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

高碘地下水是继高砷、高氟地下水之后的又一全球性饮水安全问题,但对地下水系统中碘的赋存形态及迁移富集机理研究尚显不足.为了解华北平原地下水系统中碘的空间分布特征及迁移富集规律,选取石家庄-衡水-沧州典型水文地质剖面,完成地下水样品采集,分析其水化学组成、总碘含量及碘形态组成特征,同时运用phreeqc完成水文地质剖面地球化学反向模拟及相关矿物饱和指数计算,定性定量表征水流场内所发生的水文地球化学过程,进而深入探讨上述过程对地下水系统碘迁移富集的影响.结果表明,区域内地下水中碘含量变化范围为3.35~1 106.00 μg/L,其中,41.86%样品碘含量超过《水源性高碘地区和地方性高碘甲状腺肿病区的规定（GB/T19380-2003）》所界定的150 μg/L国家标准;空间上,高碘地下水主要分布于渤海湾区;地下水中碘的主要赋存形态为碘离子及碘酸根离子,其分布受氧化还原环境控制,碘酸根离子主要出现于氧化环境中;沿地下水流向,地下水环境朝利于液相碘迁移富集的方向演变;渤海湾区,海水入侵影响下形成的偏碱性、（弱）还原环境,利于碘从沉积物中迁移释放至地下水中;碘在不同铁矿物相上的搭载能力及氧化还原环境演化导致的铁矿物相转化,是造成华北平原地下水系统中碘迁移富集的主要水文地球化学过程.      

大同盆地高砷地下水系统沉积物环境磁学特征

为了研究高砷含水层沉积物中砷与磁性矿物的关系, 对大同盆地高砷地区含水层钻孔样品进行了环境磁学和地球化学分析, 结果表明亚铁磁性矿物是决定含水层沉积物磁性特征的主要磁性矿物.通过对比砷和磁性参数在垂向上的变化趋势发现, 高砷含量往往对应着低的饱和等温剩磁(SIRM) 值, 揭示出砷和顺磁性矿物之间也存在联系.沉积物砷含量与磁性参数的相关系数均小于0.5 (α=0.05), 表明砷和亚铁磁性矿物及不完整反铁磁性矿物之间不存在明显的联系.在所有磁性参数中磁化率(χ)和砷含量之间相关性最显著, 相关系数均在0.4 (α=0.05) 左右, 低的相关系数与亚铁磁性矿物和不完整反铁磁性矿物对顺铁磁性矿物的稀释有关.该地区高砷地下水的形成可能与水铁矿及纤铁矿等砷的赋存矿物在还原条件下的还原溶解有关.      

地下水中碘的形成及其控制因素

本文研究了地下水中碘元素形成的主要控制因素及其分布规律。结果表明,地下水中碘元素的形成与含水介质的有机质、地下水的径流条件、氧化－还原环境和地下水的酸碱度有密切的关系。     

大同盆地地下水中碳硫同位素组成特征及其对碘迁移富集的指示

为深入探究地下水系统中影响碘迁移转化的主控水文生物地球化学过程,对大同盆地典型高碘地下水区完成样品采集,分析地下水样品基础理化性质及碳硫同位素组成特征.结果表明,大同盆地地下水碘含量变化范围为14.40~1 030.00 μg/L,高碘地下水（I>100 μg/L）主要分布在盆地中心排泄区.地下水中溶解性无机碳的δ13CDIC值变化范围为-12.11‰~-9.79‰,硫酸盐δ34SSO4值介于4.04‰~16.63‰.δ13CDIC和DOC之间存在较明显的正相关关系,表明有机质的微生物降解过程是区域地下水无机碳的重要来源之一.同时,δ13CDIC与δ34SSO4一定的负相关关系表明硫酸盐是有机质微生物降解过程中潜在电子受体之一,且地下水水环境以偏还原环境为主.高碘地下水表现出低δ13CDIC、高δ34SSO4的同位素特征,表明有机质的微生物降解过程是控制地下水中碘迁移释放的主要过程之一,与该过程相伴而生的碘形态转化进一步促使碘以碘离子的形式在偏还原的地下水环境中发生富集.     

大同盆地高氟地下水水化学特征及其成因

为查明控制大同盆地高氟地下水形成的主要地球化学过程,对大同盆地地下水高氟区31个水样进行了水化学特征及因子分析研究.结果表明,研究区浅层和深层地下水中均检测出氟,且氟含量高,最大ρ(F)达10.37 mg/L.该区高氟地下水以Na-HCO3型水为主,具有典型的富Na特征.PHREEQC饱和指数计算结果表明,地下水中萤石为不饱和状态,地下水中ρ(F)主要受到萤石溶解影响.因子分析研究表明,水一岩相互作用、碳酸盐矿物溶解沉淀及Na- Ca离子交换作用是控制大同盆地地下水氟富集的主要水化学过程.     

大同盆地地下水砷异常及其成因研究

大同盆地是中国典型的原生高砷地下水分布区。笔者对大同盆地高砷地下水的分布特征、水化学演化过程、砷的来源以及控制高砷地下水形成的地球化学过程等近期研究成果进行了总结。盆地周边石炭—二叠纪煤系地层是盆地高砷环境的主要原生物源,含水层系统中铁磁性矿物为砷的主要载体,盆地内富含有机质的湖相沉积物是次生富砷介质。在盆地中心,地下水径流受阻,蒸发成为主要的排泄方式,浓缩作用使得地下水中TDS含量增大。在富含有机质的地层中,有机质在细菌或微生物作用下不断发生分解,使得地下水环境呈还原性。在高pH、低Eh条件下,由于铁锰氧化物或氢氧化物等水合物或粘土矿物对砷的吸附性降低,一部分被吸附的砷从这些矿物表面解吸;同时部分铁锰氧化物可被还原为低价态可溶性铁锰,从而使与其结合的砷也得以释放进入地下水中。在还原条件下,水中的SO24-和有机碳可被还原成H2S和CH4等低价态化合物,尽管生成的硫化物达到一定浓度时可与水中的亚铁离子和砷反应生成FeAsS沉淀,降低了地下水中砷含量,但由于地下水中Fe和硫酸盐含量有限,Fe普遍含量较低,硫酸盐耗尽后,CH4生成细菌就会成为主导力量,砷就会继续在地下水中积聚。此外,由于pH的升高,还可引起其他不同的酸根离子的解吸,如磷酸根、钒酸根、铀酰和钼酸根等也趋向于在溶液中积累,这些被吸附的阴离子以竞争吸附方式,进一步促进砷的解吸。     

华北平原地下水演变机制与调控

自20世纪70年代以来,华北平原长期的地下水过量开采形成了复杂的地下水降落漏斗,并引发了一系列环境地质问题。为建立区域社会经济发展与地下水资源与环境之间的协调机制,国家973项目\"华北平原地下水演变机制与调控\"在大量前人研究基础上,进一步分析了近50年来地下水动力场演变特征及其对人类活动的响应,揭示了包气带结构变化影响下包气带水力参数的变化,研究了深层地下水开采引起的地面沉降、咸水移动和资源量转换机理;利用改进的地下水数值模拟技术,建立了2001—2010年华北平原地下水流数值模型,计算了最新的地下水资源量。分析了地下水资源承载力的主要影响因素,进行了华北平原地下水资源承载力定量评价,给出了华北平原地下水的优化调控途径,目前正在以高精度地下水流数值模型为核心,模拟各区的地下水优化调控方案。     

人类活动影响下华北平原地下水环境的演化与发展

本文是研究华北平原第四系地下水系统在自然条件并叠加人为因素影响的地下水动力场和地下水水化学场演化与发展的综合性环境地学课题的成果。主要研究了地下水系统通过包气带与外部环境要素间物质与能量的传输;地下水地球化学环境演化规律;华北平原地下水超量开采区的地下水循环系统及其演变规律和地下水环境演化预测。     

人类活动影响下华北平原地下水环境的演化与发展

本文是研究华北平原第四系地下水系统在自然条件关叠加人为因素影响的地下水动力场和地下水水水化学场演化与发展的综合性环境地学课题的成果。主要研究地下水民带气与外部环境要素间物质与能量的传输；地下水地球化学环境演化规律；华北平原地下水超量开采区的地下水系统循环系统及其演变规律和地下水环境演化预测。     

大同盆地沉积物REE分布特征及其对碘富集的指示

大同盆地是典型的干旱-半干旱内陆盆地,盆地中部地下水碘含量异常,对当地饮用水安全造成了严重威胁.对盆地高碘地下水分布区沉积物组成及稀土元素(REE) 进行了地球化学研究,结果表明,地下水系统呈弱碱性(pH值为7.18~9.64) 的偏还原环境,沉积物多为Ce正常或轻微负异常及Eu负异常;沉积物中碘含量为0~1.78×10-6;ΣREE含量较高,ΣLREE/ΣHREE比值为2.79~4.14,即富集轻稀土元素(LREE) 而亏损重稀土元素(HREE).ΣREE与碘含量呈负相关关系,虽然铁氧化物/氢氧化物矿物的还原性溶解可导致二者的释放,但由于沉积物有机质产生的低结晶矿物对碘的强吸附性,使沉积物中碘含量较高;弱碱性环境中REE的再吸附过程会导致沉积物中富集LREE;沉积物中碘含量与氧化还原敏感组分TOC、U、V及[Eu]_N的关系也表明,地下水系统的氧化还原条件及有机质含量是影响碘富集的重要因素.      

Stable Isotope Composition of Rainfall,Surface Water and Groundwater along the Yellow River

The intention of this work is to consider the stable isotopic compositions of oxygen and deuterium in rainfall, surface water and groundwater along the Yellow River in the North China Plain (NCP). This demonstrated that the δ18O values in groundwater varied from –10.17 to –6.85‰, with mean value of –8.76‰, and that the δD ranged from –68.7 to –58.0‰, with mean value of –63.4‰, respectively. The δ18O values in surface water varied from –8.36 to 1.32‰, with mean value of –6.8‰, and δD ranged from –64.4 to –35.1‰, with mean value of –57.6‰, respectively. Further, The range of Cl- values of groundwater varied from 5.9 to 340.5 mg/L and that values ranged from 30.1 to 81.9 mg/L in surface water samples and Na+ value changed from 27.4 to 321 mg/L in groundwater, while that in surface water varied from 24.8 to 50.5 mg/L. Most of the points fall below the GMWL?, but are close to the LMWL.? Therefore the results indicated that the groundwaters along the Yellow River were influenced by rainfall in heavy events and surface water.     

中国北方岩溶水变化特征及其环境问题

随着自然条件改变和人类活动强度的加大,我国北方岩溶水系统从输入、输出到结构、水资源要素转换关系均发生了巨大变化,在短短几十年内有近30%岩溶大泉断流,80%泉水流量大幅度衰减,区域岩溶地下水位每年以1~2m速度持续下降,同时,有20%以上的岩溶水系统主排泄带的水质在Ⅲ类以下且总体趋向恶化,此外,还存在着矿坑突水,岩溶塌陷、地裂,海水入侵,旅游功能降低,生态功能丧失等诸多的岩溶水环境问题,极大地加剧了水资源的紧张状况。本文根据前人成果和实地调查资料并采用一些典型事例归纳总结了岩溶水环境问题及其发展演化趋势,展示北方岩溶水面临的严峻形势,以引起社会各界对此问题的关注,加大岩溶水资源调查研究与保护力度,同时,也为广大学者开展相关立项与研究提供参考。      

华北平原区域地下水污染评价

华北平原是我国的重要经济区,人口近1.3亿,地下水是其主要供水水源。在工业和生活污染物排放及农业施用化肥农药的影响下,地下水已遭受一定程度的污染。综合分析了地下水污染评价的各种方法后,将单因子污染指数法进行了改进,提出了单指标污染标准指数法。在华北平原开展了野外调查,采集了6 063组地下水样品,每个样品检测34 项指标。采用单因子污染标准指数法对华北平原地下水污染状况进行了评价。结果表明:华北平原35.47%采样点的地下水已受到不同程度污染,以轻污染为主,深层地下水也有一定的污染,但比浅层地下水轻,未受污染的深层地下水占87.14%。单因子污染标准指数法基本解决了区域污染评价指标之间对比问题,能够直接反映区域地下水污染情况,并为有针对性地治理地下水污染提供了依据。     

华北平原地下水生态环境水位研究

华北平原地下水合理生态水位的上限为防止土壤盐碱化水位。下限为地下水获得最大补给的理想水位。研究表明,华北平原防治土壤盐碱化地下水位埋深一般为2～2．5m,有利于获得最大补给的地下水位埋深在山前平原为10m左右,中东部平原为3～5m。     

环渤海地区及华北平原第四纪古环境变迁机制

在青藏高原隆升背景下,环渤海地区与华北平原成为中国东部汇流盆地和堆积平原.第四纪时期阶段性河流进积,造成研究区出现构造气候旋回性的环境变迁.晚更新世以来沿海平原进入一个快速沉降阶段,在全球性冰川海平面变化叠加背景下,研究区水热对流状况以及相应的环境变迁更加剧烈和丰富.在晚全新世河流造陆过程中,河流的沉积速率超过了海平面的上升速率,陆地才得以形成.在现代海岸带依然持续构造沉降、河流输沙减少、相对海平面上升的背景下,认识不同时间尺度环境变迁机制是极其必要的.     

全新世以来华北平原层圈间水循环演化过程与区域地下水演变周期性

该文阐述全新世以来大气圈、岩石圈、生物圈与水圈之间水文循环过程中水分通量的演化规律,揭示了近百年来人类活动对层圈之间水分通量变化的干扰作用,并依据全新世时期千年尺度和百年尺度水文循环演化的特点,分析和预测了华北平原区域地下水演变的周期性和未来30~50 a趋势.     

华北平原深层地下水14C年龄的TDIC校正与对比

用14C确定地下水年龄需要进行多种校正。在系统测定华北平原深层地下水14C含量的基础上,应用TDIC(Total Dissolved Inorganic Carbon,即总溶解无机碳)校正地下水14C年龄。将补给区地下水样的14C和TDIC含量作为初始14C活度和初始TDIC含量,对其他样品进行初始TDIC的14C活度校正,并用CAL-IB5.0分别计算了样品校正年龄(14C校)和TDIC校正后的校正年龄(14CTDIC校)。华北平原深层地下水14C校正年龄变化比例达-27.5%~44.4%,TDIC校正对14C年龄影响明显,地下水样品进行14C定年时需要先进行TDIC校正。根据华北平原地下水14C校正年龄和Cl-含量分布,华北平原深层地下水受到明显的海水入侵的影响,衡水—河间—任丘一线西侧地下水14C校正年龄代表了其真实年龄,而衡水—献县—天津一线东侧地下水14C校正年龄不能代表其真实年龄,只是海水和地下水混合后的表观年龄。