Nature Geoscience：地下水-河水交換帶——地下水砷的集散地

2020-09-04 中科院地質地球所

Nature Geoscience：地下水-河水交換帶——地下水砷的集散地

砷，元素周期表的第33號元素，廣泛存在於自然界。其化合物三氧化二砷即為砒霜，毒性很強。無機砷化合物被稱為飲用水中的「隱形殺手」，長期飲用高砷地下水對人體健康影響顯著。在前不久的Science雜誌上，瑞士聯邦水科學與技術研究所Joel Podgorski和Michael Berg撰文指出，全球高砷暴露人口為9400萬到2.2億人，其中94%在亞洲（Podgorski and Berg, 2020）。南方科技大學環境科學與工程學院講席教授鄭焰在同期Science上發表觀點文章，強調了全球民用井水砷篩查的必要性。

高砷地下水一般形成於乾旱或者半乾旱地區的內陸盆地，且多形成於還原條件下, 其主要控制機理是吸附有砷的鐵、錳氧化物等發生還原溶解，砷得以解吸進入地下水。長期以來，原生高砷地下水成為國際社會面臨的嚴重環境地質問題之一。與之伴隨的大量研究表明，地下水砷濃度隨埋深和年齡發生變化，埋深越大（大於50 m），地下水年齡越大，砷濃度越低（Fendorf et al., 2010；Postma et al., 2011）。因此一般而言，多開採深部地下水，以規避砷帶來的健康風險。但是由於長期開採深部地下水，導致水流場發生變化，淺部富砷地下水有可能流入深部含水層，汙染深部地下水，引發新的擔憂——次生高砷地下水或者說砷汙染！

最近，澳大利亞弗林德斯大學Ilka Wallis等在Nature Geoscience發表文章對這一問題進行了專項研究（Wallis et al., 2020）。研究人員在越南Van Phuc地區（位於河內市東南10公裡）的一個含水層內發現砷含量超標數十到百倍的地下水，且砷濃度從地下水-河水交換帶向遠離河岸方向逐漸降低。通過調研發現，河內市大量的地下水開採已使得該區域地下水流向發生大幅變化，地下水由原來向河補給（圖1中含水層流向紅河）反轉為河水向地下水補給（圖1）。那麼地下水的開採是否成為深部含水層高砷富集的原因？

圖1 地下水補給概念模式圖（Wallis et al., 2020）

研究人員為分析砷富集機理，構建了耦合地下水流和溶質運移的數學模型，並以放射性同位素（3H、3He）年齡作為標定依據，分析了過去60年以來該含水層的砷富集過程，量化指出過去60年，含砷地下水大約遷移了1700 m。基於構建的數學模型，分析了不同生物地球化學過程對砷富集的影響，發現活性有機碳和鐵氧化物（砷的宿主）的沉積，致使河流-地下水交換帶富集有大量砷，而後通過側向補給進入地下含水層。放射性同位素為地下水的運移提供了很好的年齡標尺，可以清晰的指示出沿著地下水流向，年齡越來越大，砷濃度越來越小（圖2）。

模型結果進一步顯示，地下水-河水交換帶砷更新的速率和地下水中砷釋放的速率共同決定地下水中砷的含量。在模擬的前20年，地下水中砷釋放的速率小於地下水-河水交換帶砷更新的速率，致使交換帶砷不斷累積。但是20年之後，隨著開採造成的水力坡度變大，地下水流速增強（超過8.8 m/a），地下水中砷釋放的速率開始超過地下水-河水交換帶砷更新的速率，這樣的長期結果致使地下水-河水交換帶的砷可以逐步變小，地下水中的砷也被逐漸稀釋。因此，地下水-河水交換帶中砷更新的速率十分重要。而十分有趣的是，在以往有關碳循環和氮循環的研究中，地下水-河水交換帶已經被作為生物地球化學反應轉換的關鍵區域加以對待。

圖2 3H、3He和砷濃度在含水層中的分布圖（Wallis et al., 2020）

Wallis等的研究揭示了人類活動誘導的砷汙染過程，對地下水過量開採敲響了新的警鐘。鑑於我國多個地區（含內蒙、山西、吉林等北方地區）亦發現有高砷地下水，受影響人口200餘萬，加之我國北方地下水超採嚴重，這一現象值得重視。此外，Wallis等將同位素水文學與地下水流數學模型相結合，恰當地利用地下水年齡識別和標定了地下水流模型，是近年來地下水研究的新趨勢，正在被逐漸重視。

主要參考文獻

Fendorf S, Michael H A, van Geen A. Spatialand temporal variations of groundwater arsenic in South and Southeast Asia[J].Science, 2010, 328(5982): 1123-1127.

Podgorski J, Berg M. Global threat of arsenic in groundwater[J].Science, 2020, 368(6493): 845-850.

Postma D, Larsen F, Thai N T, et al. Groundwater arsenicconcentrations in Vietnam controlled by sediment age[J]. Nature Geoscience,2012, 5(9): 656-661.

Wallis I, Prommer H, Berg M, et al. The river–groundwaterinterface as a hotspot for arsenic release[J]. Nature Geoscience, 2020, 13(4):288-295.

Zheng Y. Global solutions to a silent poison[J].Science, 2020, 368(6493): 818-819.

（撰稿：孔彥龍/頁巖氣與工程室）

校對：陶琴

相關焦點

  • Nature Geoscience:地下水-河水交換帶——地下水砷的集散地
    Nature Geoscience：地下水-河水交換帶——地下水砷的集散地砷，元素周期表的第33號元素，廣泛存在於自然界。其化合物三氧化二砷即為砒霜，毒性很強。無機砷化合物被稱為飲用水中的「隱形殺手」，長期飲用高砷地下水對人體健康影響顯著。
  • Science：全球高砷地下水分布及其危害
    >砷是一種有毒元素，礦物中的砷會通過水文地球化學和生物地球化學作用進入到地下水中，導致一些地區出現原生的高砷地下水，其砷含量遠遠超過世界衛生組織指定的飲用水標準（10 μg/L）。高砷地下水直接影響著人類和野生動物的健康，長期飲用高砷地下水會導致人體出現皮膚色素異常、角質化、皮膚癌、內臟癌症等慢性砷中毒。據聯合國兒童基金會調查報告，目前全球範圍內70多個國家和地區都有高砷地下水分布，具有地源性特徵，主要包括印度、孟加拉、柬埔寨、中國、越南、緬甸、美國等國家，其影響的人口達1.4億，且呈現出升高的趨勢。
  • Science:新風險模型凸顯了中國地下水的砷汙染風險
    一種新型的預測地下水汙染物風險的模型將會為人們節省大量的時間與金錢，並在該過程中凸顯出飲用水品質的問題。這一模型目前正在中國投入使用以確定地下水砷汙染的擴散。Luis Rodriguez-Lado博士是該模型設計團隊的一名研究人員，他解釋說：「由於使用了受到汙染的飲用水而導致砷中毒是世界上許多地區面臨的一個嚴重的健康問題。」
  • 清華學生為村民過濾砷汙染地下水:免費不被在意
    很少人知道，在這些茂盛的向日葵腳下，有中國砷汙染最嚴重的地下水。從梁家堡水井裡直接抽出的地下水，砷濃度接近200毫克每升，幾乎是國家標準的4倍，世界衛生組織（下稱世衛組織）標準的20倍。　　在梁家堡村，人們早就習慣了與這個看不見、摸不著、聞不到的化學元素共處，卻對它知之甚少。它的名字與鄉村生活相去甚遠，很多村民都不知道，經常出現在各種民間故事和通俗影視劇裡的劇毒物質砒霜，正是砷的氧化物。
  • 中國地下水汙染狀況圖
    一些大城市的中心地帶和郊區的地下水排洩區，地下水汙染最嚴重，部分城市淺層地下水已不能直接飲用。地下水汙染表現為北方城市重於南方城市的特點，主要分布在華北平原、松遼平原、江漢平原和長江三角洲等地區。　　《中國地下水汙染狀況圖》以國家地下水質量標準（GB/T 14848-93）為依據，將人類活動影響下的地下水質量現狀與天然條件下的地下水質量「背景值」相對照，確定地下水汙染超標組分，按照單要素評價與多要素綜合評價相結合的原則編制而成，反映了城市地下水汙染程度和汙染組分二方面內容。
  • 地下水重金屬汙染修復技術研究進展
    地下水汙染尤其是重金屬汙染的問題已經引起國內學者的關注，但目前重金屬汙染評價及治理的研究主要集中在土壤、地表水與沉積物，關於地下水重金屬汙染的較少。地下水關乎人民健康，重金屬汙染事件一旦出現，其造成的危害無法估量，因此研究出針對地下水重金屬汙染治理的技術迫在眉睫。本文將地下水重金屬汙染的修復技術分為異位修復技術和原位修復技術2大類。
  • 哪些因素導致地下水汙染?
    汙染地下水的物質主要有3類：一類是無機鹽汙染物，如礦化物、硫酸鹽、氟化物、氯化物等;二是重金屬汙染物，常見的有錳、砷、鉻、鉛、汞等重金屬超標;三是細菌汙染物，如病菌、病毒、寄生蟲等。此外，農用和醫用抗生素用量不斷增大，伴隨動物排洩、土壤滲透等發生的抗生素汙染也需警惕。地下水循環緩慢，自淨能力弱，汙染情況不好改善。
  • 科普丨地下水來自哪裡？
    埋藏在地表以下巖石（包括土層）的空隙（包括孔隙、裂隙和溶隙等）中的各種狀態的水統稱為地下水。廣義的地下水是指賦存於地面以下巖土空隙中的水，包氣帶及飽水帶中所有含於巖石空隙中的水均屬之。狹義的地下水僅指賦存於飽水帶巖土空隙中的水。今天小度就跟大家一起科普一下，我們日常飲用的地下水，是來自於哪裡呢？
  • 地下水汙染的危害及處理方法
    汙染地下水的物質主要有3類：一類是無機鹽汙染物，如礦化物、硫酸鹽、氟化物、氯化物等;二是重金屬汙染物，常見的有錳、砷、鉻、鉛、汞等重金屬超標;地下水循環緩慢，自淨能力弱，汙染情況不好改善。地下水一旦汙染，危害的將是生活的方方面面。
  • 打井一定要了解的地下水層知識!這是成功的關鍵之一!
    潛水與地表水（如河水）的補排關係：　　對照圖示觀察，若潛水等水位線圖上的等值線向數值大的方向凸出，說明河水水位低於潛水水位，潛水補給河水；相反，河水水位高於潛水水位，河水補給潛水。我們也可以通過確定地表水附近潛水的流向來確定彼此的補排關係，方法是在圖上按潛水位數值從大到小方向作潛水等水位線的垂線，若垂線指向河流，說明潛水補給河水；若作出的垂線偏離河流，則說明河水補給潛水，如圖3所示，①是潛水補給河水，②是河水補給潛水。　　圖34.
  • 地下水汙染的途徑,以及治理問題
    但隨著社會的不斷進步，對地下水的汙染也越來越普遍，本章水質在線監測儀廠家來和大家一起了解有關地下水汙染的途徑，以及治理的問題。，以及工程廢棄物、放射性物質埋在地下都會和地下水接觸，從而造成地下水汙染；3.農業汙染，為了追求效益，農民會大量使用農藥化肥，為被吸收的物質進入地下，使得地下水中的氮、磷等元素超標，除此之外，不合理的回灌使得汙水再次進入地下水中，從而影響到水質；4.鹹水汙染，在沿海地區，當含水層中淡水被大量抽取之後，可能會引發鹹水倒灌入侵的情況
  • 地下水最初是由何而來
    認為地下水是由空氣中水蒸氣凝結而成的。事實是，由水蒸氣凝結而成的地下水，除乾旱區在地下水形成中佔有一定地位外，廣大的溼潤地區即使有凝結水也僅佔地下水總量中的很小部分。 　　沉積說　是人們在地下深處普遍發現高溫滷水存在以後，在20世紀初提出。沉積說的主要內容是地下水與含水巖石同時形成於沉積盆地中，兩者的年齡一致，並把這種水命名為沉積水（同生水）。
  • 中國地下水汙染狀況圖 南北方水汙染各不相同
    一些大城市的中心地帶和郊區的地下水排洩區，地下水汙染最嚴重，部分城市淺層地下水已不能直接飲用。地下水汙染表現為北方城市重於南方城市的特點，主要分布在華北平原、松遼平原、江漢平原和長江三角洲等地區。《中國地下水汙染狀況圖》以國家地下水質量標準（GB/T14848-93）為依據，將人類活動影響下的地下水質量現狀與天然條件下的地下水質量「背景值」相對照，確定地下水汙染超標組分，按照單要素評價與多要素綜合評價相結合的原則編制而成，反映了城市地下水汙染程度和汙染組分二方面內容。
  • 研究稱60%印度河-恆河流域地下水受汙染嚴重
    英國《自然·地球科學》月刊上一份最新研究報告指出，60％的印度河－恆河流域地下水因汙染嚴重既無法飲用，也不能用於灌溉，主要原因是水的「鹽度和砷含量」過高。在地下200米處，約23％的地下水鹽分太高，另有約37％的水中含有有毒物質砷。
  • 科學合理地開發利用地下水資源
    ，超採地下水所導致的多種人為災害同時產生。為不破壞地下水原有滲流徊路，德國在大體量深基礎的建築物基礎中還埋設必要的管道，保證地下水的暢流。瑞士蘇黎世採用工程設施將大量河水經處理後，通過回灌井補給地下水，再在地下水滲流下遊地區取用地下水；美國採用反滲透法處理後的脫鹽水回灌地下，補充地下水等。
  • 塔裡木盆地地下水地質勘查解決5萬群眾飲用水問題
    過去當地農牧民一直飲用澇壩水、渠道水，水質不但苦鹹而且含氟、砷量高，氟中毒、砷中毒、碘缺乏等地方病發生率較高。    ２００６年，新疆地礦局在塔裡木盆地進行地下水勘查時，新發現地下水水源地３７處，地下水開採量可達１１．９８億立方米／年。
  • 汙染地下水可滲透反應牆(PRB)技術研究進展
    如通過活性炭的吸附作用去除有機汙染物，通過沸石或者合成的離子交換樹脂去除離子型汙染物。1.2PRB技術結構PRB技術結構類型需要根據汙染場地的特定條件來確定，通常設置於垂直地下水流動方向、汙染羽的下遊。按結構類型不同，PRB結構分為連續反應帶系統、漏鬥-導門式反應系統、注入式反應系統和反應單元被動收集系統(圖1)。
  • 地下水汙染怎麼辦 京津冀地下水環境管理這樣做
    要開展地下水汙染防治，必須率先明確地下水汙染特徵，進行分類分區，識別與評估地下水汙染源。課題組以「六五」國家重點科技攻關項目《華北地區及分區地下水水質評價及水源保護研究報告》為基準，對2006-2009年地質調查項目「華北平原地下水汙染調查評價」樣品檢測結果進行地下水系統數理統計分析，確定了京津冀地下水「三氮」、重金屬和有機指標的對照值。
  • 湖南石門:河水砷超標千倍 157名村民致癌死亡
    河水地下水砷汙染嚴重 耕地灌溉只能靠天　　春天已至，正是播種希望的季節，對於在土地上耕作的農民來說，春耕預示著這一年的收成，收入。但在湖南省石門這裡遺留下來的雄黃礦礦區的汙染，讓周圍的農民很難進行春耕。68歲的唐熙志家住在湖南省石門縣鶴山村。又到了春耕的季節，這些天他在自家地裡又忙活上了。
  • 地下水怎樣處理為飲用水
    地下水汙染治理技術歸納起來主要有：物理處理法、水動力控制法、抽出處理法等。運用最多的是水設備，目前最普遍的方法就是抽出再處理法。包括三類： （1）物理法：吸附法、重力分離法、過濾法、反滲透法、氣吹法等。 （2）化學法:氧化還原法、離子交換法、中和法等。