第一章地下水取样基本理论
地下水是维持人类正常生产、生活的一类非常重要的水资源。在全球的淡水资源中，地下水占比达22.6%，而河流和湖泊等地表水体仅占地球淡水资源总量的0.6%。因此，合理开采、利用以及保护地下水资源，是维持人类社会正常发展的关键因素。然而，随着经济的发展和环境的破坏，越来越多的地区存在地下水受污染的情况。常见的地下水中的污染物包括重金属、有机物和微生物等。地下水水质调查是地下水修复和水质评估的前提。在进行区域地下水水质调查时，一个非常重要的环节就是地下水的取样。人们通常建立地下水监测井，然后通过不同的取样方式进行地下水样品的采集。采集的样品是否能够代表地下水的真实水质情况，是取样成功与否的关键。本章将重点介绍地下水样品采集的理论和这些理论的发展历史。
第一节地下水的背景知识
一、地下水的基本概念
地下水（groundwater），广义上是指赋存于地面以下土壤和岩石空隙中的水，狭义上是指地下水面以下饱和含水层中的水。在国家标准《水文地质术语》（GB/T 14157—93）中，地下水是指埋藏在地表以下各种形式的重力水。
根据水利部颁布的 2018年度《中国水资源公报》，2018年全国地下水资源量为 8246.5亿 m3，人均地下水资源量仅为 589 m3，水资源十分匮乏 [1]。同时，地下水是我国城镇居民生活、工业生产、农业生产的重要水源。据统计， 2018年，我国用水总量为 6015.5亿 m3，其中地下水供水量达到 976.4亿 m3，占用水总量的16.2%。因此，保护好地下水水源，对维持居民正常的生产和生活、经济的发展等具有重要的意义。
由于存在的环境不同，地下水的化学组分与地表水有很大的差异。地下水含有不同浓度的多种化学成分，地下水中的大部分可溶性成分来自土壤和沉积岩中的可溶性矿物质 [2]，很小一部分来源于大气和地表水体。对于大多数地下水，少数主要离子种类占地下水离子总数的 95%，包括带正电的钠离子（ Na+）、钾离子（K+）、钙离子（Ca2+）和镁离子（Mg2+），以及带负电的氯离子（Cl–）、硫酸盐（ SO24 -）、碳酸氢盐（ HCO3 -）和硝酸盐（ NO3 -）。
通过地下水的化学特征可以理解地下水的迁移转化过程。同位素作为水文地质学中的示踪剂已经被广泛使用，但是使用其他化学、水力、地球物理或地质方法进行验证也非常重要。由于大多数水文地质情况很复杂，因此使用多参数进行判断验证通常是有利的。在许多情况下，可以有效地利用水文地球化学知识获得参数信息，如补给量、排出量和混合速率等。例如，地下水的化学变化可用于追踪地下水的运动情况，产生诸如地下水在饱和带中的停留时间之类的信息，确定补给过程和补给水的来源。非饱和带是一种特殊情况，其中主要的离子组成，特别是氯离子浓度在补给研究中起着主要作用，并提供了定量估计，而使用其他方法很难估算或成本很高。[3]
二、评价地下水水质的指标
地下水水质的测量往往是复杂而烦琐的，但是可以通过一些简单的物理特征来判断地下水是否受到污染。表 1-1中罗列了几种便于观测与测量的物理指标。当这些指标中的一项或几项数据出现异常时，则可以简单判断出该处地下水水质遭受污染。需要注意的是，当发现以下物理指标没有出现异常时，并不代表该处地下水水质合格，还需进行进一步检测。
表 1-1 地下水的物理特征
三、地下水污染现状
绝大部分的地下水污染物来自地表排放，包括点源排放和非点源排放。具体到污染地下水的形式，又包括自然排放、废水池的腐败降解、有害物质的不合理处置、堆积的化学物质和石油产品的渗漏、垃圾填埋、地表滞水渗漏、污水管及其他管道的渗漏、农药和化肥的过度使用与渗漏、地下水注入井和地面排水管的污染物排放、不合理的地下水抽提井或监测井及采矿活动等。由于地下水流动相对较为缓慢，因此地下水污染具有局部性、区域性的特点。
我国的地下水污染情况不容乐观。2011年对我国 69个大中型城市地下水水质的调查结果显示，在我国 69个大中型城市中，其中 64个城市的地下水中至少检出 1种有机物，比例高达 92.75%，其中检出率较高的挥发性有机物（volatile organic compound，VOC）为氯仿、四氯乙烯、1，2-二氯乙烷、四氯化碳等[4]。该调查结果表明，我国的地下水受到了较为严重的有机污染，尤其是 VOC的污染。另外，环境保护部（现称生态环境部）颁布的《 2018中国生态环境状况公报》显示，2018年全国 10 168个国家*地下水水质监测点中，Ⅳ类水和Ⅴ类水占比分别为 70.7%和 15.5%，这表明地下水水质情况不容乐观 [5]。主要超标指标为锰、铁、浊度、总硬度、溶解性总固体、碘化物、氯化物、“三氮”（亚硝酸盐氮、硝酸盐氮和氨氮）和硫酸盐，个别监测点铅、锌、砷 *、汞、六价铬等重（类）金属超标。该结果表明，我国的地下水同样也面临着较为严重的重金属污染和无机盐污染。
第二节地下水的污染物种类
地下水通常看起来很干净，因为地面可以自然过滤颗粒物，防止空气中的颗粒物进入地下水中。然而，地下水中会出现天然和人造化学物质，这是因为当地下水流过地表时，铁和锰等金属会溶于水中，之后可能因在水中浓度较高而被发现。此外，工业生产、城市活动、农业灌溉、地下水抽取和废物处理等人为因素都会影响地下水质量。
地下水中常见的污染物及其来源如下[6]。
一、无机污染物
在我国，无机污染物是一类重要的地下水污染物，其又包括重金属、无机阴离子等。其中，重金属常常存在于钢铁、石化、有色冶炼、能源化工、电子拆解等产业产生的大量废水和废渣中。如果这些废水和废渣没有得到妥善处理，那么就会通过地表进入地下水。重金属对人体的危害是巨大的，表 1-2显示了部分重金属的来源以及潜在的健康危害和其他影响。
表1-2 地下水中的重金属污染物
地下水中的无机阴离子也会对地下水的水质产生影响。高浓度的无机离子会使地下水的盐度过高，对土壤产生腐蚀作用的同时不利于土壤微生物的正常生长。部分阴离子甚至具有较强的毒性，从而导致土壤中的微生物死亡。常见的地下水中的无机阴离子的来源以及潜在的健康危害和其他影响如表 1-3所示。
表1-3 地下水中的无机阴离子污染物
*指污染物超过该水平会使水质混浊或变色，或者味道不佳，尽管这些水实际上可能可以安全饮用
二、有机污染物
有机污染物也是一类重要的地下水污染物。在我国曾发生过多起由事故导致有机污染物超标的事件，如吉化爆炸事件、兰州石化地下水污染事件等。这些事件给当地居民生活造成了巨大的影响。此外，化工厂废物处理不当、储油罐泄漏等因素也可能造成严重的地下水污染，这些有机污染物部分具有挥发性，能够通过土壤危害人们的健康，其他的有机污染物也可能通过水井、被植物吸收等方式危害人们的健康。表1-4显示了部分有机污染物来源以及潜在的健康危害和其他影响，这对于判断地下水污染的危害具有重要意义。
三、微生物污染物
地下水还包含多种微生物，类似于表层土壤和水体中发现的微生物。这些微生物包括细菌、真菌和原生动物。有时，来自家庭、农业和其他人为活动的病原性病毒、细菌和胃肠道原生动物可通过土壤、沉积物和岩石渗透到地下水中 [7]。地下水微生物的测量是困难且昂贵的，但是为了能够快速、相对便宜地检测饮用水中的粪便污染，在许多研究中都使用粪便污染指示菌（ FIB）作为替代物 [7]。表 1-5中展示了常见的地下水中的微生物污染物来源以及潜在的健康危害和其他影响。
表1-4 地下水中的有机污染物
表1-5 地下水中的微生物污染物
第三节地下水取样目的及监测井结构
一、地下水取样的目的
地下水取样出于多种原因 [3]。从地下水取样中获得的信息，以及随后对水化学和同位素测试结果的分析与解释，可应用于以下几方面：①评估地下水的流动方式和特点；②确定重金属、有机物、微生物等污染物的浓度、来源和传输特点；③评估地下水水质、依赖地下水的生态系统及其相关的地下水资源用途；④评估土地利用变化、灌溉、地下水开采、附近工厂工作等人为因素对区域地下水数量和质量的影响。
二、地下水监测井的结构
图 1-1为监测井的基本结构，监测井主要包括套管部分、筛管部分、井盖和底盖等，地下水通过筛管中的筛孔进入井中。
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