Science：全球高砷地下水分布及其危害

Science：全球高砷地下水分布及其危害

砷是一種有毒元素，礦物中的砷會通過水文地球化學和生物地球化學作用進入到地下水中，導致一些地區出現原生的高砷地下水，其砷含量遠遠超過世界衛生組織指定的飲用水標準（10 μg/L）。高砷地下水直接影響著人類和野生動物的健康，長期飲用高砷地下水會導致人體出現皮膚色素異常、角質化、皮膚癌、內臟癌症等慢性砷中毒。據聯合國兒童基金會調查報告，目前全球範圍內70多個國家和地區都有高砷地下水分布，具有地源性特徵，主要包括印度、孟加拉、柬埔寨、中國、越南、緬甸、美國等國家，其影響的人口達1.4億，且呈現出升高的趨勢。為了確定未知的砷汙染地區，更清楚地明確這個全球問題的分布範圍等，首先需要明確高砷地下水的分布，其次，人類大量開採地下水資源的行為如何影響高砷地下水向周邊或鄰近沒有砷汙染的含水層遷移，也非常值得探索。

已有研究表明，可以利用實測砷濃度資料庫和相關地質參數（如氣候、土壤、地質、地形相關參數），採用統計學習方法預測高砷地下水的分布。考慮到砷濃度的健康風險，模擬時考慮其超過世界衛生組織規定的標準的可能性。Podgorski和Berg兩人基於收集到的來自於80多份地下水砷含量研究報告（砷含量數據大於200,000），將得到的砷含量數據平均分配到1 km²網格中，形成用於模擬的超過55,000個砷含量數據點，得到全球砷含量數據點分布圖（圖1）。在此基礎上，綜合考慮包括土壤參數（表土、底土、pH和fluvisols）、氣候參數（降水量、實際和潛在蒸散發量及其綜合溫度）和地形溼度指數相關的11個變量，建立了隨機預測模型，得到迄今為止最準確、最詳細的全球地下水砷含量分布圖（圖2）。該圖明確了給定1 km2單元格地下水中砷含量超過10 μg/L的概率，模型的不確定性取決於概率本身。模型中11個預測變量中，土壤fluvisols和pH表現出更大的影響性，而溫度的影響性最小。例如在巴基斯坦這種乾旱、氧化環境下，土壤pH就是很重要的變量。因地質數據少，該模型並未考慮地質因素對高砷地下水分布的影響，但並不說明地質因素對其無影響。

圖1 全球砷含量分布，不包括來源於已知的埋深超過100 m的砷含量數據（Podgorski and Berg, 2020）

圖2 全球地下水As含量分布預測圖（A-模擬的是全球地下水As含量超過10μg/L的可能地區；B-F：人口較集中的影響區）（Podgorski and Berg, 2020）

根據圖2，預測出的高砷地下水分布於全球，特別是中亞、南亞和東南亞、非洲部分地區以及美國北部和南部；已知的高砷地下水分布區也清楚顯示在該預測圖上，如美國西部、墨西哥中部、阿根廷、內蒙古、恆河-布拉馬普特拉河三角洲、湄公河與紅河三角洲等。基本無實測數據的砷含量風險區包括部分中亞、特別是哈薩克斯坦、蒙古、烏茲別克斯坦和北極及亞北極地區，其中中亞地區砷汙染危害概率很高。基於已有的砷濃度數據得到敏感性-特異性比較概率閾值（0.75）和正預測值-負預測值（0.73），在此基礎上得到風險地區可能受影響人口數量的全球分布圖（圖3），利用該圖估算飲用砷含量超過10 μg/L地下水的人口數量。結果表明，全世界約有9400萬-2.2億人（85%-90%分布於南亞）的生活用水來源於高砷地下水，該結果與已有最系統的文獻調研數據一致。對於缺少家用地下水統計的6%~8%的、受砷汙染影響的國家，採用聯合國糧食與農業組織的AQUASTAT資料庫中的數據，誤差檢驗表明利用該數據得到的估算人口是可接受的。

相比已有的全球沉積盆地砷含量預測圖，本文中的新模型在幾方面都有實質性突破。首先，新模型對所有有人居住的地區都進行了預測，而以前的統計模型僅涵蓋了其一般的區域；其次，10倍的砷含量數據點使模型更具代表性，過去10年產生的全球預測資料庫使新模型可以考慮更多的新參數，如土壤類型，空間解析度也提高了10-60倍。隨著砷含量數據和各類參數資料庫的不斷增加，該模型可以不斷完善。沉積盆地含水層中，砷含量通常與其埋深相關。由於潛在受影響人口的風險評價方法相對保守，可能低估了人口數量。

本文給出的全球砷概率圖可指導未來地下水砷測試，例如在中亞、薩赫勒和非洲其他地區。對於無法用已有全球資料庫模擬的小尺度非均質含水層，只有實際的地下水水質檢測能夠確定地下水砷含量是否滿足要求。預測圖給出的高風險區分布可為以後的調查提供依據。隨著地下水逐漸被更多的人利用，特別是氣候變化導致的乾旱有關的水資源短缺問題出現，受砷影響的人口數量還會大幅增加。本研究對於提高公眾砷危害認識、明確安全水井位置、獲得政府的協調作用和財政支持、開展健康幹預計劃以及改變本地飲用水資源及地下水除砷等意義重大。

此外，人類活動，如大量開採地下水資源，也會促進高砷地下水的次生汙染。例如在地源性地下水砷（As）汙染十分普遍的南亞和東南亞，Ilka Wallis等利用數值模擬方法，綜合考慮含水層地下水動力過程和生物地球化學過程，模擬了人為大量開採地下水情況下，越南紅河東南10 km 處一個高砷含水層對周邊As含量正常的含水層的影響（Wallis et al., 2020）。基於重建的人類活動誘發的地下水流場和生物地球化學動力過程的時空演化機制，確定了百年尺度上As的遷移速率及質量平衡。結果表明，河床-含水層交互面生物地球化學反應強烈，是As濃度增加的主要來源；持續的As釋放主要取決於富含貧瘠有機物和活性鐵氧化物的河泥的定期補充，大量抽水誘發的地下水流動可能有助於As運移至距離幾公裡遠的相鄰含水層中。

圖3 風險區人口數量估算。（A-F）：其中（A）-利用0.57的概率閾值得到的處於砷含量超過10 μg/L風險區的人口（Podgorski and Berg, 2020）

主要參考文獻

Podgorski J, Berg M. Global threat ofarsenic in groundwater[J]. Science, 2020, 368(6493): 845-850.

Wallis I, Prommer H, Berg M, et al. The river–groundwaterinterface as a hotspot for arsenic release[J]. Nature Geoscience, 2020, 13(4):288-295.

（撰稿：李義曼/頁巖氣與工程室）

校對：張崧