中国的地下水砷污染

GroundwaterArsenicContaminationThroughoutChina——论文翻译——摘自《Science》DOI:10.1126/science.1237484Science341,866(2013);LuisRodríguez-Ladoetal.年级：2011学号：2011332034姓名：XX专业：资源环境与城乡规划管理二零一四年五月中国的地下水砷污染摘要：中国首次意识到被砷污染的饮用水是一个健康威胁，是在20世纪60年代。然而，鉴于中国疆域辽阔，数百万水井仍有待筛查，以确定问题的严重程度。我们开发了一种风险统计模型，引用世界饮用水卫生组织规定的砷浓度标准（同时也是中国饮用水砷浓度的现行标准）——阈值为10ug/L，以地质成因的砷污染为依据，将中国分为安全区与非安全区。我们估计，有19600万中国人处在使用砷污染水的威胁中。我们的风险模型可识别中国大量受砷影响的地区以及突出对健康潜在的威胁程度，但是结果必须经过实地测量进行确认。中国所面临的工业与自然水源问题中，地下水质量问题均占极大比列。人们暴露于过高水平的砷—一种天然地下水污染，是从60年代开始被发现的。除贵州省主要为燃煤污染型病区外，其他风险区大都属于饮水型病区，分布在北方的干旱区，可能这些地区比起其他地区，更缺乏用于烹饪与饮用的清洁水源。除地热开采这一环境条件外，还有两个人们所熟知的环境条件与地下水系统中天然砷的富集有关：1，碱性需氧环境存在的干旱与半干旱地区的封闭盆地，这里的高PH值使得砷从氧化矿中被碱性解吸出来；2，在含水层的强还原条件下，砷的释放与含砷的铁（氢）氧化沉积物的还原溶解有关。在中国，已经进行了大量的研究，关于在还原条件下，地下水的砷富集，尤其在干旱区，冲积与湖泊含水层沉积物往往含有高碱和/或高盐。其他地区如台湾，缺氧的含水层也会释放砷。中国的一些在含氧含水层测量砷浓度的研究报告表明，含氧地下水的砷浓度通常低于10ug/L。2001至2005年间，中国卫生部实施了一项“中国全国水砷污染抽样筛选计划”，筛查了292个县（占全国12%）的20517个村庄，约445000口水井的砷污染情况。调查发现，超过5%的水井，砷浓度高于中国前国家标准——50ug/L，在已知与可疑的地方性砷中毒地区，大约有10000个人受到地方性砷中毒的影响。继续筛检水井后，可估计，有560万人在饮用含高浓度砷（50ug/L）的饮用水,大约有1470万人饮用砷浓度大于10ug/L的饮用水。由于中国幅员辽阔，要想彻查中国数以百万计的水井，确定被砷污染的水井的空间分布及严重程度，将花费几十年的时间。在这里，我们提出了一个预测模型，利用调查数据以及地质和水文地球化学参数作为代理指标的方法，通过影响地下含水层砷溶解度来识别因地质成因所致的砷污染安全区与非安全区。该模型经过一个独立的数据库以及一个临界概率值——0.46（见补充材料）的验证，将77%的样本都正确进行了高低风险的分类（精准度为77%），可信度较高（科恩指数为0.51）。该模型的敏感性（正确对砷浓度10ug/L的样本进行分类能力）与特殊性（正确对砷浓度≤10ug/L的样本进行分类能力）分别为83%与75%。这两种性能对砷安全区与非安全区均可进行良好地预测。该模型的不确定性在中国大部分地区都很低（图S5），但在人烟稀少的沙漠超过了0.5.之前在东南亚的研究已确定了相对较小的地质与水文地球化学参数，该参数可作为重要的空间预测因子，来表征高砷地区的分布。例如，全新世沉积物与砷污染密切相关，在中国砷污染地区的研究报告中，也可以看出这样的一致性（图1）。我们最初将16个环境代理指标作为识别地球成因的砷危害的潜在因素，展现在30弧秒（约为1km2）精度的数字栅格地图上。只有8个代理指标与高浓度砷出现的地域分布有密切联系，这8个代理指标与2668个对砷进行实地测量的样本（村庄）形成一个组合模型，运用二项Logistic回归分析，使得这个组合模型成为一个基础分类器（见补充材料）。该模型（图2A）预测，地下水被砷污染的地区面积，可能超过了580000km2并且该模型准确地指出，已检测到地方性砷中毒的地区，砷浓度已升高。面积辽阔的地区，如柴达木盆地（新疆），额济纳盆地（内蒙古），黑河流域（甘肃），柴达木盆地（青海），东北平原（内蒙古，吉林，辽宁）以及华北平原（河南和山东），被该模型识别为存在潜在受砷影响的地区，但这些结论必须经过实地测量进行确认。平均的模型系数与全新世沉积物，土壤盐分，细粒底土质地，地形湿度指数（TWI，见补充材料），高含砷量的河流密度，边坡负贡献，河流间距以及重力呈正相关。其中，全新世沉积物，土壤盐分，土壤质地与TWI是非常重要的，占据这些因素的绝大多数，在预测出现砷的地下水时，与其余变量相比，它们的相对重要性会更加显著，这与中国绝大多数高风险地区研究的条件相符，如新疆省（模型敏感度=85%），河套—呼和浩特盆地（模型敏感度=95%），这些地区的高砷往往与缺氧环境有关—由处在地势平坦和高盐度初期沉积物中的排水不良的含水层所造成的缺氧环境。该模型还对含氧含水层进行了预测，例如，民勤盆地，查哈尔滩绿洲，辽河盆地（图2B，3、4区域）。调查这些地区的含水层承受低砷浓度表明，我们模型正确预测的精准度为83%~98%。我们将概率图分为低风险（P≤0.46）区域与高风险（P0.46）区域，并与2000年的人口分布图交差引用，就产生了这样一个估计：在中国，有1985万人生活在高风险区，主要分布在新疆、内蒙古、河南、山东和江苏（图3）。可能高估了处在风险中的实际人口，因为在一些地方可能使用的是净化水与自来水，并非上述用于统计分析的水（未处理的地下水）。然而，大部分受砷影响的中国地区是干旱或半干旱区，饮用水的主要来源为地下水。我们的方法补充了昂贵费时的传统地下水质量调查方法。该模型只需要一小组地理空间参数数据，从而作出受影响地区的初步估计，减少了需要筛选的面积。该模型也可能适用于世界的其他地区，特别是干旱地区，如智利与阿根廷西北部，那里过高的砷浓度已被报道，或者如蒙古，哈萨克斯坦，吉尔吉斯斯坦这些地下水砷浓度尚未进行风险评估的国家。图1.中国已知与潜在的受砷影响的盆地（流域）位置。砷水平较高的盆地（流域）一般为全新世沉积物（图中绿色部分），全新世沉积物对大盆地（流域）可能有所影响。图2.中国的砷预测图图3.中国暴露于砷浓度10ug/L的潜在风险的人口估计图。计算基于模型的统计结果与人口的密度估计。以下为搜集到的相关地区材料：（非论文内容）准噶尔盆地，位于中国新疆的北部，是中国第二大的内陆盆地。盆地地下水的补给来源主要来自山口以下河床、渠道及田间渗漏，从农业用水供需关系看，基本无缺水之虞。天山，是亚洲中部地区的一条大山脉，东西横贯横跨中国、哈萨克斯坦、吉尔吉斯斯坦和乌兹别克斯坦等国。地处全球最大的干旱区——亚欧大陆的腹地，远离海洋。是天山高大的山体拦截了高空中来自大西洋和北冰洋的大量水汽，带来大量降水，使之成为干旱区中的水塔，众多内陆河流便发源于此，因此天山又有“旱海荒漠中的湿岛”之称。柴达木盆地，位于青海省西北部，盆地略呈三角形，为中国四大盆地之一，是一个被昆仑山、阿尔金山、祁连山等山脉环抱的封闭盆地。蕴含丰富的盐、石油、煤以及多种金属矿藏，有“聚宝盆”的美称。属高原大陆性气候，以干旱为主要特点。塔里木盆地，位于中国西北部的新疆，中国面积最大的内陆盆地。塔里木盆地降水量北部一般在50mm～70mm，南部一般在15mm～30mm，降水稀少，蒸发强烈，空气十分干燥，风沙危害始终威胁着盆地周边工农业生产和人民生活。黑河流域，黑河流域是我国西北地区第二大内陆流域，位于河西走廊中部。中游地表水地下水转换频繁，河流出山后，流入山前冲积扇，一部分被引入灌溉渠系和供水系统，消耗于农、林业的灌溉以及人畜饮用、工业用水，其余则沿河床下泄，并沿途渗入地下，补给了地下水。被引灌的河水，除作物吸收蒸腾、渠系和田间蒸发外，相当一部分下渗补给了地下水，地下水以远比地面平缓的水面坡度向前运动，在细土平原一带出露成为泉水，或者再向前回归河流，或者再被引灌，连同打井抽取的地下水，再进行一次地表、地下水转化。在中游非灌溉引水期的12月～翌年3月，由于前期灌溉水回归河道，正义峡断面的径流量较莺落峡断面大2.5～3.0亿立方米。水资源多次转换并被多次重复利用的同时，也增加了无效消耗的次数和数量。额济纳盆地地处内蒙古自治区最西端额济纳旗境内，是黑河流域最下游，南与甘肃鼎新盆地相邻，西以马鬃山剥蚀山地东麓为限，东接巴丹吉林沙漠，北抵中蒙边界。额济纳盆地南、西、北三面为低山环抱，东为巴丹吉林沙漠。盆地内地势低平，海拔高度为900~1127m，最低点为盆地北部的西居延海，最高点为南部的狼心山。盆地内第四纪地层发育较为齐全，组成盆地的主体地层，具有重要的水文地质意义。盆地深居内陆腹地，降水稀少、蒸发强烈，多年平均降水量为37mm，多年平均蒸发量为3653mm，是典型的大陆性干旱气候区。查哈尔滩，位于贺兰山西北平原，属中温带干旱区，具有典型的内陆型气候，无地表水资源，完全依赖地下水资源。年均降雨量100mm/a,且降雨量主要集中在夏末秋初，占全年平均降雨量的40%~45%。年蒸发量3005.2mm。河套，一般指贺兰山以东、吕梁山以西、阴山以南、长城以北之地。包括银川平原（宁夏平原）和鄂尔多斯高原、黄土高原的部分地区，今分属宁夏、内蒙古、陕西。黄河在这里先沿着贺兰山向北，再由于阴山阻挡向东，后沿着吕梁山向南，形成“几”字形，故称“河套”。河套平原海拔900～1200米，地势由西向东微倾，西北部第四纪沉积层厚达千米以上。山前为洪积平原，面积占平原总面积的1/4，余为黄河冲积平原。河套平原年日照时数3000～3200小时，西多东少，日照百分率67～73％。年总辐射量627千焦耳／平方厘米，年均温5.6～7.4℃，西高东低，1月均温－14～－11℃，7月22～24℃，10℃以上活动积温3000～3280℃，无霜期130～150天，农作物一年一熟,大部地区降水量150～400毫米，东多西少，在时间分配上雨热同季。呼和浩特，内蒙古自治区首府，位于内蒙古自治区中部，地下水分为浅层水含水层和深层水含水层。浅层水含水层包括浅层潜水及半承压水等。地下水埋藏深度、水质、水量均由北向南呈有规律的变化，全市浅层地下水年补给量为9.87亿立方米。太原市位于山西省境中央，太原盆地的北端，于华北地区黄河流域中部。太原由于其地形复杂多样，海拔高度差异较大，海洋性气候对境内的影响，形成了北温带大陆性气候。冬无严寒、夏无酷署、四季分明、日照充足，昼夜温差较大，夏秋降雨集中，冬春旱多风。年平均温度为9.5°C，一月平均-6.4°C，七月平均23°C。霜冻期为十月中旬至次年四月中旬，无霜期平均149—175天。年均降水量468.4毫米。大同市位于山西省最北端，地处温带大陆性季风气候区，受季风影响，四季鲜明。大同市的水资源总量为1.42亿平方米，人均水资源量仅为111立方米，为全国人均占有量的9%左右，水资源十分贫乏。运城位于山西省西南部，地处黄河北干流中游以东，华北平原的丘陵区，地形比较复杂，相对高差明显。多年平均降水量（1956～2005年）为525毫米，降雨年际变化大运城市属黄河流域，过境河流有黄河、汾河，境内流域面积100平方公里以上的河流有25条，汛期为每年6至9月。受地理环境和气候条件制约，区内河流具有山地型和夏雨型的双重特征。在河流形态、河道特征方面表现为：沟壑密度大，水系发育；河流坡陡流急，侵蚀切割严重。径流和泥沙的特点：洪水暴涨暴落，含沙量大，年径流集中于汛期，枯水期径流小而不稳。华北平原，典型的冲积平原，暖温带季风气候，年降水量为500～900毫米。东北平原位于大、小兴安岭和长白山地之间，南北长约1000多公里，东西宽约400公里，面积达35万平方公里，是中国最大的平原。年降水量350～700毫米，由东南向西北递减。降水量的85～90%集中于暖季(5～10月)，雨量的高峰在7、8