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华北平原地下水砷异常识别-成因-预警关键技术OA

Key Technologies for the Identification,Genesis,and Early Warning of Groundwater Arsenic Anomalies in the North China Plain

中文摘要英文摘要

华北平原大面积地下水砷异常问题严重威胁区域供水安全与农业可持续发展.在区域高砷地下水的现场快速筛查、复杂成因解析及风险高精度预警等方面,目前仍面临一系列突出挑战.本研究以构建华北平原高砷地下水系统性解决方案为目标,围绕"识别-成因-预警"全链条中的核心瓶颈开展联合攻关,取得了系列关键技术突破.在快速识别方面,优化了钼蓝法测砷方法,延长了还原剂的存储时间(>7 天),降低了显色剂中硫酸浓度,缩短了显色时间(6 min);结合自主研发的便携式三通道砷形态检测比色仪,实现了地下水样品中磷酸盐、无机砷酸盐(iAs(V))和无机亚砷酸盐(iAs(III))的现场同时快速检测,显著提升了区域地下水砷的野外调查效率.在成因解析方面,提出了"沉积主控-人类活动胁迫-气候变化驱动"的多元控制理论,构建了古河道摆动强度指数并用于预测砷的分布,阐明了黄河古河道沉积环境对区域砷富集的基础控制作用,并量化了地下水超采与气象因子对砷富集的驱动贡献.在风险预警方面,率先构建了华北地区地下水砷风险的数值-数据双驱动模型,相比传统数据驱动模型,模拟预测精度提升 20%以上,有效提升了大尺度、小样本、非均质分布条件下砷风险预测的精度与泛化能力.本研究成果形成了理论、技术、应用紧密结合的全链条技术体系,已在河北、内蒙古等多个省份取得良好应用效果,对提升我国地下水调查评价能力、服务国家"健康中国"战略具有重要的科学价值与应用前景.

The widespread occurrence of arsenic anomalies in groundwater in the North China Plain poses a serious threat to regional water supply security and sustainable agricultural development.Currently,in terms of the on-site rapid screening of regional high-arsenic groundwater,the analysis of its complex formation mechanisms,and high-precision risk warning,a series of prominent challenges still remain.This study aims to establish a systematic solution for high-arsenic groundwater in the North China Plain by addressing the core bottlenecks in the entire chain of"identification-mechanism analysis-early warning"and has achieved a series of key technological breakthroughs.For rapid identification,the molybdenum blue method for arsenic detection was optimized by extending the storage time of the reducing agent(>7 days),reducing the sulfuric acid concentration in the chromogenic reagent,and shortening the chromogenic reaction time to 6 min.When combined with a self-developed portable three-channel arsenic speciation colorimeter,simultaneous rapid field detection of phosphate,inorganic arsenate(iAs(V)),and inorganic arsenite(iAs(III))in groundwater samples was achieved,significantly improving the efficiency of regional groundwater arsenic investigations.Regarding mechanism analysis,a multi-factor control framework of"sediment dominance-human activity stress-climate change driving"was proposed.A paleochannel migration intensity index was constructed to predict arsenic distribution,elucidate the fundamental controlling role of the Yellow River paleochannel sedimentary environment in regional arsenic enrichment,and quantify the contributions of groundwater overexploitation and meteorological factors to arsenic enrichment.For early risk warning,a dual-driven numerical model for groundwater arsenic risk in North China was developed.Compared with conventional data-driven models,simulation and prediction accuracy improved by more than 20%,effectively enhancing the precision and generalizability of arsenic risk prediction under large-scale,small-sample,and heterogeneous distribution conditions.This study establishes a fully integrated technological system that integrates theory,methodology,and practical application.Promising results have been achieved in multiple provinces across the North China Plain,including Hebei and Inner Mongolia.This study holds significant scientific value and application potential for enhancing China's groundwater investigation and assessment capabilities and for supporting the national"Healthy China"strategy.

曹文庚;郝桂珍;冯创业;宋乐;叶明霞;南天;鲁重生;李晓峰;薛茹;董跃勇;郭华明;郑焰;谢先军;李祥志;段艳华;王妍妍;任宇;庹小宝

中国地质科学院水文地质环境地质研究所,河北 石家庄 050061||河北省/中国地质调查局地下水污染机理与修复重点实验室,河北 石家庄 050061河北建筑工程学院,河北省水质工程与水资源综合利用重点实验室,河北 张家口 075000河北地矿集团有限公司,河北 石家庄 050000中国地质科学院水文地质环境地质研究所,河北 石家庄 050061||河北省/中国地质调查局地下水污染机理与修复重点实验室,河北 石家庄 050061中国地质科学院水文地质环境地质研究所,河北 石家庄 050061||河北省/中国地质调查局地下水污染机理与修复重点实验室,河北 石家庄 050061中国地质科学院水文地质环境地质研究所,河北 石家庄 050061||河北省/中国地质调查局地下水污染机理与修复重点实验室,河北 石家庄 050061中国地质科学院水文地质环境地质研究所,河北 石家庄 050061||河北省/中国地质调查局地下水污染机理与修复重点实验室,河北 石家庄 050061河北地矿集团有限公司,河北 石家庄 050000河北水文工程地质勘察院有限责任公司,河北 石家庄 050090河北海鹰环境安全科技股份有限公司,河北 石家庄 050000水利部地下水保护重点实验室,中国地质大学(北京)水资源与环境学院,北京 100083||中国地质大学(北京)地质微生物与环境全国重点实验室,北京 100083土壤污染防治与安全全国重点实验室,南方科技大学环境科学与工程学院,广东 深圳 518055||生态环境部流域地表水-地下水污染综合防治重点实验室,南方科技大学环境科学与工程学院,广东 深圳 518055中国地质大学(武汉)环境学院,湖北 武汉 430078中国地质科学院水文地质环境地质研究所,河北 石家庄 050061||河北省/中国地质调查局地下水污染机理与修复重点实验室,河北 石家庄 050061土壤污染防治与安全全国重点实验室,南方科技大学环境科学与工程学院,广东 深圳 518055||生态环境部流域地表水-地下水污染综合防治重点实验室,南方科技大学环境科学与工程学院,广东 深圳 518055中国地质科学院水文地质环境地质研究所,河北 石家庄 050061||河北省/中国地质调查局地下水污染机理与修复重点实验室,河北 石家庄 050061中国地质科学院水文地质环境地质研究所,河北 石家庄 050061||河北省/中国地质调查局地下水污染机理与修复重点实验室,河北 石家庄 050061土壤污染防治与安全全国重点实验室,南方科技大学环境科学与工程学院,广东 深圳 518055||生态环境部流域地表水-地下水污染综合防治重点实验室,南方科技大学环境科学与工程学院,广东 深圳 518055

天文与地球科学

地下水现场快速检测成因机制风险预警

arsenicgroundwateron-site rapid detectiongenetic mechanismearly risk warning

《地球学报》 2026 (3)

443-453,11

本文由河北省中央引导地方科技发展资金项目(编号:246Z3601G)、国家自然科学基金地质联合基金项目(编号:U2444218)、国家重点研发计划项目课题(编号:2022YFC3703701)、国家自然科学基金项目(编号:42477093)和中国地质科学院基本科研业务费专项(编号:SK202530)联合资助.获中国地质科学院 2024 年度十大科技进展第七名. This study was supported by Central Government Guides Local Science and Technology Development Fund of Hebei Province(No.246Z3601G),United Fund for Geosciences of the National Natural Science Foundation of China(No.U2444218),National Key Research and Development Program of China(No.2022YFC3703701),National Natural Science Founda-tion of China(No.42477093),and Central Pub-lic-interest Scientific Institution Basal Research Fund(No.SK202530).

10.3975/cagsb.2026.030901

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