径流条件变差 [21-22]。依据《第八师石河子市地下水利用与保护规划（1∶100000）》（新疆生产建设兵团勘测规划设计研究院，2012年11月）“潜水埋深及水位等值线图”，取潜水蒸发极限埋深为5 m，将研究区划分为补给区（单一结构潜水区）、径流区（潜水埋深>5 m的多层结构潜水-承压水含水层分布区）和排泄区（潜水埋深≤5 m的多层结构潜水-承压水含水层分布区）（图2）。
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地下水采样点分布于石河子地区平原区（图2和表1），地下水采样点控制面积为760.0 km2，依据《区域地下水污染调查评价规范（DZT0288-2015）》 “平原区（或盆地）监测点密度≥3.0 眼井/100 km2”的要求，按照“城区密集、农村稀疏；污染区密集，非污染区稀疏”的原则采集地下水样品。2014年8月共采集地下水样品23组（潜水5组，浅层承压水6组，深层承压水12组），地下水取样井深18—200 m，采样点密度为3.03眼井/100 km2，符合《区域地下水污染调查评价规范（DZT0288—2015）》要求；依据《水环境监测规范（SL 219—2013）》采集地表水样，地表水采样点主要分布于石河子市南部的玛纳斯河上游和沙湾县西南部的水库泄洪道，于2014年8月共采集地表水样品共4组。地下水和地表水水样严格按照《地下水环境监测技术规范( HL/T 164—2004) 》，现场用 0.45 μm的微孔滤膜过滤，去除悬浮物，之后分别加入相应的保护剂，不留气泡盖紧，用封口膜密封，4℃冷藏保存并送检。
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地下水和地表水水样测试均由中国地质科学院水文地质环境地质研究所矿泉水检测中心完成，检测项目的选择依据《地下水环境监测技术规范》(HL/T 164-2004)。现场测定水温、氧化还原电位（Eh）、pH值、电导率（EC）、溶解氧（DO）等5项指标。总As采用AFS-930原子荧光分光光度计测定，检测下限为0.5 μg·L−1；
${\rm{HCO}}_3^{-} $ 采用盐酸滴定法测定；总硬度（TH）采用乙二胺四乙酸二钠滴定法测定；溶解性总固体（TDS）采用干燥—重量法测定；I−、K+、Na+、Ca2+、Mg2+、${\rm{NH}}_4^{+} $ 、Cl−、${\rm{SO}}_4^{2-} $ 、${\rm{CO}}_3^{2-} $ 、${\rm{NO}}_3^{-} $ 、${\rm{NO}}_2^{-} $ 、F−等主要的无机指标采用iCAP6300电感耦合等离子体发射光谱仪测定，其中，I−的检测下限为5.0 μg·L−1；Fe采用PinAAcle-900Z单石墨炉原子吸收分光光度计测定，检测下限为0.01 mg·L−1。 -
研究区23组水样的水化学特征见图3a，补给区地下水水化学类型以HCO3·SO4-Ca·Mg型为主，径流区地下水水化学类型以HCO3·SO4-Na·Ca型为主，排泄区地下水水化学类型以HCO3·SO4·Cl-Na·Ca型为主；研究区地表水化学类型主要以HCO3·SO4-Ca型为主。
根据地下水As、I−浓度对地下水进行水化学类型分类（图3b）。As、I−浓度均未超标的地下水化学类型主要为HCO3·SO4-Ca·Na型；As、I−浓度至少有1项超标的地下水化学类型主要为SO4·Cl-Na型。
研究区地下水pH 值范围为7.45—9.30，中位值8.35，大于石河子地区pH背景值7.85[24]，整体呈弱碱-碱性，自补给区（中位值8.10）至径流区（中位值8.26）再至排泄区（中位值8.87）pH增大，地下水环境碱性增强。地下水DO范围为0.85—9.70 mg·L−1，中位值5.30 mg·L−1。地下水Eh范围为−0.4—194.1 mV，中位值76.8 mV，指示地下水整体处于还原环境，自补给区（中位值128.8 mV）至径流区（中位值82.3 mV）再至排泄区（中位值16.7 mV）Eh降低，地下水环境还原性增强。地下水TDS范围为130—993.0 mg·L−1，中位值236.0 mg·L−1，近似于石河子地区承压水背景值（221.5 mg·L−1）[24]，自补给区（中位值220.0 mg·L−1）至径流区和排泄区（中位值分别为274.5 mg·L−1和265.0 mg·L−1）TDS升高，指示了蒸发排泄作用增强。此外，反映地下水动力特性的γCa2+/γCl−比值范围为0.12—8.61，中位值1.72，自补给区（中位值3.25）和径流区（中位值3.83）至排泄区（中位值0.51）γCa2+/γCl−比值减小，指示地下水流动条件变差。
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地下水As浓度范围为<0.5—49.1 μg·L−1，中位值为6.50 μg·L−1（除去2个小于检出限的点中位值为12.55 μg·L−1），平均值为12.44 μg·L−1，超过生活饮用水标准（10.0 μg·L−1）。研究区地下水As点位超标率43.48%，分布面积276.7 km2。
高As地下水具有较大的pH值（中位值8.95）和较小的Eh值（中位值14.6 mV），指示了地下水处于较强的碱性和还原环境；高As地下水具有较低的
${\rm{NO}}_3^{-} $ 质量浓度（中位值<0.20 mg·L−1）和较低的${\rm{SO}}_4^{2-} $ 质量浓度（中位值55.0 mg·L−1）以及中等的Fe2+质量浓度（中位值0.13 mg·L−1）。其中，Fe2+浓度部分较高，也有部分较低，说明地下水处于由氧化环境逐步向弱还原环境演化的状态，并未充分达到强还原环境，但整体上以${\rm{SO}}_4^{2-} $ 和Fe2+还原为主。综上，初步说明地下水As浓度受控于地下水系统的氧化还原条件，处于还原环境的地下水中As易于富集，地下水As富集迁移相关的氧化还原敏感组分主要为Fe2+和${\rm{SO}}_4^{2-} $ 。（1）地下水砷的平面分布特征
研究区内，地下水中的As 呈现了较强的分带性。自补给区（中位值1.60 μg·L−1）至径流区（中位值2.75 μg·L−1）再至排泄区（中位值14.0 μg·L−1）地下水As浓度显著升高（图4）。
靠近南部山区的地下水补给区和山前冲洪积平原（石河子市区）的地下水径流区的地下水流动条件好、蒸发排泄作用相对较小、地下水As含量较低，高As地下水主要分布在研究区北部的冲洪积平原排泄区（图5），地下水径流滞缓，蒸发作用强烈，地下水环境碱性和还原性均较强。
（2） 地下水砷的垂向分布特征
研究区地下水分别取自井深18—300 m的潜水和承压水，主要为井深200 m的承压水。其中，潜水As浓度无超标，平均值为1.90 μg·L−1，中位值为1.60 μg·L−1，接近石河子地区潜水As背景值（1.73 μg·L−1）[24]；承压水点位超标率55.56%，其中，浅层承压水超标率33.33%，作为该区农村居民主要饮用水水源的深层承压水超标率66.67%。承压水As浓度平均值为15.36 μg·L−1，中位值为11.70 μg·L−1，超过石河子地区承压水As背景值（5.60 μg·L−1）[24]和生活饮用水标准（10.0 μg·L−1）。
在150 m深度的承压含水层岩性上部一般为砾石、砂砾石或砂层，150—300 m深度内承压含水层岩性主要为砂砾石夹中粗砂和细砂[25]。综上，研究区高As地下水主要分布在北部靠近沙漠的冲洪积平原排泄区的深层承压含水层中，含水层岩性主要为砂砾石夹中粗砂和细砂，分布面积约276.7 km2。
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地下水I−浓度范围为<5.0—140 μg·L−1，中位值为20.0 μg·L−1，平均值为40.0 μg·L−1。研究区地下水I−的点位超标率26.09%，分布面积157.0 km2，高I−地下水在平面上与高As地下水呈共生性，83.3%的高I−地下水处于高As环境。
与高As地下水相比，高I−地下水具有更高的pH值（中位值9.17）和更低的Eh值（中位值8.70 mV），指示了地下水处于较强的碱性和还原环境；高I−地下水具有较低的
${\rm{NO}}_3^{-} $ 质量浓度（均<0.20 mg·L−1）和较低的${\rm{SO}}_4^{2-} $ 质量浓度（中位值88.0 mg·L−1）以及中等的Fe2+质量浓度（中位值0.13 mg·L−1）；同样，高I−地下水Fe2+浓度部分较高，也有部分较低，说明地下水处于由氧化环境逐步向弱还原环境演化的状态，高I−地下水具有比高As地下水更高的${\rm{SO}}_4^{2-} $ 质量浓度，说明地下水并未充分达到强还原环境，但还原性较高As地下水更强，整体上以仍${\rm{SO}}_4^{2-} $ 和Fe2+还原为主。综上，初步说明地下水I−浓度受控于地下水系统的氧化还原条件，较高As地下水更强还原环境利于地下水I−的富集，地下水I−富集迁移相关的氧化还原敏感组分仍${\rm{SO}}_4^{2-} $ 和Fe2+为主。（1）地下水碘的平面分布特征
研究区地下水I−整体呈现较强的分带性，靠近南部山区的地下水补给区和山前冲洪积平原石河子市区的地下水流动条件好、蒸发排泄作用相对较小、I−浓度较低（低于Ⅰ类和Ⅱ标准的40 μg·L−1）；I−浓度超过Ⅲ类标准（80 μg·L−1）的地下水集中分布于东北部靠近沙漠的玛纳斯河冲洪积扇的边缘（图6），地下水径流滞缓，蒸发作用强烈，地下水环境碱性和还原性均较强。
自研究区南部山前补给区的玛纳斯河冲洪积扇上部，到研究区东北部玛纳斯河冲洪积扇边缘的排泄区，地下水I−浓度自山前补给区的<5.0 μg·L−1沿流线显著升高至冲洪积平原排泄区的120—140 μg·L−1（图6）。
（2）地下水碘的垂向分布特征
研究区潜水I−浓度平均值和中位值均低于检出限，接近石河子地区潜水I−背景值（3.0 μg·L−1）[24]；承压水I−浓度平均值为50.0 μg·L−1，中位值为28.0 μg·L−1，远高于石河子地区承压水I−背景值（1.0 μg·L−1）[24]。其中，潜水无超标，承压水点位超标率33.33%（浅层承压水和深层承压水超标率均为33.33%），地下水I−浓度在垂向上无显著的分布规律。
综上，研究区高I−地下水主要分布在北部靠近沙漠的冲洪积平原排泄区的承压含水层中，含水层岩性主要为中粗砂和细砂，分布面积约157.0 km2。
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高I−地下水在平面上与高As地下水呈共生性（图5和图7），地下水As、I−至少有一项超标的点位占47.8%（其中As、I−均超标的占超标地下水的45.5%），21.7%的高I−地下水处于高As环境（即砷碘共富集，分布面积151.7 km2），52.2%的低I−地下水As浓度也较低（分布面积347.7 km2）（图7）。
研究区高As和高I−地下水富集因素基本相同，相比As、I−均未超标的地下水，砷碘共富集的地下水具有较高的pH、Fe2+、γFe2+/γCl−比值、EC、TDS和较低的Eh、γCa2+/γCl−比值、HCO3−/γCl−比值、γSO42-/γCl−比值以及低于检出限的NO3−浓度（表2）。据此分析，研究区地下水As和地下水I−具有相似的富集机制，还原-弱碱性环境有利于地下水中As和I−共富集。此外，浅层承压水I−的富集还受蒸发作用的影响.
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（1）研究区高As地下水主要分布在北部靠近沙漠的冲洪积平原排泄区的深层承压含水层中，含水层岩性主要为中粗砂和细砂，分布面积约276.7 km2；高I−地下水主要分布在北部靠近沙漠的冲洪积平原排泄区的承压含水层中，含水层岩性主要为中粗砂和细砂，分布面积约157.0 km2。
（2）高I−地下水在平面上与高As地下水呈共生性，地下水As、I−至少有一项超标的占47.8%（其中As、I−均超标的占超标地下水的45.5%），21.7%的高I−地下水处于高As环境（即砷碘共富集，分布面积151.7 km2），52.2%的低I−地下水As浓度也较低（分布面积347.7 km2）。
（3）研究区地下水As和地下水I−具有相似的富集机制，还原-弱碱性环境有利于地下水中As和I−共富集，浅层承压水I−的富集还受蒸发作用的影响。
新疆石河子地区地下水砷、碘分布规律及共富集因素分析
Distribution and co-enrichment factors of arsenic and iodine in groundwater in the Shihezi area, Xinjiang
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摘要: 新疆准噶尔盆地地下水“水质型”缺水问题较为突出，开展地下水砷、碘污染机理研究具有实际意义。基于1∶250000新疆石河子地区地下水污染调查，对地下水砷、碘的分布规律及其共富集因素进行分析研究。结果显示，高As地下水和高I−地下水主要分布在北部近沙漠的冲洪积平原排泄区的承压含水层中，分布面积分别为276.7 km2和157.0 km2。高I-地下水As和I−在平面上呈共生性，砷碘共富集地下水占21.7%（分布面积151.7 km2）；52.2%的低I−地下水As浓度也较低（分布面积347.7 km2）。地下水As和I−具有相似的富集机制，还原-弱碱性环境有利于地下水中As和I-共富集。Abstract: The shortage of groundwater caused by poor water quality has become outstanding in recent years. Therefore, research on contamination mechanism of groundwater arsenic and iodine has practical implications. Based on 1∶250,000 groundwater contamination survey carried out in the Shihezi area in Xinjiang, distribution and co-enrichment factors of arsenic and iodine in groundwater have been carried out in this study. Results showed that high As groundwater and high I− groundwater mainly distributed in confined aquifers in discharge areas in alluvial-proluvial plain proximity to desert with distribution area of 276.7 km2 and 157.0 km2, respectively. The horizontal distribution of groundwater As and I− were similar. Groundwater samples with co-enrichment of As and I- accounted for 21.7% (covering 151.7 km2), meanwhile, groundwater samples with both As and I− concentration not exceed the Class III groundwater quality limit accounted for 52.2% (covering 347.7 km2). Enrichment mechanisms of groundwater As and I− were similar, reductive-weak alkaline environment facilitated the co-enrichment of As and I− in groundwater.
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图 1 研究区南北向水文地质剖面图[23]
Figure 1. Hydrogeological profile of the study area (south-north)
图 2 研究区位置及采样点分布图
Figure 2. Location of the study area and distribution of sampling points
图 3 研究区地下水与地表水piper三线图（a）和基于地下水As、I−浓度的piper三线图（b）
Figure 3. Piper trilinear diagram of surface water and groundwater (a) and groundwater based on As and I− concentration (b)
图 7 地下水I-浓度与As浓度相关关系
Figure 7. Correlation between I- and As concentration in groundwater
表 1 地下水采样点信息
Table 1. Sampling points information of groundwater
采样点编号
Sampling number经度
Longitude纬度
Latitude地理位置
Geographical location井深/m
Well depth采样点类型
Sampling typeG01 85°57′E 44°22′N 石河子市石河子乡三角地村 18 潜水 G02 86°04′E 44°35′N 石河子147团 300 深层承压水 G03 86°07′E 44°34′N 石河子149团林业站 250 深层承压水 G04 85°50′E 44°14′N 石河子143团石红村 200 潜水 G05 86°04′E 44°17′N 石河子自来水公司 140 潜水 G06 86°05′E 44°20′N 石河子市大庙村 20 潜水 G07 85°50′E 44°18′N 沙湾县乌兰乌苏镇皇宫庙子村 50 潜水 G08 86°00′E 44°23'N 石河子市清泉镇泉沿村 80 浅层承压水 G09 86°01′E 44°22′N 石河子市北泉镇百口泉 19 浅层承压水 G10 86°00′E 44°26′N 石河子大泉沟水库 80 浅层承压水 G11 85°55′E 44°24′N 石河子市北泉镇百口泉 200 深层承压水 G12 86°09′E 44°38′N 玛纳斯县六户地镇老枯沟村 46 浅层承压水 G13 85°49′E 44°45′N 沙湾县老沙湾镇白家庄 50 浅层承压水 G14 85°46′E 44°39′N 沙湾县老沙湾镇小东渠村 45 浅层承压水 G15 86°08′E 44°38′N 玛纳斯县六户地镇老枯沟村 200 深层承压水 G16 86°15′E 44°47′N 石河子148团 200 深层承压水 G17 86°17′E 44°50′N 石河子148团 200 深层承压水 G18 85°56′E 44°29′N 石河子市蘑菇湖村 200 深层承压水 G19 85°54′E 44°35′N 沙湾县柳毛湾镇秦家渠村 300 深层承压水 G20 86°05′E 44°35′N 石河子147团 200 深层承压水 G21 86°20′E 44°50′N 石河子148团 200 深层承压水 G22 86°12′E 44°56′N 石河子149团场 200 深层承压水 G23 85°56′E 44°31′N 石河子总场四分场 200 深层承压水 
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表 2 砷碘共富集与砷碘均未超标的地下水相关指标统计值
Table 2. Statistics of indexes in As and I- co-enrichment groundwater and low As and I- groundwater
指标 Index 砷碘共富集 As and I− co-enrichment groundwater 砷碘均未超标 low As and I− groundwater 范围 Range 中位值 Median 平均值 Average 范围 Range 中位值 Median 平均值 Average 距山麓/km Distance to the piedmont 46.0—84.0 70.2 67.7 0—32.2 15.7 15.9 As/ (μg·L−1) 11.5—49.1 37.5 32.8 < 0.50 —5.4 1.95 2.41 I−/ (μg·L−1) 103—140 125 125 < 5.0—50.0 < 5.0 13 Fe2+/ (mg·L−1) < 0.01—0.29 0.08 0.12 < 0.01—0.42 0.03 0.09 EC /(μS·cm−1) 449—964 695 693 220—1120 394 462 总硬度/(mg·L−1) Total hardness 8.61—94.7 20.7 36.5 64.8—568 129 188 总溶解固体/(mg·L−1) TDS 242—604 408 412 130—758 228 302 NO3−/ (mg·L−1) < 0.20 < 0.20 < 0.20 0.10—15.3 3.18 6.07 pH 8.99—9.30 9.20 9.18 7.45—8.39 8.22 8.07 Eh /mV −0.40—31.7 5.50 11.1 57.0—131 98.9 98.5 γFe2+/γCl− 0.002—0.040 0.017 0.026 0.003—0.041 0.009 0.022 γSO42-/γCl− 0.47—1.18 1.02 0.89 1.62—7.41 2.69 2.97 γCa2+/γCl− 0.12—0.22 0.13 0.15 1.71—8.61 3.83 4.54 HCO3−/γCl− 0.44—2.65 1.39 1.43 1.15—11.0 3.91 4.93
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