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地大王焰新教授团队提出劣质地下水成因新理论体系
2021-01-29 学术桥Acabridge

  全球超过20亿人靠饮用地下水为生,地下水水质关乎人体健康。中国地质大学(武汉)王焰新教授研究团队基于20多年的跨学科基础研究和国内外对比,提出了劣质地下水成因新的理论体系,系统总结出劣质地下水4种成因模式(淋滤-汇聚型、埋藏-溶解型、压密-释放型、蒸发-浓缩型),揭示地下水系统演化对劣质组分富集的控制机理,显著提升了对区域原生劣质地下水赋存规律的认识和预测精度。

  全球清洁地下水的可持续供给不仅受到过度开采和环境压力的影响,同时也受到广泛分布的天然高砷、高氟、高碘等原生劣质地下水的威胁,尤其是在干旱和半干旱地区,直接威胁超过4.5亿人的饮水安全。认识原生劣质地下水成因规律,不仅对于理解控制劣质组分迁移的水文-生物地球化学过程,而且对于原位水质改良的方案设计和实施,以消除劣质地下水对人体健康与生态系统功能的负面影响都至关重要。中国地质大学(武汉)王焰新教授研究团队基于20多年的跨学科基础研究和国内外对比,提出了劣质地下水成因新的理论体系,系统总结出劣质地下水4种成因模式(淋滤-汇聚型、埋藏-溶解型、压密-释放型、蒸发-浓缩型),揭示地下水系统演化对劣质组分富集的控制机理。相关研究以“Genesis of geogenic contaminated groundwater: As, F and I”为题于2020年8月21日在线发表在《Critical Reviews in Environmental Science and Technology》。文中强调:在全球气候变化和日趋强烈的人类活动影响的大背景下,需加强地下水系统在人类世演化的精细监测、模拟和预测研究,以保障地下水资源的可持续安全供给,维系地下水型生态系统的健康。

  研究背景

  全球超过20亿人靠饮用地下水为生,地下水水质关乎人体健康。原生劣质地下水(或地质成因地下水污染)是地球系统演化而成的全球性环境地质灾害问题,是世界各国政府高度关注的民生问题,更是国际地学界研究尤其是环境水文地质学研究的热点和难点。近年来,由于全球气候变化、地下水-地表水相互作用和长期、大规模的灌溉活动与地下水开采,原生劣质地下水所含的有害物质被大量释放进入清洁含水层、地表水、土壤和食物中,严重威胁生态与食品安全。据不完全统计,全球有超过2亿人因长期饮用高氟地下水罹患地方性氟中毒症,中国约有8千万人;全球有70多个国家和地区发现高砷地下水,威胁着约1.5亿人的饮水安全,中国暴露人口约2千万;全球有20亿左右的人口生活在水碘异常地区,中国受水碘异常影响的人口高达4.25亿。

  我国是全球13个贫水国家之一,华北、西北等以地下水作为重要供水水源的严重缺水区,也是国家级贫困县和国家重点防治的饮水型地方病集中分布区。我国的原生劣质地下水类型多样、成因复杂、人类活动影响强烈,在世界范围内具有典型性和代表性,已成为制约我国经济社会发展的重大瓶颈。

  主要成果

  研究团队近20年扎根中国大地,通过对地质成因高砷、高氟、高碘地下水跨学科研究和系统总结,并对比国内外原生劣质地下水赋存规律和分布区水文地质条件,按照有害组分的物源和主导性水文地球化学过程特征,提出了原生劣质地下水赋存的4种基本模式:

  (1)淋滤-汇聚型

  有害组分主要为迁移性较强的元素,物源区多位于地下水系统的补给区。有害组分在淋滤作用下从岩石矿物中淋溶浸出,并在地下水系统的排泄区汇聚富集。如华北平原局部和大同盆地的高碘地下水和一些基岩山区的高氟地下水。

  (2)埋藏-溶解型

  有害组分的物源就是含水介质。富含有害组分的沉积物随侵蚀搬运过程,堆积形成含水介质,在有利的环境条件和水文地球化学过程(如还原性溶解作用)影响下,有害组分从含水介质尤其是细粒沉积物中溶说明放,并在地下水中富集。如河套平原和大同盆地的高砷地下水。

  (3)压密-释放型

  有害组分的物源区为区域性地表水体的静水沉积物,常为湖沼相淤泥。有害组分通过地表径流和片流将汇水区内的有害组分汇聚于沉积物内,在沉积物埋藏、压实固结排水过程中,有害组分被释放进入相邻含水层,并在有利地段富集。如江汉平原的高砷、高铁和高锰地下水。

  (4)蒸发-浓缩型

  有害组分的物源区为浅层地下水系统,由于气候干旱,地下水埋深浅,蒸发强烈,有害组分在地下水中相对富集,如大同盆地的高氟地下水和西北、华北地区的高矿化度地下水。

  创新研究

  近20年来王焰新院士团队以大同盆地、河套盆地、华北平原、长江中游平原作为野外基地,针对原生高砷、高氟、高碘地下水成因理论开展系统研究,融合了水文地球化学、地下水动力学、沉积学、地统计学、同位素地球化学、生态水文学、地质微生物学等多学科研究手段,提出了劣质地下水赋存的4种基本模式(淋滤-汇聚型、埋藏-溶解型、压密-释放型、蒸发-浓缩型)。这4种基本模式首次从地下水系统演化的角度统一了不同类型天然劣质地下水的成因理论,并得到了水动力、水化学、同位素及数值模拟等多学科证据的验证,显著提升了对区域原生劣质地下水赋存规律的认识和预测精度。

  完成人和团队先容

  王焰新,中国地质大学(武汉)教授、博士生导师,中国科学院院士,中国地质大学(武汉)校长。1984年本科毕业于南京大学水文地质与工程地质专业,1990年毕业于中国地质大学,获水文地质学博士学位。1994年被原地质矿产部破格晋升为教授,1998-1999年作为高级访问学者赴加拿大滑铁卢大学从事合作研究。2004年获批国家杰出青年科学基金,2015年获批国家自然科学基金委创新研究群体项目。兼任国际水文地质学家协会中国国家委员会副主席、国际地球化学协会水岩相互作用工作组成员、国际医学地质协会中国-爱尔兰联盟联合主席、中国环境科学学会常务理事、环境领域国际重要期刊Annual Review of Environment and Resources编委等。以第一编辑或通讯编辑发表SCI论文180余篇,被SCI他引 6500余次,出版统编教材、国际水文科学协会出版物和专著9部,主编国际重要期刊Hydrogeology Journal首期中国地下水专辑。曾获湖北省自然科学一等奖、湖北省科技进步一等奖、教育部高等学校自然科学一等奖等。2019年同时获得国际水文地质学界两项权威奖项:美国地下水协会颁发的以地下水水质研究的先驱John D. Hem命名的“John Hem科学与工程杰出贡献奖”和国际水文地质学家协会颁发的“应用水文地质奖”。

  他带领的“环境水文地质”团队长期聚焦地下水水质与安全供水领域,开展地下水资源保护与供水安全的理论、方法和应用研究,是中国水文地质学领域首个国家自然科学基金委创新研究群体,是近20年原生劣质地下水研究领域全球发表SCI论文和他引率最高的3个主要团队之一,在黄河、长江、海河等流域开展了长期的探索与实践,并通过与印度、孟加拉和越南等国原生劣质地下水的对比研究,在原生高砷、高氟、高碘地下水成因与修复理论方法研究方面取得一系列系统成果:

  (1)提出了原生劣质地下水赋存的4种基本模式;(2)发现高砷含水层是微生物参与下砷-铁-硫相互作用的复杂体系,提出“硫酸盐还原和铁氧化物还原的共同作用导致砷在地下水中富集”的新机理;(3)研发了逆向调控有害物质迁移过程的水质改良新方法,并在安全供水实践中得到应用。其团队核心成员担任水文地质领域国际重要学术期刊Journal of Hydrology、Hydrogeology Journal、Applied Geochemistry主编或副主编。

  图文速览

  

  图1.全球原生高砷、高氟、高碘地下水与干旱/半干旱区的分布

  

  图2.原生高砷地下水成因机理示意图。①吸附砷的铁氧化物/氢氧化物的还原性溶解;②含砷黄铁矿氧化性溶解;③砷与其他共存组分的竞争性吸附,如PO43-、HCO3-及NOM。

  

  图3. 原生高氟地下水成因机理示意图。主要包括:富氟黑云母/白云母淋滤作用、结晶岩地区含萤石矿物的溶解、碳酸岩含水层阳离子交换作用、干旱半干旱地区的蒸发浓缩作用、

  

  图4. 原生高碘地下水成因机理示意图。主要包括:富碘有机质的微生物降解作用、搭载碘的铁矿物相还原性溶解、碘形态间转化、蒸发浓缩作用。

  

  图5. 原生劣质地下水四种成因模式图,包括淋滤-汇聚型、埋藏-溶解型、压密-释放型、蒸发-浓缩型。

  总结

  提出了具有普适性的原生劣质地下水4种基本成因模式,为预测和圈定原生劣质地下水空间分布范围,保障供水安全提供了重要理论基础。

  研究工作得到了国家自然科学基金委、科技部863计划、高等学校学科创新引智计划、中国地质调查局的支撑。

  相关链接:

  https://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/10643389.2020.1807452

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