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近十几年来，地方性砷中毒以其对人类健康的极大危害而引起了国际上的广泛关注，水环境中砷的环境化学行为和土除技术研究已成为国际环境科学与工程的优先资助课题。内蒙古河套平原是中国典型的地方性砷中毒病区之一，受影响人口达30万之多。河套盆地为中新生代断陷盆地，经历了新生代以来的构造运动、气候变化、黄河改道等各种地质环境的变化。此外，该区有近千年的引黄灌溉的历史。因此，河套平原的地下水受到上述天然和人类活动的共同影响，使得砷在含水层中的迁移富集机制更为复杂。河套平原西北部的杭锦后旗，是内蒙古自治区最为典型的砷中毒病区，共涉及9个乡镇35个村，高砷暴露人数达76000余人，患病人数为1169人，重病区地下水砷含量为0.35-1.74mg/l，最高的超过了国家生活饮用水卫生标准100多倍。因此，开展河套地区高砷地下水赋存环境的研究，查清砷在地下水系统中的迁移富集规律，对该地区地下水砷污染防治具有重要的科学意义。
为了查清河套平原高砷地下水赋存的环境要素特征及其相互之间的作用规律，我们于2007-2008年开展了详细的水文地质调查，共采集地下水样90份和钻孔沉积物样品68件。分析了地下水中的常规组分、微量组分以掌握区域水化学特征，同时测定了地下水中的氨氮、硫化物和甲烷气体等还原性指标以及砷的形态来表征地下水所处的氧化还原环境。对沉积物样品进行化学组分以及砷在沉积物中的赋存形态进行分析，探讨了高砷含水层介质的地球化学特征。最后与同为中国北方地方性砷中毒病区的山西大同盆地进行对比，结合区域地质条件和沉积环境的演化历史，揭示了河套平原高砷地下水的赋存环境特征。
本文的主要研究内容及成果包括：
1.杭锦后旗高砷病区在空间上靠近阴山山前由西南向东北呈条带状分布，在垂向上主要集中分布在20-35m，是当地居民主要的取水层位，连续监测结果显示地下水砷浓度、TDS以及常量组分在小幅度上下波动，水化学类型基本保持不变。大多数地下水含盐量较高，阴离子以氯离子和重碳酸根离子为主，阳离子以钠离子为主。地下水水化学组成自研究区边缘向中心的低洼地带呈现显著的差异。研究区北面的阴山山前和接受黄河水补给的研究区南缘，地下水TDS一般小于1 g/l，地下水以Na-(Mg)-HCO3及Na-HCO3-Cl型为主；在中部地区，大多为矿化度较高的Na-Cl-HCO3或Na-Cl型水。控制该区水化学特性的主要水文地球化学过程包括：水解过程、溶解沉淀过程、蒸发浓缩过程、氧化还原过程等。
2.通过对研究区砷中毒重病区钻孔沉积物的岩性变化和化学组成的分析，表明沉积物表层(深度小于10m)都有粘土或亚粘土覆盖，粘土层中含砷量往往较高。高砷区沉积物中砷的含量在6.8-58.5mg/kg，平均值达到16.0mg/kg，高砷的层位主要位于地下15-25m。对照区沉积物砷含量3-21.8mg/kg，平均值为9.9mg/kg。沙海钻孔沉积物中As与Fe、Mn、Sb、B、V沿剖面的变化规律较为一致。对沉积物中砷赋存形态的逐级提取结果显示，除后三步强酸提取的坚固矿物相结合的砷形态外，强吸附态砷(F2)、与无定形氢氧化铁结合的砷(F4)及与挥发性硫、碳酸盐等结合的砷(F3)占主要部分，三者之和占总砷的比例在50％以上。可交换态砷(F1)和与结晶氢氧化铁结合的砷(F5)所占比例很小。沉积物中的砷可能是地下水中砷的直接来源，砷从矿物表面的解吸和氢氧化铁还原性溶解是控制研究区含水层砷释放的主要地球化学过程。
3.通过河套平原与大同盆地地方性砷中毒病区进行对比研究，揭示出河套平原高砷地下水赋存的环境为：干旱/半干旱的内陆断陷盆地，且盆地内有大量的年轻沉积物(第四纪)，含水层为弱碱性富含有机质的强还原环境。湖泊环境中掩埋的大量草本植物提供了丰富的纤维素、淀粉等碳水化合物为微生物的生长提供了物质来源。盆地的快速沉降，造成了既有利于有机质堆积和保存又有利于生物地球化学作用的强还原环境。主要的水质指示剂为低Eh(＜50mV)、高碱度(＞500m/l)、高Fe、Mn、NH4+、低SO42-(＜5mg/l)、DOC较高(＞5mg/l)等，地下水中砷以As(Ⅲ)为主，平均占溶解As的85％，局部地区含有较高的硫化氢和甲烷气体。生物作用导致沉积物中铁的氧化物的还原性解吸和溶解从而释放砷，此外，磷酸根和HCO3-与砷形成竞争吸附，争夺粘土矿物表面的吸附点，加速了砷的释放。由于地势低平，水力梯度低，地下水流动缓慢，排泄条件差导致了砷在此富集，从而形成高砷含水层。这些特征只能用来在宏观上判断大范围的高砷地下水分布区，而不能用于单井识别。当然，单一的因素是不足的，只有多种环境特征和水质指示剂同时存在时才可能有效。