高分辨率美國(guó)地下水位深度估算揭示可獲取地下水的儲(chǔ)量

本研究通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)方法首次繪制了美國(guó)大陸約30米分辨率的高精度地下水位深度分布圖，填補(bǔ)了遙感數(shù)據(jù)與點(diǎn)觀測(cè)之間的尺度鴻溝。研究團(tuán)隊(duì)利用約100萬(wàn)個(gè)觀測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)（時(shí)間跨度1914-2023年）訓(xùn)練隨機(jī)森林模型，估算出北美地區(qū)地下水總儲(chǔ)量約為30.65萬(wàn)立方公里，不確定范圍為29.19萬(wàn)至31.67萬(wàn)立方公里，是目前分辨率最高的可獲取淡水資源估算結(jié)果。

現(xiàn)有低分辨率的水文模擬和遙感手段，因無(wú)法捕捉地下水的空間變異性，在局部和大尺度估算中均存在系統(tǒng)偏差，也難以精準(zhǔn)反映人為抽水的影響。本研究整合超百萬(wàn)地下水觀測(cè)數(shù)據(jù)與氣候、水文地質(zhì)、地形等多維度輸入，搭建隨機(jī)森林模型，模型統(tǒng)計(jì)表現(xiàn)良好，且能隱含抽水的信號(hào)，其成果并非替代物理模型，而是作為補(bǔ)充完善美國(guó)淡水資源研究。研究發(fā)現(xiàn)美國(guó)本土約 40% 區(qū)域地下水位淺于 10 米，16% 淺于 5 米；低分辨率估算會(huì)使地下水總儲(chǔ)量被低估 18%，淺層地下水的低估更為顯著，還會(huì)丟失地下水局部匯聚等關(guān)鍵特征。研究還量化了估算的不確定性，發(fā)現(xiàn)美國(guó)西部干旱區(qū)的不確定性高于東部濕潤(rùn)區(qū)，農(nóng)田區(qū)地下水位更淺且不確定性更低，局部尺度的不確定性對(duì)水資源管理影響顯著。

研究同時(shí)指出觀測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)空分布不均的局限，建議加強(qiáng)地下水監(jiān)測(cè)，并結(jié)合物理模型與數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法開(kāi)展研究，該成果填補(bǔ)了遙感與點(diǎn)位觀測(cè)的空白，為水資源管理提供了關(guān)鍵的多尺度信息。

施氏礦石高效去除地下水中的亞砷酸鹽：

天然地下水源性亞鐵離子的協(xié)同效應(yīng)

該研究針對(duì)亞砷酸鹽為主、且常與亞鐵離子共污染的高砷地下水處理難題展開(kāi)探究，制備出恒pH 2.7條件下的施氏礦石Sch-2.7，其粒徑遠(yuǎn)小于未控pH合成的常規(guī)施韋特曼石，對(duì)亞砷酸鹽和亞鐵離子的去除速率顯著提升。在地下水曝氣形成的好氧環(huán)境中，Sch-2.7可加速吸附態(tài)亞鐵離子氧化為三價(jià)鐵離子，羥基自由基的生成印證了這一過(guò)程，該反應(yīng)還會(huì)生成新鐵沉淀物提供更多吸附位點(diǎn)，并將亞砷酸鹽氧化為吸附性更強(qiáng)的砷酸鹽，進(jìn)一步強(qiáng)化亞砷酸鹽的固定。

研究將Sch-2.7負(fù)載于沸石制成濾料應(yīng)用于吸附柱，當(dāng)進(jìn)水亞鐵離子濃度為1~4mg/L時(shí)，出水砷濃度達(dá)標(biāo)的處理床體積較無(wú)亞鐵離子組提升71%~650%，且出水鐵濃度始終達(dá)標(biāo)。同時(shí)研究對(duì)比了再生方法，新型再包覆法相較傳統(tǒng)堿解吸再生，能穩(wěn)定恢復(fù)濾料性能，還避免產(chǎn)生含砷廢水，將地下水處理成本從1.49美元/m3降至0.31美元/ m3。

此外，Sch-2.7在典型地下水pH范圍和共存離子影響下，展現(xiàn)出良好的抗干擾性，該研究為亞鐵離子共污染的高砷地下水處理提供了高效、經(jīng)濟(jì)的解決方案，具備顯著的工程應(yīng)用潛力。

地下水灌溉中的“鐵-有機(jī)質(zhì)-碘”氧化還原耦合：地下水碘再分配與有機(jī)碘生成的隱秘途徑

全球數(shù)百萬(wàn)人長(zhǎng)期接觸地質(zhì)成因高碘地下水，會(huì)增加患甲狀腺疾病的風(fēng)險(xiǎn)。本研究聚焦江漢平原農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，探究高碘地下水（濃度54.5~655 μg/L）灌溉引發(fā)的碘遷移與轉(zhuǎn)化機(jī)制。

研究發(fā)現(xiàn)，灌溉7天后表層土壤碘含量提升27%~99%，地下水曝氣過(guò)程中，亞鐵離子氧化生成三價(jià)鐵羥基氧化物，不僅能固定地下水碘，還可將碘離子轉(zhuǎn)化為16%的有機(jī)碘和 11%的碘酸根，驅(qū)動(dòng)碘循環(huán)。有機(jī)質(zhì)發(fā)揮雙重作用，既是碘的儲(chǔ)庫(kù)，也是有機(jī)碘化合物生成的前體，借助傅里葉變換離子回旋共振質(zhì)譜，研究在曝氣地下水的溶解有機(jī)質(zhì)中鑒定出 93 種新生成的有機(jī)碘化合物，灌溉后土壤的水溶性有機(jī)質(zhì)中又新增 54 種，其中地下水中高度不飽和的溶解有機(jī)質(zhì)與土壤中富含芳香族結(jié)構(gòu)的水溶性有機(jī)質(zhì)均能促進(jìn)碘化反應(yīng)。此外，鐵氧化還原循環(huán)控制碘形態(tài)動(dòng)態(tài)，有機(jī)質(zhì)介導(dǎo)碘的保留與有機(jī)碘生成，生成的含碘酚類化合物具有高細(xì)胞毒性和遺傳毒性。

研究指出，地下水灌溉是此前被忽視的碘暴露關(guān)鍵途徑，高碘地下水不僅直接危害健康，還通過(guò)“地下水-表層土壤-作物”系統(tǒng)引發(fā)二次暴露，建議將灌溉納入碘風(fēng)險(xiǎn)管控政策，預(yù)曝氣可作為保障灌溉安全的可行策略。

美國(guó)地下水干旱：空間和時(shí)間的變異性

美國(guó)許多依賴地下水的社區(qū)和生態(tài)系統(tǒng)都可能受到地下水干旱的不利影響。本研究聚焦美國(guó)本土地下水干旱的時(shí)空變異性，結(jié)合1510口井（2001-2020年）和613口井（1981-2020 年）的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，以及 GRACE-DADM 遙感模擬數(shù)據(jù)展開(kāi)分析。空間上，西南部等干旱地區(qū)的地下水干旱持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)、嚴(yán)重程度更高，西部整體年際變異性大于東部濕潤(rùn)地區(qū)；東北部 1981-2020 年地下水位顯著上升、干旱持續(xù)時(shí)間與嚴(yán)重程度明顯減輕，東南部則呈現(xiàn)地下水位下降、干旱加劇的相反趨勢(shì)，西部部分山區(qū)也出現(xiàn)干旱加重跡象。

研究發(fā)現(xiàn)，井水?dāng)?shù)據(jù)與 GRACE-DADM 數(shù)據(jù)的趨勢(shì)相關(guān)性極低，前者顯示東北部、中西部干旱減輕，后者卻多呈干旱增加趨勢(shì)，差異源于 GRACE-DADM 分辨率較低（約 12 公里），且僅代表淺層非承壓含水層，與監(jiān)測(cè)井的篩管區(qū)間不匹配。此外，長(zhǎng)期地下水監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)存在空間缺口，制約了對(duì)干旱變異性的全面認(rèn)知。

綜上，長(zhǎng)期、高頻且經(jīng)過(guò)質(zhì)量保證的地下水監(jiān)測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)在空間上存在較大缺口，這對(duì)理解美國(guó)本土地下水干旱的變異性構(gòu)成了挑戰(zhàn)。GRACE 等遙感工具雖能提供幫助，但無(wú)法完全替代井水監(jiān)測(cè)。要更準(zhǔn)確地反映美國(guó)本土（尤其是西部地區(qū)）的地下水干旱趨勢(shì)和空間變異性，需要大幅增加長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)井的數(shù)量。