富砷地下水研究进展

第22卷第11期2007年11月地球科学进展ADVANCES I N EARTH SC I E NCEVo.l22N o.11N ov.,2007文章编号:1001-8166(2007)11-1109-09富砷地下水研究进展*郭华明,杨素珍,沈照理(中国地质大学水资源与环境学院,北京100083)摘要:原生高砷地下水已对人类健康构成了极大威胁,许多国家和地区对此进行了较深入的研究。

在阅读国内外大量文献资料的基础上,全面系统地总结了世界范围内原生高砷地下水概况、砷富集环境和砷来源、分析方法和技术、砷富集机理以及高砷区水源安全保障技术等。

提出了高砷地下水研究的主要发展方向,包括:含水介质中砷形态研究、微生物影响下含水层中砷的释放研究、同位素技术在高砷地下水研究中的应用以及高砷饮用水安全保障技术研究等。

关键词:高砷地下水;迁移;富集;微生物;同位素中图分类号:P641.3文献标识码:A1引言砷是地壳的微量组分,其化合物广泛用于工农业生产和医药。

微量的砷可促进人体新陈代谢,生血润肤。

然而,砷也是一种有毒致癌物,当它在人体中聚积到一定量时,即会对人体健康造成危害,可导致器官癌变,如皮肤癌、肺癌等。

自然界中的砷广泛分布于大气、水、土、岩石和生物体中。

在天然过程和人类活动的影响下,砷可释放到环境中。

其中,天然过程所导致的原生高砷地下水是当前国际社会面临的最严重的环境地质问题之一,它严重威胁全世界数亿居民的身体健康[1]。

在孟加拉盆地有超过4千万人口饮用砷浓度超标的地下水,砷中毒患者超过20万[2]。

在我国,高砷地下水主要分布于台湾、新疆、云南、湖南、贵州、山西、内蒙古等省(自治区)的40个县(旗、市),受影响人口约230万人。

原生高砷地下水及其导致的地方性砷中毒,已引起国际社会的高度重视。

许多国家和地区投入巨力调查与研究高砷地下水的形成机制,以解决饮水型砷中毒问题,为低砷地下水的勘查、开发及除砷技术的研究提供科学依据。

本文在查阅大量国内外相关研究成果的基础上,系统分析了世界范围内高砷地下水的分布、水文地球化学特征以及迁移富集规律,并归纳总结了高砷地下水的研究现状,指出了相关领域的研究热点和发展趋势。

2全球原生高砷地下水概况地球上很多地区的含水层中砷浓度高于50 L g/L,尤其在阿根廷、孟加拉国、智利、中国大陆、中国台湾、匈牙利、印度孟加拉州、墨西哥中部、罗马尼亚、越南、美国的西南部等。

另外,在尼泊尔、缅甸、柬埔寨的部分地区也存在高砷地下水。

世界范围内高砷地下水分布如图1所示。

2.1国外原生高砷地下水的分布及特点2.1.1印度和孟加拉在全球范围的高砷地下水区,孟加拉国和孟加拉州是人类受高砷地下水威胁最严重的地区。

孟加拉国和印度孟加拉州的高砷地下水主要分布于喜马拉亚隆起带以南,印度洋孟加拉(B engal)海湾以北的布拉马普特拉河(Brahm aputra)、恒河(Ganges)、梅克纳河(M eghna)3条河流形成的浅、中层全新世冲洪积及三角洲含水层中。

受影响区地下水中砷的*收稿日期:2007-07-18;修回日期:2007-10-15.*基金项目:国家自然科学基金项目/原生高砷浅层地下水系统中砷的迁移转化复合界面效应研究0(编号:40572145)资助.作者简介:郭华明(1975-),男,江西乐安人,副教授,主要从事水文地球化学、地下水污染控制等方面的教学与科研工作.E-ma i:l hm guo@浓度范围大,为<0.5~3200L g/L[2]。

但在范围广阔的富砷带上,地下水中砷含量存在着明显的空间变异性。

地下水砷的分布主要决定于含水层中冲积物的沉积相特征[3]。

据估计,饮水砷浓度>50L g/L 的高砷暴露人口在孟加拉国大约有3000~3500万,印度孟加拉州大约有600万[2]。

2.1.2其它地区在越南,原生高砷地下水主要分布在红河和湄公河流域[4~7]。

在红河三角洲的局部地区,全新世沉积物形成了浅部含水层(10~15m)[4],浅井中地下水的砷浓度范围是1~3050L g/L(平均为159 L g/L)[6]。

在湄公河三角洲,地下水的砷浓度范围是1~1610L g/L(平均为217L g/L)。

地下水砷浓度呈现出很大的季节变化,在雨季大部分采样点上砷浓度较低[7]。

在匈牙利平原南部的冲积物中(包括罗马尼亚的部分区域)已经发现砷浓度高于50L g/L的地下水[8]。

平原面积大约为11万km2。

在盆地的最低处,地下水砷含量最高,含水层沉积物以细粒为主。

在墨西哥中北部的Lagunera地区、智利北部(包括Anto fagasta,Cala m a和Tocopill a等城市)及阿根廷中部的Chaco-Pa m pean平原都发现了地下水砷问题。

该地区为干旱区,地下水为重要的饮用水源。

Lagunera地区水砷浓度范围是8~624L g/L,据估计该区暴露于饮用水砷浓度大于50L g/L的人口达40万。

而在智利北部发现砷浓度最大可达21000 L g/L。

在阿根廷,Bhattacharya等[9]在圣地亚哥)德尔埃斯特罗(Santiago de lE stero)省发现最高砷浓度值为14969L g/L。

在美国,高砷地下水影响的地区主要包括内华达、加利福尼亚和亚利桑那州[10~13]。

在内华达州,至少有1000眼私人民用井砷含量超过50L g/ L[10]。

在加利福尼亚州的图莱里(Tulare)盆地,大多数地下水的砷含量在<1~2600L g/L之间[12]。

大部分地下水也含有高浓度的Se(达1000L g/L)、U(达5400L g/L)、B(达73000L g/L)和M o(达15000L g/L)[12]。

在亚利桑那州盆岭区,罗伯逊(Robertson)发现高砷地下水出露于冲洪积含水层的氧化环境中[13]。

高浓度的As(其它含氧阴离子)是该地区封闭盆地地下水的特征之一。

2.2中国原生高砷地下水的分布及特点中国的高砷地下水区主要分布在内蒙、新疆、山西、吉林、江苏、安徽、山东、河南、湖南、云南、台湾等省(自治区)区的40个县(旗、市,图2),受影响人口约234万人,其中饮水中砷含量大于50L g/L的高砷暴露人口已超过52万人[14]。

以下简述几个典型地区高砷地下水的分布及特点。

#内蒙古:内蒙古高砷地下水除赤峰市的克什克腾旗为山区外,主要分布在河套平原和呼包平原。

河套平原和呼包平原为中新生代断陷盆地。

受燕山运动和喜马拉雅运动等造山运动的影响,盆地构造封闭,长期下沉,均形成了以内陆湖相巨厚细粒沉积物为主的沉积序列。

在阴山山脉与黄河及其支流大黑河之间形成了一条长约500km,宽约10~40km 的高砷地带。

2002年新发现锡林郭勒盟的苏尼特右旗饮水砷分布异常[14]。

地下水砷的最高浓度达1073L g/L。

高砷水存在着空间分布不均衡的特征,高砷含水层埋藏深度在10~75m之间,不同地段其深度不一。

#山西:山西省高砷地下水主要分布于大同和晋中两大盆地。

大同盆地为一新生代断陷盆地,盆地与周边山区呈断层接触;盆地中心为大片第四系冲湖积平原和黄土,盆地边缘沉积了洪积扇和冲洪积台地。

盆地内部第四纪断裂构造发育,地形复杂。

高砷水呈带状分布于桑干河与黄水河的河间洼地以及洪积)冲湖积交接洼地,主要埋深为20~50m,部分地区埋深达100m以上[16~18]。

在洪积)冲湖积交接洼地形成溶滤聚集型砷富集带,砷含量相对较低;在盆地中心的河间洼地形成浓缩聚集型砷富集带,其砷含量较高,最高浓度达到1932L g/L[18]。

3原生高砷地下水赋存环境和砷的来源原生高砷地下水的水文地球化学条件比较复杂。

不同的地质条件、沉积环境、水化学特征等对环境中砷的释放和富集的影响程度不同。

在不同区域,高砷地下水可以存在于还原环境中,也可以存在于氧化环境中。

蒸发浓缩作用被认为是干旱区高砷地下水形成的一个重要过程。

高砷地下水一般形成于干旱或半干旱地区的内陆或封闭盆地,且发育有细粒湖沼相沉积层、三角洲沉积层或冲洪积层等。

这些沉积物中往往富含有机质,为还原环境。

地形是平坦低洼的地下水滞留区。

这类含水层水流更新交替缓慢,为地下水砷富集提供了良好的条件。

高砷地下水研究中所遇到的一个关键问题就是地下水的来源和形成环境。

通过测定地下水中D (2H)和18O同位素的组成,可以有效获取地下水来源方面的信息。

3H作为现代地下水的指示剂,可以1110地球科学进展第22卷图1 世界范围内高砷地下水分布(据S m ed l ey 等[2],略有改动)F ig .1 D istr i bu ti on of docum en ted world prob le m s w ith A s i n groundwater i n m ajor aquifers as w ell as w ater andenvironm en ta l p rob le m s related to m i n i ng and geoth er m al sources (S m edley et al [2]w ith few modif ications)图2 中国高砷地下水分布(据沈雁峰等[15],稍有修改)F ig .2 D istr i bu ti on of h igh arsen ic groundwater in Ch i n a (Shen Yanfeng e t a l [15],w ith few modification s)1111第11期 郭华明等:富砷地下水研究进展用来判断地下水的形成年代。

此外,作为一种有效手段,14C同位素可提供更为准确的地下水年龄信息。

在获取地下水年龄的基础上,结合全球气候变化、沉积环境的演化等信息进行综合分析,可间接推测出高砷地下水的形成环境和砷来源。

采用同位素手段,BGS于2001年发现,在孟加拉国深部地下水中3H一般为<0.4TU,低于受砷影响大的浅层地下水3H(几个TU)。

地下水14C的研究也表明,浅部地下水的年龄只有几十年,而深部(150m)达2ka以上,并且南部地下水的形成年代比中东部早得多。

另外,13C同位素分析表明,高砷地下水样13C比较贫乏,地下水中溶解性无机碳(H C O-3)主要来源于沉积物有机碳[5]。

这些信息表明,高砷地下水一般形成于封闭的、地下水流动滞缓的、富含有机质的环境。

4高砷地下水系统中砷的分析方法和技术4.1地下水中砷的形态水中砷的存在形式有很多种,包括无机砷化物和有机砷化物。

其中无机砷化物主要以As(V)和A s(III)的形式存在;有机砷化物包括:甲基胂酸盐、二甲基胂酸盐等。

尽管在天然地下水中很少发现D MA,但甲基化砷作为一类重要的污染物,存在于受杀虫剂和不合理处置污染场地影响的地下水中。