◎  曹文庚 郭华明 谢先军

　　华北平原人口密集，面临水安全、粮食安全和生态安全的重大挑战。在此背景下，一项具有重要意义的地质调查科技成果产生，项目人员形成了华北平原高砷、高氟地下水“快速识别-成因机制-风险预警-原位修复”全链条成果。

　　该项目主要完成单位为中国地质科学院水文地质环境地质研究所、中国地质大学（北京）、中国地质大学（武汉）、南方科技大学、香港科技大学。主要完成人为曹文庚、郭华明、谢先军、郑焰、李祥志、王妍妍、任宇、宋乐、谢小江、段艳华、南天、李泽岩、余鸣潇、鲁重生、卢瑶。项目取得了4项创新成果：

　　一是针对砷、氟等地下水中劣质组分检测设备存在操作复杂、易受干扰、响应时间长等问题，项目人员研发了基于新型离子载体的高选择性氟离子现场快速传感技术和基于丝网印刷电极和钼蓝比色法改进的三价砷现场快速检测技术，使样品测定时间达到分钟级，提升了大尺度原生高砷、高氟地下水快速调查及检测能力。此外，项目人员还研发了一种金属酞菁类新型氟离子选择性载体，对氟离子相对氢氧根的选择性大于1000，响应时间≤20秒；实现了对砷离子的高通量检测，每15分钟可同时完成7个地下水样品测试。

　　二是针对地下水中砷、氟分布空间变异性大，大尺度的“沉积-气候-人类”影响复杂且维度高，综合驱动机制不明等问题，项目人员率先提出了在黄河流域具有普适性的古黄河摆动带高砷、高氟地下水“沉积主控-人类活动胁迫-气候变化驱动”的宏观控制过程和有机质-微生物协同的生物地球化学微观成因机制，积极推动区域大尺度地质背景高砷、高氟地下水宏观微观融合研究的理论方法创新。项目人员首次构建了古黄河摆动强度指数，对高砷地下水的识别精度达到90%以上；提出了不同时代含水层高砷、高氟地下水的水文生物地球化学成因模式和地下水生物地球化学研究的新范式，为解释大尺度地下水砷、氟异常的形成机制和宏微观耦合研究提供新见解。

　　三是针对传统地下水质量调查评价过程存在可用样本数据量小、时间序列数据不连续、相关预测模型普适性差、影响因素可量化程度低等问题，项目人员研发了人工智能与数值模拟耦合的大尺度地下水砷、氟风险动态预测及预警技术，揭示了华北平原高砷地下水形成及演化的主要控制过程，量化了人类活动和气候变化对砷风险变化的贡献率，实现了高砷地下水风险变化的智能化预测和预警。将数值模拟技术应用于水文地质调查的数据样本扩充，形成地下水砷污染风险模拟预测的数值-数据双驱动模型，相对于较小样本的数据驱动模型可普遍提升30%以上的模拟预测精度。

　　四是针对传统地下水修复技术存在的成本高、稳定性差、易受含水层复杂条件和介质非均质性影响等难题，项目人员研发的磁性纳米材料和金属基-碳基复合材料具有成本低、去除效果好、长效性高等优点，最大限度地突破了含水层的还原性和空间异质性对纳米材料修复效果的干扰。基于反应性传输模型开展单井重复注入-泵出一系列不同条件下的原位现场实验，试验结果和进一步的模型模拟结果表明，增加80倍的亚铁-硝酸盐试剂量，可产出1300立方米灌溉用水，处理成本可达0.6元/立方米。应用EXAFS等现代光谱技术，区分并定量测定表面吸附态、表面沉淀态或内部结构态砷，建立了分子水平上的砷、氟固定模型。

　　该研究成果可支撑和提升我国地下水快速调查技术体系，揭示大尺度地质成因地下水砷、氟形成及变化的主要控制机制，实现气候变化与人类活动驱动下的地下水砷、氟健康风险演化趋势智能预警和高效修复，提出人类健康与地质环境协同规划的高砷、高氟地下水风险规避对策，对区域、国家制定和实施地下水污染防治规划，有效保护地下水资源，提升饮水安全保障程度等具有重要的现实意义和深远的战略意义。