全球清潔地下水的可持續供給不僅受到過度開採和環境壓力的影響，同時也受到廣泛分佈的天然高砷、高氟、高碘等原生劣質地下水的威脅，尤其是在乾旱和半乾旱地區，直接威脅超過4.5億人的飲水安全。認識原生劣質地下水成因規律，不僅對於理解控制劣質組分遷移的水文-生物地球化學過程，而且對於原位水質改良的方案設計和實施，以消除劣質地下水對人體健康與生態系統功能的負面影響都至關重要。中國地質大學（武漢）王焰新教授研究團隊基於20多年的跨學科基礎研究和國內外對比，提出了劣質地下水成因新的理論體系，系統總結出劣質地下水4種成因模式（淋濾-匯聚型、埋藏-溶解型、壓密-釋放型、蒸發-濃縮型），揭示地下水系統演化對劣質組分富集的控制機理。相關研究以“Genesis of geogenic contaminated groundwater: As, F and I”為題於2020年8月21日線上發表在《Critical Reviews in Environmental Science and Technology》。文中強調：在全球氣候變化和日趨強烈的人類活動影響的大背景下，需加強地下水系統在人類世演化的精細監測、模擬和預測研究，以保障地下水資源的可持續安全供給，維繫地下水型生態系統的健康。

　　研究背景

　　全球超過20億人靠飲用地下水為生，地下水水質關乎人體健康。原生劣質地下水（或地質成因地下水汙染）是地球系統演化而成的全球性環境地質災害問題，是世界各國政府高度關注的民生問題，更是國際地學界研究尤其是環境水文地質學研究的熱點和難點。近年來，由於全球氣候變化、地下水-地表水相互作用和長期、大規模的灌溉活動與地下水開採，原生劣質地下水所含的有害物質被大量釋放進入清潔含水層、地表水、土壤和食物中，嚴重威脅生態與食品安全。據不完全統計，全球有超過2億人因長期飲用高氟地下水罹患地方性氟中毒症，中國約有8千萬人；全球有70多個國家和地區發現高砷地下水，威脅著約1.5億人的飲水安全，中國暴露人口約2千萬；全球有20億左右的人口生活在水碘異常地區，中國受水碘異常影響的人口高達4.25億。

　　我國是全球13個貧水國家之一，華北、西北等以地下水作為重要供水水源的嚴重缺水區，也是國家級貧困縣和國家重點防治的飲水型地方病集中分佈區。我國的原生劣質地下水型別多樣、成因複雜、人類活動影響強烈，在世界範圍內具有典型性和代表性，已成為制約我國經濟社會發展的重大瓶頸。

　　主要成果

　　研究團隊近20年紮根中國大地，透過對地質成因高砷、高氟、高碘地下水跨學科研究和系統總結，並對比國內外原生劣質地下水賦存規律和分佈區水文地質條件，按照有害組分的物源和主導性水文地球化學過程特徵，提出了原生劣質地下水賦存的4種基本模式：

　　（1）淋濾-匯聚型

　　有害組分主要為遷移性較強的元素，物源區多位於地下水系統的補給區。有害組分在淋濾作用下從岩石礦物中淋溶浸出，並在地下水系統的排洩區匯聚富集。如華北平原區域性和大同盆地的高碘地下水和一些基岩山區的高氟地下水。

　　（2）埋藏-溶解型

　　有害組分的物源就是含水介質。富含有害組分的沉積物隨侵蝕搬運過程，堆積形成含水介質，在有利的環境條件和水文地球化學過程（如還原性溶解作用）影響下，有害組分從含水介質尤其是細粒沉積物中溶解釋放，並在地下水中富集。如河套平原和大同盆地的高砷地下水。

　　（3）壓密-釋放型

　　有害組分的物源區為區域性地表水體的靜水沉積物，常為湖沼相淤泥。有害組分透過地表徑流和片流將匯水區內的有害組分匯聚於沉積物內，在沉積物埋藏、壓實固結排水過程中，有害組分被釋放進入相鄰含水層，並在有利地段富集。如江漢平原的高砷、高鐵和高錳地下水。

　　（4）蒸發-濃縮型

　　有害組分的物源區為淺層地下水系統，由於氣候乾旱，地下水埋深淺，蒸發強烈，有害組分在地下水中相對富集，如大同盆地的高氟地下水和西北、華北地區的高礦化度地下水。

　　創新研究

　　近20年來王焰新院士團隊以大同盆地、河套盆地、華北平原、長江中游平原作為野外基地，針對原生高砷、高氟、高碘地下水成因理論開展系統研究，融合了水文地球化學、地下水動力學、沉積學、地統計學、同位素地球化學、生態水文學、地質微生物學等多學科研究手段，提出了劣質地下水賦存的4種基本模式（淋濾-匯聚型、埋藏-溶解型、壓密-釋放型、蒸發-濃縮型）。這4種基本模式首次從地下水系統演化的角度統一了不同型別天然劣質地下水的成因理論，並得到了水動力、水化學、同位素及數值模擬等多學科證據的驗證，顯著提升了對區域原生劣質地下水賦存規律的認識和預測精度。

　　完成人和團隊介紹

　　王焰新，中國地質大學（武漢）教授、博士生導師，中國科學院院士，中國地質大學（武漢）校長。1984年本科畢業於南京大學水文地質與工程地質專業，1990年畢業於中國地質大學，獲水文地質學博士學位。1994年被原地質礦產部破格晉升為教授，1998-1999年作為高階訪問學者赴加拿大滑鐵盧大學從事合作研究。2004年獲批國家傑出青年科學基金，2015年獲批國家自然科學基金委創新研究群體專案。兼任國際水文地質學家協會中國國家委員會副主席、國際地球化學協會水巖相互作用工作組成員、國際醫學地質協會中國-愛爾蘭聯盟聯合主席、中國環境科學學會常務理事、環境領域國際重要期刊Annual Review of Environment and Resources編委等。以第一作者或通訊作者發表SCI論文180餘篇，被SCI他引 6500餘次，出版統編教材、國際水文科學協會出版物和專著9部，主編國際重要期刊Hydrogeology Journal首期中國地下水專輯。曾獲湖北省自然科學一等獎、湖北省科技進步一等獎、教育部高等學校自然科學一等獎等。2019年同時獲得國際水文地質學界兩項權威獎項：美國地下水協會頒發的以地下水水質研究的先驅John D. Hem命名的“John Hem科學與工程傑出貢獻獎”和國際水文地質學家協會頒發的“應用水文地質獎”。

　　他帶領的“環境水文地質”團隊長期聚焦地下水水質與安全供水領域，開展地下水資源保護與供水安全的理論、方法和應用研究，是中國水文地質學領域首個國家自然科學基金委創新研究群體，是近20年原生劣質地下水研究領域全球發表SCI論文和他引率最高的3個主要團隊之一，在黃河、長江、海河等流域開展了長期的探索與實踐，並透過與印度、孟加拉和越南等國原生劣質地下水的對比研究，在原生高砷、高氟、高碘地下水成因與修復理論方法研究方面取得一系列系統成果：

　　（1）提出了原生劣質地下水賦存的4種基本模式；（2）發現高砷含水層是微生物參與下砷-鐵-硫相互作用的複雜體系，提出“硫酸鹽還原和鐵氧化物還原的共同作用導致砷在地下水中富集”的新機理；（3）研發了逆向調控有害物質遷移過程的水質改良新方法，並在安全供水實踐中得到應用。其團隊核心成員擔任水文地質領域國際重要學術期刊Journal of Hydrology、Hydrogeology Journal、Applied Geochemistry主編或副主編。

　　圖文速覽

圖1.全球原生高砷、高氟、高碘地下水與乾旱/半乾旱區的分佈

圖3. 原生高氟地下水成因機理示意圖。主要包括：富氟黑雲母/白雲母淋濾作用、結晶岩地區含螢石礦物的溶解、碳酸岩含水層陽離子交換作用、乾旱半乾旱地區的蒸發濃縮作用、

圖4. 原生高碘地下水成因機理示意圖。主要包括：富碘有機質的微生物降解作用、搭載碘的鐵礦物相還原性溶解、碘形態間轉化、蒸發濃縮作用。

圖5. 原生劣質地下水四種成因模式圖，包括淋濾-匯聚型、埋藏-溶解型、壓密-釋放型、蒸發-濃縮型。

　　總結

　　提出了具有普適性的原生劣質地下水4種基本成因模式，為預測和圈定原生劣質地下水空間分佈範圍，保障供水安全提供了重要理論基礎。

　　研究工作得到了國家自然科學基金委、科技部863計劃、高等學校學科創新引智計劃、中國地質調查局的支援。

　　相關連結：

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

　　編者注：

　　2020年《SCIENCE》最後一期專刊聚焦“2020年的科學突破”（2020 BREAKTHROUGH of the YEAR) 一文中釋出了2020高校科研突破性成果推介。本文為文章中提到“地大王焰新教授團隊提出劣質地下水成因新理論體系”相關介紹。

　　供稿：中國地質大學（武漢）