实验室通过形成先进的基础研究平台，瞄准学科前缘和国家重大需求，结合承担的国家“水专项”等重大项目和“211”、“985”工程建设，集中精力解决上述地下水循环和地下水环境演化的关键科学问题方面，汇集相关领域优秀人才组成高水平研究队伍，开展多学科交叉研究，产生创新性的、有国际影响力的研究成果。实验室的研究主要侧重于地下水系统的水循环和地下水与陆面系统之间的耦合关系，以及土壤和地下水中污染物的转化及修复。具体内容如下：

（一）多重尺度地下水系统水循环

1．不同时空尺度地下水系统的构成、水循环特征及其演化。研究不同尺度地下水系统和不同类型地下水的水循环规律，重点研究人类活动影响条件下(特别是近50年来)不同尺度地下水系统水循环要素变化规律及其影响因素，阐明浅层和深层地下水动力场特征与演变过程，揭示人类活动加剧条件下不同尺度地下水系统中地下水资源量变化规律，建立人类活动条件下与区域水循环变化相联系的地下水系统演变模式，实现地下水资源的优化管理和合理可持续开发利用。

2．盆地尺度地下水的水文地球化学过程及其对水流系统的指示。包括：盆地尺度地下水化学成分分布特征和各种水—岩相互作用；地下水的成因类型、循环特征与演化历史；介质非均质性与地下水化学成分的形成过程；地下水化学过程的尺度效应及其反映的多尺度、多级水流系统信息；地下水化学场与水动力场的耦合。

（二）地下水与陆面水文过程的耦合及其生态效应

1．干旱区、寒区流域地下水与地表水的水文耦合机理。以我国西北内陆地区、青藏高原地区为典型地域，对流域尺度的地下水系统特征、地下水-河水-湖水转化特征和水文系统对气候变化、人类活动的响应特征进行综合观测和试验调查研究，揭示这些地区地下水在水资源形成中的作用。

2．区域地下水开发的生态效应。以我国西北内陆地区和华北平原地区为典型地域，对自然生态耗水和农业灌溉耗水的时空特征进行观测试验和调查研究，揭示区域地下水开发利用对陆生植被生态和湿地生态的影响方式、影响强度和可恢复性，发展新的地下水资源评价理论，发展地表水-地下水联合调控的工程方法，为地下水资源可持续利用提供科学基础。

3．发展地下水与陆面水文过程的耦合模拟方法。在传统地下水动力学的基础上，结合地表水和土壤水的动力学理论，发展陆地水文系统的统一描述理论。在常规地下水模拟方法的基础上，吸收陆地蒸散发和植被生态响应的计算模型，在区域尺度上发展地下水-生态耦合模拟模型，为区域生态水文地质研究和预测评价提供分析工具。

（三）土壤和地下水中污染物迁移转化机理

1．污染场地土壤和地下水中的生物地球化学过程。包括污染物在土壤和地下水系统中的时空分布规律；地下水中微生物群落随环境因素的演变规律及各种污染状况下起主要降解作用的微生物类群；地下水中污染物的迁移转化与微生物多样性的耦合模式；界面化学—微生物学过程；地下水中污染物迁移转化的化学和生物学过程及机理。

2．地下水系统中天然有毒-有害组分的形成机理。包括盆地尺度地下水有毒有害组分的分布特征及其对水-岩相互作用的响应机理；土著微生物和天然有机质协同作用下有毒有害物的生物地球化学过程及迁移转化机理；高度各向异性含水系统中有毒有害组分的时空演化机制；地下水的成因类型、循环特征与演化历史；地下水化学过程的尺度效应及其反映的多尺度、多级水流系统信息。

3．土壤和地下水污染监测技术。研究不同空间尺度监测网的建立和优化技术。包括不同空间尺度（区域尺度和污染场地范围）监测点的布控原则；不同介质中污染物的采集、保存和检测技术；不同空间尺度监测网的建立和优化技术；原位监测、远程传输三维监测系统的构建方法，以及多维高分辨污染源综合同位素识别技术。

（四）污染场地的净化与修复技术应用

1．高强度污染场地原位快速处理处置技术。开展室内实验和现场试验，研究典型高浓度有毒有机物和重金属污染物在土壤、包气带和含水层中的原位快速处理技术，分析比较各种原位快速处理技术，针对典型污染物，建立原位快速处理处置组合技术系统。

2．高强度污染场地异位快速处理处置技术。对典型高浓度有毒有机物和重金属污染物在土壤、包气带和含水层中的异位快速处理技术和工艺进行研究，如开挖-处理技术、抽取-处理技术，处理技术包括：填埋、焚烧、生物转化等，建立典型污染物异位快速处理处置组合技术系统。

3．高风险污染场地综合修复技术。在高风险污染场地建立适合于不同类型有机污染物BTEX（苯、甲苯、乙苯、二甲苯）、硝基苯类、氯苯类、苯胺类、氯酚类和重金属污染物镉、砷、铜、汞、铬、铅、锌等的综合修复技术系统，使污染土壤、包气带处理处置技术与污染含水层的处理处置技术相结合，异位处理技术与原位处理技术相结合，并通过在示范区（点）进行应用，形成具有推广应用意义的技术方案。