王焰新院士团队CREST特邀综述--原生劣质地下水成因模式：砷、氟、碘

导读

中国地质大学（武汉）王焰新院士团队在Critical Reviews in Environmental Science and Technology（CREST，《环境科技评论》）期刊发表题为“原生劣质地下水成因模式：砷、氟、碘（Genesis of geogenic contaminated groundwater: As, F and I）”的重磅特邀综述（Invited Review）。砷、氟、碘（As、F、I）是与人体健康息息相关的微量元素，但世界范围内多个国家地区地下水中发现有大量As/F/I元素的富集，对居民的饮水安全造成极大威胁。据不完全统计，全球有超过2亿人饮用高氟地下水，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，中国有近2千万人暴露在高砷地下水分布区；全球有20亿左右的人口生活在水碘异常地区，我国受高碘地下水影响的人口约4千万（图1）。地质成因的As/F/I在地下水中迁移释放并富集是原生劣质地下水形成的主要机制。本研究系统综述全球多地广泛分布的高砷、高氟、高碘地下水的赋存特征及成因机制，凝练总结现有机理机制的四种概念模型（淋滤-汇聚型、埋藏-溶解型、压密-释放型、蒸发-浓缩型），以期为未知区域劣质地下水赋存提供科学依据，也为后续劣质地下水防治及改良提供理论基础。

图1全球范围文献已报道高砷、高氟、高碘地下水分布特征

主要内容

原生劣质地下水具有如下特点：（1）区域性：与点源污染所致“污染羽”不同，它是岩石（或沉积物）矿物中的有害组分通过水-岩相互作用和水循环作用，在特定地质单元内迁移转化形成的区域性自然现象（图2）；（2）复杂性：受地质、水文地质、气候等多因素影响，有害组分的来源和迁移富集过程难以识别，时空分布呈现高度变异性；（3）伴生性：在分布格局上常出现多种劣质地下水及其与优质地下淡水间的相互伴生；原生劣质地下水常与居民的缺水、贫困、地方病等问题伴生。

 图2 地下水系统砷、氟、碘迁移释放机理

基于近20年对中国地质成因高砷、高氟、高碘地下水的跨学科研究和系统总结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（图3）：

（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解释放，并在地下水中富集。如河套平原和大同盆地的高砷地下水、高碘地下水。

（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。如华北平原的高碘、高氟地下水。

（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。

图3 劣质地下水四种成因机理

总结与展望

在同一地区，因气候、沉积环境、水文地质等条件的变化，可出现上述基本模式的组合，并导致不同类型原生劣质地下水相互伴生现象。而同时，地球物质质量是守恒的，物源区因物质的不断流失会逐渐出现特定组分缺乏，如太行山区因碘的大量淋溶流失，而出现地下水低碘现象，并导致当地部分居民的碘缺乏症。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，可显著提升对区域原生劣质地下水赋存规律的认识和预测精度。

作者简介

王焰新，中国地质大学（武汉）环境学院、生物地质与环境地质国家重点实验室教授，博士生导师，中国科学院院士，国际地球化学协会会士。王焰新教授长期聚焦地下水水质研究的前沿科学问题，创新发展了水文地质理论与方法，并在安全供水实践中得到重要应用。现任国际重要期刊Annual Review of Environment and Resources编委、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、国际医学地质学协会中国-爱尔兰医学地质联盟联合主席、国务院学位委员会委员、国家生态环境专家委员会委员、中国地质学会常务理事等职。

原文传递：

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|供稿：王焰新院士团队

|编排：代子雯（CREST期刊推广员）

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