江汉盆地SIZ中砷的水文-生物地球化学耦合过程及其尺度效应研究

With the increase of global climate change and human activities, the hydrological process of wetlands is becoming more and more complex, and its response to the interaction between groundwater and surface water becomes more sensitive. Subsurface interaction zone (SIZ) is the most concentrated and prominent area of this trend, and the key zone for implement mechanism of coupled hydrological process, water, chemical and biological function. This study will select the wetland lakes in jianghan basin as the study area and the typical arsenic pollution in this area as the research object, and carry out field investigation, labortory experiment and model simulation in three different scales. It is aimed to identify the key hydrological processes and biogeochemical processes controlled arsenic migration in jianghan basin. Coupled arsenic related hydrological/biogeochemical dynamic processes models will be proposed to in fine scale, and then expanded to predict arsenic behavior in local scale and reach scale. These will help to supply theoretical guidance for integrated management of water resources in jianghan basin and wetland protection.

伴随着全球气候变化和人类活动双重影响的加剧，湿地水文过程越来越复杂，对地下水与地表水相互作用的响应也更加敏感。地表水-地下水相互作用带（SIZ）是该发展趋势最为集中和突出的区域，同时又是实现水文过程、水化学机制和生物作用耦合的关键地带。本项目以江汉盆地湿地湖泊群为研究区，以该地区典型的污染物砷为研究对象，通过不同尺度范围的野外调查、室内实验和模型构建手段，识别江汉盆地SIZ中砷迁移转化的关键水文过程和生物地球化学过程，构建沉积物尺度上砷的水文/生物地球化学动态耦合模型，进一步拓展到接触带尺度和流域尺度上不同形态砷的行为预测，从而为江汉盆地区域水资源综合管理与湿地生态保护提供重要的理论指导。

江汉平原高砷地下水地区中砷的分布、迁移和转化随着地下水和地表水的交替补给发生显著的改变。本项目通过野外调查、室内实验和模型研究，首先针对被忽略的一硫代砷这一重要As(V)形态，查明了沉积物与一硫代砷相互作用机制及关键影响因素，发现其主要通过形成AlAs、Al-As-O和Fe-As-O络合物发生，共存的亚砷酸盐、砷酸盐、磷酸盐通过竞争吸附能够显著降低一硫代砷的吸附，而硝酸盐明显促进了沉积物对一硫代砷的固定。其次，重点识别了河岸带这一典型的地下水-地表水相互作用带中影响砷迁移的关键水文地球化学因素及反应机理，构建了砷运输模型，发现砷的迁移存在明显的粒径和流速效应，同时，地下水中S(II)形成的还原环境，磷酸盐、硅酸盐和重碳酸盐离子的竞争吸附等作用有利于砷的迁移，而地表水带来的氧通过氧化Fe(II)形成Fe(III)（氢）氧化物促进了砷的吸附，不利于砷的在水环境中的传输。此外，介质非均质性对砷的迁移影响是缓慢和相对较弱的，但是，磷酸盐和S(II)等水化学因素干扰下，砷在非均质介质中的迁移会发生显著差异。最后，研发了高效吸附水体中As(III)的不同铁改性复合材料，不仅能够有效将砷浓度从mg/L级别降低至10 μg/L以下，且经济环保，能够循环再生使用。上述成果进一步丰富了我国高砷地下水中砷形态及行为机理的认识，同时为我国砷污染水体的治理提供了有力的技术支持。依托本项目研究，在国内外水文地质和环境领域重要期刊和会议论文集上等共发表学术论文24篇；出版中文专著2部；授权发明专利1项；晋升教授1名，副教授1名；培养硕士毕业研究生7名；开展国内外学术合作和会议交流共9人次。