2024-01-01 06:00

荷兰地下水水文地球化学研究的历史及研究动机


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摘要。

概述了自19世纪初以来荷兰地下水资源的水文地球化学方面的研究。最早的研究是将地下水作为一种饮用水资源。第一次系统的全国性研究是在1868年,受到当时霍乱流行的推动。20世纪初,饮用水生产的研究在国家一级制度化。自20世纪60年代以来,参与水文地球化学研究的组织范围扩大了。社会动机也被确定:浅层生物甲烷作为化石燃料(自19世纪90年代以来已经进行了研究);地下水污染;含水层的新鲜/盐碱化;生态水文学与自然保育;含水层储热;用于政策评价的国家和区域地下水监测;气候变化和天气变率的影响;以及在地下较深处的微咸地下水和盐水的赋存。最后提到的是由一系列动机驱动的,从娱乐水疗和矿泉水生产的供水到地下放射性废物的处置。有两个主要的科学驱动因素:使用同位素作为示踪剂的技术的引入,以及地球化学计算机建模。最近的另一项发展是分析化学在处理地下水受到新出现的污染物污染方面的能力日益增强。许多研究动机出现在20世纪80年代。总的来说,社会和相关的技术动机比荷兰地下水水文地球化学研究的科学动机更为重要。一旦研究动机出现,它通常倾向于保持不变。

介绍

水文地球化学是一门科学学科,研究地下水的化学性质,有些人认为也研究地表水的化学性质,特别是研究水的化学性质和水质与区域地质之间的关系。水文地球化学的主要方面是表征水的组成,并根据补给来源和运输过程中的地球化学过程解释控制。

本文简要介绍了荷兰地下水水文地球化学研究的概况。实际上,所有这些研究都是由地下水资源管理和更广泛意义上的环境管理推动的。因此,本文以系统的方式讨论了研究课题的出现,从地下水管理的角度进行研究的动机,引入新的国际研究方法,并对该课题的研究是否继续进行了深入探讨。对于后者,给出了有限数量的参考文献作为一个例子,如果有效的话,不打算引用所有可用的文献。

对地下水水文地球化学研究的关注意味着只考虑处理反应性溶质的研究。因此,盐度作为一种更为物理的性质,超出了本文的范围;它值得单独研究,因为在荷兰已经做了很多关于地下水盐度及其控制的研究。尽管微生物对地下水质量的研究可能与水文地球化学有关,但本文也未涉及。

方法及研究范围

方法

本研究包括对科学文献的回顾,重点是研究调查的范围以及所采用的方法。文献综述的核心主体包括作者在过去35年中收集的文章和其他手稿。自1945年以来发表的同行评议文章,以及利用科学搜索引擎和地下水、质量、荷兰和硝酸盐等关键词,对该数据库进行了扩充。较旧的文献是从机构周年纪念手稿的参考书目和报告概述中收集的。如果地下水研究以某种方式处理地下水分析(或类似的实验),则被归类为“水文地球化学”。

研究区域

荷兰地下水的典型情况总结如下(Griffioen et al. 2013)。荷兰气候温和,年平均降水量850毫米,年潜在蒸发量700毫米。人口密度约为500人/平方公里,在国际上属于高人口密度。特别是西部地区城市化和工业化程度很高。该国三分之二的土地是农业用地,通常是集约化的。

在地质学上,荷兰位于北海沉积盆地的东南边界。地下水隔室呈楔形,厚度从东南偏东约50 m增加到西北偏西约400 ~ 500 m (Dufour 2000)。可开采石油、天然气和地热能的储层深达4公里。地下水隔间包含多个砂层,充当含水层,与其他国家相比,地下水的可用性很高。根据地表地质和相关景观,荷兰可分为全新世区和更新世区(图1;De Mulder et al. 2003;De Gans 2007)。该国的西部和北部低洼地区以及中部河流地区的顶部包含全新世地层。该全新世沉积层包括:(1)北海沿岸的表层风成沉积,(2)北部的海相沉积和泥炭,以及西部的河流沉积,(3)中部河流部分的河流沉积和泥炭。

图1
figure 1

荷兰,显示了全新世(浅绿色)与更新世和更古老的沉积物(深绿色)在地表的出现,主要河流和本文中提到的地理名称的位置

北海沿岸的风成砂和全新世砂形成了沙丘和屏障。这些沙丘的最高海拔比平均海平面高几十米。如今,它们作为邻近圩田的天然地下水补给区,或通过预先净化的莱茵河和艾塞尔湖的水渗透作为生产饮用水的人工补给区。全新世地区的大部分由圩田组成,这些圩田通过排水和沟渠系统人工排放,地表水从这些圩田中抽出。在圩田中,全新世含水层通常是其下部以河流砂为主的更新世含水层的半细化层;然而,在荷兰的部分地区也发现了更新世冰川沉积物和emian海洋沉积物。许多圩田位于海平面以下。湖泊也经常出现在这个地区。在这些圩田中,雨水的地表径流和浅层地下径流是大量的,而相对较高的圩田对含水层的补给则限制在30-100毫米/年(NHV 2004)。额外的地下水补给通过湖泊、河流、北海或瓦登海的渗透以及在干旱的夏季将大河的水引入圩田时的沟渠进行。相当多的饮用水生产基地位于莱茵河沿岸,依靠河岸渗透。根据地下水的氚年代测定,圩田下的许多浅层地下水是“老”的,即在1950年以前渗透,可能是微咸(Cl为300-1,000 mg/L)或盐水(Cl > 1,000 mg/L);Frapporti等,1993;Van den Brink, 2007)。

荷兰更新世地区包括较古老的河流沉积物和地表附近的冰川或冰缘沉积物。这里有潜水含水层,地下水通过雨水渗透补给。这种补给量约为350毫米/年,但在松林下较低。地下水通过河流和小溪的自然排水系统在区域内排放,该系统受降水盈余、地下的水力阻力和地形的遗传控制(De Vries 1976)。氚测年显示,自1950年以来,深度在10至30米之间的大多数地下水已经渗透(frappori等人,1993;Van den Brink et al. 2007),这表明大部分(但不是全部)浅层地下水是“年轻的”。这个地区有许多用于饮用水目的的地下水抽取。荷兰最南端的浅层地质完全不同。地表为更新世黄土沉积,覆盖着白垩纪碳酸盐岩或第三纪碎屑沉积物。该国这一地区有几个用于饮用水的地下水抽取点。对它的水文地球化学研究较少。

在对古近系和更古老的矿床进行水文地球化学研究时,已经区分了三种水文地质情况(Griffioen et al. 2016):(1)浅层半精细含水层;(2)深层油气储集层,同时也是地热能的储集层;(3)深层埋藏含水层。第一个研究的是古近纪和更古老的沉积物,这些沉积物靠近比利时或德国边界附近的地表。第二项研究涉及荷兰西部和北部950 - 4000 m深度的二叠纪至早白垩世油气藏的地层水。最后一个涉及上泥盆世到古近纪的含水层,埋在几百到1100米深的地下,特别是在荷兰南部取样。


目录

摘要。
的简历
Resumen
摘要
Resumo
介绍
方法及研究范围
19 th世纪:饮用水和化石燃料
20 th世纪后 国有化和健康
二战后:集约化和国际化
讨论与结论
参考文献。
致谢。

作者信息
道德声明






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19th世纪:饮用水和化石燃料

在荷兰进行的有关地下水分析的已知最古老的水文地球化学研究是由穆德(1827年)完成的,他提出了五项地下水分析以及一系列地表水分析。地下水样本是从阿姆斯特丹和荷兰中部的Vianen和Rheden村庄的水井中收集的,并根据溶解成分NaCl, MgCl2, Na2SO4, CaSO4, CaCO3和MgCO3进行了报告,就像19世纪通常做的那样。他的研究着眼于饮用水的水质,重点关注盐度和气味。这种解释带有很强的假设性。Harting(1852年)关于阿姆斯特丹地下地质的博士论文还包括对阿姆斯特丹地下60米深度范围内地下水质量的讨论(以及一个151米的异常值)。使用1850-1851年的地下水分析,Harting从饮用水质量的角度解释了水文地球化学数据,并假设在全新世海洋海侵期间渗入的海水是导致一些地下水高盐度的原因。在这里,人们可能会意识到阿姆斯特丹位于荷兰西部的沿海低地,那里有全新世的海洋沉积物。Gunning(1853)在他的博士论文中对荷兰的雨水、地表水和地下水进行了研究,他从地下水井中收集了9个样本,这些样本产生了“最好、最美味的饮用水”。这些井遍布全国。他非常关注水分析的分析方面,以及溶解在水中的可溶性盐(如碳酸盐和氯化物)和不溶性盐(如硅酸盐)的来源。

19世纪中期,在人口增长和霍乱爆发的背景下,医生们越来越意识到饮用水不足(PIE, 1997年)。为此,由于阿姆斯特丹和荷兰西部其他城市经常出现咸淡水和咸水,1853年,Dunewater公司在Leiduin建立了第一个中央饮用水供应系统,为阿姆斯特丹提供来自沙丘的饮用水(图2)。荷兰西北部的Den Helder市很快也建立了中央供水系统。不幸的是,没有发现与沙丘抽水用于中心饮用水供应的早期阶段有关的地下水分析。对区域地下水质量进行的最早的系统调查是在1868年(向国王报告1868年)。1866年,国王任命了一个相关委员会,调查饮用水质量与霍乱流行程度之间的关系。在整个荷兰收集的272个水样中,分析了它们的化学成分,其中171个是地下水。地表水或地下水是否适合饮用是根据四个标准来评估的,这些标准涉及样品是否具有原始性质或废水特征。19世纪最后三十年,57个城市获得了集中的饮用水供应,这是因为人们接受了人类健康与安全饮用水之间的因果关系,并认识到城市对安全饮用水的需求最大(PIE, 1997年)。

图2
figure 2

橙碗;拍摄于1909年),由Dunewater公司挖掘,并以国王Willem van Oranje命名,他(作为11岁的王储)在荷兰第一个集中饮用水生产设施的施工现场挖掘了第一块草皮(来自北荷兰档案馆,1100年-哈勒姆市政府图片集,库存编号38723)。

lori (1899)以19世纪下半叶进行的一系列研究为基础,着重研究了荷兰西部的地下水质量,包括盐度、溶解铁和高碳酸盐浓度。其中一组独特的16个样品是通过地质钻孔到335米深度的多级采样方法收集的。另一个钻孔向下200米,从中收集了11个样本。其他单样钻孔深度一般在平均海平面以下60 m,异常值分别为178、150和94 m。根据Cl浓度,用海水的百分比来解释分析结果,而Ca、Mg和SO4(用SO3表示)与其他主要离子的偏差归因于水文地球化学过程。有三个问题仍然是谜:在多层采样的深钻孔中,盐度反转的原因(即咸化地下水下的淡水密度更高);阳离子交换在控制Ca、Na、K和Mg浓度中的可能作用;以及SO4还原和甲烷产生是由微生物介导的可能性。这些都成为国家和国际水文地球化学研究的热门课题。

到19世纪末,水文地球化学研究也在调查荷兰西部圩区地下几十米深处是否存在甲烷(Ribbius 1898a, b, c)。这种生物甲烷是1870年在代尔夫特钻一口地下水井时首次发现的。在接下来的几十年里,人们对甲烷作为燃料的生产越来越感兴趣,并提出了关于甲烷来源和沙丘与圩田之间地下水流动的假设。由于各种原因,地下水中的甲烷至今仍是一个研究问题:需要进行水处理,特别是当地下水打算用作饮用水时(参见Kruithof和Koppers 1989;De Vet et al. 2013),当地下水重新注入蓄水层热能储存装置时,由于天然气堵塞而引起的技术并发症(Fortuin和Willemsen 2005),以及与深层地下潜在的产热甲烷泄漏有关的背景浓度,特别是通过气井泄漏(Schout 2020)。最近,一家饮用水公司开始在平均甲烷含量为40毫克/升(P+ 2014)的生产站,从抽取的地下水中生产甲烷作为燃料。

20th世纪后国有化和健康

20世纪初,与饮用水供应有关的水文地球化学研究得到加强,至今仍是水文地球化学研究的主要动力。1900年左右,人们注意到沙丘地区缺乏新鲜地下水储备,当时人们对管理含水层补给(MAR)的兴趣已经在增长(Romijn 1973)。相反,在沙丘上安装了更深的井,导致过度开采。直到1957年才开始人工补给莱茵河的水,以确保阿姆斯特丹的饮用水供应(Roebert 1972),导致了对MAR的水文地球化学研究(例如Engelen和Roebert 1974;Stuyfzand 1993)。最近,关于MAR的水文地球化学研究已经扩展到饮用水供应之外,包括温室园艺和农业的水可用性(例如Zuurbier等人,2016;Kruisdijk and Van Breukelen 2021)。

早期一个重要的里程碑是Van der Sleen(1912)关于沙丘地下水化学的博士论文。虽然这不是第一篇涉及地下水分析的荷兰博士论文,但它是第一篇应用水文地球化学原理的论文。一年后,荷兰皇家饮水局(RBD;国家饮水供应办公室和中央饮水供应委员会(中央饮水供应委员会)同时成立。该机构及其后继机构——荷兰国家饮水研究所(Rijksinstituut voor Drinkwatervoorziening);在随后的几十年里,国家饮用水供应研究所在水文地球化学研究中发挥了重要作用。1984年,RID与RIV (Rijksinstituut voor Volksgezondheid)和IVA (Instituut voor Afvalstoffenonderzoek)合并为RIVM。自20世纪60年代以来,水文地球化学研究在制度上得到了扩展:水文地质研究于20世纪60年代末在阿姆斯特丹自由大学开始,tnodgv自1967年以来一直在绘制地下水资源图,KIWA(饮用水公司为股东)自1972年以来一直在进行饮用水研究。许多研究都是用荷兰语发表的报告。后来,其他组织也积极参与水文地球化学研究,从1980年开始,越来越多的研究成果发表在英文同行评议期刊上。1945年至1969年,只有两篇论文发表在同行评议期刊上,20世纪70年代有两篇,1980年至2000年平均每年发表3.2篇,2001年以来平均每年发表6.0篇(图3)。

图3
figure 3

1980-2022年期间荷兰每年关于地下水水文地球化学的同行评议文章数量

在第二次世界大战之前,RBD(即国家饮用水供应办公室)出于人类健康的原因对地下水中的碘化物和氟化物进行了研究:认识到饮用水中缺乏碘化物可能导致甲状腺肿,导致对地下水中的碘化物进行了全国调查(Heymann 1925, 1927;克鲁尔1933)。值得指出的是,这些用荷兰语写作的作者指出,碘化物可能会作为一种杂质并入碳酸钙中——这一结论在90年后的放射性废物地下处置框架内作为一项新发现在国际上提出(Claret et al. 2010)。这一发现的实际环境意义在于,129I是放射性废物地下处理中最受关注的放射性同位素之一,因为它是在放射性废物中产生的,半衰期很长,为1610万年,并且可能在地下水环境中移动。

二战后:集约化和国际化

国际上Rutten(1949)和Foster(1950)首先认识到水文地球化学过程在咸水层更新过程中的重要性。在荷兰,一种新鲜的Na-HCO3地下水类型的存在早已被发现,但Rutten是第一个从清新过程中的阳离子交换来解释它的人。这种水类型的存在最初是神秘的,因为它通常与花岗岩等富含钠长石的岩石的风化或NaHCO3盐的溶解有关,而这并不适用于荷兰。沿海含水层的淡水化和盐碱化一直是国内外的一个重要研究课题,在气候变化、城市化和相关的地下水资源过度开采引起的海平面上升的框架内也很重要。其中一些研究将地下水盐度作为一种物理属性进行了调查,但也对与淡水化/盐碱化有关的水文地球化学过程进行了深入研究(例如Geirnaert 1973;现场1991)。

在20世纪60年代末,格罗宁根大学的同位素研究导致了在地下水研究中采用示踪剂。Mook(1968)的博士论文是关于在地表水和地下水中使用14c -碳酸盐岩、δ18O-H2O和δ 13c -碳酸盐岩分析作为示踪剂。荷兰第一个使用地下水3H分析地下水老化的研究是由Herweijer等人(1985)进行的,他们追踪了粪便浸出到地下水的历史。后来,Visser等人(2007)出于类似的原因,使用了3H/3He联合分析,因为3H分析随着时间的推移会失去灵敏度。其他已被用作污染物示踪剂和阐明水文地球化学过程的同位素和化学示踪剂有:苯和乙苯的δ7Li、δ11B、δ2H - ch4、δ13C - ch4、δ13C - doc、δ15N-NO3、δ18O-NO3、δ34S-SO4、δ18O-SO4、δ37Cl、87Sr/86Sr、δ2H和δ13C,以及稀土元素,特别是钆(Mancini et al. 2002;Van Breukelen et al. 2003;Petelet-Giraud et al. 2009;Beekman et al. 2011;Zhang et al. 2012;Negrel et al. 2020)。

20世纪70年代末,地下水污染成为一个研究课题。它的重要性在1981年由RID组织并在荷兰举行的地下水质量国际研讨会上得到巩固。荷兰研究人员的十篇论文发表在《全面环境科学》杂志的特刊上(Van Duijvenbooden et al. 1981)。特别是,它们解决了来自垃圾填埋场的当地污染和来自农业的扩散污染。此后不久,河岸渗透对地下水的污染成为一个研究课题,特别是与饮用水供应有关,因为沿莱茵河和默兹河有一系列的饮用水取水点(Van der Kooij et al. 1985;Stuyfzand 1989)。

从那时起,对地下水污染的研究一直在继续,所研究的污染物类型已从营养物、重金属、酸雨和诸如杀菌剂等经典有机微污染物(例如Peters和Den Blanken 1985;Krajenbrink et al. 1988;Van Bennekom et al. 1993;高斯2000;Griffioen 2001;Fest等人,2007;Van der Grift和Griffioen 2008年),现在包括纳米颗粒、汽油添加剂、抗生素、单氟烷基和多氟烷基物质等(例如Van Wezel等人,2009年;Eschauzier et al. 2013;Hamann et al. 2016;Bäuerlein et al. 2017;Kivits et al. 2018)。Veen和Meijer(1989)在荷兰西部Castricum沙丘上的MAR遗址附近对切尔诺贝利事故(在今天的乌克兰)的放射性沉降物137Cs进行了罕见的研究。农业污染仍然是一个主要问题,但其他污染源也需要注意。在认识到地下水污染对饮用水生产构成威胁(如前面提到的参考文献所述)的同时,人们也认识到地下水污染也威胁着地表水的质量。因此,对地下水水质的研究与地表水与地下水相互作用的研究相结合,并开始研究河岸带在硝酸盐等污染物衰减中的作用(e.g. Bleuten 1989;Hefting and De Klein 1998;Van Lanen and Dijksma 2004;Yu et al. 2019)。

20世纪70年代末,全国范围的地下水质量特征问题再次出现。1979年至1984年,国家地下水监测总局建立了全国地下水水质监测网,随后又建立了省级地下水水质监测网。建立国家网络的官方动机有三个(Van Duijvenbooden et al. 1981):(1)编制当前地下水质量的清单,以补充现有信息;(2)识别地下水水质的长期变化;(3)提供充分管理地下水所需的信息。2000年欧洲水框架指令的出台进一步激发了人们对地下水质量趋势的兴趣。来自这些监测网络的数据已被用于政策评估和数据挖掘方面的研究(例如Frapporti等人,1996;Pebesma and De Kwaadsteniet 1997)。后来,这些数据也被用于研究,以确定地下水质量的趋势,这是它们的目的(例如Broers和Van der Grift 2004;Visser et al. 2007)。Mendizabal等人(2011年、2012年)采用水文系统分析视角,使用饮用水生产站的水质分析,Griffioen等人(2013年)采用地球化学/古水文视角,挖掘荷兰TNO地质调查局的地下水质量数据库,进行了全国性的调查。

与饮用水生产有关的水文地球化学研究不仅在地下水污染、MAR和甲烷化学方面仍然很重要。关于堵井技术问题的水文地球化学研究始于20世纪80年代,Van Beek和Kooper(1980)和Van Beek(1985)分别发表了论文。后续研究调查的一个方面是地下除铁以避免堵塞的可行性(Appelo和De Vet 2003;Wolthoorn et al. 2004)。

20世纪80年代Glasbergen(1981)和Coenegracht等人(1984)也开始研究深层地下水(通常是盐水,其含盐量比海水高得多)的组成。在这方面还值得一提的是Kimpe(1963)发表的一项早期研究,该研究是关于荷兰东南部煤矿区地下水组成的。在该地区,古近系和更古老的地质单元中存在半咸水至高咸水的地下水或地层水,在这些埋藏层中,地表补给作为流动的驱动力不存在或可以忽略不计(见Griffioen et al. 2016)。研究深层地下水的原因是多方面的,但特别重要的研究课题是油气储层的成岩作用、休闲水疗和矿泉水生产的供水、放射性废物的地下处理、地热能源的生产以及盐水向浅层地下水泄漏的风险。

地球化学计算机模型在20世纪80年代中期出现。Appelo和Willemsen(1987)将地球化学模型代码EQ3/6与一维混合细胞运输模型相结合,并使用该模型模拟Groot Mijdrecht圩区的净化,以增强理论模型。此后,地球化学批模型和一维或多维反应输运模型被用于荷兰地下水的研究。本研究的应用包括管理含水层补给和垃圾渗滤液羽流的自然衰减(例如salalink等人,2003;Van Breukelen et al. 2004)。

与此同时,荷兰的生态水文研究正变得更加国际化。Tollenaar和Ryckborst(1975)发表了对早在1946-1962年从沿海沙丘植被和光秃秃地点的溶水仪收集的数据进行分析的结果。此外,地下水动力学和地下水化学的作用开始被研究为影响湿地植物生态的非生物方面的位置因素(例如Grootjans等人,1988;Wassen et al. 1989)。基于自然的解决方案的与水相关的研究也可能属于生态水文研究的范畴——例如,Pit等人(2017)报道了沙马达(Sand Motor)中地下水组成的研究,这是一种采用基于自然的方法的实验性大型沿海沙营养。

20世纪80年代末出现的另一个课题是含水层热能储存系统(ATES)的水文地球化学。最初,研究的重点是技术复杂性,特别是在高温ATES中碳酸盐沉淀(结垢)可能造成的井堵塞(Griffioen和Appelo 1993)。在20世纪90年代初,由于低油价和天然气价格以及相关的社会经济兴趣的缺乏,人们对ATES作为一个研究课题的兴趣消失了,但自2000年左右以来,在能源转型的背景下,它又重新焕发了活力,首先是关注低温ATES,最近也关注高温ATES。研究范围也已扩大,除了技术复杂性(如Bonte等人,2013a, b, c)以及系统干扰等物理属性外,还涵盖了环境影响。

最近出现的主要研究动机是气候变化的影响。Visser等人(2012)研究了历史悠久的锌矿冶炼厂附近重金属浸出的影响。早些时候,已经对天气变化的影响进行了调查,特别是与农民田地的硝酸盐淋滤及其年变化有关(例如,frater等人,1998;Boumans et al. 2001)。

讨论与结论

前面对荷兰地下水水文地球化学研究历史的概述表明,研究的动机是多种多样的(摘要见图4)。大多数是社会起源,可靠和安全的饮用水供应是200年来研究的主要推动力。与饮用水供应有关的研究有技术动机。能源供应和储存也是重要的动机。科学好奇心和技术创新本身很少是主要动机,因为研究目标通常嵌入在水资源管理中,尽管研究方法肯定是由技术创新决定的,特别是在分析技术的情况下(Johnson et al. 2013)。就研究的地理范围而言,地下水污染一直是并将继续需要在整个荷兰进行大量研究,因为这是一个富裕的工业化国家,有着深厚的集约化农业传统,对环境产生了大量排放。概述证实了水文地球化学在地下水质量管理中的关键作用(Edmunds 2009)。

图4
figure 4

概述自19世纪初荷兰开展地下水水文地球化学研究以来的激励因素

有些研究动机是暂时的,例如,霍乱爆发和对饮用水缺碘的关切(后者后来通过采用加碘食盐加以解决)。然而,大多数动机在今天仍然相关,这说明与地下水质量管理相关的问题往往是多么顽固。这种坚持与Meybeck和Helmer(1989)对富裕发达国家的观察背道而驰;他们认为,水质问题持续上升,直到达到不可接受的水平,然后在问题被认识到并采取有效措施后下降。虽然这种观点可能适用于许多个别污染物,但并不一定适用于整个地下水资源。一方面,有一个不断重复的水质管理过程,需要关注新的污染物。另一方面,对污染的认识可能并不总是导致在源头实施有效的预防措施。可能没有采取这些措施的政治意愿(Dietz and Hoogervorst 1991)。如果是这样的话,饮用水公司必须求助于治疗性的、管道末端的措施,并伴随着水文地球化学和其他类型的研究。

上述情况在荷兰实施《欧洲硝酸盐指令》和《荷兰粪肥和肥料法》时也存在。它们分别于1991年和1987年生效,但其效力有限,特别是自2000年左右以来(Van Eerdt and Fong 1998;Van Grinsven et al. 2016;PBL 2017)。与硝酸盐污染相关的研究动机仍然有效,因为问题没有得到解决,新的研究问题出现了,如气候变化的影响,如图5所示,并显示了荷兰每年与地下水有关的出版物的数量,这些出版物涉及地下水中的硝酸盐化学。可以区分两类研究:(1)地下水含水层中硝酸盐化学的水文地球化学研究;(2)硝酸盐向地下水淋滤的土壤化学研究,对地下水位取样的地下水进行化学分析。第一部分涉及农业地区以下受硝酸盐污染的地下水,以及诸如用含硝酸盐的水管理含水层补给等主题。第二种是在自然和农业领域进行的研究。令人惊讶的是,在立法生效之前,很少有关于硝酸盐污染的出版物,这表明关于硝酸盐污染的立法主要不是对科学出版物的反应。2000-2012年期间每年发表的关于硝酸盐污染的论文最多。因此,在这一时期,科学的关注是最大的,包括土壤淋滤和含水层化学。此后,荷兰关于地下水硝酸盐污染的科学出版物数量有所减少,然而,尽管存在立法框架,硝酸盐污染的环境问题并没有消失。

图5
figure 5

1975-2022年期间,每年同行评议的关于荷兰地下水中硝酸盐浸出或含水层中硝酸盐化学性质的文章数量

值得注意的是,一些主题有许多研究动机,而且这些动机也会随着社会和技术的发展而随着时间的推移而改变,特别是对深层含水层中存在的咸水和微咸地下水的研究(图2)。甲烷化学也同样如此:一个多世纪以前,人们就把富含甲烷的地下水作为一种化石燃料资源来研究,但现在人们也把它与深层油气井的潜在泄漏联系起来研究。

我可以从国际的角度谈几点看法。荷兰是最早关注MAR的国家之一(Dillon et al. 2019)。人们的兴趣来自于沙丘含水层的盐碱化,从那里抽取地下水,为阿姆斯特丹和荷兰西部的其他大城市提供饮用水。值得注意的是,Rutten(1949)和Foster(1950)关于阳离子交换在解释沿海含水层中存在的Na-HCO3地下水类型中的作用的论文是在不相互了解的情况下连续发表的。

Edmunds(2009)将水文地球化学研究的出现追溯到第二次世界大战后,特别注意到《地球化学与宇宙化学学报》上出现的水文地球化学论文,以及Hem(1959)和Garrels and Christ(1964)的出版物。然而,正如本概览所表明的,在第二次世界大战之前,荷兰就进行了水文地球化学研究:早在1900年就采用了超越报告水分析的水文地球化学研究方法(lori 1899;Van der Sleen 1912)。V.I. Vernadsky在20世纪30年代也使用水文地球化学方法研究了天然水,并用俄语发表了他的研究结果(Edmunds and Bogush 2012)。在欧洲大陆,以本国语言或法语或德语出版的科学出版物在过去更为常见,因此,任何绘制水文地球化学研究全球历史的尝试都需要一种多语言的方法。