第3期：地下水科学前沿“测”略

高分辨率美国地下水位深度估算揭示可获取地下水的储量

本研究通过机器学习方法首次绘制了美国大陆约30米分辨率的高精度地下水位深度分布图，填补了遥感数据与点观测之间的尺度鸿沟。研究团队利用约100万个观测井数据（时间跨度1914-2023年）训练随机森林模型，估算出北美地区地下水总储量约为30.65万立方公里，不确定范围为29.19万至31.67万立方公里，是目前分辨率最高的可获取淡水资源估算结果。

现有低分辨率的水文模拟和遥感手段，因无法捕捉地下水的空间变异性，在局部和大尺度估算中均存在系统偏差，也难以精准反映人为抽水的影响。本研究整合超百万地下水观测数据与气候、水文地质、地形等多维度输入，搭建随机森林模型，模型统计表现良好，且能隐含抽水的信号，其成果并非替代物理模型，而是作为补充完善美国淡水资源研究。研究发现美国本土约 40% 区域地下水位浅于 10 米，16% 浅于 5 米；低分辨率估算会使地下水总储量被低估 18%，浅层地下水的低估更为显著，还会丢失地下水局部汇聚等关键特征。研究还量化了估算的不确定性，发现美国西部干旱区的不确定性高于东部湿润区，农田区地下水位更浅且不确定性更低，局部尺度的不确定性对水资源管理影响显著。

研究同时指出观测数据时空分布不均的局限，建议加强地下水监测，并结合物理模型与数据驱动方法开展研究，该成果填补了遥感与点位观测的空白，为水资源管理提供了关键的多尺度信息。

施氏矿石高效去除地下水中的亚砷酸盐：

天然地下水源性亚铁离子的协同效应

该研究针对亚砷酸盐为主、且常与亚铁离子共污染的高砷地下水处理难题展开探究，制备出恒pH 2.7条件下的施氏矿石Sch-2.7，其粒径远小于未控pH合成的常规施韦特曼石，对亚砷酸盐和亚铁离子的去除速率显著提升。在地下水曝气形成的好氧环境中，Sch-2.7可加速吸附态亚铁离子氧化为三价铁离子，羟基自由基的生成印证了这一过程，该反应还会生成新铁沉淀物提供更多吸附位点，并将亚砷酸盐氧化为吸附性更强的砷酸盐，进一步强化亚砷酸盐的固定。

研究将Sch-2.7负载于沸石制成滤料应用于吸附柱，当进水亚铁离子浓度为1~4mg/L时，出水砷浓度达标的处理床体积较无亚铁离子组提升71%~650%，且出水铁浓度始终达标。同时研究对比了再生方法，新型再包覆法相较传统碱解吸再生，能稳定恢复滤料性能，还避免产生含砷废水，将地下水处理成本从1.49美元/m3降至0.31美元/ m3。

此外，Sch-2.7在典型地下水pH范围和共存离子影响下，展现出良好的抗干扰性，该研究为亚铁离子共污染的高砷地下水处理提供了高效、经济的解决方案，具备显著的工程应用潜力。

地下水灌溉中的“铁-有机质-碘”氧化还原耦合：地下水碘再分配与有机碘生成的隐秘途径

全球数百万人长期接触地质成因高碘地下水，会增加患甲状腺疾病的风险。本研究聚焦江汉平原农业系统，探究高碘地下水（浓度54.5~655 μg/L）灌溉引发的碘迁移与转化机制。

研究发现，灌溉7天后表层土壤碘含量提升27%~99%，地下水曝气过程中，亚铁离子氧化生成三价铁羟基氧化物，不仅能固定地下水碘，还可将碘离子转化为16%的有机碘和 11%的碘酸根，驱动碘循环。有机质发挥双重作用，既是碘的储库，也是有机碘化合物生成的前体，借助傅里叶变换离子回旋共振质谱，研究在曝气地下水的溶解有机质中鉴定出 93 种新生成的有机碘化合物，灌溉后土壤的水溶性有机质中又新增 54 种，其中地下水中高度不饱和的溶解有机质与土壤中富含芳香族结构的水溶性有机质均能促进碘化反应。此外，铁氧化还原循环控制碘形态动态，有机质介导碘的保留与有机碘生成，生成的含碘酚类化合物具有高细胞毒性和遗传毒性。

研究指出，地下水灌溉是此前被忽视的碘暴露关键途径，高碘地下水不仅直接危害健康，还通过“地下水-表层土壤-作物”系统引发二次暴露，建议将灌溉纳入碘风险管控政策，预曝气可作为保障灌溉安全的可行策略。

美国地下水干旱：空间和时间的变异性

美国许多依赖地下水的社区和生态系统都可能受到地下水干旱的不利影响。本研究聚焦美国本土地下水干旱的时空变异性，结合1510口井（2001-2020年）和613口井（1981-2020 年）的监测数据，以及 GRACE-DADM 遥感模拟数据展开分析。空间上，西南部等干旱地区的地下水干旱持续时间更长、严重程度更高，西部整体年际变异性大于东部湿润地区；东北部 1981-2020 年地下水位显著上升、干旱持续时间与严重程度明显减轻，东南部则呈现地下水位下降、干旱加剧的相反趋势，西部部分山区也出现干旱加重迹象。

研究发现，井水数据与 GRACE-DADM 数据的趋势相关性极低，前者显示东北部、中西部干旱减轻，后者却多呈干旱增加趋势，差异源于 GRACE-DADM 分辨率较低（约 12 公里），且仅代表浅层非承压含水层，与监测井的筛管区间不匹配。此外，长期地下水监测数据存在空间缺口，制约了对干旱变异性的全面认知。

综上，长期、高频且经过质量保证的地下水监测井数据在空间上存在较大缺口，这对理解美国本土地下水干旱的变异性构成了挑战。GRACE 等遥感工具虽能提供帮助，但无法完全替代井水监测。要更准确地反映美国本土（尤其是西部地区）的地下水干旱趋势和空间变异性，需要大幅增加长期监测井的数量。