长江经济带环境地质调查研究进展

中国地质调查局近年组织实施了“长江经济带地质环境综合调查工程”,采用环境地质调查、评价、监测以及专题研究和综合研究相结合等方法,取得了一批重要的成果和认识:①构建了长江经济带地质资源环境综合信息管理与服务系统,系统梳理了长江经济带与重点区域的资源环境条件和重大地质问题,提出了相关建议;②提出长江续接贯通时间是在距今75万年的早、中更新世之交的新认识;③探索形成流域5个系列生态修复示范关键技术和方法体系;④构建长江流域重大水利工程与地质环境效应研究方法体系,创建一套多模态传感器系统,提出重大水利工程对地质环境影响的新判断;⑤探索建立流域尺度地球关键带调查评价监测理论和方法体系;⑥创新应用“光纤技术”监测地面沉降和地裂缝、长江崩岸以及城镇地下空间开发利用扰动取得突破,相关技术引领光纤监测技术发展;⑦自主研发机载航空高光谱仪,建立航空高光谱遥感综合调查技术方法;⑧探索形成流域3种尺度资源环境承载能力和8种国土空间开发利用适宜性评价方法体系;⑨调查研究成果在支撑服务长江经济带国土空间规划、流域生态环境保护和修复、支撑服务新型城镇化战略、重大工程规划建设、地质灾害防治、脱贫攻坚和国家地下战略储油储气库基地建设等方面均得到了广泛应用,形成21支稳定的环境地质调查专业团队。

“有序”开采:北方地区地下水资源利用中两难选择的途径

北方干旱、半干旱地区地下水超采严重,水资源供需矛盾突出。为探索一条地下水合理开发利用的途径,本文提出了“有序”开采的思路:在未来几十年内,政府部门应根据人口、经济发展规划提出地下水资源需求量的控制计划,并给下属各地区下达取水配额,使储存资源的消耗处于有计划和监控范围内。有序开采应分阶段实现:第一阶段应以抑制超采量的过快增长为目标;第二阶段应以需水总量的下降为目标;第三阶段应实现总需水量低于地下水系统补给资源量,使数十年超采造成的储存资源亏空逐年得以偿还。“有序”开采应注意三点:①超采必须限制在有限时间内;②开采活动应在政府的严格控制之下,任何超过计划配额的取水行为都是不允许的;③开采量和总需水量的下降,必须以节水为前提。发达国家的需水量变化经历证明,通过“有序”开采实现北方地区地下水可持续利用是可行的。

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25m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。10m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。25m和50m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。

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。

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。

江汉平原高砷含水层沉积物地球化学特征

选取江汉平原典型地下水砷中毒区仙桃市沙湖原种场为研究区,对3个长50m的钻孔沉积物砷含量与赋存形态及其他化学组成进行了分析。结果表明区内沉积物砷质量分数为1.35~107.5mg/kg（平均值为12.8mg/kg）。黏土或亚黏土层中砷含量较高,这与细粒沉积物中铁锰氧化物、黏土矿物对砷的吸附有关。地下20m左右深度内含水层沉积物中砷含量最高,相应地下水中砷质量浓度高达到1 000μg/L。草酸-草酸铵选择性提取结果指示沉积物中10%~77%（平均38%）的As与无定形铁氢氧化物结合,表明无定形铁氢氧化物还原性溶解可能是控制砷释放与还原的主要地球化学过程,并且有机质生物氧化机制极大地促进了该过程。然而,沉积物中仅1.2%~23%的铁被草酸-草酸铵提取,含水层中砷浓度主要受铁的氢氧化物还原性溶解影响,但其他形式的铁、有机物的吸附作用亦控制着砷的含量。

江汉平原东部浅层地下水氮的空间分布特征

江汉平原水体氮污染问题日趋严重,但相关研究仍较为薄弱。以江汉平原东部为研究区,对区内459组浅层地下水样品的水化学成分进行测试分析,旨在查明地下水氮污染的空间分布特征,并探讨地下水氮污染的成因机制。结果显示:硝态氮在孔隙潜水中明显富集,最高约300 mg/L,而高含量的氨氮则集中分布于中层孔隙承压水,平均值达2.58 mg/L;孔隙潜水中NO_3^-含量随着Cl^-含量的增高而表现出增高趋势,指示了浅层地下水中NO_3^-是人类工农业活动输入的结果;中层孔隙承压水处于富含有机质的强还原环境,NH_3-N含量随着DOC含量的增高而表现出增高趋势,且高含量的NH_3-N对应着低含量的Cl^-,表明该层地下水中NH_3-N主要为天然来源,而非人类活动输入。氧化还原环境控制着区域内浅层地下水中氮的赋存形态,在氧化环境下主要以硝态氮的形式存在,而在还原环境下主要以氨氮的形式存在。

高砷地下水中砷的形态检测

地下水中砷污染严重影响着人类的健康，砷的生态毒理效应主要取决于其存在形态。文章用阴离子交换柱对内蒙古杭锦后旗高砷地下水在现场进行分离，在室内用原子荧光光度计进行检测。总砷浓度范围为80-1172μg／L，其中As（Ⅲ）浓度百分含量为75．37％-92．39％，As（V）和颗粒态砷浓度百分含量分别为0．56％～13．87％、5．87％-20．65％。形态分析结果表明，该地区主要是还原环境，且颗粒态砷占有一定的比例，这对于进一步研究砷的去除和砷的地球化学行为有一定的指导意义。

海岸带海陆交互作用过程及其生态环境效应研究进展

海岸带是地球表层物质、能量和信息流通交换最活跃区域之一,具有动态变化的盐度、溶解氧等地球化学梯度,其界面过程体现在大气降水-河水-海水-地下水-沉积物之间的物质循环和能量交换.在人类活动与气候变化双重影响下,海岸带面临着气候灾害、海岸侵蚀、海水入侵、滨海湿地退化、水体富营养化以及重金属、新型污染物等生态环境问题,成为地球科学和环境科学领域研究的热点.本文围绕海岸带水文-生物地球化学循环、人类活动影响下的海岸带环境问题、海岸带环境对气候变化的响应、海岸带海陆交互界面观测新技术新方法4个方面,综述了国内外研究进展与发展趋势,展望了海陆交互作用及其生态环境效应研究的未来发展方向.

洞庭湖平原西部地区浅层承压水中铵氮的来源与富集机理

洞庭湖平原西部地区浅层承压含水层是当地主要的地下水开采层,却面临严重的水质型缺水问题,其中以铵氮异常最为典型,但目前对于其来源和富集机制的认识十分薄弱。以洞庭湖平原西部为研究区,沿区域地下水流方向对地下水样品进行水文地球化学分析,旨在查明地下水中铵氮的来源,揭示地下水流动对铵氮富集的控制机理。结果表明:NH4-N质量浓度为0.05~16.75 mg/L,且与DOC、HCO3^-、As、Fe^2+、Mn、P质量浓度呈现较好正相关性;而高质量浓度的NH4-N对应着很低质量浓度的Cl^-、SO4^2-、NO3^-和很低的Cl/Br比值,可以推测浅层承压水中的铵氮主要由天然有机质矿化作用产生,而非人为输入。沿着地下水流向,NH4-N和As、Fe2+、Mn质量浓度均显著升高,说明由于水流越来越滞缓,含水介质颗粒越来越细,沉积物有机质越来越富集,含氮有机质矿化作用逐渐增强,使得NH4-N质量浓度逐渐升高,并形成了还原性逐渐增强的地下水环境,相关地球化学过程产生的还原性组分(砷、铁、锰等)也逐渐富集。本研究进一步丰富了地下水原生铵氮的成因理论,可为当地的供水安全保障提供理论基础。

江汉平原高砷地下水稳定碳同位素特征及其指示意义

溶解性有机碳(DOC)是地下水中砷释放过程的关键因素,为查明江汉平原高砷地下水稳定碳同位素特征,识别有机质的降解过程对砷富集的影响,采用稳定碳同位素分析测试技术并结合地下水化学特征,对江汉平原典型砷中毒病区的浅层地下水进行了区域采样分析。结果表明:浅层承压水的砷质量浓度为0.23~2621μg/L。地表水较地下水具有更负的δ^13 C DOC、δ^13 C DIC值。地下水中溶解性无机碳(DIC)的δ^13 C DIC值在-11.9‰^-3.99‰之间,溶解性有机碳的δ13 C DOC值在-28.5‰^-19.6‰之间。地下水的δ^13 C DIC-δ^13 C DOC差值与ρ(As)呈一定负相关关系,表明微生物作用下有机质的降解促进了As的富集。δ^13 C DIC-δ^13 C DOC差值与δ^13 C DIC和ρ(DOC)均具有较显著的正相关关系,表明地下水中有机质的氧化分解是导致δ13 C DIC贫化的重要过程,微生物作用下溶解性有机质的降解是地下水中无机碳的重要来源。此外,江汉平原少数高砷地下水呈现较大的δ^13 C DIC值,推断江汉平原高砷含水层强还原环境下可能存在的产甲烷过程导致了明显的碳同位素分馏。

基于多元统计分析的高砷地下水水化学特征研究--以内蒙古杭锦后旗为例

运用聚类和因子分析方法对内蒙古杭锦后旗砷中毒病区高砷地下水水化学资料进行了分类和信息提取,采用分层聚类法将地下水分为5类具有不同水化学特征的地下水。因子分析法解释了研究区81.35%的水化学数据,并提取出4个高砷水环境的主要因子:盐渍化因子、还原环境因子、碳影响因子和吸附因子,揭示出高砷地下水的主要水化学类型为矿化度较高的重碳酸盐-氯化物型和氯化物型,高砷水的形成与含水层强的还原环境密切相关。两种多元统计方法均发现高砷地下水具有低浓度的SO2-4和高浓度的硫化物、氨氮、有机碳(DOC)及溶解的甲烷气体。在矿化度较高且HCO-3占主导的苏打水中,砷和氟往往同时富集,并伴有浓度较高的硼。此外,盐渍化作用对地下水中砷的富集有一定的促进作用。

长江中游沿岸地下水中铵氮与磷的共存规律及其控制因素

长江中游平原区面临着一系列严重的地质环境问题,其中地下水铵氮和磷的问题十分突出,但目前对于二者共存规律的认识还十分薄弱。以长江中游沿岸故道区为典型研究区,对采集的地下水样品进行了水文地球化学分析,并综合运用因子分析和随机森林模型探讨了铵氮和磷的赋存规律。结果表明:地下水整体处于还原环境中,NH_(4)-N的质量浓度为0.03~71.0 mg/L(均值9.92 mg/L),P的质量浓度为0.02~3.38 mg/L(均值0.51 mg/L)。地下水中高浓度的铵氮与磷均主要为天然成因,但铵氮与磷的迁移富集过程存在差异:铵氮的迁移富集与含氮有机质矿化过程密切相关;磷的迁移富集与铁氧化物或氢氧化物的还原性溶解密切相关,而含磷有机质矿化是磷富集的次要过程。Eh很低的地下水环境易产生高浓度铵氮的地下水,相对中等的还原环境会产生高浓度的磷但通常不会伴生高浓度的铵氮;当地下水中S^(2-),DOC,I均处于相对较高的浓度水平时会伴生大量的铵氮,而磷的浓度在很大程度上受控于Fe^(2+)浓度;当DOC,I和Fe^(2+)浓度都高时,通常会出现铵氮和磷浓度都较高的现象。

不同地下水端元选取对^(222)Rn质量平衡模型量化湖底地下水排泄的影响

222Rn质量平衡模型是量化湖底地下水排泄最为有效的方法之一,其中地下水的222Rn活度是222Rn质量平衡模型中最重要的端元之一。为研究不同地下水端元选取对222Rn质量平衡模型的影响,以长江中游典型牛轭湖——天鹅洲湿地为研究区,利用野外采样数据,基于222Rn质量平衡模型,分别以湖区周边井水、湖岸孔隙水、沉积物孔隙水这3个端元或端元组合的222Rn活度作为地下水端元值,估算了地下水向天鹅洲湿地的排泄通量,评估了不同地下水端元或端元组合的选取对222Rn质量平衡模型量化湖底地下水排泄的影响。结果表明:(1)湖水中222Rn活度仅比不同类型地下水低1个数量级,指示了地下水强烈地向湖泊排泄的过程;(2)在湖泊222Rn通量的源项中,地下水排泄的222Rn通量占99%,而沉积物扩散的222Rn通量仅占1%;(3)选取不同地下水端元所得湖底地下水排泄通量依次为:湖区周边井水(2.00×10^(6)m^(3)/d)>湖岸孔隙水(1.44×10^(6)m^(3)/d)>沉积物孔隙水(0.96×10^(6)m^(3)/d)。根据天鹅洲湿地区孔隙承压含水层与湖泊在大尺度上较为强烈的水力联系和湖泊内部小尺度上浅层地下径流向湖泊的排泄,以及十分有限的沉积物扩散渗透,综合考虑将井水和湖岸孔隙水中222Rn平均活度作为地下水端元值来进行湖底地下水排泄通量的估算最为合适。

江汉平原地球关键带监测网建设进展

地球关键带是地球科学领域的热点研究主题,我国地球关键带研究尚处于起步阶段,如何形成符合我国实情的地球关键带调查与研究范式,仍需进一步探索。江汉平原地处长江中游,是长江经济带的重要组成部分之一,其主要特点在于受不同级次水利工程的强烈影响。基于多年调查研究,在江汉平原建立了一套较为完善的地球关键带监测网络,涉及水、土、气、生物等各地球关键带要素。监测网络设置上,既考虑了不同级次水利工程的影响,也考虑了区域营养元素/重金属的富集特征;监测技术上,部分指标实现了原位监测,大部分指标实现了野外现场测试,未来将进一步加强在线监测并实现数据远程传输。目前,江汉平原地球关键带监测网已成功纳入全球地球关键带研究网络,这是我国地球关键带调查与研究的初步探索,不仅可为长江流域的地球关键带调查研究提供示范,也可为长江大保护战略提供有力的理论与方法支撑。

湖底地下水排泄与湖泊水质演化

湖泊富营养化是当前全球范围内最为典型且严重的水环境问题之一,但过去偏重营养盐向湖泊的点源和面源输入评价,常常忽视地表水-地下水相互作用在湖泊水质形成与演化中的作用。总结了地下水-湖水相互作用模式,重点评述了地下水排泄过程对湖泊水文与水质影响的研究进展,对比了渗流仪测量、水量平衡、氡质量平衡、温度示踪、数值模拟等量化方法的优劣性与适用性,探讨了地下水向湖泊排泄的时空变异性、地下水-湖水界面氮磷的迁移转化等难点问题的研究现状,提出该领域未来研究方向主要包括:综合运用多种技术方法,表征湖底地下水排泄的时空变异性;揭示界面水文生物地球化学过程,量化地下水向湖泊排泄氮磷负荷;评估强烈人类活动改造对地下水-湖水相互作用的影响。

长江中游荆江段地下水排泄的量化及其空间差异性分析

地下水与河流的相互作用对于维持河流生态系统的健康十分关键,但是目前对于地下水向湿润地区大型河流排泄过程的定量化研究较为薄弱.针对这一问题,以长江中游荆江段为研究区,通过野外采样和水文气象数据收集,利用^(222)Rn质量平衡模型定量估算长江中游荆江段的地下水排泄,并用EC质量平衡模型及水量平衡模型验证^(222)Rn质量平衡的结果.结果显示:长江中游荆江段的平均地下水排泄速率为133 mm/d,排泄总量为1.06×10^(8)m^(3)/d,对水量平衡的贡献约为10.99%.其中枝城-沙市段地下水排泄速率最大,监利-螺山段地下水排泄速率最低.含水层富水性和地下水位可能是控制地下水排泄速率的关键因素.本研究对于流域水资源管理具有重要意义,也可为今后长江中游地区水资源的合理开发利用以及生态环境保护提供理论依据.

地下水环境中Mn(Ⅲ)-腐殖质胶体的形成机制

Mn(Ⅲ)是锰氧化还原循环中电子传递的中间体,广泛参与陆地和海洋生态系统中的碳、铁和硫的地球化学循环.近年来在厌氧、微氧和有氧水环境中陆续发现了Mn(Ⅲ)有机络合物存在,研究地下水环境中Mn(Ⅲ)-腐殖质胶体的形成机制与行为特征对于认识锰的地球化学循环及其影响的营养物和污染物的迁移转化机制具有重要意义.通过开展批实验,探讨氧气条件、腐殖质浓度和有机质种类对Mn(Ⅲ)-腐殖质胶体形成的影响,并结合FTIR、XRD、XPS、TEM多种手段表征其理化性质与稳定性.研究发现:厌氧或有氧-厌氧环境有利于Mn(Ⅲ)-腐殖质胶体形成,Mn(Ⅲ)-腐殖质的络合程度随着腐殖质浓度的升高而增强,富里酸更容易与Mn(Ⅲ)络合,但形成的胶体稳定性较Mn(Ⅲ)-胡敏酸胶体差.Mn(Ⅲ)-腐殖质胶体呈无定形形态,腐殖质上的羧基等含氧官能团与Mn(Ⅲ)形成内球络合物,可减缓Mn(Ⅲ)歧化程度.Mn(Ⅲ)-腐殖质胶体具有氧化和吸附能力,对地下水中污染物的迁移转化具有重要的环境意义.

东寨港流域地表水水化学组成特征及其成因

为研究滨海地区地表水资源和红树林生态系统的水环境,利用水化学分析、数理统计和Gibbs水-岩分析模型等方法对东寨港流域内演丰西河和三江河两条河流水体的水化学组成和氢氧稳定同位素特征进行分析,揭示了演丰西河和三江河河流地表水的水化学组成特征,讨论了该区域地表水的水化学组分变化及其控制因素。结果表明:演丰西河地表水的水化学类型以Na-Cl型为主,三江河地表水的水化学类型从Na·Ca-Cl·HCO;型转变为Na-Cl型;演丰西河和三江河河流地表水的水化学组成特征均主要受蒸发结晶和岩石风化作用的控制,而海水潮汐混合作用和红树植物的生理功能使演丰西河流域的蒸发作用更强烈,岩石风化作用则对三江河地表水水化学类型的影响较大;对演丰西河和三江河地表水体中氢氧同位素分析显示,两条河流的主要补给来源均为大气降水,且均受到二次蒸发作用的影响;海水潮汐混合作用对演丰西河地表水水化学组成的影响较大。

江汉平原第四系沉积物中砷的垂向分布规律及其对地下水中砷浓度的影响

含水层沉积物是江汉平原地下水中砷的主要来源,沉积物地球化学特征对地下水的水化学具有重要控制作用。为查明江汉平原第四系沉积物中砷的垂向分布及赋存环境,在典型高砷地下水分布区内选取2个深钻(JH002孔及YLW01孔,深度分别为230m和201m)采集沉积物样品进行了地球化学分析。结果表明全新统和上更新统含水层沉积物以黏土、粉土、淤泥质黏土、粉砂、细砂为主,指示着弱水动力的沉积环境;2个钻孔沉积物地球化学特征相似,w(As)=2.0~22.6mg/kg(平均9.0mg/kg),w(Fe)=11.8~55.0mg/g(平均37.8mg/g),w(S)=0.1~2.1mg/g(平均0.4mg/g)。中、下更新统沉积物岩相变化较大,以砂和砾石居多,局部含有黏土夹层,指示着沉积时较强的水动力沉积环境;其中JH002孔沉积物w(As)=2.7~160.5mg/kg(平均40.9mg/kg),w(Fe)=20.1~179.5mg/g(平均50.5mg/g),w(S)=0.1~17.7mg/g(平均4.9mg/g);YLW01孔沉积物砷、铁、硫质量分数均低于JH002孔,w(As)=5.2~56.1mg/kg(平均16.2mg/kg),w(Fe)=10.9~117.5 mg/g(平均36.4 mg/g),w(S)=0.3~7.8mg/g(平均1.8mg/g)。YLW01孔中、下更新统沉积物颗粒较JH002孔更细,所处的水动力条件更弱,砷、铁、硫质量分数均低于JH002孔,说明沉积历史环境影响着砷、铁、硫等元素的分布。沉积物地球化学数据聚类分析结果表明全新统和上更新统砷与铁具有显著的相关性,而中、下更新统沉积物砷与硫化物矿物紧密相关。结合不同深度含水层水化学特征差异指示上更新统含水层中含砷铁氧化物的还原性溶解导致浅层地下水中砷的富集,富硫的中、下更新统深层含水层中强还原环境下砷受到硫化物矿物的固定作用难以释放进入地下水中。