新疆奎屯河流域深层承压地下水中砷的释放过程及关键驱动因素

The research on protogenic high Arsenic groundwater issue has very theoretical values and realistical significance for revealing its mechanism of formation, resolving drinking-water type endemic arsenism, and exploring low arsenic groundwater. The exiting researches mainly focused on the phreatic lay or superficial layers confined groundwater. However, the researches on the release and driving factors of As in deep confined groundwater have little been reported. Kuitun in Xinjiang is the first endemic arsenism area in mainland China. The proposed protect will target high arsenic in deep confined groundwater in Kuitun River Basin as the objective and low arsenic phreatic water in the same area as the control, concentrate the efforts on the changes of arsenic contents along the groundwater flow in different depths, the reduced dissolution and desorption process of iron oxide minerals in the groundwater, analysis the impact on inorganic chemical and biogeochemical processes on the arsenic release. It will also clarify the chemical speciation of arsenic in deep confined groundwater, illustrate the spatial distribution of high arsenic groundwater, and demonstrate the confined aquifer sediment-water interface arsenic release process, as well as to figure out the key driving factors which impact the arsenic release in deep confined aquifer system and its mechanism. The results might not only provide important theoretical basis for comprehensively revealing formation mechanism of high arsenic groundwater in the arid region, but also the data support for better groundwater utilization and water source exploration in the high arsenic area.

原生高砷地下水的研究对于揭示其形成机理，解决饮水性型砷中毒、勘查低砷地下水具有重要的理论价值和现实意义。已有的研究主要集中在潜水层和浅层承压水层，而有关深层承压含水层中砷的释放过程和驱动因素方面的研究还少见报道。新疆奎屯是中国大陆第一个地方性砷中毒病区。本项目拟以奎屯河流域深层承压高砷地下水为研究对象，并以同区域低砷潜水为对照，重点研究沿地下水流向不同深度地下水中砷浓度变化规律、地下水中铁氧化物矿物还原性溶解和解吸附过程，分析无机过程和生物地球化学过程对砷释放的影响，查明深层承压地下水中砷的主要形态，明确高砷地下水的空间分布特征，阐明承压含水层沉积物-水系统中砷的释放过程，辨析影响砷释放的关键驱动因子，探讨深层承压地下水中砷的释放机理，有关研究结果不仅可为全面揭示干旱区高砷地下水的形成机理提供重要的理论依据，还可为高砷区的水源勘查和地下水的有效利用提供数据支持。

新疆奎屯是中国大陆第一个地方性砷中毒病区，本项目以奎屯河流域深层承压高砷地下水为研究对象，重点研究奎屯河流域地下水中砷浓度的空间分布特征、地下水中砷的释放过程和影响砷释放的关键驱动因素，主要结果：（1）奎屯河流域地下水为还原性-弱碱性地下水，地表水为低As水，地下水As含量范围在1.30~400.68μg/L，平均值为61.18μg/L，有68.99% 的地下水为高As地下水，As(V)是该区域地下水中As的主要形态。高砷地下水主要分布在埋深200m的深层承压含水层，该地区地下水中As浓度从山前补给区到河流冲击平原区逐渐升高，高As地下水主要集中在奎屯河流域下游的西北部和中西部。（2）地下水中As主要来源于富As硅酸盐和铝硅酸盐矿物，矿物中的As被释放到地下水中后被菱铁矿等含铁矿物所吸附，在还原的条件下，含铁矿物发生还原性溶解释放出As，地下水中大量的SO42-在还原环境中发生脱硫酸作用产生的S2-和Fe2+生成FeS2沉淀，进一步促进了反应的进行。较高的pH值促进As被解吸，HCO3-和CO32-与砷酸根会发生竞争吸附作用，共同导致地下水中砷浓度的升高。（3）奎屯南面的天山与北面的河流沉积平原环境相结合，为该地区地下水中砷的富集提供了地质环境。沉积层深厚、地下径流更替缓慢、相对封闭的水文地质条件使地下水中的砷不易流失，强烈的蒸发使地下水中的砷进一步浓缩。溶解性有机物参与了铁、硫酸盐的还原反应过程，类色氨酸在微生物呼吸过程中充当电子供体，还原铁氧化物矿物，还原性醌类担任电子飞行过程中的电子穿梭体，增强As从含水层沉积物中释放到地下水的迁移性能。本项目查明了研究区深层承压地下水中砷的主要形态，明确了高砷地下水的空间分布特征，阐明了承压含水层沉积物-水系统中砷的释放过程，辨析了影响砷释放的关键驱动因子，探讨了深层承压地下水中砷的释放机理，研究结果不仅可为全面揭示干旱区高砷地下水的形成机理提供重要的理论依据，还可为高砷区的水源勘查和地下水的有效利用提供数据支持。