砷是一种有毒元素，矿物中的砷会通过水文地球化学和生物地球化学作用进入到地下水中，导致一些地区出现原生的高砷地下水，其砷含量远远超过世界卫生组织指定的饮用水标准（10 μg/L）。高砷地下水直接影响着人类和野生动物的健康，长期饮用高砷地下水会导致人体出现皮肤色素异常、角质化、皮肤癌、内脏癌症等慢性砷中毒。据联合国儿童基金会调查报告，目前全球范围内70多个国家和地区都有高砷地下水分布，具有地源性特征，主要包括印度、孟加拉、柬埔寨、中国、越南、缅甸、美国等国家，其影响的人口达1.4亿，且呈现出升高的趋势。为了确定未知的砷污染地区，更清楚地明确这个全球问题的分布范围等，首先需要明确高砷地下水的分布，其次，人类大量开采地下水资源的行为如何影响高砷地下水向周边或邻近没有砷污染的含水层迁移，也非常值得探索。
已有研究表明，可以利用实测砷浓度数据库和相关地质参数（如气候、土壤、地质、地形相关参数），采用统计学习方法预测高砷地下水的分布。考虑到砷浓度的健康风险，模拟时考虑其超过世界卫生组织规定的标准的可能性。Podgorski和Berg两人基于收集到的来自于80多份地下水砷含量研究报告（砷含量数据大于200,000），将得到的砷含量数据平均分配到1 km2网格中，形成用于模拟的超过55,000个砷含量数据点，得到全球砷含量数据点分布图（图1）。在此基础上，综合考虑包括土壤参数（表土、底土、pH和fluvisols）、气候参数（降水量、实际和潜在蒸散发量及其综合、温度）和地形湿度指数相关的11个变量，建立了随机预测模型，得到迄今为止最准确、最详细的全球地下水砷含量分布图（图2）。该图明确了给定1 km2单元格地下水中砷含量超过10 μg/L的概率，模型的不确定性取决于概率本身。模型中11个预测变量中，土壤fluvisols和pH表现出更大的影响性，而温度的影响性最小。例如在巴基斯坦这种干旱、氧化环境下，土壤pH就是很重要的变量。因地质数据少，该模型并未考虑地质因素对高砷地下水分布的影响，但并不说明地质因素对其无影响。
图1 全球砷含量分布，不包括来源于已知的埋深超过100 m的砷含量数据（Podgorski and Berg, 2020）
图2 全球地下水As含量分布预测图（A-模拟的是全球地下水As含量超过10 μg/L的可能地区；B-F：人口较集中的影响区）（Podgorski and Berg, 2020）
根据图2，预测出的高砷地下水分布于全球，特别是中亚、南亚和东南亚、非洲部分地区以及美国北部和南部；已知的高砷地下水分布区也清楚显示在该预测图上，如美国西部、墨西哥中部、阿根廷、内蒙古、恒河-布拉马普特拉河三角洲和湄公河与红河三角洲等。基本无实测数据的砷含量风险区包括部分中亚、特别是哈萨克斯坦、蒙古、乌兹别克斯坦和北极及亚北极地区，其中中亚地区砷污染危害概率很高。基于已有的砷浓度数据得到敏感性-特异性比较概率阈值（0.75）和正预测值-负预测值（0.73），在此基础上得到风险地区可能受影响人口数量的全球分布图（图3），利用该图估算饮用砷含量超过10 μg/L地下水的人口数量。结果表明，全世界约有9400万-2.2亿人（85%-90%分布于南亚）的生活用水来源于受高砷地下水，该结果与已有最系统的文献调研数据一致。对于缺少家用地下水统计的6%~8%的、受砷污染影响的国家，采用联合国粮食与农业组织的AQUASTAT数据库中的数据，误差检验表明利用该数据得到的估算人口是可接受的。
相比已有的全球沉积盆地砷含量预测图，本文中的新模型在几方面都有实质性突破。首先，新模型对所有有人居住的地区都进行了预测，而以前的统计模型仅涵盖了其一般的区域；其次，10倍的砷含量数据点使模型更具代表性，过去10年产生的全球预测数据库使新模型可以考虑更多的新参数，如土壤类型，空间分辨率也提高了10-60倍。随着砷含量数据和各类参数数据库的不断增加，该模型可以不断完善。沉积盆地含水层中，砷含量通常与其埋深相关。由于潜在受影响人口的风险评价方法相对保守，可能低估了人口数量。
本文给出的全球砷概率图可指导未来地下水砷测试，例如在中亚、萨赫勒和非洲其他地区。对于无法用已有全球数据库模拟的小尺度非均质含水层，只有实际的地下水水质检测能够确定地下水砷含量是否满足要求。预测图给出的高风险区分布可为以后的调查提供依据。随着地下水逐渐被更多的人利用，特别是气候变化导致的干旱有关的水资源短缺问题出现，受砷影响的人口数量还会大幅增加。本研究对于提高公众砷危害认识、明确安全水井位置、获得政府的协调作用和财政支持、开展健康干预计划以及改变本地饮用水资源及地下水除砷等意义重大。
此外，人类活动，如大量开采地下水资源，也会促进高砷地下水的次生污染。例如在地源性地下水砷（As）污染十分普遍的南亚和东南亚，Ilka Wallis等利用数值模拟方法，综合考虑含水层地下水动力过程和生物地球化学过程，模拟了人为大量开采地下水情况下，越南红河东南10 km 处一个高砷含水层对周边As含量正常的含水层的影响（Wallis et al., 2020）。基于重建的人类活动诱发的地下水流场和生物地球化学动力过程的时空演化机制，确定了百年尺度上As的迁移速率及质量平衡。结果表明，河床-含水层交互面生物地球化学反应强烈，是As浓度增加的主要来源；持续的As释放主要取决于富含贫瘠有机物和活性铁氧化物的河泥的定期补充，大量抽水诱发的地下水流动可能有助于As运移至距离几公里远的相邻含水层中（见前沿报道《地下水-河水交换带——地下水砷的集散地》）。
图3 风险区人口数量估算。（A-F）：其中（A）-利用0.57的概率阈值得到的处于砷含量超过10 μg/L风险区的人口（Podgorski and Berg, 2020）
主要参考文献
Podgorski J, Berg M. Global threat of arsenic in groundwater[J]. Science, 2020, 368(6493): 845-850.（链接）
Wallis I, Prommer H, Berg M, et al. The river–groundwater interface as a hotspot for arsenic release[J]. Nature Geoscience, 2020, 13(4): 288-295.（链接）
（撰稿：李义曼/页岩气与工程室）
