越南一个受砷污染含水层的脱气、年代测定及对地下水动力学的更深入研究

《Journal of Hydrology》：Degassing, dating and deeper insights into the groundwater dynamics of an arsenic contaminated aquifer in Vietnam

本研究针对越南Van Phuc地区甲烷丰富含水层中地下水degassing问题，通过分析24口井的溶解气体浓度，揭示degassing导致氚-氦-3年龄测定偏差高达98%，并建立校正模型，同时比较两种采样方法发现氦浓度差异显著，证实degassing广泛存在，需修订年龄估计。

　　

亚历山德拉·K·莱特富特（Alexandra K. Lightfoot）|马蒂亚斯·S·布伦瓦尔德（Matthias S. Brennwald）|罗尔夫·基普费尔（Rolf Kipfer）

瑞士地震服务局，苏黎世联邦理工学院（ETH Zürich），瑞士苏黎世，8092

摘要

南亚和东南亚的含砷冲积含水层通常具有强烈的还原性和富甲烷的特性，在这种条件下，原位气体生成会导致地下水大量脱气。这种情况使得使用氚-氦-3（$$）生长法进行地下水年龄测定变得复杂，而该方法广泛用于推断地下水流动速度和污染物传输时间尺度。本研究评估了越南范富克（Van Phuc）一个富甲烷含水层的地下水，旨在应用$$方法来确定地下水的年龄。通过分析溶解惰性气体的浓度来考虑脱气过程以及有效分离氚生成组分所需的其他空气成分。在28口采样井中的24口井中，明显存在脱气现象，溶解气体的损失量高达预期大气平衡浓度的98%。经过脱气校正后，$$的停留时间范围为35至65年，并且这些时间对脱气的程度和时间非常敏感。

此外，使用膜进样质谱仪（GE–MIMS）在现场测得的氦（He）、氩（Ar）和氪（Kr）浓度与从传统铜管样品中获得的浓度存在显著差异——氦的浓度差异高达$$厘米$$克^-1，而氩和氪的差异则相对较小。这些差异主要发生在甲烷浓度较高且总溶解气体压力超过1巴的井中。这些差异被认为是由于在铜管中采集地下水过程中发生的采样诱导脱气作用叠加在原位地下脱气作用之上，进一步增加了地下水年龄测定的难度。最后，研究表明脱气现象比先前假设的更为普遍，因此需要修正之前的地下水年龄估计结果。这种对脱气过程和地下水年龄分布的新认识适用于其他可能受到原位气体生成影响的类似含水层。

引言

基于氚（³H）-氦-3（³He）示踪法的地下水停留时间¹常用于确定受污染含水层中的地下水流动和溶质传输过程（例如，B?hlke, 2002; Tesoriero等人，2005; Amaral等人，2009; Sassine等人，2017; Lapworth等人，2018; Wells等人，2018; Moeck等人，2021）。此前，这类停留时间已被用于确定地下水流动速度、补给率和地下水与地表水的相互作用（例如，Egboka等人，1983; Solomon和Sudicky，1991; Solomon等人，1993; Szabo等人，1996; Batlle-Aguilar等人，2017; Sakakibara等人，2019）。最近，基于氚的年龄示踪技术被应用于更广泛的水文地质环境中，包括沿海系统（例如，Yabusaki和Asai，2023; Jenner等人，2025）、喀斯特地形（例如，Musgrove等人，2023）以及城市含水层（Moeck等人，2021），凸显了其在表征地下水流动路径和混合过程中的持续重要性。这种基于年龄的约束有助于理解受污染含水层中污染物的传输和分布（例如，Szabo等人，1996; Murphy等人，2011; Santos等人，2017; Wallis等人，2020; Tesoriero等人，2005; Wells等人，2021）。

对于停留时间通常为$$ 70年的地下水，通常采用$$方法进行年龄测定。氚自然产生于高层大气（2 – 8 TU，Thatcher，1962），自20世纪50年代核试验以来，由于残留输入而持续存在，并通过降水及随后的地下水补给进入水文循环。当地下水远离地下水位时，$$会以12.32×10^{-0.025$$年的半衰期衰变（Lucas和Unterweger，2000）；通过测量这两种同位素可以计算出表观示踪剂停留时间（Torgersen等人，1977）。用于$$He测年的地下水样本通常还会分析惰性气体种类，包括氦（He）、氖（Ne）、氩（Ar）、氪（Kr）和氙（Xe），以便将氚生成组分与大气和地质来源的氦区分开来。}

通过$$He方法进行的地下水年龄测定已在多项研究中成功应用（例如，Schlosser等人，1988a; Solomon等人，1992a; Holocher等人，2001; Klump等人，2006; Holzner等人，2008; Visser等人，2013; Jenner等人，2025及其中的参考文献）。然而，如果地下水发生脱气——即由于形成自由气体相而导致溶解气体损失——则地下水年龄测定的有效性会大大降低。自由气体相可能通过高生物地球化学气体生成（例如CO₂、N₂或CH₄）在含水层中形成，或在地下水通过钻孔上升过程中因减压而产生（Mookherji等人，2003; Brennwald等人，2005; Fortuin和Willemsen，2005; Klump等人，2006; Stute等人，2007; Visser等人，2007; 2009; Aeschbach-Hertig等人，2008）。在热液活跃环境中，脱气也可能通过沸腾发生（Winckler等人，2000; Ma等人，2009; B?renbold等人，2020）。当溶解气体与这种自由气体相接触时，会根据其溶解度在气-水界面处发生分配，导致相对于原始地下水组成而言惰性气体减少。由于脱气影响所有溶解气体——包括在脱气时积累的任何氚生成$$He——因此重建脱气前的浓度对于可靠地解释年龄至关重要。

迄今为止，已经开发出多种方法来缓解从脱气样品中重建地下水停留时间的问题。一种方法是改进采样技术，例如在采集过程中防止脱气的原位采样方法（例如，Gardner和Solomon，2009; B?renbold等人，2020; Musy等人，2021）。然而，当已经发生或无法预测原位脱气时，通常不会采取这些预防措施。因此，在过去二十年里，设计了几个概念模型来描述脱气条件下的气-水界面惰性气体交换（例如，Kipfer等人，2002; Brennwald等人，2005; Visser等人，2007; Aeschbach-Hertig等人，2008），旨在重建脱气事件发生前的原始惰性气体浓度。

在这项研究中，我们的主要目标是使用$$生长法确定受砷污染的河流影响含水层的地下水停留时间，以便为该地点先前开发的地下水流动和溶质传输模型提供更准确的约束。具体来说，我们旨在（i）从空间扩展的井群中获得更新的$$地下水停留时间，以及（ii）评估这些新年龄数据如何完善对该场地补给、流动路径和污染物传输的概念理解。

然而，在本研究和一项平行研究中观察到的产甲烷条件表明，甲烷（CH₄）驱动的脱气现象比之前认为的更为普遍，因此需要扩大研究范围。据此，我们（iii）使用溶解惰性气体量化了显示脱气和过量空气影响的样本，（iv）应用了一个简单的校正模型来处理部分或完全脱气的样本——包括那些含有过量空气的样本——以尝试重建脱气前的$$浓度。此外，通过比较两种不同的分析采样方法，我们识别出了采样引起的偏差，并强调了根据具体水文地质环境选择适当采样技术的重要性。

研究地点与背景

范富克村位于越南河内东南方向15公里处，以其地下水中高且不均匀的砷（As）浓度而闻名，过去二十年里该村庄一直是许多研究的对象（例如，Berg等人，2001; 2007; 2008; Eiche等人，2008; van Geen等人，2013; Stahl等人，2016; Glodowska等人，2020a; b; Nghiem等人，2020; Wallis等人，2020; Stopelli等人，2020; 2021; Neidhardt等人，2021; Vu等人，2025）。

理论背景

大气中的惰性气体（He、Ne、Ar、Kr、Xe）在地下水补给过程中通过水表处的气体交换进入地下水。在平衡状态下，气体交换可以用亨利定律很好地描述（Kipfer等人，2002; Aeschbach-Hertig和Solomon，2013），该定律指出液体中的气体浓度与其上方气体的分压成正比：$$，其中$$表示在某一压力下水相中的平衡气体浓度，$$表示亨利定律常数

结果

莱特富特（Lightfoot等人，2023）之前已经报告了2018年11月在范富克采集的地下水中氖（Ne）、氩（Ar）、氪（Kr）和氙（Xe）的浓度。本研究首次提供了相应的氦（He）浓度，从而能够估算地下水停留时间，而这超出了早期研究的范围。为了完整性和模型选择的需要，所有惰性气体数据——包括2017年试点调查中的几个样本——都已被纳入分析

地下水年龄的空间分布

应用$$调整后，得到了如图5所示的地下水停留时间的空间表示。按沿剖面的相对位置分组的井（即1, 2a–b; 2c, 3c, #1; 7b, 9；见图1和附录A.1）被平均处理（即取中点）以明确趋势。图5还显示了脱气（黄色-红色）和非脱气（蓝色）井的分布（改编自Lightfoot等人，2023）。停留时间总体上

结论

本研究强调了脱气含水层中地下水年龄测定的复杂性，范富克含水层系统就是一个典型的例子。在所研究的含水层中，高生物生成CH₄的区域脱气现象最为普遍。此外，现场GE–MIMS分析与传统铜管采样得到的惰性气体浓度之间存在显著差异。重要的是，如果没有这种补充的现场分析，氦的浓度

未引用的参考文献

Aeschbach-Hertig等人（1998）；Ayache等人（2015）；Baird和Waldron（2003）；Bayer等人（1989）；Blanc等人（2024）；Brennwald等人（2022）；（2020）；Gilmore等人（2016）；Jasechko等人（2017）；Kaizer等人（2024）；Katz（2004）；Krajcar Broni?和Bare?i?（2021）；Li等人（2022）；Newman等人（2010）；Noyes等人（2025）；Peeters等人（2003）；Podgorski和Berg（2020）；Priebe等人（2023）；Reynolds等人（1992）；Ryan等人（2000）；Sander（2015）；Schlosser等人

CRediT作者贡献声明

亚历山德拉·K·莱特富特（Alexandra K. Lightfoot）：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，可视化，方法论，调查，数据分析，概念化。马蒂亚斯·S·布伦瓦尔德（Matthias S. Brennwald）：撰写——审稿与编辑，验证，监督，软件开发，数据分析，概念化。罗尔夫·基普费尔（Rolf Kipfer）：撰写——审稿与编辑，可视化，验证，监督，资源协调，方法论，资金获取，数据分析，概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

这项研究的资金由瑞士国家科学基金会（SNSF）和德国研究联合会（DFG）通过DACH项目（资助编号# 200021E-167821）提供。我们非常感谢所有参与AdvectAs项目的成员提供的宝贵支持，他们为跨学科讨论和项目组织提供了良好的平台。特别感谢V.T. Duyen在越南提供的关键现场支持，他负责所有的后勤、沟通和采样工作