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NG:地下水-河水交換帶——地下水砷的集散地
2020-09-01 | 作者: | 【 】【打印】【關閉

  砷,元素周期表的第33號元素,廣泛存在于自然界。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雜志上,瑞士聯邦水科學與技術研究所Joel PodgorskiMichael 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)(見前沿報道《全球高砷地下水分布及其危害》)。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于干旱或者半干旱地區的內陸盆地,且多形成于還原條件下, 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(大于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,多開采深部地下水,以規避砷帶來的健康風險。但是由于長期開采深部地下水,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,污染深部地下水,引發新的擔憂——次生高砷地下水或者說砷污染! 

  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(位于河內市東南10公里)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采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)。那么地下水的開采是否成為深部含水層高砷富集的原因? 

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,并以放射性同位素(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?;跇嫿ǖ臄祵W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,而后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?。▓D2)。 

  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于地下水-河水交換帶砷更新的速率,致使交換帶砷不斷累積。但是20年之后,隨著開采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。 

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污染過程,對地下水過量開采敲響了新的警鐘。鑒于我國多個地區(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余萬,加之我國北方地下水超采嚴重,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. Spatial and temporal variations of groundwater arsenic in South and Southeast Asia[J]. Science, 2010, 328(5982): 1123-1127.鏈接 

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

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

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

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

  (撰稿:孔彥龍/頁巖氣與工程室)

 
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