通过一种具有相位适应性的基于共同性的地下水污染指数（CGPI）揭示了特定季节地下水的水文化学和细菌学特征：这对上穆卢亚盆地（Upper Moulouya Basin）中与硝酸盐相关的健康风险具有重要意义

《Physics and Chemistry of the Earth, Parts A/B/C》：Season-specific hydrochemical and bacteriological patterns of groundwater revealed by a phase-adaptive Communality-Based Groundwater Pollution Index (CGPI): Implications for nitrate-related health risk in the Upper Moulouya Basin

　　•CGPI使用因子分析（FA）得出的共性特征进行动态的、季节性特定的参数加权
•监测了60口地下水井，涵盖了干旱期、首次冲刷期和稀释期
•与传统GPI相比，CGPI将噪声降低了15-20%，同时保持R2 = 0.84-0.92
•在25%的井中，首次冲刷期会触发健康风险指数（HQ）>1，对儿童构成最大健康风险
•该框架整合了水化学、细菌学和硝酸盐健康风险评估

引言
地下水是全球水安全的基石，提供了全球近一半的饮用水，并支持了约40%的灌溉农业（Mishra等人，2025；Saha和Pal，2025）。在半干旱和水资源紧张的环境中，含水层通常是主要的、有时甚至是唯一的可靠淡水来源，能够在地表水资源有限的情况下缓解气候变化并维持农业生产（Li等人，2019；Mirkamandar等人，2025）。尽管发挥着关键作用，但不断增加的人为压力——尤其是化肥密集型农业、灌溉回流水和广泛的农村污染——已经逐渐改变了全球许多含水层系统的水质（Ahsan等人，2023；Asadi等人，2020；El Mansour等人，2025；Chakraborty等人，2026）。因此，长期以来认为含水层是自然保护的储水层的观点越来越受到挑战，因为越来越多的证据表明，移动性污染物可以在地下环境中积累、迁移并持续存在，从而对水资源产生延迟但持久的影响（Arslan & ?olak，2023；Cheng等人，2025；Mohammadi Seif Abad等人，2021；Das等人，2025）。在地下水污染物中，硝酸盐（NO3-）尤其令人担忧，因为它具有高溶解度，在氧化条件下化学稳定性强，在密集耕作的环境中自然衰减能力有限（Al-Aizari等人，2023；Belhouchette等人，2022）。硝酸盐从农业土壤转移到含水层的过程受补给脉冲（Oubdil等人，2025）、灌溉方式、蒸发浓缩和氧化还原转化的共同作用影响，这些因素共同导致了地下水成分的显著时间变化（Bouselsal等人，2024）。在半干旱农业区，这些变化通常遵循一个典型的季节性顺序：夏季由于蒸发蒸腾和补给减少而浓度上升，随后是早期降雨“首次冲刷”阶段，此时未饱和带中的积累物和农业残留物被 mobilized，最后是冬季稀释阶段，此时由于持续补给和水文混合导致硝酸盐浓度下降。这种时间变化会极大地重塑含水层内的硝酸盐分布模式。与点源污染物不同，硝酸盐污染通常表现为空间上分散的污染，这使得监测、归因和缓解工作变得复杂（San等人，2026）。除了环境退化之外，高浓度的硝酸盐还带来了重大的公共卫生问题。饮用硝酸盐污染的水与婴儿高铁血红蛋白血症有关，这是一种可能危及生命的状况，由血红蛋白的氧化和随之而来的氧气运输能力下降引起（Ghimire等人，2025；Hagage等人，2025）。最近的研究还表明，在长期暴露情况下，硝酸盐具有更广泛的非致癌健康影响（?ener等人，2026）。这些相互关联的水化学和健康问题突显了需要能够捕捉季节性差异和暴露相关风险的地下水评估框架的必要性。

摩洛哥东北部的上Moulouya盆地是一个特别适合研究这些挑战的地点，因为地下水是该半干旱地区的主要饮用水和灌溉水源。该盆地经历明显的季节性水文气候变化，特点是长期干旱期、秋季降雨引发的首次冲刷期以及负责地下水稀释的冬季补给。这些水文变化发生在农业景观中，其中化肥施用、牲畜活动和分散的农村定居点共同增加了地下水受水化学恶化和细菌污染的脆弱性。尽管该流域对区域水资源安全具有战略重要性，但以往的研究主要集中在个别采样期间的水化学特征分析或传统的水质评估上。尚未有针对上Moulouya盆地的综合评估，该评估结合了季节性水化学演变、细菌污染、基于FA的自适应污染指数以及与硝酸盐相关的人类健康风险评估。

为了整合复杂的水化学数据集，广泛采用了如地下水污染指数（GPI）这样的综合污染指数，将多个水质参数转换为可解释的地下水状态指标（Kada等人，2023；Kamaraj等人，2021；Zair等人，2024）。虽然这些指数有助于沟通和空间比较，但其方法论结构通常需要仔细审查。许多传统的GPI应用采用等权重方案或预设的固定权重，隐含地假设参数的重要性在各种水文条件下是相同的。这种简化可能会掩盖含水层系统的固有异质性，因为参数的影响会随着地球化学过程和人为因素的变化而变化。此外，静态指数公式经常在整个水文期间统一应用而无需重新校准，可能会掩盖由过程驱动的季节性地下水化学变化（Velasco等人，2024）。这种方法论的 rigidness 可能会降低对短暂污染信号的敏感性，特别是在早期补给事件期间与硝酸盐 mobilization 相关的信号，并可能导致对污染强度的偏差表示。因此，尽管GPI在操作上仍然实用，但其传统公式可能无法充分反映地下水污染的动态和过程依赖性。

多元统计方法，特别是因子分析（FA），已被广泛用于揭示控制地下水成分的水化学机制（Alshahrani等人，2025；Chakraborty等人，2022）。通过识别代表地质控制因素、人为输入和混合过程的潜在因素，FA为解释复杂数据集提供了坚实的框架。尽管最近的一些研究将FA或PCA衍生的加权策略纳入地下水或灌溉水质指数，但这些方法通常从整个数据集中得出单一的权重结构，因此假设参数的重要性在不同水文条件下保持不变（Gholami等人，2026；Shende等人，2025；Das等人，2024；Daniels等人，2026）。其他客观加权技术，如基于熵的权重分配和CRITIC方法，根据统计分散度或参数间对比来分配权重，但没有明确考虑控制地下水质量的潜在水化学过程的变化。这些假设可能适用于相对稳定的系统，但对于补给动态、蒸发浓缩和污染物 mobilization 在季节间变化显著的半干旱含水层可能不够适用。相比之下，所提出的CGPI使用因子分析得出的共性特征为每个水文气候阶段独立重新计算参数权重。由于共性特征表示了由保留的公共因素解释的方差比例，它提供了在特定季节背景下每个参数水化学相关性的统计基础（Liang等人，2020）。因此，所提出的权重策略通过将参数重要性直接与每个季节的主导水化学机制联系起来，提高了过程的可解释性，同时保持了方法学的透明性，并便于在其他含水层进行局部FA校准后的流程转移。尽管FA衍生共性特征在分析上具有相关性，但其在污染指数权重结构中的整合在文献中仍然相对有限。同时，与硝酸盐相关的人类健康风险评估通常与水化学过程分析独立进行，通常依赖于可能忽略季节性水化学变化的时间聚合暴露模型（Alizadeh等人，2024）。最近的研究越来越多地探讨了季节性水化学变化、地下水质量和人群暴露风险之间的关系（Das等人，2023；Wang等人，2024；Lin等人，2026）。然而，这些研究通常依赖于使用固定参数加权方案的传统地下水质量评估框架，并未明确将季节性水化学加权纳入健康风险评估。因此，结合FA衍生参数权重与季节性分辨的地下水污染评估和硝酸盐相关健康风险分析的综合框架仍然很少见。缺乏这种综合框架限制了能够同时反映季节性水化学控制和暴露相关风险的地下水评估工具的发展。

为了解决这些限制，本研究开发了一个基于三个水文阶段的统计改进且季节性明确的地下水评估框架：夏季浓缩期、降雨后的首次冲刷期和冬季稀释期。在这个框架中，假设：（H1）季节性水化学变化显著改变了污染参数的相对贡献，从而限制了等权重GPI公式的代表性；（H2）FA衍出的共性特征为构建基于共性的地下水污染指数（CGPI）提供了统计上合理的依据，具有改进的区分能力和季节敏感性；（H3）主导水化学驱动因素的季节性变化直接影响了与硝酸盐相关的非致癌人类健康风险模式，从而建立了地下地质过程与人类暴露之间的可测量联系。因此，本研究的目标是：（1）使用基于三个季节性代表性采样期（夏季、首次冲刷期和稀释期）收集的地下水样本，使用传统GPI框架评估地下水污染；（2）通过因子分析确定主导水化学驱动因素；（3）基于FA衍生的参数重要性开发基于共性的地下水污染指数（CGPI）；（4）在季节性差异的暴露情景下评估与硝酸盐相关的非致癌人类健康风险；（5）建立水化学过程与季节性健康风险模式之间的明确联系，以支持基于过程的地下水管理策略。通过在一个统一的分析框架中整合季节性水化学变化、统计改进和基于暴露的健康风险评估，本研究旨在将地下水质量评估从静态分类提升到动态的、以过程为导向的范式，以支持更可持续的含水层管理。

研究区域
上Moulouya盆地是摩洛哥东部的一个半干旱农业流域，地下水是该地区的主要灌溉水源和区域水资源安全的关键组成部分（Hilal等人，2024）。该地区的气候特征是年降水量低且变化大（约250–400毫米/年），主要集中在秋季和冬季，同时具有典型的半干旱内陆高原的炎热夏季和寒冷冬季（水化学和细菌学）。研究区域的地下水化学以碳酸盐衍生离子为主，并显示出与补给差异相关的明显季节性变化。在干旱季节，主要的阴离子顺序是HCO3- > Cl- > SO42- > NO3-，而阳离子组成则为Ca2+ > Mg2+ > Na+，表明典型的碳酸盐控制的水化学特征。平均电导率为1183 μS/cm，约75%的样本超过了世界卫生组织推荐的指导值（图3）。

地下水质量指数相关性
进行了皮尔逊相关性分析，以评估基于共性的地下水污染指数（CGPI）、传统地下水污染指数（GPI）、细菌学指标（大肠杆菌和总大肠菌群）以及与硝酸盐相关的人类健康风险指数（HI）在三个水文气候阶段之间的关联（图10）。除了评估两种污染指数之间的一致性外，这种分析还提供了对它们之间的独立评估。

局限性
虽然监测的井代表了研究区域内用于人类暴露的主要地下水来源，但研究结果应在监测网络的空间和时间范围内以及所研究的水文年内进行解释。相同的20口代表性井在三个预定义的水文气候阶段中被反复采样，为评估水质的阶段相关变化提供了统一的空间框架。然而，微生物学数据...

结论
(i) 因子分析提取了三个主导因素，分别解释了干旱季节78.1%的方差、首次冲刷期78.1%的方差和稀释期76.6%的方差，证实了水化学结构的稳定性和季节性响应性。
(ii) 基于共性的地下水污染指数（CGPI）与传统GPI相比，将过度估计的污染降低了25–35%，反映了其更高的统计稳健性。
(iii) 与硝酸盐相关的危害指数在15–25%的样本中超过了安全阈值（HQ > 1）。

作者贡献声明
Soufiane Oubdil：调查、数据管理
Saida Ait Boughrous：资源、调查
Omar Noman：写作 – 审稿与编辑、资金获取
Mashail N. Alzain：写作 – 审稿与编辑、资金获取
Hamid Nouayti：资源、调查、数据管理
Asmae Nouayti：写作 – 原稿、方法学、调查、数据管理
Souhail Channaoui：写作 – 审稿与编辑、监督、软件、形式分析
Abdellali Abdaoui：方法学、调查
未引用的参考文献：khezami等人，2024。

利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

数据可用性
支持本研究发现的数据可从相应作者处获得，只需合理请求。

资金
作者感谢Princess Nourah bint Abdulrahman大学的研究支持项目编号PNURSP2026R103。

致谢
作者感谢Princess Nourah bint Abdulrahman大学的研究支持项目编号PNURSP2026R103，沙特阿拉伯利雅得。