巴基斯坦半干旱地区地下水对砷的脆弱性：污染源识别、空间分析及公共卫生风险评估

《Desalination and Water Treatment》：Groundwater Vulnerability to Arsenic in Semi-Arid Region of Pakistan: Sources Identification, Spatial Analysis, and Public Health Risks Evaluation

本研究对巴基斯坦信德省马蒂阿里地区52份地下水样本进行hydrogeochemical分析，发现砷含量范围为5-250 μg/L，均值41.5 μg/L，24%样本超过WHO饮用水标准（10 μg/L）。通过Gibbs图、PCA和WAWQI评估，揭示砷污染受地质过程（如矿物溶解）和人为因素（农业活动、灌溉返回水）共同影响，儿童和成人风险指数分别为9.99和1.27，凸显健康威胁。研究建议加强砷监测和治理措施。

　　### 水质与砷污染对公众健康的影响

地下水是维持人类生命、农业和工业活动的重要资源。然而，随着人口增长和新型低成本提取技术的普及，地下水的开采量迅速增加，导致其污染问题日益突出。在巴基斯坦的许多地区，特别是南亚的某些地区，地下水的砷污染问题已经引起了广泛关注。研究表明，巴基斯坦的某些地区，包括信德省的马蒂亚里地区，地下水中的砷浓度远高于世界卫生组织（WHO）设定的安全限值。这一现象不仅威胁到当地居民的健康，还对环境可持续性构成挑战。

砷污染主要来源于自然地质过程和人类活动。自然地质过程包括岩石风化、水岩相互作用、土壤矿物化以及火山活动等，这些过程会改变地下水的化学组成。人类活动，如矿产开采、农药使用和废弃物排放，也对地下水的砷污染有重要影响。研究显示，马蒂亚里地区的地下水主要受到这两种因素的共同作用，导致砷浓度较高。此外，由于该地区气候炎热干燥，地下水的蒸发作用可能进一步加剧了污染物的富集。

### 地质与水文地质特征

马蒂亚里地区位于信德省，其地理和水文地质特征对其地下水质量有重要影响。该地区分为三个行政区域：Saeedabad、Hala和Matiari，总面积约为1,417平方公里，人口约849,383人。该地区的气候特征为炎热干燥，年平均降雨量约为129毫米，夏季气温可高达43°C，冬季则为27°C左右。由于降雨量较低，地下水主要来源于河流和灌溉渠道的补给，尤其是印度河的补给。地下水位的深度在1.56至11.93米之间，平均深度约为4.53米。地下水的流向主要取决于地势和补给来源，例如在较高地区地下水向西南方向流动，而在中央和较低地区则向西流动，靠近印度河。

该地区的地质构造主要由未固结的沉积物组成，包括砾石、粉砂和粘土。这些沉积物形成了蜿蜒的洪积平原地貌，具有丰富的沉积层，如河床沉积物、弯曲带沉积物和废弃河床结构。印度河流域的岩石类型主要为第四纪沉积岩，包括底部页岩、下层砂、中层砂、上层页岩和上层砂层。这些地质特征决定了地下水的化学成分，也影响了砷的迁移和富集过程。

### 水质评估与分析方法

为了评估地下水的水质，研究团队采集了52个饮用水样本来进行分析。这些样本通过不同的人工泵和钻孔采集，并采用系统化的采样设计，确保覆盖不同的地质构造和水文化学区域。在采样过程中，研究人员特别注意避免静水干扰，因此每个井在采样前进行了超过五分钟的抽水。水样随后被过滤，并使用0.45微米的膜滤器进行处理。现场测量了pH值、总溶解固体（TDS）和电导率（EC），这些数据使用数字pH计和便携式电导率计（型号Hach 44600-00）进行采集。

在实验室分析中，研究人员将水样送至巴基斯坦水资源研究委员会（PCRWR）实验室进行进一步检测。水样在4°C条件下保存，以确保分析的准确性。使用紫外-可见分光光度计（Analytik Jena，德国）分析了硝酸盐（NO??）、磷酸盐（PO?3?）、氟化物（F?）和硫酸盐（SO?2?）等阴离子。氯化物（Cl?）、总碱度、碳酸氢盐（HCO??）和钙离子（Ca2?）等阳离子则通过滴定方法进行测定。此外，使用原子吸收分光光度计（Varian Spectra AA–240）对砷（As）、铁（Fe）、钙（Ca2?）、镁（Mg2?）、钾（K?）和钠（Na?）等元素进行了定量分析。

### 水质指数与健康风险评估

研究团队采用了水质量指数（WAWQI）来评估地下水的总体质量。WAWQI是衡量水体中多种化学参数对饮用水适宜性影响的重要工具。根据WAWQI的分类，52个水样中，8%的水样被认为不适合饮用，12%被归类为非常差质量，15%为差质量。这表明，尽管大部分水样符合基本的饮用水标准，但仍存在部分水样因污染物浓度超标而无法直接饮用。

此外，研究还采用了健康风险评估方法，以分析砷污染对公众健康的潜在影响。健康风险评估包括非致癌风险评估和致癌风险评估。非致癌风险评估通过计算每日砷摄入量（CDI）和危害商数（HQ）来进行。根据计算结果，儿童的HQ最高可达9.99，而成人的HQ最高为1.27，表明砷污染对儿童的健康风险尤为显著。致癌风险评估则通过计算致癌风险（CR）来进行，儿童的CR最高为3.00 × 10?3，而成人则为3.81 × 10??，这表明砷污染对人群的长期健康构成了威胁。

### 水化学特征与污染机制

水化学特征分析表明，马蒂亚里地区的地下水主要属于混合的CaMg-Cl和CaMg-HCO??类型。这种水化学特征主要由水岩相互作用主导，蒸发作用的影响相对较小。通过主成分分析（PCA），研究发现，水化学参数的80%变异可以归因于自然地质源和人为污染源。这一发现表明，水污染不仅受到自然过程的影响，还受到人类活动的显著影响。

此外，研究还分析了水化学参数之间的相关性，以进一步揭示砷污染的来源和迁移机制。结果表明，砷浓度与碳酸氢盐（HCO??）和钾离子（K?）呈正相关，这可能意味着这些离子的来源与砷的来源存在某种联系。同时，砷浓度与铁离子（Fe）呈负相关，这可能与铁的氧化和还原过程有关。在某些情况下，铁的氧化可能促进砷的释放，而在其他情况下，铁的还原可能导致砷的富集。

### 空间分析与砷污染分布

为了更全面地了解砷污染的空间分布，研究团队采用了空间分析和地图绘制技术。使用ArcGIS Pro（版本3.2）进行逆距离权重插值分析，以描绘研究区域内的砷浓度变化趋势。结果表明，砷浓度最高的区域位于Saeedabad和Hala两个行政区，这与该地区的地质特征和人为活动密切相关。这些区域的高砷浓度可能与土壤盐渍化、农业活动和地下水补给过程有关。

空间分析还揭示了不同水化学参数之间的关系，例如总溶解固体（TDS）、氯化物（Cl?）、硫酸盐（SO?2?）和碳酸氢盐（HCO??）等。这些参数的分布不仅反映了地下水的化学特征，还提供了关于污染源和迁移路径的重要信息。此外，研究团队还分析了不同水样之间的空间相关性，以识别可能的污染热点区域。

### 结论与未来展望

本研究通过对马蒂亚里地区地下水的全面分析，揭示了该地区砷污染的严重性及其对公众健康的潜在威胁。研究结果表明，地下水中的砷浓度在5至250微克/升之间，平均值为41.5微克/升。其中，24%的水样超过了WHO设定的10微克/升饮用标准。这表明，砷污染已经对当地居民的健康构成重大风险。

研究还发现，地下水的水质主要受到水岩相互作用的影响，而蒸发作用的影响相对较小。此外，氯碱指数（CAI I和CAI II）的分析表明，水样中的离子交换过程主要表现为反向离子交换，即氯化物和钠离子的浓度相对较高，而钙和镁离子的浓度相对较低。这可能与该地区的地质特征和水文条件有关。

尽管研究提供了重要的科学依据，但仍存在一些局限性。例如，采样仅在特定时间进行，缺乏季节性覆盖；此外，研究主要依赖水化学数据，而未结合同位素指纹分析或沉积物验证。因此，未来的研究应优先考虑多季节监测，并结合先进的同位素分析技术，以更准确地识别污染源。同时，应系统评估创新的水处理技术，并加强社区参与，以实现地下水的可持续管理和健康风险的降低。