1 、地下水中有害物质的水文-生物地球化学循环
实验室研究团队以大同盆地、河套盆地、华北平原、长江中游平原作为野外基地，针对地质成因高砷、高氟、高碘成因理论开展系统研究，融合了多学科研究手段，并对比国内外原生劣质地下水赋存规律和分布区水文地质条件，按照有害组分的物源和主导性水文地球化学过程特征，提出了劣质地下水赋存的4种基本模式（淋滤-汇聚型、埋藏-溶解型、压密-释放型、蒸发-浓缩型）。首次从地下水系统演化的角度统一了不同类型天然劣质地下水的成因理论，并得到了水动力、水化学、同位素及数值模拟等多学科证据的验证，显著提升了对区域原生劣质地下水赋存规律的认识和预测精度。研究成果发表在Critical Reviews in Environmental Science and Technology、Environmental Science & Technology、Water Research、Journal of Hydrology、Hydrogeology Journal等期刊上，被Hydrogeology Journal（HJ）主编推荐为该刊2018年度亮点论文。
从地下水系统演化角度识别了控制砷迁移转化的沉积环境、水文-生物地球化学过程、人类活动等因素，系统总结了高砷地下水赋存规律及成因机制；提出高砷苏打水是在地下水径流和蒸发浓缩作用叠加影响下，含砷的铝硅酸盐矿物水解作用演化的阶段性产物；发现“硫酸盐还原和铁氧化物还原的共同作用导致砷在地下水中富集”这一砷迁移转化的新机理，并通过反应性溶质运移模拟，揭示了砷-铁-硫相互作用对于地下水砷浓度时空变化的控制作用；提出耐砷菌胞内超级富砷机理；发现不同砷浓度的地下水环境中微生物功能群落结构差异显著，而微生物介导的铁和硫氧化还原循环是导致砷浓度和形态季节性变化的关键过程。研究成果发表在Earth-Science Review、Journal of Hydrology、Geochimica et Cosmochimica Acta等期刊上。
提出基于地下水系统分析、水化学-同位素示踪水流和溶质运移过程的新方法，从复杂系统水化学数据中获取重要信息、识别水文学要素；提出识别地下水超采和灌溉等人类活动的水质效应新方法，发现“地下水超采引起含水介质中富碘粘性土压密，碘随压出液向相邻含水层大规模迁移”这一高碘地下水成因的新机理；结合高分辨野外监测和区域地下水流场-水化学场耦合分析，识别并验证了灌溉活动对地下水中砷迁移活化的影响，为全球高砷地下水分布区的水资源开发与管理提供了重要决策依据；充分结合污染物迁移转化机理和水文地质条件，建立了适合我国水文地质条件和针对污染物迁移特性的地下水污染脆弱性评价新模型。研究成果发表在Water Research、Journal of Hydrology等期刊上。上述学术成果在《地下水型饮用水源地环境保护技术指南》编制中得到应用，成为地下水资源保护的国家级规范。
2 、地下水有害物质的溯源与运移模拟
围绕地下水系统中的营养盐、重金属和有机污染物开展了溯源理论、溯源测试技术方面的研究工作，其中针对营养盐氮、磷，重金属铬、镉、锑，有机污染物有机卤代烃、有机溴化物等方面的溯源研究取得了较为突出的成果。在水体营养盐来源与迁移转化过程解析方面，利用稳定碳氮同位素解析了鄱阳湖流域水体不同形态氮素的来源与转化过程；利用稳定碳氮同位素与溶解性有机物分子组成解析了内陆河湖平原江汉平原和海岸带三角洲平原珠江三角洲地下水中铵氮的来源与富集过程；利用稳定碳同位素、稳定铁同位素和有机物三维荧光，解析了洞庭湖平原地下水中磷的来源与控制过程；利用放射性同位素222Rn示踪与湖水-地下水中营养盐分布，定量评估了地下水携带营养盐向东洞庭湖输入的负荷与通量。在重金属同位素的分馏机理、水体重金属来源与迁移转化过程的多元同位素解析方面，针对有色金属矿区的锑污染，利用多元同位素，包括硫、锶、锑等同位素等解析了湖南冷水江矿区水体锑的来源；利用汞同位素量化解析了我国近海水环境中汞的来源；查明了有机酸淋洗隔污染土壤过程中的镉同位素分馏效应。在有机污染物来源与降解过程解析方面，开发了有机溴化物多溴联苯醚的碳-溴单体同位素数据库及溯源功能；识别了亚铁和零价铁活化过硫酸盐降解TCE过程中羟基自由基和硫酸盐自由基的作用；基于傅立叶变换离子回旋共振质谱与同位素标记技术识别了卤代消毒副产物的前体分子，评估了亲电加成与亲电取代在卤代消毒副产物形成中的相对贡献。在溯源测试技术方面，开发了基于GasBench Ⅱ-IRMS的稳定氯溴同位素测试技术，相关测试精度达到国际领先水平，为地下水污染与地下水咸化研究提供了技术支撑；开发了基于TIMS与MC-ICP-MS的两种稳定铬同位素测试技术，特别是建立了两套前处理流程，暨两阶段阴离子交换树脂分离法和双稀释剂双柱法，可为认识水体铬污染的来源与铬的自然衰减程度提供技术支撑；开发了基于MC-ICP-MS的稳定锑同位素测试技术，特别是优化了锑的淋洗流程，实现了水体中低丰度锑的提取与同位素分析，可为矿区水体锑污染提供技术支撑；开发了基于GC-IRMS与GC-qMS的氯代烃单体C/Cl同位素测试技术，以及基于GC-qMS的多溴联苯醚单体C/Br同位素测试技术，可为水体中氯代烃和多溴联苯醚的溯源提供技术支撑。
此外，自主研发了“基于同位素溯源技术的水污染大数据预警平台”，针对水体污染越来越严重，追踪溯源难和治理难的问题，实现了基于水环境中的污染物溯源辨识及污染源模型效果评估预警决策分析系统。平台主要实现四大系统服务功能：（1）水污染源指标体系和同位素分析大数据建库系统：构建融合“天-空-地”等多源监测数据、同位素指纹库数据的水环境污染大数据平台；（2）水污染多同位素方法溯源分析模型管理系统：融合水污染溯源模型、水质反演模型、数据挖掘模型等多种模型的模型管理系统；（3）水污染溯源项目评估辅助决策管理系统：基于物联终端和边缘计算的分布式技术架构，建立水污染大数据溯源模型云端分析体系，辅助决策水污染评估与溯源；（4）水质实时监测预警与数字孪生溯源GIS可视化系统，实现水污染运移模拟：采用BIM+GIS数字孪生技术，实现目标区域内水污染溯源过程精准刻画与可视化示踪。基于水污染溯源系统的大数据云计算技术的实施，可实现管理部门对管辖区域内的水污染溯源有精细化数据支撑，同位素技术与其他溯源技术的结合；通过系统的水污染源动态评估模型分析和辅助决策功能，为政府管理层对水污染防控精细化治理工作提供科学有效的管理策略依据。
3、 地下水有害物质的健康风险
通过机器学习模型，揭示劣质地下水赋存规律和主控因子，可为地下水砷、氟等关键物质的暴露风险防控提供重要依据。团队率先采用孪生神经网络与迁移学习联用的方法，构建了劣质地下水分布与赋存的深度学习预测模型，克服了劣质地下水数据集空间分布不平衡带来的训练数据匮乏和已有预测模型难以兼顾敏感性和特异度的困境，在识别地下水中砷、氟等关键物质含量与高空间分辨率的气候、土壤、水文等数据之间的复杂非线性关系，提取控制地下水中砷、氟等富集的关键环境因子的基础上，生成了我国及全球劣质地下水分布与暴露风险预测图。构建的劣质地下水分布与赋存的深度学习预测模型，实现了在极有限、非平衡样本条件下的劣质地下水建模，在同级别样本条件下预测模型的敏感性和特异度均达到80%以上，显著高于国际同类研究。
揭示了地下水条件与尿石症空间分布的关系，发现结石带的空间分布与地质因素和气候有显著的相关性，其中地质因素包括磷矿的分布、碳酸盐的分布、水中Ca2+与Mg2+的比例。采用贝叶斯风险模型，建立考虑四个解释变量的全球尿石症发病率统计模型，定量评价了结石带的空间分布规律。结果表明，结石带从北美南部经地中海地区、非洲东北部、中国南部到澳大利亚地区，该结石带与全球碳酸盐分布规律高度一致。基于IPCC第五次评估报告中的气候模型，预测了气候变化对结石带空间分布的影响，发现到21世纪末，全球变暖会增加尿石症患病风险，尿石症患病风险大于50%和大于30%的面积分别增加4.4%和25%。成果率先厘清了全球尿石症的地理分布特征及其地质环境影响因素，揭示了尿石症患病率与饮用地下水水化学Ca/Mg毫克当量比值之间的直接关系，提出了地下水中关键物质影响人体结石形成的新认识。
基于斑马鱼和青鳉鱼暴露实验，在分子、细胞和个体水平上揭示了有机锡、全氟辛烷磺酸盐、全氟碘烷等污染物的暴露剂量-效应关系，以及内分泌干扰效应、发育胚胎毒性效应。通过H295R离体细胞模型筛选新污染物对类固醇激素合成的干扰效应，发现4种全氟碘烷均能诱导CYP11B2表达，并干扰孕酮、皮质醇、睾酮和17β-雌二醇的合成。通过人群污染物暴露组和毒性效应研究，发现多种新污染物暴露显著增加患甲状腺等疾病的风险，揭示了四溴双酚A（TBBPA）衍生物/类似物及其环境转化产物的甲状腺激素干扰效应特征，发现3-叔丁基羟基苯甲醚干扰肝脂代谢平衡，诱导成脂分化，具有显著增肥作用。相关成果在Environmental Health Perspectives和Environmental Science & Technology等国际重要期刊上发表。
4、 地下水水质的改良与管控
在地下水水质改良与管控方面，申请单位针对亟待解决的科学问题和安全供水的社会需求，以地下水系统中原生有害组分与污染物的形成、迁移转化和富集机理研究为核心，以地下水污染防治、水中典型污染物净化及安全供水为重点，在科技部、国家自然科学基金委和国土资源部以及相关地方政府的支持下，先后在黄河、长江、海河等流域，紧扣上述三大瓶颈难题，开展了近30年的科技攻关，为我国地下水污染控制与饮用地下水安全供给提供新的科学依据和方法支撑。
整体上，取得了四方面的系统性创新成果：（1）提出了原生劣质地下水赋存的4种基本模式，为预测和圈定原生劣质地下水空间分布范围、保障供水安全奠定了重要理论基础；（2）建立了优质地下淡水的靶区圈定方法与高效开发及保护技术体系，为原生劣质地下水分布区替代水源的勘探、开发与保护提供了关键技术支撑；（3）修正国际已有模型，提出了地下水脆弱性评价新模型并在国家重大工程实践中得到应用，研发了天然地质材料去除水中砷、氟、镉等污染物的新方法并在国内外场地修复实践中得到验证与应用；（4）研发了绿色、经济、高效、易操作的原位固定有害组分的水质改良新技术，为原生劣质地下水开发利用提供了有效技术保障。
科研成果在国内外产生了重要的学术影响：获得湖北省自然科学奖一等奖和国土资源科学技术一等奖各1项；申报并获批授权国家发明专利12项，制定行业标准和技术指南各1部；发表国际学术期刊论文50篇（被正面他引1366次），中文核心期刊论文42篇（被正面他引1068次）；出版中英文专著7部，编著教育部学位管理与研究生教育司推荐研究生教学用书1部。在华主办大型国际学术会议5次，主编出版国际会议论文集5部，在国际学术会议大会做特邀报告15次。科研成果应用效益显著：（1）建立的原生劣质地下水分布区优质地下淡水水源地靶区圈定方法与开采技术，通过示范工程，直接解决了300余万贫困人口的安全供水问题；通过在我国西部11省（区）106个县的推广，解决了800余万贫困人口的饮水安全。成果惠及缺水地区贫困人口总数占我国已脱贫人口的1/6；（2）指导了国家重点工程——山西省万家寨引黄北干线工程（总投资46亿元）输水方案确定，成功规避原生劣质地下水对引黄水的污染，从而保障了受水区300余万人口的安全供水；（3）研发的原生劣质地下水原位改良技术和材料，在我国的黄河流域、长江流域和海河流域等地得到场地试验检验；在澳大利亚场地修复实践中得到应用。成果为我国、乃至全球饮水型地方病暴露区亿万人口的安全供水，提供了重要的科技支撑和应用示范。
