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14.40～1030.00μg/L,高碘地下水(I>100μg/L)主要分布在盆地中心排泄区.地下水中溶解性无机碳的δ13CDI...     

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.      

华北平原地下水脆弱性评价

针对华北平原地域广阔,地貌和水文地质条件复杂、地下水开发利用程度高,地下水位埋深、包气带和含水层岩性差异性大等特点,基于大量钻孔和地下水位监测资料,厘定了包气带岩性和地下水位埋深变化对脆弱性评价影响,进而建立适宜华北平原的DRITC评价指标体系,并应用于华北平原地下水脆弱性评价。评价中,根据华北平原水文地质条件,划分4评价分区,剖分2 km×2 km单元34 253个,采用地下水位埋深、净补给量、包气带岩性、含水层累积厚度和渗透系数5个因子作为评价指标,求得地下水脆弱性综合指数及脆弱性分布图。结果表明,华北平原山前冲洪积扇和古黄河冲洪积平原的现代黄河影响带地下水脆弱性高或较高。野外采样7 472组地下水有机污染测试分析结果佐证,脆弱性高或较高区有机污染检出项数多,其他地区较少,由此验证评价结果的客观性。     

渤海湾盆地东濮凹陷不同区带油气成藏期差异性及主控因素

东濮凹陷是渤海湾盆地典型富油气凹陷,利用烃源岩生排烃史模拟和储层流体包裹体分析,对凹陷内不同区带、不同层系油气藏的形成时期及差异性进行了系统研究。结果表明,研究区存在两期成藏:第一期为古近纪东营组沉积后期至抬升初期,第二期为新近纪明化镇组沉积末期,其中第一期为主成藏期。不同区带、不同层系油气充注成藏时期存在明显差异:第一期成藏范围广泛,在全区均有分布,第二期成藏则主要分布于近生烃凹陷区;中浅部层系多为第一期单期成藏,深部层系多为两期成藏,第二成藏期主要分布于深部主力生烃层系中。不同区带及不同层系成藏的差异性主要受控于烃源岩主生排烃期断层活动性和高成熟烃源岩的分布。     

鲁西北平原地下水高氟与高碘成因分析

地下水作为鲁西北平原的主要水源,查明高氟、高碘地下水的成因和联系十分必要,可为当地的饮用水安全及解决地方病的研究提供借鉴。目前中国对鲁西北地区浅层高氟地下水的研究较多,但对深层高氟地下水的成因、高氟地下水和高碘地下水的联系有待加强。本文旨在揭示鲁西北平原地下水中氟与碘的空间分布特征,推测高氟地下水的形成机制,查清碘在地下水系统中富集的关键水文地球化学过程,探讨地下水中高氟与高碘的关系。采集浅层（0～55m）、中层（55～225m）、深层（＞225m）地下水样品326件,并对18个水化学参数进行层次聚类分析,将地下水样品划分为高氟地下水、高碘地下水和高氟高碘地下水。再结合常规水化学指标和沉积物组分特征进行相关性分析,探讨高氟、高碘地下水的成因及联系。结果表明：高氟地下水与高碘地下水通常伴生出现,且高氟地下水和高碘地下水分布区水化学环境类似,高氟地下水主要集中在地面以下0～40m、50～110m以及225～305m深度内,其最大值（13.71mg/L）出现在地面以下110m深度处;高碘地下水主要集中在地面以下0～10m、55～65m以及225～285m深度内,其最大值（4.601mg/L）出现在234m深度处。含氟矿物萤石（CaF2）的溶解、强烈的蒸发浓缩作用、离子交换可能是高氟地下水的主要形成机制;地下水中的碘主要来自鲁西北平原沉积物中海洋生物和有机质,地下水受强烈的蒸发作用,水走盐留,水中碘浓度不断增加,沉积物淋溶以及氨氮和硫化物的还原溶解可能是导致地下水高碘的主要过程,弱碱性的水环境、还原条件和有机质的存在都是高碘水形成的重要因素。研究区强烈的蒸发浓缩作用、弱碱性的还原条件同时促进了氟和碘的富集。     

华北平原地下水年龄校正

地下水14C年龄一般指地下水和土壤CO2隔绝至今的年代.地下水测年在地下水水文学中占有特殊的位置,地下水测年可以用来确定补给区,估算地下水流速度、流量、补给速率、水力传导系数和有效孔L隙度,而且年龄数据还可以用来完善地下水流模型.本研究选择华北平原为重点研究区,利用地下水中的同位素和化学组分的测试结果,应用水文地球化学及同位素水文学等相关知识,通过六种传统模型和反向质量平衡模型(NETPATH)对华北平原地下水年龄进行校正.根据年龄校正结果,分析了深层地下水的年龄变化特点,确定了水流路径上发生的水文地球化     

乌鲁木齐河流域北部平原地下水流模拟

本文运用数字水文地质概念模型的方法建立了乌鲁木齐河流域北部平原的地下水流模型,并用流量边界与柴窝堡盆地和河谷区的地下水流模型相接,构成一个统一的流域地下水模型,为乌鲁木齐河流域水资源整体规划利用提供了模拟分析工具。北部平原的南部倾斜平原为砂卵砾石组成的大厚度潜水含水层,北部细土平原为多层结构。地下水总体上由南向北径流,天然状态下在交界地带溢出成泉或流入沙漠。目前,地下水循环基本上由人为控制。农田灌溉回归补给量与河流和山前侧向补给量持平;而开采量已是绝对的排泄量。季节性开采造成地下水位季节性大幅度变化。水位的下降使蒸发蒸腾量减少,减轻了由于灌溉造成的土壤盐碱化问题。     

Groundwater Flow Simulation and its Application in Groundwater Resource Evaluation in the North China Plain,China

The purpose of this study is to establish a 3D groundwater flow modelling for evaluating groundwater resources of the North China Plain.First,the North China Plain was divided into three aquifers vertically through a characterization of hydrogeological conditions.Groundwater model software GMS was used for modeling to divide the area of simulation into a regular network of 164 rows and 148 lines.This model was verified through fitting of the observed and the simulated groundwater flow fields at deep and shallow layers and comparison between the observed and simulated hydrographs at 64 typical observation wells.Furthermore,water budget analysis was also performed during the simulation period(2002-2003).Results of the established groundwater flow model showed that the average annual groundwater recharge of the North China Plain during 1991 to 2003 was 256.68×10~8 m~3/yr with safe yield of groundwater resources up to 213.49×10~8 m~3/yr,in which safe yield of shallow groundwater and that of deep groundwater was up to 191.65×10~8 m~3/yr and 22.64×10~8 m~3/yr respectively.Finally,this model was integrated with proposal for groundwater withdrawal in the study area after commencement of water supply by South-North Water Transfer Project,aiming to predict the changing trend of groundwater regime.As indicated by prediction results,South-North Water Transfer Project,which is favorable for effective control of expansion and intensification of existing depression cone,would play a positive role in alleviation of short supply of groundwater in the North China Plain as well as maintenance and protection of groundwater.