欣登河流域危机：人为因素与气候变化对地下水枯竭及公共健康风险的影响

《Journal of Hydro-environment Research》：The Hindon River basin crisis: Anthropogenic and climatic impacts on groundwater depletion and public health risks

中国摘要：研究分析了印度恒河支流辛格河盆地（HRB）2009-2023年地下水动态及污染源，发现中下游地区50-79%站点地下水显著下降，主因人口增长与工业农业需求激增。源解析显示Cl?、Na?、SO?2?和NO??关联性强，工业排放（纺织、电镀、制革）与农业施肥（磷钾氮）为主要污染源。健康风险评估表明儿童和体力劳动者HI值最高（达1.95），暴露途径以饮用水摄入为主，需针对性管控。研究提出季节性监测、污染源阻断和健康干预策略。

　　### 研究背景与问题

地下水作为重要的淡水资源，不仅支持着约30%的饮用水需求，还在40%的灌溉农业中扮演关键角色。然而，近年来，由于城市化、工业化和农业活动的迅速发展，地下水资源正面临严重的退化问题。特别是印度北部的恒河平原，地下水的过度开采已经导致水资源的显著减少。同时，全球气候变化也加剧了地下水的保护挑战。印度是全球最大的地下水开采国之一，占全球总开采量的25%。因此，如何在应对气候变化的同时，实现地下水的可持续管理，成为当前环境研究的重要课题。

在恒河平原中，印度的恒河上游流域（Hindon River Basin, HRB）是地下水退化最严重的地区之一。该流域不仅因农业和工业活动密集而面临地下水污染问题，还因极端干旱事件的增加而加剧了水资源的紧张状况。据研究，该流域的地下水水位下降趋势明显，尤其是在下游区域，50-79%的监测点显示了显著的下降。这种下降不仅影响农业灌溉和居民饮用水安全，还对生态系统的健康和人类的生存构成威胁。

### 研究方法与数据来源

为了全面评估HRB的地下水动态变化和健康风险，本研究采用了一种综合性的分析方法，包括长期的地下水水位和水质数据、气候和土地利用变化的数据，以及人类活动对地下水的影响。研究团队从2009年至2022年收集了地下水的定量和定性数据，并在2023年的雨季和旱季分别采集了180个浅层手动抽水井的样本，以评估当前的水质状况。

研究利用了多种统计分析方法，包括正矩阵因子分解（PMF）和蒙特卡洛模拟（MCS），以识别地下水污染的主要来源，并评估其对不同人群健康风险的影响。此外，研究还采用了曼-惠特尼U检验（Mann–Whitney U test）和多变量方差分析（MANOVA）来分析不同环境变量对地下水质量的影响。这些方法不仅帮助识别污染源，还为制定针对性的地下水管理策略提供了科学依据。

### 研究结果与讨论

#### 地下水水位变化

HRB的地下水水位在2011年至2020年间表现出显著的季节性变化。上游地区的平均水位为9.12 ± 0.52米，中游地区为12.54 ± 0.84米，下游地区则为15.60 ± 2.00米。根据曼-肯达尔检验（Mann-Kendall test）的结果，上游地区在雨季和旱季分别有6-8%和0%的站点显示出上升趋势，而50-52%的站点显示出下降趋势。相比之下，下游地区在雨季和旱季分别有72-79%和93%的站点显示出显著的水位下降，这表明该区域的地下水需求远高于其他区域。

在2000年至2020年间，HRB的建设用地面积增加了81.06%，而农田面积减少了4.89%，森林覆盖率下降了34.15%，水体面积减少了14.48%。这些变化对地下水的补给和水质产生了深远的影响。由于土地利用变化导致地下水补给减少，加上农业和工业活动的增加，地下水的退化趋势变得更为明显。

#### 地下水质量变化

地下水的水质在HRB的不同区域和季节间存在显著差异。根据2023年的数据，地下水的pH值在雨季和旱季分别介于6.45-8.29和6.6-8.23之间，显示出一定的稳定性。电导率（EC）在雨季和旱季分别为760.46 ± 237.93 μS/cm和758.19 ± 290.09 μS/cm，表明地下水的矿物溶解速率没有显著变化。然而，主要离子如碳酸氢根（HCO??）、硝酸根（NO??）、氯离子（Cl?）和硫酸根（SO?2?）的浓度在旱季有所下降，而钾离子（K?）的浓度则由于降雨对磷酸盐肥料的淋溶作用而略有上升。

在HRB的中游和下游地区，NO??和Cl?的浓度较高，这可能是由于农业和工业活动的增加导致的污染。特别是在下游地区，NO??和Cl?的浓度分别达到11.98 mg/L和38 mg/L，显著高于上游和中游地区的11 mg/L和17.92 mg/L。此外，下游地区的SO?2?浓度也较高，平均为27.12 mg/L，表明该区域的污染主要来源于农业和工业活动。

#### 污染源分析

通过PMF模型分析，HRB的地下水污染主要来源于农业和工业活动。上游地区的污染源主要是自然地质过程，如碳酸盐岩的风化和矿物溶解。而中游和下游地区的污染则主要来自农业和工业排放，尤其是化肥和工业废水。PMF分析显示，中游和下游地区的污染源中，硝酸盐和氯离子的贡献最大，这可能与农业活动中的化肥使用和工业废水排放有关。

#### 健康风险评估

研究还评估了地下水污染对不同人群的健康风险。根据健康风险指数（HI）的计算，儿童和从事重体力劳动的成年人的HI值分别为1.95和1.79，表明他们对地下水污染更为敏感。HI值超过1意味着存在潜在的健康风险。在2023年的数据中，下游地区的HI值显著高于其他区域，尤其是在雨季和旱季，HI值分别达到1.877和1.34。这表明下游地区的地下水污染对居民健康构成了更大的威胁。

通过蒙特卡洛模拟（MCS）分析，研究发现摄入率（IR）和体重（BW）是影响HI值的主要参数。在雨季，IR对HI值的贡献约为48%，而BW的贡献约为46%。在旱季，BW的贡献增加至53%，而IR的贡献降至38%。这表明体重对健康风险的评估具有重要影响，特别是在儿童和老年人群体中。

### 健康风险与管理建议

地下水污染对健康的影响主要体现在硝酸盐和重金属的摄入上。这些污染物可能导致身体组织损伤、高血压、肾功能损害和生殖问题。因此，研究建议采取以下措施来减少健康风险：

1. **加强工业排放监管**：特别是在中游和下游地区，需要严格管理工业废水排放，尤其是金属加工、纺织染色、电镀和纸浆工业。
2. **推广精准农业技术**：减少化肥的过度使用，尤其是含磷和含氮的肥料，以降低农业活动对地下水的污染。
3. **改善污水处理设施**：确保工业和生活污水得到有效处理，减少对地下水的污染。
4. **实施地下水补给措施**：通过建设人工补给区和恢复自然水体，提高地下水的补给能力。
5. **加强社区健康监测**：特别是在农业和工业活动密集的地区，开展定期的健康监测和教育，提高居民对地下水污染的认知和防范意识。

### 研究意义与未来展望

本研究不仅揭示了HRB地下水退化和污染的复杂原因，还为制定针对性的地下水管理策略提供了科学依据。通过综合分析地下水的时空变化、污染源和健康风险，研究强调了在应对气候变化和人类活动压力下，保护地下水资源的重要性。未来的研究应进一步关注长期的地下水数据，增加深井样本，以提高水质评估的代表性。此外，应采用更先进的统计技术和机器学习方法，模拟气候变化、土地利用变化和工业活动对地下水质量的影响。同时，应结合非致癌性和致癌性风险评估，考虑不同人群对污染物的暴露模式和敏感性，以制定更全面的地下水管理政策。

### 结论

HRB的地下水退化和污染问题已成为一个亟待解决的环境挑战。研究显示，地下水的退化主要受到气候变化、土地利用变化和人类活动的影响。特别是中游和下游地区的地下水质量恶化，对居民健康构成了严重威胁。通过综合的分析方法，研究不仅识别了主要的污染源，还提出了针对性的管理建议，为实现地下水的可持续利用提供了重要参考。未来的研究应继续关注地下水的动态变化，探索更有效的管理策略，以确保这一重要资源的长期安全和可持续性。