国外高砷地下水研究现状及对我国高砷地下水调查工作的建议

天然条件下形成的高砷地下水环境,已对饮水安全构成了极大威胁,成为世界关注的水环境问题之一。文章在系统收集并整理国外高砷地下水环境最新研究成果的基础上,提出了开展我国高砷地下水环境调查的方向和工作思路。     

银北平原浅层高砷地下水砷富集水化学特征研究

宁夏银川平原是继河套平原之后,在黄河流域发现的又一个高砷地下水分布区.为了总结其高砷地下水的水化学特征,并探索水化学因素对地下水砷释放和富集的影响机制,本文以银川平原北部（银北平原）作为典型研究区,采取野外水文地质调查、水样采集与测试、砷与水化学组分散点图相关分析及水文地球化学方法进行了综合研究.结果表明,银北平原地下水砷含量在0.2~177 μg/L之间;高砷地下水（大于50 μg/L） pH值多在7.5~8.5,水化学类型主要为HCO3-Na·Ca、Cl·HCO3-Na及Cl·HCO3-Na·Ca型,Eh多在-200~-100 mV.银北平原砷含量较高的地下水中COD、NH4+、HCO3-含量相应也较高,而NO3-和SO42-含量较低.高砷富有机质的冲-湖积含水层经过长期演化,形成偏碱性的中强还原性地下水环境和特殊的水化学特征,也具备极大的砷释放能力.较高的pH导致砷从铁锰氧化物或氢氧化物等水合物或黏土矿物表面解吸.其次部分铁锰氧化物在高pH、低Eh条件下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.此外重碳酸根与砷酸根、亚砷酸根的竞争吸附行为促使含水层砷的解吸.     

江汉平原高砷地下水监测场砷的动态变化特征分析

江汉平原高砷地下水的发现引起了广泛关注,通过对该区域高砷地下水监测场不同深度不同季节地下水样品的分析,揭示了地下水的水化学特征及高砷地下水的垂向分布规律。同时,结合地下水和地表水的水位波动,探讨了地下水中砷含量的动态变化特征。结果表明：地下水水化学类型主要为HCO3 Ca·Mg型,为强的还原性地下水环境,Fe、Mn含量高。大部分监测点都是25 m监测井水中砷的含量最高。地下水中砷含量的季节性动态变化特征与地下水水位密切相关。10 m监测井砷含量与水位变化的关系最明显,随着水位的下降（抬升）,地下水砷含量出现明显的降低（升高）响应。25 m和50 m监测井地下水中砷含量的动态变化与测压水位的动态变化不完全同步,存在一定的滞后效应,且含水层深度越大,滞后效应越明显。     

贵德盆地三河流域高砷地下水中溶解性有机物三维荧光特性及其指示意义

溶解性有机物(dissolved organic matter, DOM)可以通过多种方式控制含水层中砷的迁移转化。贵德盆地承压含水层地下水砷含量显著高于潜水含水层。为查明承压水中溶解性有机物对砷浓度的影响,对研究区地表水、潜水以及承压水进行吸光度和三维荧光光谱的分析,利用平行因子分析法确定了水样中有机物成分及荧光特征。结果表明,贵德盆地水体中DOM包含陆源类腐殖质(C1)、受人为影响的腐殖质(C2)、类醌化合物(C3)和微生物来源的腐殖质(C4)4种组分。陆源类腐殖质C1可在地下水中富集,占总有机质的40%~55%。相比于地下水,C2和C3则在地表水中占据较高的比例。高砷承压水中C2、C3所占比例高于低砷潜水。其中,C1可以通过络合作用促进溶解性砷浓度的提高,C3作为电子穿梭体可以促进含砷铁氧化物或氢氧化物的还原性溶解从而释放砷。微生物降解有机质生成的HCO-3可以与砷竞争吸附,促进砷的解吸附。此外,还原性溶解产生的Fe(II)与HCO-3形成FeCO3固定一部分的砷。该研究表明,地下水中的天然有机物通过络合作用和作为电子穿梭体促进铁氧化物还原导致地下水砷的富集,为分析黄河上游地区高砷地下水的成因提供理论依据。     

江汉平原高砷地下水监测场水化学特征及砷富集影响因素分析

江汉平原高砷地下水的发现引起了广泛的关注,通过对该区高砷地下水监测场39个地下水样品的分析,揭示了高砷地下水的水化学特征。同时,结合沉积物砷含量分析和高砷地下水的垂向分布特征,探讨了地下水中砷富集的影响因素。结果表明,地下水水化学类型主要为HCO3-Ca·Mg型,pH值为中性偏弱碱性,Fe、Mn质量浓度很高。25m深度的监测井水中砷质量浓度最高,对应的沉积物中总砷质量浓度也较高。井水中浓烈的H2S气味,偏负的氧化还原电位,高质量浓度的NH4-N、溶解有机碳(DOC)、HCO-3、S2-与低质量浓度的NO-3、SO2-4均指示该区为典型的富含有机质的还原性地下水环境。该条件下沉积物中有机物质的生物降解作用和铁锰氧化物、铁锰氢氧化物的还原是江汉平原高砷地下水形成的主要原因。     

高砷地下水中溶解性有机碳和无机碳稳定同位素特征

随着稳定同位素分析技术的逐步完善,碳稳定同位素被广泛应用于地球化学领域。高砷地下水砷的生物地球化学循环是目前环境化学研究热点之一。分析概括了碳稳定同位素应用于地下水领域的研究现状,介绍了地下水中有机碳和无机碳稳定同位素的前处理方法以及测试技术。在此基础上,选取了内蒙古河套平原具有代表性的高砷地下水进行氧化还原敏感组分、碳稳定同位素的测定与分析。结果表明,As分布极不均匀,其含量为1.24~387 μg/L。地下水溶解性有机碳(DOC)含量相对较高,与溶解性无机碳(DIC)浓度基本呈正相关。δ¹³C_DIC相对δ¹³C_DOC较富集¹³C;δ¹³C_DIC-δ¹³C_DOC与δ¹³C_DIC之间具有显著的正相关关系;表明δ¹³C_DIC值越贫化,δ¹³C_DIC-δ¹³C_DOC越小,地下水中来源于有机物氧化分解的无机碳越多,进一步说明有机碳的氧化分解在无机碳稳定同位素贫化过程中起主要作用。此外,δ¹³C_DIC-δ¹³C_DOC与As浓度呈一定的负相关关系;表明有机物的微生物降解对砷的富集具有明显的促进作用。微生物可利用的碳源增加,促进异养微生物的代谢,并消耗氧气,最终形成有利于地下水As富集的还原环境。     

内蒙古河套平原典型高砷区地下水中砷的演化规律

通过对高砷地下水典型区完整地质单元不同深度含水层地下水进行监测,分析了与砷释放、迁移和富集有关的敏感因素（水位、Eh、总铁、亚铁等）的时间和空间变化规律,探讨了高砷地下水的形成机理。结果发现,地下水灌溉区和黄河水灌溉区,地下水水位均受人为灌溉活动的影响。地下水砷含量在空间和时间尺度上发生有规律的变化。在空间尺度上,地下水中砷含量随着深度的增加而升高,井深小于10 m的地下水砷含量在1.88～2.58 μg/L;井深在10~15 m之间的地下水中砷含量在18.2～217 μg/L;井深在15~25 m之间的地下水中砷含量在38.3～226 μg/L。受人为灌溉影响,地下水中砷的含量会随着地下水位的抬升而升高。地下水砷含量随时间变化的原因是水位抬升使水位变化造成氧化还原环境改变。地下水系统中含砷铁氧化物矿物的还原性溶解、脱硫酸作用等是控制地下水砷含量的主要水文地球化学过程。     

北方典型内陆盆地高砷地下水的水化学特征及处理技术

我国高砷地下水分布广泛,是受砷污染最严重的地区之一,严重危害居民身体健康,开发经济、高效、环境友好的高砷地下水修复治理技术极具必要性。以大同盆地、呼包平原、河套平原和银川平原为代表性研究区域,归纳总结了北方干旱、半干旱地区典型高砷地下水区水化学特征。通常情况下,高砷地下水的pH值较高,共存阴离子(HCO^-3、SO^2-₄和Cl^-)浓度较大,溶解性有机碳含量较高,并且As(Ⅲ)为主要砷形态。开展了针对北方典型高砷地下水特定水化学环境特点(如pH值、共存阴阳离子以及溶解性有机物等)的改性天然菱铁矿除砷性能研究。结果表明,改性天然菱铁矿对溶液pH值具有良好的缓冲能力,其除砷性能基本不受pH值、共存阴离子、Ca/Mg阳离子及以腐殖酸为代表的溶解性有机物等典型高砷地下水水化学特征因素的影响,表明吸附剂对砷具有良好的吸附选择性。另外,改性天然菱铁矿对As(Ⅲ)的去除效果优于对As(V)的去除效果,因此,利用改性天然菱铁矿作为反应介质材料,将其应用于处理主要以As(Ⅲ)形式存在的高砷地下水具备良好的发展前景。     

内蒙古河套平原高砷地下水赋存环境特征

内蒙古河套平原是世界地方性砷中毒较为严重的地区之一。笔者以平原西部的重病区杭锦后旗为研究区,对高砷地下水赋存环境进行了调查研究。研究表明:高砷区沉积物中As的含量为7.7～34.6mg/kg,其中粘性土和亚粘性土中As含量相对较高。高砷地下水的pH值为7.0～8.3,平均Eh值为-155.1mV,平均矿化度为1.58g/L,主要的水化学类型包括:Cl-HCO3-Na型、Cl-Na型、HCO3-Cl-Na型,As的含量为15.5～1093μg/L,且主要以As(Ⅲ)形态存在,水中DOC(0.73～35.76mg/L)、HCO3-(283.75～1290.48mg/L)、NH4+(0.27～10.48mg/L)的浓度较高,硝酸盐和硫酸盐含量较低。研究区的氟中毒现象也较严重,高氟地下水中氟含量为1.11～6.01mg/L。绝大多数高氟水中砷含量也超标,出现了一种高砷水与高氟水并存的现象。综合判断,河套平原的高砷地下水赋存环境处于还原性环境。还原条件下,高砷区沉积物中的铁/锰氧化物的还原溶解易使吸附的砷释放到地下水中。这是研究区高砷地下水形成的主要原因。     

富砷地下水研究进展

原生高砷地下水已对人类健康构成了极大威胁，许多国家和地区对此进行了较深入的研究。在阅读国内外大量文献资料的基础上，全面系统地总结了世界范围内原生高砷地下水概况、砷富集环境和砷来源、分析方法和技术、砷富集机理以及高砷区水源安全保障技术等。提出了高砷地下水研究的主要发展方向，包括：含水介质中砷形态研究、微生物影响下含水层中砷的释放研究、同位素技术在高砷地下水研究中的应用以及高砷饮用水安全保障技术研究等。     

地下水流系统特征——以白垩系地下水盆地为例

以不同的研究尺度,白垩系地下水盆地可以划分为若干地下水流系统.水流系统的发育受含水层补给和排泄条件及含水系统结构控制.每一个水流系统都具有整体性、相关性、等级结构性、时序性、动态平衡性、功能性等特征.     

Groundwater recharge and chemical evolution in the southern High Plains of Texas, USA

The unconfined High Plains (Ogallala) aquifer is the largest aquifer in the USA and the primary water supply for the semiarid southern High Plains of Texas and New Mexico. Analyses of water and soils northeast of Amarillo, Texas, together with data from other regional studies, indicate that processes during recharge control the composition of unconfined groundwater in the northern half of the southern High Plains. Solute and isotopic data are consistent with a sequence of episodic precipitation, concentration of solutes in upland soils by evapotranspiration, runoff, and infiltration beneath playas and ditches (modified locally by return flow of wastewater and irrigation tailwater). Plausible reactions during recharge include oxidation of organic matter, dissolution and exsolution of CO₂, dissolution of CaCO₃, silicate weathering, and cation exchange. Si and ¹⁴C data suggest leakage from perched aquifers to the High Plains aquifer. Plausible mass-balance models for the High Plains aquifer include scenarios of flow with leakage but not reactions, flow with reactions but not leakage, and flow with neither reactions nor leakage. Mechanisms of recharge and chemical evolution delineated in this study agree with those noted for other aquifers in the south-central and southwestern USA. Electronic Publication     

Groundwater recharge and discharge processes in the Jakarta groundwater basin, Indonesia

Proper management of groundwater resources requires knowledge of the processes of recharge and discharge associated with a groundwater basin. Such processes have been identified in the Jakarta groundwater basin, Indonesia using a theory that describes the simultaneous transfer of heat and fluid in a porous medium. Temperature-depth profiles in monitoring wells are used to determine the geothermal gradient. To examine the rules of groundwater flow in the distortion of the isotherms in this area, several methods are compared. Subsurface temperature distribution is strongly affected by heat advection due to groundwater flow. Under natural flow conditions, the recharge area is assumed to occur in the hills and uplands, which are located on the periphery of the Jakarta basin, and the discharge area is located in the central and northern part of the Jakarta groundwater basin. A transition area, which could act as local recharge and discharge areas, occupies the middle of the lowland. Subsurface temperatures show good correlation with the groundwater flow conditions, and the data yield important information on the location of recharge and discharge areas.     

重庆市西部地区浅层地下水化学特征及污染现状分析

以重庆市沙坪坝区、北碚区、璧山县、铜梁县等9个区县地下水为对象,对表层土壤物理性质、地下水化学特征及地下水水质进行了测试分析,根据《地下水质量标准》(GB/T14848-93),对地下水进行了单项组分评价和质量综合评价,并对污染成因进行了分析。结果显示研究区内地下水以HCO3-、SO42--Ca2+、Mg2+型和HCO3--Ca2+、Mg2+型为主,地下水质量不容乐观,超标率达到了78%,地下水中总硬度、硫酸盐、锰等因子的背景值较高,超标显著,亚硝酸氮和氨氮的超标率达到了18.5%,最大超标倍数分别为86.5倍和44.9倍。     

Groundwater flow through Pleistocene glacial deposits in the rapidly urbanizing Rouge River–Highland Creek watershed,City of Scarborough,southern Ontario,Canada

The city of Scarborough lies on the eastern margin of the Greater Toronto Area of southern Ontario, Canada, along the northern coastline of Lake Ontario. The City has a population of 500,000 and is presently one of the fastest growing communities in Canada. The City is expanding northwards onto rural land on the south slope of the large Pleistocene glacial Oak Ridges Moraine system. The moraine system is underlain by a thick (150 m) succession of tills, sands and gravels and is a regionally-significant recharge area for three principle aquifer systems that discharge to numerous watercourses that flow to Lake Ontario. Protection of deeper aquifers from surface-generated urban contaminants is a particular concern. A groundwater flow model using Visual MODFLOW was developed for the 350-km² Rouge River–Highland Creek (RRHC) drainage basin using an extensive GIS-based collection of subsurface geological, geophysical and hydrogeological data, maps of land use and surficial geology. The RRHC model was calibrated against point water level data, known potentiometric surfaces of the principal aquifers and baseflow measurements from streamflow gauging stations and determined to be within acceptable limits. Water balance calculations indicate that 70% of the basin recharge (106,000 m³/day) enters the Upper Aquifer along the crest and immediate flanks of the Oak Ridges Moraine. To the south, Upper Aquifer water moving through fractured till aquitards accounts for more than 75% of recharge to deeper aquifers. Water quality data confirm previous observations that urban- and rural-sourced contaminants (chlorides and nitrates) present in Upper Aquifer waters are moving rapidly into deeper aquifers. Some 83% of total RRHC recharge water is ultimately discharged as baseflow to creeks draining to Lake Ontario; the remainder discharges to springs and along eroding lakeshore bluffs. Model results demonstrate that deeper aquifers are poorly protected from urban contaminants and that long-term protection of ground and surface water quality has to be a priority of municipal planners if the resource is not to be severely degraded. Electronic Publication     

CFCs法在鄂尔多斯白垩系地下水盆地浅层地下水年龄研究中的应用

鄂尔多斯白垩系地下水盆地是中国重要的能源基地,利用CFCS方法对鄂尔多斯白垩系地下水盆地年轻地下水年龄进行测定,取得了比较准确的结果。结果表明,盆地地下水系统可以分为局部地下水系统、中间地下水系统和区域地下水系统。地下水盆地内局部地下水系统地下水循环更替快,年龄为20 a左右,地下水年龄随深度增加而增加;中间地下水系统和区域地下水系统地下水循环更替相对较慢,年龄大于70 a,可以寻求14C等其他同位素方法确定准确年龄。     

水化学特征分析银川平原地下水的补给与排泄

银川平原地处中国西北干旱气候区,平原的西部是贺兰山,由一系列正滑断层连接。平原的东部与黄河相连,紧邻鄂尔多斯平台。平原的南部与牛首山东北断裂带接壤。平原的底部是石炭纪,二叠纪或者奥陶系。根据地下水水化学特征分析,本文旨在确定银川平原地下水流系统,地下水化学类型从西到东变化,西部主要是HCO3-SO4型,中部为HCO3–Cl型,到东部逐渐过渡为Cl-SO4型,一直延伸到鄂尔多斯平台边缘。从南向北,南部主要是HCO3-SO4型,中部为HCO3-Cl和SO4-HCO3型,北部化学类型复杂,主要是SO4-HCO3和Cl-SO4型。     

Arsenic contamination of groundwater: Mitigation strategies and policies

Contamination of groundwater by arsenic from natural geochemical sources is at present a most serious challenge in the planning of large-scale use of groundwater for drinking and other purposes. Recent improvements in detection limits of analytical instruments are allowing the correlation of health impacts such as cancer with large concentrations of arsenic in groundwater. However, there are at present no known large-scale technological solutions for the millions of people—mostly rural—who are potentially affected in developing countries. An overall framework of combating natural resource degradation is combined with case studies from Chile, Mexico, Bangladesh and elsewhere to arrive at a set of strategic recommendations for the global, national and local dimensions of the arsenic crisis. The main recommendations include: the need for flexibility in the elaboration of any arsenic mitigation strategy, the improvement and large-scale use of low-cost and participatory groundwater quality testing techniques, the need to maintain consistent use of key lessons learned worldwide in water supply and sanitation and to integrate arsenic as just one other factor in providing a sustainable water supply, and the following of distinct but communicable tracks between arsenic-related developments and enhanced, long-term, sustainable water supplies.