碘是维持生物体正常新陈代谢的必需元素。机体长期的碘摄入过量增加自身免疫病的风险,导致碘中毒和智力下降等症状。诸多的研究以放射性碘同位素为主。同时有关碘的生物地球化学行为特征报道与研究均集中于滨海地区。本研究选取大同盆地典型高碘地下水系统作为研究对象,以logistic回归模型和胶体超滤分级技术作为技术支撑,以天然地下水环境中不同粒径胶体上总碘及有机碘的赋存为研究主线,综合运用水文地质调查、野外现场实验、室内实验以及模型分析等多种研究方法,以天然高碘地下水碘的主控因素及微观赋存形态为分析重点,深入分析原生高碘地下水中天然胶体的组成、粒径分布规律及其对不同形态碘在地下水中的地球化学行为及迁移富集的影响。论文的主要研究内容和成果分为以下几个部分:1、大同盆地高碘地下水水文地球化学特征及碘富集的环境过程大同盆地地下水系统中碘的含量最高达1212μg/L,远高于国家饮用水标准中碘的含量限值(150μg/L)。高碘地下水仅存在于盆地的中心,大于400μg/L的高碘地下水主要分布于埋深小于20m的浅层含水层和埋深介于70m到90m的深层含水层。pH值介于7.5到8.2之间的的弱碱性环境有利于碘在地下水中的富集。埋深介于15m到50m的浅层及中层地下水中碘含量随着电导值的增加而迅速增加,表明碘在浅层以及中层地下水中的富集可能受到蒸发作用或者垂向入渗作用的影响。钻孔沉积物中的总碘含量在0.18mg/kg到1.46mg/kg之间。高含量的碘主要位于15.2m和90m处的沉积物中,这与地下水中碘的分布基本一致。沉积物中总有机碳含量和最高烧失量与碘含量呈现正相关关系,表明富有机质沉积物是地下水系统中碘的主要来源。沉积物中碘含量与pH的负相关性关系表明pH对高碘地下水的形成有重要的影响。2、运用logistic回归模型评价地下水系统中碘迁移富集的主导因素Logistic回归模型被广泛地应用于基于有限数据量的地下水污染评估调查中。本文将Logistic回归模型应用于大同盆地地下水系统中碘污染的评估,进而评价盆地中高碘地下水形成的主导因素。选取了井深、pH、氧化还原电位、总溶解性固体、Cl-、HCO3-、NH4-、硫化物、总铁和溶解性有机碳含量等10个水文地球化学特征参数作为地下水质量评价的解释变量。在进行Logistic回归分析前,对LOGIT和解释变量之间的非线性以及解释变量间的多重共线性进行检测,并对二者之间的非线性性进行线性化变换以满足Logistic回归分析的要求。在进行Logistic回归建模时,选择向后逐步回归和似然比统计量作为变量筛选方法和剔除变量的统计量(0.20统计意义标准)。ROC分析结果显示最终模型具有良好的识别能力。以0.5为概率阈值,模型总正确分类率达到89.1%(敏感性和特异度分别为89.5%和88.8%)。在最终的模型结果中,井深、pH、氧化还原电位、Cl-含量、HCO3-含量和NH4-含量等6个变量具有统计显著性,被保留在最终模型中。根据Wald值的大小首先判断变量Cl-对评估高碘地下水的模型具有较大贡献。这反映出灌溉活动对地下水的垂向补给对碘的富集具有重要影响,这一观点可以通过Cl/Br摩尔比的结果加以证实。地下水的氢、氧同位素值可分成两组。二端元混合模型进一步表明了地表水和地下水的垂向混合作用。而这种对地下水垂向补给作用会通过输入大量的新鲜有机质而改变地下水的地球化学特征。同时由于有机质对碘具有较强的吸附,沉积物中碘含量与总有机碳、最大烧失量具有较好的正相关关系,也表明了富有机质沉积物对碘的储藏作用。垂向的补给会在浅层地下水中引入大量的新鲜有机物。而新鲜有机质的引入会激发地下水系统中有机质的降解作用,这进一步地有利于碘在地下水中富集。有机质的降解作用在高碘地下水中普通存在,并且生成的HCO3-含量很高。因此变量HCO3-的wald值最大,表明其对评估高碘地下水模型的贡献最大。3、有机胶体和无机胶体对地下水系统中碘富集迁移的影响采用超滤技术对高碘地下水进行分级。在对胶体进行逐级分级后,可以得到大颗粒胶体(分子量大于30kDa)、小颗粒胶体(分子量介于30kDa和5kDa之间)以及真溶解态溶液(分子量小于5kDa)。其中超过77.8%的总碘存在于真溶解态溶液中。总铁、溶解性有机碳和总碘的含量随着分级尺寸的减小而降低。从盆地补给区到排泄区,随着氧化还原条件的变化,碘在胶体和真溶解态溶液中的分布也受到影响。三维荧光的结果表明,在厌氧环境中微生物降解有机质的过程是普遍存在的,而微生物活动驱使铁的氢氧化物还原性溶解,从而导致沉积物中的有机碘降解并以胶体碘的形式释放入地下水中。而且在碱性环境中,OH-占据胶体表面的吸附位点,对碘形成竞争性解吸附作用。除此之外,大量的OH-使胶体颗粒表面带负电荷,导致对碘形成静电斥力作用。在胶体组分中,天然有机质似乎是控制铁胶体的形成并主导碘在胶体中的分布。然而,在地下水中碘离子作为碘的主要赋存形态,对胶体的吸附作用比较弱。因此在碱性的地下水环境中,碘极其容易存在于真溶解态溶液中。4、有机胶体和无机胶体对地下水系统中有机碘行为的影响大同盆地地下水中有机碘的含量介于3.82μg/L和289μg/L之间,其中值为68.7μg/L。位于盆地中心排泄区地下水样品中有机碘的含量高于80.1μg/L,而位于盆地排泄区的样品中有机碘的含量低于68.7μg/L。真溶解态溶液中的有机碘含量所占比例为0.9%~83.1%,而胶体中的有机碘含量所占比例为16.9%~99.1%。有机碘、总铁和溶解性有机碳的含量随着胶体分级颗粒的减小有明显的降低。有机碘在小颗粒胶体和真溶解态溶液中的分布受到氧化还原条件的影响。厌氧条件有利于铁的氢氧化物的还原性溶解和沉积物中有机碘的降解,促使胶体碘释放进入地下水中。在碱性条件下,有机碘含量的变化分别于铁和天然有机质含量的变化形成两个趋势。地下水中高的pH条件增强了铁胶体对有机碘的吸附。而碱性条件下大量存在的OH-促使天然有机质胶体质子的分离并改变天然有机质的电荷使其带有电负性。导致在碱性较强环境中,天然有机质胶体对有机碘的吸附能力降低。溶解性有机碳含量与有机碘含量、溶解性有机碳含量与HCO3-含量有明显的相关性,表明微生物作用对地下水中有机碘的富集有重要影响。大颗粒胶体中有机碘和铁具有弱相关性关系,表明在微生物作用下胶体态的铁的氢氧化物还原性溶解促使有机碘从沉积物中迁移到地下水中。在还原性的环境中,促进碘的释放和形成的有机质胶体的成分主要是腐殖质。