利用长期水质数据，探讨集约化耕作的沿海地区降雨模式、水化学成分及地球化学过程之间的相互关系

《Physics and Chemistry of the Earth, Parts A/B/C》：Exploring the nexus of rainfall pattern, water chemistry and geochemical process in the intensively cultivated coastal region using long-term water quality data

　　

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  通过长期数据（N=159，2018-2022年）探索了径流（RF）模式、地下水位（GWQ）和地球化学过程之间的联系。
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  高浓度的HCO₃与径流模式相关。离子的平均浓度最低与高径流相关。
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  长期数据表明，水类型与降雨模式高度相关。
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  高电导率（EC）和NO₃的地下水与Ca-Mg-Cl和Na-Cl类型相关，并表明存在人为污染。
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  地下水质量（GWQ）受到盐源、人为输入、矿物风化和离子反应的影响。
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  HRA（F/NO₃/THI）值为：成人43%、儿童61%、婴儿77%，这些值表明地下水不具有致癌风险。

引言

在没有地表水资源的地区，地下水是重要的淡水来源。灌溉、家庭用水、工业用水和饮用水等多个领域严重依赖地下水，因为地下水更加可靠且易于获取。对于沿海地区的许多社会来说，淡水不仅是一种非常重要的资源，而且由于持续的盐碱化威胁以及人口不断增加导致淡水资源的紧张，地下水也容易受到污染（Benaafi等人，2025b；Kamaraj等人，2021；Kamaraj等人，2023；Ouarani等人，2021；Rajmohan，2022）。地下水不仅不适合多种用途，还容易受到自然和人为活动的污染（Alhadi等人，2025a；Benaafi等人，2025b）。

许多研究人员详细研究了不同地区沿海地下水盐碱化的影响（Abd-Elaty等人，2021；Dieng等人，2017；Kanagaraj等人，2018）。用于农业的盐碱化地下水导致农业产量下降和质量下降（de Louw等人，2010）。沿海地区地下水的水文地球化学特征揭示了过度开采地下水的问题，这导致地下水位下降，从而在许多沿海地区引发了严重的问题（Alshehri等人，2021；Benaafi等人，2025a；Ibrahim等人，2025）。快速城市化、无计划的工业化、过度农业活动和人口激增是沿海地区水资源需求增加的原因（Niva等人，2020）。

在含水层靠近海岸线的地区，地下水污染是一个主要问题。主要原因在于人类活动，如住宅建设、不当的灌溉方式以及商业和工业废物的处理方式。海水入侵对环境的影响也改变了该地区的水文动态（Alshehri等人，2021）。要确定地下水中化学元素的存在及其适用性，需要深入理解水文地球化学（Aloui等人，2025；Nagarajan等人，2010）。

此外，还有许多研究利用地下水水头的时间序列数据来解读和分类影响含水层系统的各种变化（Dieng等人，2017；Gaglioti等人，2019；He等人，2019；Sadeghi-Lari等人，2024；Thilagavathi等人，2017）。评估地下水的化学特性对于有效的和可持续的地下水管理至关重要。研究人员采用了多种科学和技术方法来研究和确定水文地球化学过程及地下水的特征（Ahmed等人，2017；Ahmed等人，2025），并结合地下水质量指数和地理空间技术进行评估（Alhadi等人，2025a；Rajmohan，2022；Rajmohan等人，2021a）。

也在多个地区研究了季风对地下水质量和水文地球化学的影响（Manikandan等人，2020；Senthilkumar和Rajmohan，2023）。地下水质量指数被广泛用于评估地下水的家庭和灌溉适用性（Adimalla和Qian，2019；Kamaraj等人，2021；Rajmohan等人，2021a）。许多研究人员应用健康风险（HRA）方法来评估污染物的暴露途径和摄入途径（Ahmed等人，2025；Alharbi和El-Sorogy，2024；Benaafi等人，2025b；Morovati等人，2024；Patil等人，2024）。综上所述，尽管有研究探讨了季风影响、水文地球化学、水质指数和健康风险，但没有一项研究将地质、降雨模式、地下水化学、水文地球化学过程、水质指数和人类健康风险评估结合起来进行综合分析。

在本研究中，尝试整合并揭示一个灌溉密集的沿海地区中物理特性（降雨、地质）、水文地球化学、地球化学过程、水质指数评估和健康风险模型之间的联系。具体目标包括：1）确定并建立降雨模式与水质之间的联系；2）识别不同类型地下水中的化学成分；3）利用地球化学建模、离子比率和多变量统计分析探索离子来源；4）通过水质指数和其他参数评估水的适用性；5）使用USEPA健康风险模型评估饮用水中硝酸盐和氟化物的健康影响。本研究采用了一种综合多学科的方法，结合了水化学分析、地球化学建模（PHREEQC）、多变量统计技术和人类健康风险评估，并利用长期地下水质量数据集进行了综合评估。此外，还进行了灌溉和饮用水适用性的综合评估以及健康风险评估。总体而言，这项研究为保护和管理这个降雨模式多变的灌溉密集地区的宝贵含水层提供了前沿知识。

部分摘要

研究区域

研究区域位于泰米尔纳德邦东部，涵盖Thanjavur、Tiruvarur和Nagapattinam三个县，面积约为7403平方公里（图1）。该地区在泰米尔纳德邦具有历史重要性，也被称为“南印度的稻米碗”（图2）。研究区域地形平坦。该地区属于亚湿热气候，年降雨量在950毫米至1300毫米之间。11月至2月气候凉爽宜人，而3月至5/6月则较为炎热。

长期降雨模式和分布

降雨数据来自2018年至2022年研究地点的40个气象站（补充图SF1）。40个站的年平均降雨量显示，2018年和2021年的降雨量分别为最低（903毫米）和最高（1679毫米）（补充图SF1）。此外，年平均降雨量呈现出如下顺序：2018年 > 2019年 > 2020年 > 2022年 > 2021年。图SF1显示年降雨量呈增长趋势。

结论

利用长期的水质和降雨数据，研究了印度南部一个灌溉密集的沿海地区降雨模式、水质和地球化学过程之间的联系。降雨数据（2018-2021年）显示，2021年和2018年的降雨量分别为最高（1679毫米）和最低（903毫米），并且从2018年到2022年降雨量呈上升趋势。此外，东北部和东部沿海地区的降雨量比西部地区更丰富。

数据和材料的可用性

本文中的所有数据均以图表形式提供。

CRediT作者贡献声明

Mohanavelu Senthilkumar：撰写——审查与编辑，撰写——初稿，可视化，验证，资源获取，方法论，调查，数据整理，概念化。Nassir Alamri：撰写——审查与编辑。Natarajan Rajmohan：撰写——审查与编辑，撰写——初稿，可视化，验证，软件使用，方法论，正式分析，数据整理，概念化。Peiyue Li：撰写——审查与编辑，概念化

未引用参考文献

Ayers和Westcot，1994；Yadav等人，2018。

利益冲突

作者声明没有利益冲突。

资助

本研究未获得公共、商业或非营利部门的任何特定资助。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

衷心感谢中央地下水委员会主席及成员以及金奈地区的主任在研究期间提供的支持和激励。

Mohanavelu Senthilkumar|Natarajan Rajmohan|Nassir Alamri|Peiyue Li