地下水污染

地下水污染（Groundwater pollution，也称groundwater contamination）是指在人类活动影响下，地下水水质朝着恶化方向发展的现象。当污染物被释放到地面并进入地下水时，即发生地下水污染。这种水污染类型也可能因地下水中存在微量非目标成分或杂质而自然发生。地下水污染可能来自就地卫生系统、垃圾填埋渗滤液、污水处理厂出水、泄漏的下水道、加油站、水力压裂或农业上肥料的过量施用。污染也可能来自天然存在的污染物，如砷或氟化物。使用受污染的地下水会导致中毒或疾病传播（水传播疾病），从而危害公共健康。

污染物通常会在含水层内形成污染羽流。地下水的流动和分散作用使污染物扩散到更广的区域。其推进边界（常称为羽流边缘）可能与水井和地表水（如渗流和泉水）相交，使供水对人和野生动物不再安全。羽流的运动可通过水文传输模型或地下水模型进行分析。地下水污染的分析可能关注土壤特征和场地地质、水文地质、水文学以及污染物的性质。不同的机制影响污染物的运移，例如扩散、吸附、沉淀和分解。

地下水污染与地表水的相互作用通过水文传输模型进行分析。地下水与地表水之间的相互作用是复杂的。例如，许多河流和湖泊由地下水补给，这意味着对地下水含水层的损害（如通过水力压裂或过度开采）可能影响依赖地下水的河流和湖泊。沿海含水层的海水入侵就是这种相互作用的例证。预防方法包括：应用预防原则、地下水质量监测、为保护地下水进行土地分区、正确选址就地卫生系统以及实施立法。当污染已发生时，管理方法包括用户端水处理、地下水修复，或作为最后手段的弃用。

## 污染物类型

地下水中的污染物涵盖广泛的物理、无机化学、有机化学、细菌学和放射性参数。许多在地表水污染中发挥作用的污染物同样可能出现在受污染的地下水中，尽管其各自的重要性可能有所不同。

### 砷与氟化物

世界卫生组织（WHO）将砷和氟化物认定为全球饮用水中最严重的无机污染物。

无机砷是土壤和水中最常见的砷形态。砷可在天然条件下存在于地下水中，这在亚洲最为常见，包括中国、印度和孟加拉国。在印度北部和孟加拉国的恒河平原，天然砷对地下水的严重污染影响了25%的浅层水井。这些地区的地下水也受到含砷农药使用的污染。采矿作业或尾矿堆场也可能淋溶出砷。

天然氟化物在地下水中日益受到关注，因为更深层的地下水被用于饮用，"超过2亿人面临饮用水中氟化物浓度升高的风险"。当水硬度较低时，氟化物尤其可从酸性火山岩和分散的火山灰中释放出来。地下水氟化物浓度高是阿根廷潘帕斯草原、智利、墨西哥、印度、巴基斯坦、东非大裂谷和一些火山岛屿面临的一个严重问题。在那些使用高氟地下水作为饮用水的地区，氟斑牙和氟骨症可能普遍且严重。

### 病原体

缺乏适当的卫生措施以及水井位置不当，可导致饮用水被粪便和尿液中携带的病原体污染。这类粪口途径传播的疾病包括伤寒、霍乱和腹泻。粪便中存在的四类病原体（细菌、病毒、原生动物和蠕虫或蠕虫卵）中，前三类常见于受污染的地下水中，而体积较大的蠕虫卵通常被土壤基质过滤掉。

深层承压含水层通常被认为是病原体方面最安全的饮用水源。来自处理或未经处理废水的病原体可污染某些含水层，尤其是浅层含水层。

### 硝酸盐

硝酸盐是世界上地下水和含水层中最常见的化学污染物。在一些低收入国家，地下水中的硝酸盐水平极高，导致严重的健康问题。在高氧条件下，硝酸盐是稳定的（不会降解）。

地下水中硝酸盐水平升高可由就地卫生设施、污水污泥处置和农业活动引起。地下水中硝酸盐含量超过10 mg/L可导致"蓝婴综合征"（后天性高铁血红蛋白血症）。欧盟的饮用水水质标准规定饮用水中硝酸盐含量低于50 mg/L。饮用水中硝酸盐与蓝婴综合征之间的关联在其他研究中存在争议，部分暴发可能由饮用水中硝酸盐浓度升高以外的因素引起。

### 有机化合物

挥发性有机化合物（VOCs）是地下水的危险污染物。它们通常通过粗放的工业实践进入环境。许多此类化合物直到20世纪60年代末才被认识到具有危害性。地下水中发现的主要VOC污染物包括芳香烃，如BTEX化合物（苯、甲苯、乙苯和二甲苯），以及氯化溶剂，包括四氯乙烯（PCE）、三氯乙烯（TCE）和氯乙烯（VC）。BTEX是汽油的重要组分。PCE和TCE分别用于干洗工艺和金属脱脂的工业溶剂。

地下水中的其他有机污染物包括来自工业操作的多环芳香烃（PAHs）。此外，杀虫剂和除草剂也可作为有机污染物存在于地下水中。大多数农药具有非常复杂的分子结构，这决定了它们在水中的溶解度、吸附能力和在地下水系统中的迁移性。

### 金属

某些痕量金属天然存在于特定岩层中，可通过风化和淋溶等自然过程进入环境。然而，采矿、冶金、固体废物处置、油漆和搪瓷等工业活动可能导致有毒金属（包括铅、镉和铬）浓度的升高。这些污染物有可能进入地下水。金属在含水层中的迁移主要取决于地下水的pH和氧化还原状态。

### 药物残留

来自处理过的废水中微量药物渗入含水层，是美国各地正在研究的新兴地下水污染物之一。常见的药物如抗生素、抗炎药、抗抑郁药、减充血剂、镇静剂等通常可在处理后的废水中发现。地下水和地表水中的痕量药物在大多数地区远低于被认为危险或值得关注的水平，但随着人口增长和更多再生水被用于市政供水，这可能成为一个日益严重的问题。

### 其他污染物

其他有机污染物包括各种有机卤化物和化合物、石油烃类、个人卫生产品和化妆品中的化学物质。无机污染物还可能包括其他营养物质（如氨和磷酸盐）以及放射性核素（如天然存在于某些地质构造中的铀和氡）。海水入侵也是自然污染的一个例子，但通常因人类活动而加剧。

地下水污染是一个全球性问题。一项对美国主要含水层1991年至2004年间地下水质量的研究表明，23%的家庭水井含有超过人体健康基准水平的污染物。另一项研究指出，非洲主要的地下水污染问题按重要性排序为：（1）硝酸盐污染，（2）病原体，（3）有机污染，（4）盐碱化，（5）酸性矿山排水。

## 成因

### 自然地质成因

"地质成因"（Geogenic）指自然地质过程导致的结果。当含水层沉积物含有在含水层中产生缺氧环境的有机物时，就会发生天然砷污染。这些条件导致沉积物中氧化铁的微生物溶解，从而将通常牢固结合在氧化铁上的砷释放到水中。WHO的调查表明，孟加拉国25,000个钻孔水样中有20%的砷浓度超过50 μg/L。

氟化物的存在与含氟矿物（如萤石CaF2）的丰度和溶解度密切相关。地下水中氟化物浓度显著升高通常由含水层中钙的缺乏引起。当地下水中氟化物浓度超过1.5 mg/L时，可能出现氟斑牙相关的健康问题，这是WHO自1984年以来的指导值。瑞士联邦水产科学与技术研究所（EAWAG）开发了交互式地下水评估平台（GAP），可利用地质、地形和其他环境数据估算某一区域的地质成因污染风险，而无需对每个地下水资源进行抽样测试。

### 就地卫生设施

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来自就地卫生系统（如旱厕和化粪池）的渗入液可导致地下水的病原体和硝酸盐污染，具体取决于人口密度和水文地质条件。控制病原体归宿和运移的因素相当复杂，它们之间的相互作用尚未被充分认识。

液体从厕坑淋溶并经过非饱和土壤带，随后进入地下水。如果附近有水井用于供应饮用水，这便是一个问题。在通过土壤的过程中，病原体可能死亡或被显著吸附，主要取决于厕坑与水井之间的运移时间。大多数（但非全部）病原体在通过地下的50天内会死亡。病原体去除程度因土壤类型、含水层类型、距离和其他环境因素而有很大差异。

### 污水与污泥

未经处理的废水排放可导致地下水污染，引发皮肤病变、血性腹泻和皮炎等疾病。这在污水处理基础设施有限或就地污水处理系统存在系统性故障的地区更为常见。除了病原体和营养物质外，未经处理的污水还可能含有大量重金属，可能渗入地下水系统。来自污水处理厂的处理出水如果渗入地下或排入当地地表水体，也可能到达含水层。常规污水处理厂中未去除的物质，如激素、药物残留和其他微量污染物，会随出水排入地表水，并从那里可能进一步进入地下水。

### 化肥与农药

施用过量肥料（包括粪肥）可使硝酸盐进入地下水。这是因为只有一部分氮基肥料被转化为农作物和其他植物物质，其余的在土壤中积累或作为径流流失。含氮肥料的高施用量加上硝酸盐的高水溶性，导致径流进入地表水以及淋溶进入地下水，从而引起地下水污染。种植系统中氮肥的大量使用是全球地下水中人为氮的最大贡献者。

农药的径流可能淋溶进入地下水，从受污染的水井导致人体健康问题。地下水中检测到的农药浓度通常较低，但超过人体健康基准限值的情况仍然存在。有机磷杀虫剂久效磷是少数能够到达饮用水源的危险、持久、可溶且易迁移的杀虫剂之一。

### 商业与工业泄漏

矿石开采和金属加工设施是地下水中人为来源金属（包括砷）的主要来源。与酸性矿山排水相关的低pH值增加了潜在有毒金属的溶解度，这些金属最终可能进入地下水系统。加油站地下储油罐泄漏的汽油导致的地下水污染日益受到关注。BTEX化合物是汽油中最常见的添加剂，其密度小于水，形成的轻非水相液体（LNAPL）将"漂浮"在含水层的地下水位上。

氯化溶剂几乎用于所有需要脱脂剂的工业实践中。四氯乙烯（PCE）和三氯乙烯（TCE）可降解为毒性最强的氯代烃氯乙烯（VC）。氯化溶剂如PCE和TCE的密度大于水，其非混溶相被称为重非水相液体（DNAPL），会"下沉"并在低渗透层顶部积累。

### 水力压裂

美国水力压裂井的近期增长引发了对其污染地下水资源潜在风险的担忧。尽管EPA未发现水力压裂对饮用水造成广泛系统性影响的显著证据，但其他研究人员在靠近主要页岩油气钻井地点的浅层饮用水中持续观察到甲烷、乙烷和丙烷浓度升高。据推测，这种污染是泄漏、故障或安装不当的天然气井套管的结果。目前，大多数地下水污染事件来自地表的人为途径，而非来自下伏页岩构造的地下水流。

### 垃圾填埋渗滤液

垃圾填埋场产生的渗滤液可能含有多种污染物，包括重金属、有机化合物和病原体。如果填埋场没有适当的防渗衬层和渗滤液收集系统，渗滤液可以渗入地下并到达含水层，造成长期的地下水污染。

## 预防

地下水污染的预防比治理更为可行和经济。预防方法包括：应用预防原则，即在存在不确定性时采取保守态度；定期开展地下水质量监测，及早发现污染趋势；进行土地用途分区，在含水层补给区限制潜在污染活动；正确选址就地卫生系统，保持与水源的足够安全距离；以及实施相关立法，如欧盟《硝酸盐指令》（91/676/EEC）和美国《安全饮用水法》及《地下水规则》。

## 治理

地下水污染的治理比地表水污染困难得多，因为地下水可以在不可见的含水层中长距离移动。非多孔含水层（如粘土）可通过简单过滤、稀释以及化学反应和生物活动部分净化水中的细菌。

### 用户端处理

便携式水净化设备或用户端水处理系统可用于在饮用前去除某些形式的地下水污染，特别是粪便污染。技术包括煮沸、过滤、活性炭吸附、化学消毒、紫外线净化、臭氧消毒、太阳能消毒和太阳能蒸馏等。

### 地下水修复

地下水的处理（或修复）技术涵盖生物、化学和物理处理方法。大多数地下水处理技术采用多种技术的组合。生物处理技术包括生物强化、生物通风、生物喷洒和植物修复。化学处理技术包括臭氧和氧气注入、化学沉淀、膜技术、离子交换、碳吸附、化学氧化和表面活性剂增强回收。物理处理技术包括抽出一处理、空气注入和双相萃取。一些化学技术可以使用纳米材料实施。

### 弃用

如果污染地下水的处理或修复被认为过于困难或昂贵，那么放弃使用该含水层的地下水并寻找替代水源是唯一的选择。

## 典型案例

### 印度恒河平原砷污染

恒河流域（GRB）面临严重的砷污染。印度占GRB面积的79%，包括北阿坎德邦、北方邦、德里、中央邦、比哈尔邦、贾坎德邦、拉贾斯坦邦、恰蒂斯加尔邦、旁遮普邦、哈里亚纳邦和西孟加拉邦等多个邦受到影响。地下水中的砷含量高达4730 μg/L，远超WHO的饮用水标准和联合国粮农组织的灌溉用水标准。暴露者患皮肤、神经、生殖和认知功能疾病的风险增加，甚至可导致癌症。

### 美国Hinkley六价铬污染

美国加利福尼亚州Hinkley镇自1952年起，其地下水受到六价铬的污染，导致针对太平洋煤电公司（PG&E）的法律诉讼和1996年数百万美元的和解。该案被改编为2000年上映的电影《永不妥协》。

### 加拿大Walkerton大肠杆菌暴发

2000年，加拿大Walkerton小镇发生地下水污染事件，导致7人死亡，称为Walkerton大肠杆菌暴发。从地下水抽取的供水被高致病性大肠杆菌O157:H7污染，原因是农场径流进入邻近的水井。