高砷地下水一般形成于干旱或者半干旱地区的内陆盆地，且多形成于还原条件下, 其主要控制机理是吸附有砷的铁、锰氧化物等发生还原溶解，砷得以解吸进入地下水。长期以来，原生高砷地下水成为国际社会面临的严重环境地质问题之一。与之伴随的大量研究表明，地下水砷浓度随埋深和年龄发生变化，埋深越大（大于50 m），地下水年龄越大，砷浓度越低（Fendorf et al., 2010；Postma et al., 2011）。因此一般而言，多开采深部地下水，以规避砷带来的健康风险。但是由于长期开采深部地下水，导致水流场发生变化，浅部富砷地下水有可能流入深部含水层，污染深部地下水，引发新的担忧——次生高砷地下水或者说砷污染！
最近，澳大利亚弗林德斯大学Ilka Wallis等在Nature Geoscience发表文章对这一问题进行了专项研究（Wallis et al., 2020）。研究人员在越南Van Phuc地区（位于河内市东南10公里）的一个含水层内发现砷含量超标数十到百倍的地下水，且砷浓度从地下水-河水交换带向远离河岸方向逐渐降低。通过调研发现，河内市大量的地下水开采已使得该区域地下水流向发生大幅变化，地下水由原来向河补给（图1中含水层流向红河）反转为河水向地下水补给（图1）。那么地下水的开采是否成为深部含水层高砷富集的原因？
图1 地下水补给概念模式图（Wallis et al., 2020）
研究人员为分析砷富集机理，构建了耦合地下水流和溶质运移的数学模型，并以放射性同位素（3H、3He）年龄作为标定依据，分析了过去60年以来该含水层的砷富集过程，量化指出过去60年，含砷地下水大约迁移了1700 m。基于构建的数学模型，分析了不同生物地球化学过程对砷富集的影响，发现活性有机碳和铁氧化物（砷的宿主）的沉积，致使河流-地下水交换带富集有大量砷，而后通过侧向补给进入地下含水层。放射性同位素为地下水的运移提供了很好的年龄标尺，可以清晰的指示出沿着地下水流向，年龄越来越大，砷浓度越来越小（图2）。
模型结果进一步显示，地下水-河水交换带砷更新的速率和地下水中砷释放的速率共同决定地下水中砷的含量。在模拟的前20年，地下水中砷释放的速率小于地下水-河水交换带砷更新的速率，致使交换带砷不断累积。但是20年之后，随着开采造成的水力坡度变大，地下水流速增强（超过8.8 m/a），地下水中砷释放的速率开始超过地下水-河水交换带砷更新的速率，这样的长期结果致使地下水-河水交换带的砷可以逐步变小，地下水中的砷也被逐渐稀释。因此，地下水-河水交换带中砷更新的速率十分重要。而十分有趣的是，在以往有关碳循环和氮循环的研究中，地下水-河水交换带已经被作为生物地球化学反应转换的关键区域加以对待。
图2 3H、3He和砷浓度在含水层中的分布图（Wallis et al., 2020）
Wallis等的研究揭示了人类活动诱导的砷污染过程，对地下水过量开采敲响了新的警钟。鉴于我国多个地区（含内蒙、山西、吉林等北方地区）亦发现有高砷地下水，受影响人口200余万，加之我国北方地下水超采严重，这一现象值得重视。此外，Wallis等将同位素水文学与地下水流数学模型相结合，恰当地利用地下水年龄识别和标定了地下水流模型，是近年来地下水研究的新趋势，正在被逐渐重视。
主要参考文献
Fendorf S, Michael H A, van Geen A. Spatial and temporal variations of groundwater arsenic in South and Southeast Asia[J]. Science, 2010, 328(5982): 1123-1127.（链接）
Podgorski J, Berg M. Global threat of arsenic in groundwater[J]. Science, 2020, 368(6493): 845-850. （链接）
Postma D, Larsen F, Thai N T, et al. Groundwater arsenic concentrations in Vietnam controlled by sediment age[J]. Nature Geoscience, 2012, 5(9): 656-661.（链接）
Wallis I, Prommer H, Berg M, et al. The river–groundwater interface as a hotspot for arsenic release[J]. Nature Geoscience, 2020, 13(4): 288-295.（链接）
Zheng Y. Global solutions to a silent poison[J]. Science, 2020, 368(6493): 818-819.（链接）
（撰稿：孔彦龙/页岩气与工程室）
