粘性土弱透水层压实释砷机制的实验研究

Based on the phenomenon that groundwater overpumping leads to an increase in deep aquifer arsenic concentrations, the present study, extended the research object of the origin of high arsenic groundwater from shallow aquifer to deep aquiatrd and aquifer, proposed the scientific hypothesis that the overpumping of groundwater results in arsenic release during deep clayey aquitard compaction and enter the adjacent deep aquifer. Aiming at the scientific problem of process and mechanism of arsenic migration and release during clayey aquitard compaction, this research will find out the characteristics and main control factors(such as pressure, moisture content, content of Fe and S, organic matter and compaction mode) of arsenic release during aquitard compaction, by taking indoor compaction simulation as key technology and using multi-process online monitoring soil column simulation device under different temperature and pressure conditions. The research will reveal the mechanism of arsenic migration and release during clayey aquitard compaction, and quantitatively evaluate the contribution of clayey aquitard compaction to arsenic enrichment in adjacent aquifer. The present study can further enrich genetic theory of high arsenic groundwater, and provide theoretical support for the safety management of groundwater quality in the groundwater overpumping area.

本研究基于“地下水超采导致深部含水层砷富集”现象，将传统高砷地下水成因的研究对象由浅部含水层拓展到深部弱透水层和相邻深部含水层，提出“地下水超采导致深部弱透水层压实释砷并进入相邻深部含水层”的科学假设，针对“弱透水层压实过程中砷的迁移释放过程及其机制”这一关键科学问题，以室内压实模拟为核心手段，运用自主研发的不同温压条件下多过程在线监测的一体化土柱模拟装置，查明弱透水层压实过程中砷的释放规律及其主控因素（压力、含水率、Fe和S含量、有机质、压实模式等），揭示弱透水层压实过程中砷的迁移释放机制论支撑。

地下水砷污染问题已成为全球性的环境问题。地下水超采引起的弱透水层压实是导致深部含水层地下水砷异常的关键因素,而目前这一现象局限于野外观察，已有研究缺乏对粘性土弱透水层压实作用下砷释放机制的室内机理研究。本项目以室内压实模拟为核心手段，采用地球化学、矿物学和水文地球化学模拟的方法分析解析了弱透水层压实过程中砷的释放规律及其主控因素，揭示了弱透水层压实过程中砷的迁移释放机制。取得的主要研究结果如下：.（1）初始阶段铁氧化物的还原性溶解是控制粘土弱透水层压实过程中As释放的关键过程，随后铁（水）氧化物中的解吸作用成为As释放的主要驱动力,最后阶段As的释放以粘土或碳酸盐矿物对As的解吸为主。（2）根据压实速率可以确定粘土质沉积物的快速和慢速水释放模式，慢速模式下孔隙水中的As浓度明显高于快速模式下的As浓度。（3）加速压实模式中的孔隙水中的As浓度远高于减速压实模式，压实模式改变了每个阶段沉积物的含水量，导致释放砷浓度的差异。（4）以江汉平原为例，过度开采的含水层压实后释放到地下水中的As浓度将是 9.33-118.09μg/L，凸显了过度开采地下水问题的严重性。评价结果说明应逐步停止地下水的过度开采，或只适度开采地下水，以减少As在地下蓄水层的积累。以上研究结果不仅有助于丰富高砷地下水成因理论，对于地下水超采区的地下水水质安全管理也具有重要的现实意义。