含水层-弱透水层界面反硝化作用的研究

Contamination of nitrate was widely concerned due to its persistance in groundwater. Recent regional studies indicate that nitrate in shallow groundwater of the North China Plain tend to transport through the low permeability barrier and percolate into the deep aquifer under the vertical hydraulic gradient as a result of the over exploration of deep groundwater. Denitrification is one of the most important processes the nitrate was removed naturally by biogeochemical reactions. Nitrate cycling has been well investigated in subsoil, vadose zone and shallow aquifer. In comparison, the fate of nitrate in low permeability aquitards and deep aquifer are quite lack of knowledge. In fact, many field investigations indicate that denitrification take place particular at the aquifer/aquitard interface reffered to as the reactive hot spot. The low permeability aquitard is actually a crucial barrier for natural biodegradation. The current project will focus on the denitrification occurred at the aquifer/aquitard interface during the vertical reactive transport of nitrate. In situ denitrification experiments and laboratory column tests will be conducted to investigate the influence of hydrogeological conditions on the rate of denitrification. Furthermore, the potential threats of nitrate contamination to deep aquifer will be evaluated based on the laboratory results and multi-scale modeling anlaysis. The study will provide a scientific reference for the on-going artifical groundwater recharge in the South-to-North water diversion.

地下水中的硝酸盐污染具有持久性和普遍性。近来研究表明，华北平原由于长期过度开采深部地下水导致地下水位埋深强烈下降，在垂直水流作用下，硝酸盐有从浅层向深部渗透污染的趋势。反硝化作用是硝酸盐迁移转化中的重要去除过程而被广泛研究。但已有的研究大都集中在表层土壤、包气带以及浅层地下水中硝酸盐的迁移，而对其在弱透水层及深层含水层中污染迁移的研究比较缺乏。事实上，大量的野外调查表明，反硝化作用主要发生在弱透水半隔水层的界面上。弱透水半隔水边界是浅部至深部迁移污染的天然净化屏障。因此，本课题拟通过野外试验、室内模拟和数值模拟方法，考虑结构因素，研究硝酸盐在含水层/弱透水层中垂向迁移发生的反硝化作用的机理及反硝化速率的水文地质条件影响因素。本课题研究将实现对不同尺度、不同污染条件下深部含水层潜在硝酸盐污染的预测，为南水北调实施的人工补给地下水决策提供科学参考。

地下水中的硝酸盐污染问题尤为普遍。然而，由于含水层的非均质性，往往夹杂透水性较弱的粉砂黏土层，作为弱透水含水-隔水层。为了研究硝酸盐在含水层和弱透水层中反应迁移的过程, 本项目以通州试验场为例，综合运用地下水水化学、同位素化学及分子生物学技术方法，研究了含水层和弱透水层中发生的硝酸盐还原过程。研究表明，在含水层和弱透水层的界面和弱透水层中发生了强烈的硝酸盐和硫酸盐还原反应。此外，通过分析含水层和弱透水层的地下水中的功能基因nirS,nrf,dsr的微生物群落结构，揭示了弱透水层比含水层具有更强的反硝化能力。室内土柱硝酸盐穿透试验也证实了弱透水介质比含水介质有更强的硝酸盐还原能力。Nrf基因的分析和土柱试验同时证明了反硝化和硝酸盐异化还原DNRA两种反应途径的发生。.为了研究含水层和弱透水层介质结构对硝酸盐反应迁移的影响。在实验室设计了四种结构土柱，并开展了硝酸盐穿透试验和数值模拟。研究发现，界面溶质的交换通量对反应的发生有着决定性的影响。内粘外砂及砂粘对半两种结构较内砂外粘和垂向三段式结构更有利于硝酸盐反应的发生及产物NO2-的迁移。.为了研究地下水中是否发生着化能无机反硝化，在鄱阳湖滨湖洲滩湿地开展了铁氧化型硝酸盐还原的研究。应用梯度薄膜扩散DGT技术高分辨的刻画了随着湖泊水位变化、洲滩湿地植被根系铁膜溶解沉淀的动态空间分布特征。此外，通过对洲滩沉积物和湖水16sRNA的分析，淹水时期，硝化细菌比例明显减少，地下水中NO3-浓度低于检测最低浓度。施瓦氏科Gallionellaceae是比例最高的铁氧化型硝酸盐还原细菌。说明了存在亚铁氧化反硝化NAFO的发生。此外，洲滩沉积物在淹水时期存在大量的湖泊水体的外来入侵门Actinobacteria和Bacteroidetes，反映了湖水和洲滩地下水的交互作用。该研究表明了洲滩湿地存在化能无机硝酸盐还原，是湖泊水体中营养盐衰减的天然地带。