地下水污染

地下水污染（Groundwater pollution，也稱groundwater contamination）是指在人類活動影響下，地下水水質朝著惡化方向發展的現象。當污染物被釋放到地面並進入地下水時，即發生地下水污染。這種水污染類型也可能因地下水中存在微量非目標成分或雜質而自然發生。地下水污染可能來自就地衛生系統、垃圾填埋滲濾液、污水處理廠出水、洩漏的下水道、加油站、水力壓裂或農業上肥料的過量施用。污染也可能來自天然存在的污染物，如砷或氟化物。使用受污染的地下水會導致中毒或疾病傳播（水傳播疾病），從而危害公共健康。

污染物通常會在含水層內形成污染羽流。地下水的流動和分散作用使污染物擴散到更廣的區域。其推進邊界（常稱為羽流邊緣）可能與水井和地表水（如滲流和泉水）相交，使供水對人和野生動物不再安全。羽流的運動可通過水文傳輸模型或地下水模型進行分析。地下水污染的分析可能關注土壤特徵和場地地質、水文地質、水文學以及污染物的性質。不同的機制影響污染物的運移，例如擴散、吸附、沉澱和分解。

地下水污染與地表水的相互作用通過水文傳輸模型進行分析。地下水與地表水之間的相互作用是複雜的。例如，許多河流和湖泊由地下水補給，這意味著對地下水含水層的損害（如通過水力壓裂或過度開採）可能影響依賴地下水的河流和湖泊。沿海含水層的海水入侵就是這種相互作用的例證。預防方法包括：應用預防原則、地下水質量監測、為保護地下水進行土地分區、正確選址就地衛生系統以及實施立法。當污染已發生時，管理方法包括使用者端水處理、地下水修復，或作為最後手段的棄用。

## 污染物類型

地下水中的污染物涵蓋廣泛的物理、無機化學、有機化學、細菌學和放射性參數。許多在地表水污染中發揮作用的污染物同樣可能出現在受污染的地下水中，儘管其各自的重要性可能有所不同。

### 砷與氟化物

世界衛生組織（WHO）將砷和氟化物認定為全球飲用水中最嚴重的無機污染物。

無機砷是土壤和水中最常見的砷形態。砷可在天然條件下存在於地下水中，這在亞洲最為常見，包括中國、印度和孟加拉國。在印度北部和孟加拉國的恆河平原，天然砷對地下水的嚴重污染影響了25%的淺層水井。這些地區的地下水也受到含砷農藥使用的污染。採礦作業或尾礦堆場也可能淋溶出砷。

天然氟化物在地下水中日益受到關注，因為更深層的地下水被用於飲用，"超過2億人面臨飲用水中氟化物濃度升高的風險"。當水硬度較低時，氟化物尤其可從酸性火山岩和分散的火山灰中釋放出來。地下水氟化物濃度高是阿根廷潘帕斯草原、智利、墨西哥、印度、巴基斯坦、東非大裂谷和一些火山島嶼面臨的一個嚴重問題。在那些使用高氟地下水作為飲用水的地區，氟斑牙和氟骨症可能普遍且嚴重。

### 病原體

缺乏適當的衛生措施以及水井位置不當，可導致飲用水被糞便和尿液中攜帶的病原體污染。這類糞口途徑傳播的疾病包括傷寒、霍亂和腹瀉。糞便中存在的四類病原體（細菌、病毒、原生動物和蠕蟲或蠕蟲卵）中，前三類常見於受污染的地下水中，而體積較大的蠕蟲卵通常被土壤基質過濾掉。

深層承壓含水層通常被認為是病原體方面最安全的飲用水源。來自處理或未經處理廢水的病原體可污染某些含水層，尤其是淺層含水層。

### 硝酸鹽

硝酸鹽是世界上地下水和含水層中最常見的化學污染物。在一些低收入國家，地下水中的硝酸鹽水平極高，導致嚴重的健康問題。在高氧條件下，硝酸鹽是穩定的（不會降解）。

地下水中硝酸鹽水平升高可由就地衛生設施、污水污泥處置和農業活動引起。地下水中硝酸鹽含量超過10 mg/L可導致"藍嬰症候群"（後天性高鐵血紅蛋白血症）。歐盟的飲用水水質標準規定飲用水中硝酸鹽含量低於50 mg/L。飲用水中硝酸鹽與藍嬰症候群之間的關聯在其他研究中存在爭議，部分暴發可能由飲用水中硝酸鹽濃度升高以外的因素引起。

### 有機化合物

揮發性有機化合物（VOCs）是地下水的危險污染物。它們通常通過粗放的工業實踐進入環境。許多此類化合物直到20世紀60年代末才被認識到具有危害性。地下水中發現的主要VOC污染物包括芳香烴，如BTEX化合物（苯、甲苯、乙苯和二甲苯），以及氯化溶劑，包括四氯乙烯（PCE）、三氯乙烯（TCE）和氯乙烯（VC）。BTEX是汽油的重要組分。PCE和TCE分別用於乾洗工藝和金屬脫脂的工業溶劑。

地下水中的其他有機污染物包括來自工業操作的多環芳香烴（PAHs）。此外，殺蟲劑和除草劑也可作為有機污染物存在於地下水中。大多數農藥具有非常複雜的分子結構，這決定了它們在水中的溶解度、吸附能力和在地下水系統中的遷移性。

### 金屬

某些痕量金屬天然存在於特定岩層中，可通過風化和淋溶等自然過程進入環境。然而，採礦、冶金、固體廢物處置、油漆和搪瓷等工業活動可能導致有毒金屬（包括鉛、鎘和鉻）濃度的升高。這些污染物有可能進入地下水。金屬在含水層中的遷移主要取決於地下水的pH和氧化還原狀態。

### 藥物殘留

來自處理過的廢水中微量藥物滲入含水層，是美國各地正在研究的新興地下水污染物之一。常見的藥物如抗生素、抗炎藥、抗抑鬱藥、減充血劑、鎮靜劑等通常可在處理後的廢水中發現。地下水和地表水中的痕量藥物在大多數地區遠低於被認為危險或值得關注的水平，但隨著人口增長和更多再生水被用於市政供水，這可能成為一個日益嚴重的問題。

### 其他污染物

其他有機污染物包括各種有機鹵化物和化合物、石油烴類、個人衛生產品和化妝品中的化學物質。無機污染物還可能包括其他營養物質（如氨和磷酸鹽）以及放射性核素（如天然存在於某些地質構造中的鈾和氡）。海水入侵也是自然污染的一個例子，但通常因人類活動而加劇。

地下水污染是一個全球性問題。一項對美國主要含水層1991年至2004年間地下水質量的研究表明，23%的家庭水井含有超過人體健康基準水平的污染物。另一項研究指出，非洲主要的地下水污染問題按重要性排序為：（1）硝酸鹽污染，（2）病原體，（3）有機污染，（4）鹽鹼化，（5）酸性礦山排水。

## 成因

### 自然地質成因

"地質成因"（Geogenic）指自然地質過程導致的結果。當含水層沉積物含有在含水層中產生缺氧環境的有機物時，就會發生天然砷污染。這些條件導致沉積物中氧化鐵的微生物溶解，從而將通常牢固結合在氧化鐵上的砷釋放到水中。WHO的調查表明，孟加拉國25,000個鑽孔水樣中有20%的砷濃度超過50 μg/L。

氟化物的存在與含氟礦物（如螢石CaF2）的豐度和溶解度密切相關。地下水中氟化物濃度顯著升高通常由含水層中鈣的缺乏引起。當地下水中氟化物濃度超過1.5 mg/L時，可能出現氟斑牙相關的健康問題，這是WHO自1984年以來的指導值。瑞士聯邦水產科學與技術研究所（EAWAG）開發了交互式地下水評估平台（GAP），可利用地質、地形和其他環境數據估算某一區域的地質成因污染風險，而無需對每個地下水資源進行抽樣測試。

### 就地衛生設施

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來自就地衛生系統（如旱廁和化糞池）的滲入液可導致地下水的病原體和硝酸鹽污染，具體取決於人口密度和水文地質條件。控制病原體歸宿和運移的因素相當複雜，它們之間的相互作用尚未被充分認識。

液體從廁坑淋溶並經過非飽和土壤帶，隨後進入地下水。如果附近有水井用於供應飲用水，這便是一個問題。在通過土壤的過程中，病原體可能死亡或被顯著吸附，主要取決於廁坑與水井之間的運移時間。大多數（但非全部）病原體在通過地下的50天內會死亡。病原體去除程度因土壤類型、含水層類型、距離和其他環境因素而有很大差異。

### 污水與污泥

未經處理的廢水排放可導致地下水污染，引發皮膚病變、血性腹瀉和皮炎等疾病。這在污水處理基礎設施有限或就地污水處理系統存在系統性故障的地區更為常見。除了病原體和營養物質外，未經處理的污水還可能含有大量重金屬，可能滲入地下水系統。來自污水處理廠的處理出水如果滲入地下或排入當地地表水體，也可能到達含水層。常規污水處理廠中未去除的物質，如激素、藥物殘留和其他微量污染物，會隨出水排入地表水，並從那裡可能進一步進入地下水。

### 化肥與農藥

施用過量肥料（包括糞肥）可使硝酸鹽進入地下水。這是因為只有一部分氮基肥料被轉化為農作物和其他植物物質，其餘的在土壤中積累或作為徑流流失。含氮肥料的高施用量加上硝酸鹽的高水溶性，導致徑流進入地表水以及淋溶進入地下水，從而引起地下水污染。種植系統中氮肥的大量使用是全球地下水中人為氮的最大貢獻者。

農藥的徑流可能淋溶進入地下水，從受污染的水井導致人體健康問題。地下水中檢測到的農藥濃度通常較低，但超過人體健康基準限值的情況仍然存在。有機磷殺蟲劑久效磷是少數能夠到達飲用水源的危險、持久、可溶且易遷移的殺蟲劑之一。

### 商業與工業洩漏

礦石開採和金屬加工設施是地下水中人為來源金屬（包括砷）的主要來源。與酸性礦山排水相關的低pH值增加了潛在有毒金屬的溶解度，這些金屬最終可能進入地下水系統。加油站地下儲油罐洩漏的汽油導致的地下水污染日益受到關注。BTEX化合物是汽油中最常見的添加劑，其密度小於水，形成的輕非水相液體（LNAPL）將"漂浮"在含水層的地下水位上。

氯化溶劑幾乎用於所有需要脫脂劑的工業實踐中。四氯乙烯（PCE）和三氯乙烯（TCE）可降解為毒性最強的氯代烴氯乙烯（VC）。氯化溶劑如PCE和TCE的密度大於水，其非混溶相被稱為重非水相液體（DNAPL），會"下沉"並在低滲透層頂部積累。

### 水力壓裂

美國水力壓裂井的近期增長引發了對其污染地下水資源潛在風險的擔憂。儘管EPA未發現水力壓裂對飲用水造成廣泛系統性影響的顯著證據，但其他研究人員在靠近主要頁岩油氣鑽井地點的淺層飲用水中持續觀察到甲烷、乙烷和丙烷濃度升高。據推測，這種污染是洩漏、故障或安裝不當的天然氣井套管的結果。目前，大多數地下水污染事件來自地表的人為途徑，而非來自下伏頁岩構造的地下水流。

### 垃圾填埋滲濾液

垃圾填埋場產生的滲濾液可能含有多種污染物，包括重金屬、有機化合物和病原體。如果填埋場沒有適當的防滲襯層和滲濾液收集系統，滲濾液可以滲入地下併到達含水層，造成長期的地下水污染。

## 預防

地下水污染的預防比治理更為可行和經濟。預防方法包括：應用預防原則，即在存在不確定性時採取保守態度；定期開展地下水質量監測，及早發現污染趨勢；進行土地用途分區，在含水層補給區限制潛在污染活動；正確選址就地衛生系統，保持與水源的足夠安全距離；以及實施相關立法，如歐盟《硝酸鹽指令》（91/676/EEC）和美國《安全飲用水法》及《地下水規則》。

## 治理

地下水污染的治理比地表水污染困難得多，因為地下水可以在不可見的含水層中長距離移動。非多孔含水層（如粘土）可通過簡單過濾、稀釋以及化學反應和生物活動部分淨化水中的細菌。

### 使用者端處理

可攜式水淨化設備或使用者端水處理系統可用於在飲用前去除某些形式的地下水污染，特別是糞便污染。技術包括煮沸、過濾、活性炭吸附、化學消毒、紫外線淨化、臭氧消毒、太陽能消毒和太陽能蒸餾等。

### 地下水修復

地下水的處理（或修復）技術涵蓋生物、化學和物理處理方法。大多數地下水處理技術採用多種技術的組合。生物處理技術包括生物強化、生物通風、生物噴灑和植物修復。化學處理技術包括臭氧和氧氣注入、化學沉澱、膜技術、離子交換、碳吸附、化學氧化和表面活性劑增強回收。物理處理技術包括抽出一處理、空氣注入和雙相萃取。一些化學技術可以使用納米材料實施。

### 棄用

如果污染地下水的處理或修復被認為過於困難或昂貴，那麼放棄使用該含水層的地下水並尋找替代水源是唯一的選擇。

## 典型案例

### 印度恆河平原砷污染

恆河流域（GRB）面臨嚴重的砷污染。印度占GRB面積的79%，包括北阿坎德邦、北方邦、德里、中央邦、比哈爾邦、賈坎德邦、拉賈斯坦邦、恰蒂斯加爾邦、旁遮普邦、哈里亞納邦和西孟加拉邦等多個邦受到影響。地下水中的砷含量高達4730 μg/L，遠超WHO的飲用水標準和聯合國糧農組織的灌溉用水標準。暴露者患皮膚、神經、生殖和認知功能疾病的風險增加，甚至可導致癌症。

### 美國Hinkley六價鉻污染

美國加利福尼亞州Hinkley鎮自1952年起，其地下水受到六價鉻的污染，導致針對太平洋煤電公司（PG&E）的法律訴訟和1996年數百萬美元的和解。該案被改編為2000年上映的電影《永不妥協》。

### 加拿大Walkerton大腸桿菌暴發

2000年，加拿大Walkerton小鎮發生地下水污染事件，導致7人死亡，稱為Walkerton大腸桿菌暴發。從地下水抽取的供水被高致病性大腸桿菌O157:H7污染，原因是農場徑流進入鄰近的水井。