地下水氮循环与砷迁移转化耦合的研究现状和趋势

地下水中铵根、砷、溶解铁的共存是一个普遍现象。它们之间发生强烈的相互作用,并影响地下水系统的氮循环和砷迁移转化。文章在系统总结地下水氮循环过程及影响因素、地下水氮循环功能微生物及特征、地下水砷富集的水文地球化学过程等国内外研究现状的基础上,深入分析了地下水系统中的氮循环过程（硝化、反硝化、铁铵氧化、厌氧铵氧化、硝酸根异化还原产铵等）对地下水砷迁移转化的影响,总结出含水层中铁氧化物和溶解态Fe(II)的动态转化是氮循环影响地下水中砷迁移转化的重要桥梁。据此提出不同氧化还原环境的含水层中氮循环过程、地下水氮循环与砷迁移转化耦合机理、Fe(III)-Fe(II)的循环-地下水氮循环-砷迁移转化之间的相互作用过程、地表水-地下水相互作用带氮-铁-砷的循环过程及其对人类活动的响应等是今后该领域需要关注的重要科学问题和主要发展趋势。这些科学问题的解决不仅有利于识别地下水中氮的来源和迁移转化,而且有利于提高对高砷地下水富集机理的整体认识。     

包气带土壤氮污染地下水研究

地下水是维持人类正常生产生活不可或缺的资源,是生态系统中重要的一部分。近年来,我国地下水污染趋势由点源向面源发展,污染范围广且难治理,水质较差,其中"三氮"的污染也较为严重,由于来源的复杂性,地下水氮污染问题在世界范围内已呈普遍现象。在查阅相关文献的基础之上,文章主要从"三氮"的迁移转化、地下水氮污染来源进行评述。包气带是地下水的补给通道,阐述了包气带土壤氮污染地下水主要受包气带的岩性、厚度及包气带中"三氮"的相互转化,地下水位波动和化学肥料等因素影响。     

干湿交替条件下包气带土柱中氮素迁移转化规律实验

干湿交替的回灌方法常被用于解决地面回灌补给地下水的堵塞问题。研究干湿交替条件下地面回灌对地下水的影响对于指导再生水回灌地下水具有重要实际意义。通过室内土柱模拟实验,在入渗强度为10.5 mm/h的条件下,日均进水量3 888 mL;用干湿交替的地面回灌模式持续运行136 d,累计灌入氨氮含量为5 mg/L的模拟再生水23 894 L,研究包气带土柱对氨氮的去除效果及氮素在包气带中的迁移转化规律。研究表明,充分利用包气带的好氧、兼氧和厌氧环境,生物脱氮是地下水回灌过程中脱氮的主要途径。包气带对氨氮的去除机理主要为土壤对氨氮的吸附作用和微生物的降解作用。回灌过程中累积在土颗粒表面的氨氮在干期发生硝化作用,干湿交替会加强氮素在包气带的迁移转化,导致干期后的回灌初期大量硝态氮迁移到饱和带地下水中。     

水位波动下包气带透镜体影响LNAPL迁移的数值模拟研究

轻质非水相液体（LNAPLs）在土壤包气带中具有多相态特征,非均质性、地下水位波动等因素将显著增加包气带内LNAPLs污染的复杂程度。已有研究多关注于揭示包气带内自由相LNAPLs的污染过程,少有更为深入地探究水位波动时非均质结构对LNAPLs迁移及各相态分布规律的影响。基于TOUGH2程序构建包气带多相流数值模型,以揭示透镜体结构与地下水位波动共同作用下LNAPLs迁移过程及相态分布。研究结果表明:（1）含水率变化是LNAPLs迁移分布的主要控制因素,包气带内受透镜体介质岩性、水位波动影响所呈现的含水率变化直接控制LNAPLs迁移规律及分布特征;（2）水位恒定时,细砂透镜体使LNAPL呈“蓄积穿透-横向扩展-绕流”迁移,粗砂透镜体则是LNAPL垂向迁移的“优势通道”,水位波动引起的细砂透镜体含水率变化使“绕流”显著增强,粗砂透镜体则进一步呈现“优势空间”作用;（3）水位恒定时,细砂透镜体模型中LNAPL滞留于透镜体内部,粗砂模型中LNAPL则集中于透镜体下方,水位波动下透镜体附近LNAPL分布范围扩展,两模型LNAPL分布面积较水位恒定时分别增大51%、63%;（4）两模型中LNAPL挥发通量均呈“先减小-后增大”规律,并受LNAPL-气体接触条件及LNAPL分布状况共同作用,水位波动打破三相平衡状态,主要表现为水位抬升阶段LNAPL挥发增强,此时两模型中平均挥发量较水位恒定时增大124%～126%。研究为非均质石油污染场地中的LNAPL污染过程认识提供了科学的理论依据。     

临淄地区地下水中氮的水文地球化学行为

临淄地区地下水普遍受到氮的污染其主要形式为ＮＯ３＾－、ＮＯ２＾－和ＮＨ４＾＋三种溶解离子态。这三种离子在包气带及其上部土壤层中产生交换吸附及氧化还原现象。实验表明：该区土壤对ＮＨ４＾＋的吸附净化率９９％以上，且吸附量由层表向下递减；同时有Ｃａ＾２＋等被解吸，导致地下水总硬度增高，其总硬度与Ｃａ＾２＋的历时曲线完全相似；氮在包气带中的氧化还原反应主要表现为一级硝化作用。     

“三氮”在地下水-包气带中的迁移转化及原位修复技术研究概述

地下水"三氮"(硝酸盐氮、亚硝酸盐氮、氨氮)污染已成普遍之势,吸引了国内外学者的广泛关注,取得了大量的科研成果。在已有研究的基础上,梳理了"三氮"在地下水-包气带中的迁移转化机理,概述了影响"三氮"迁移转化的主要因素及研究成果,分析了PRB原位修复技术的研究现状,提出了现有研究存在的问题及改进方向。     

包气带人工微生物反硝化除氮实验研究

利用土柱模拟农田污灌下的包气带环境，对人工微生物在包气带中反硝化作用除氮进行了研究。并讨论了脱氮机理、脱氮效果及环境影响因素     

包气带人工微生物反硝化除氮实验研究

利用土核模拟农田污灌下的包气带环境，对人工微生物在包气带中反硝化作用除氮进行了研究。并讨论了脱氮机理、脱氮效果及环境影响因素。     

江汉平原典型地区季节性水文条件影响下氮的动态变化规律

江汉平原东部地区地下水硝态氮和氨氮污染严重,地表水-地下水相互作用强烈,季节性水文条件变化极其显著.选取典型试验场地,对试验场内沉积物(0~25 m)氮形态进行测定,并对地下水氮含量及其他水化学指标进行连续性监测.研究表明:沉积物NO₃--N含量较高(25.8~119.48 mg/kg),是可交换态氮的主要组成部分,NH₃-N含量与TOC和TN均呈一定的正相关性,表明NH₃-N含量主要受沉积物中埋藏有机质的控制.试验场深度较深(≥2 m)地下水氮的含量和形态对地下水位波动有明显响应:雨季开始,地下水位抬升,含水介质还原性增强,NO₃--N生成受抑制且通过反应消耗,矿化作用加强,导致NH₃-N成为氮的主要赋存形态;雨季结束,地下水水位下降,含水介质的氧化性增强,NO₃--N的生成受到促进,硝化作用增强而反硝化作用减弱,导致NO₃--N的浓度增加.近地表人类活动(外源输入)对试验场浅表地层(＜2 m)地下水氮形态有明显的影响.自然或者人为因素引起的水文条件变化导致地下水流场的变化,从而改变含水介质固有的氧化还原环境,是导致试验场氮季节性变化的主要原因.      

氮污染含水层治理技术综述

本文通过对“三氯”（NO3^-,NO2^-,NH4^ )的迁移转化机理研究，指出反硝化作用是地下水中除氮的主要过程，并分析了影响反硝化作用的主要因素，进一步推导出地下水系统中硝化与反硝化作用的数学模型，去除含水层中的氮是当今国内外重点研究的现场净化技术之一，文中介绍了双井系统、多井系统、Nitredox法、综合系统法及麦杆生物反应器法的基本原理、应用条件、处理效果等，各种方法均可使受氮污染的含水层得以再生。     

卫河流域河流地下水流系统氮素运移的数值模拟

卫河是海河流域污染最严重的河流之一,该河如何影响附近浅层地下水的水质是长期受到重视但缺乏定量研究的关键问题。为探讨这一问题,利用Hydrus 2d模型模拟河流非饱和带氮素的迁移转化,以GMS软件中的RT3D模块模拟氮素在饱和含水层中的运移,将包气带底部淋滤出的污染物浓度定为饱和带溶质运移模型的上边界条件,首次实现了河流非饱和带饱和含水层氮素运移的联合模拟,得到河流线状污染源对浅层地下水的影响程度及范围。研究结果表明：由于吸附作用、硝化反硝化作用的存在,从河流上游到下游,包气带厚度加大,运移至含水层中的NH4-N、NO2-N浓度呈下降趋势,而NO3-N浓度则呈上升趋势。随着入渗时间的增长,进入饱和含水层中的NH4-N、NO2-N、NO3-N的浓度逐渐升高并最终保持稳定。污染的河流对浅层地下水的影响呈带状分布,污染物随入渗水流在包气带中垂直入渗;在饱和含水层中以水平运移为主,污染羽偏向地下水流动的方向,其影响距离不超过500 m。     

Pharmaceuticals and personal care products transference-transformation in aquifer system

Pharmaceuticals and personal care products (PPCPs) are a new kind of contaminant widely existing in the surface water and groundwater environment. In recent years, PPCPs have been received widely attention from many researchers. The migration and transformation of PPCPs are mainly photolysis, biodegradation, adsorption and hydrolysis in aquifer environment. The influencing factors of PPCPs migration include PPCPs' own physical and chemical properties, types and contents of organic matter, pH, lithology, geotechnical structure and the thickness of vadose zone, etc. At present, the research of PPCPs in China is still in the primary stage, especially on the contaminant in aquifer system. Therefore, the research in this field needs to be further strengthened.     

Role of degree of saturation in denitrification of unsaturated sand specimens

Nitrate contamination of groundwater arises from anthropogenic activities, such as, fertilizer and animal manure applications and infiltration of wastewater/leachates. During migration of wastewater and leachates, the vadose zone (zone residing above the groundwater table), is considered to facilitate microbial denitrification. Particle voids in vadose zone are deficient in dissolved oxygen as the voids are partially filled by water and the remainder by air. Discontinuities in liquid phase would also restrict oxygen diffusion and therefore facilitate denitrification in the vadose/unsaturated soil zone. The degree of saturation of soil specimen (S _r) quantifies the relative volume of voids filled with air and water. Unsaturated specimens have S _r values ranging between 0 and 100 %. Earlier studies from naturally occurring nitrate losses in groundwater aquifers in Mulbagal town, Kolar District, Karnataka, showed that the sub-surface soils composed of residually derived sandy soil; hence, natural sand was chosen in the laboratory denitrification experiments. With a view to understand the role of vadose zone in denitrification process, experiments are performed with unsaturated sand specimens (S _r = 73–90 %) whose pore water was spiked with nitrate and ethanol solutions. Experimental results revealed 73 % S _r specimen facilitates nitrate reduction to 45 mg/L in relatively short durations of 5.5–7.5 h using the available natural organic matter (0.41 % on mass basis of sand); consequently, ethanol addition did not impact rate of denitrification. However, at higher S _r values of 81 and 90 %, extraneous ethanol addition (C/N = 0.5–3) was needed to accelerate the denitrification rates.     

Advances in Moisture Migration in Vadose Zone of Dryland and Recharge Effects on Groundwater Dynamics

The vadose zone is the zone in between the land surface and above the groundwater table at vertical profile with partial water saturation and under the unsaturation condition, which constitutes the connections among atmospheric water, surface water and groundwater. Soil moisture migration in the vadose zone is a rather complicate process, which controls the rates of groundwater depletion and recharge, and has close hydraulic connections with highly frequent water transfers on the interfaces among the irrigation farmland, sand dunes, wetlands, lakes, and other landscape types. Recent development on soil moisture migration simulations and the application of tracer techniques, geophysical techniques and other geological methods in the vadose zone research, the factors affecting soil moisture migration and groundwater recharge,and soil moisture migration effects on moisture exchange between different landscapes were reviewed in this paper. Several suggestions on the future research were presented here: ① An intense field observation and research database should be initiated and constructed to determine the soil hydraulic parameters, and quantify the influence of moisture migration in vadose zone on the groundwater recharge; ② The proposed observations and researches should learn from the “Critical Zone Observatory”, and focus on the coupling of the soil moisture migration, solute transport and groundwater recharge.     

土壤包气带强化反应层脱氮的控制因素与性能研究

包气带作为防止地下水硝酸盐污染的天然屏障,其反硝化效果通常受到碳源的限制。针对地下水硝酸盐污染防治技术现状,本文采用Ca(OH)₂处理的玉米芯作为反硝化的碳源材料,构建包气带强化反应层,用响应曲面法研究硝酸盐浓度、含水量和温度的交互作用对脱氮性能影响,并用硝态氮去除率、亚硝态氮累积、pH值变化以及溶解性有机碳(dissolved organic carbon, DOC)淋失通量综合评价脱氮性能,最后采用高通量测序揭示脱氮层中微生物变化。研究结果表明:温度、含水量以及温度和含水量交互作用对硝态氮去除率影响显著,其中温度是反硝化过程中最关键的因素;系统运行74天后,硝态氮去除率达到50%,亚硝态氮累积量(以N计)大多低于3 mg/L,pH值维持在7.0左右,DOC淋失通量(以C计)介于0.10.2 mg/(cm²·d);高通量测序发现,脱氮层中微生物的丰富度降低,而与反硝化和碳分解有关的微生物相对丰度提高,在碳源的刺激下微生物向有利于脱氮的方向演变。     

地下水环境容量研究——以郑州市平原岗区为例

同地表水体一样,地下水系统本身也具有一定的纳污能力,即地下水环境容量。目前,国内外真正意义上的地下水环境容量研究开展得非常少,主要是进行了与地下水环境容量相关的地下水溶质迁移理论和试验研究。以郑州市平原岗区为例,分析了污染物在土壤包气带中随下渗水体向下迁移的机理过程,借助数值模型计算了不同岩性和厚度包气带的水环境容量,成果可为地下水污染防治提供科学依据。     

硝酸盐氮氧稳定同位素分馏过程记录的海洋氮循环研究进展

海洋生态系统中的氮素生物地球化学循环主要是由微生物的代谢过程来驱动的,包括氮固定、氮同化、硝化以及反硝化和厌氧氨氧化过程,这些过程都伴随着不同程度的氮氧同位素的分馏,直接影响着海洋硝酸盐中的氮氧稳定同位素组成.因此,通过检测海洋硝酸盐中的氮氧稳定同位素信号,就可以捕捉到海洋中发生的具体氮素循环过程.细菌反硝化法是这一研究最有力的手段,通过细菌的作用把硝酸盐中记录的氮氧稳定同位素信号转化到N2O中,再通过痕量N2O的同位素质谱测定和分析,准确地反映海洋中发生的氮素转化过程.硝酸盐氮氧稳定同位素分馏过程为深入理解海洋氮循环提供了一个重要的工具,有力推动了海洋氮素生物地球化学的研究,在近10年来取得了重要进展.     

鄂尔多斯盆地北部风积沙覆基岩型包气带结构的生态意义

风积沙覆基岩型包气带结构在鄂尔多斯盆地北部分布面积最广.在其结构及其属性特征分析基础上,重点解析了结构内垂向上土壤水分的富集规律;以沙蒿为例,对喜沙耐旱植被的生长与风积沙厚度、地下水水位埋深间的关系进行了探讨.认识到风积沙覆基岩型包气带结构有利于土壤水富集,是鄂尔多斯盆地北部沙蒿、沙柳等耐旱喜沙植被分布与生长的决定性因素,对维系盆地北部生态系统有重要作用;而地下水位埋深与沙蒿等耐旱植被生长间的关系并不密切.在进行盆地北部地下水资源评价及开发方案制定过程中,应对风积沙覆基岩型包气带的生态意义给予重视.