《Environmental Nanotechnology, Monitoring & Management》：Evaluating groundwater vulnerability to seawater intrusion in the coastal region of Bangladesh
帕拉马尔拉克希米（Paramalakshmi）|A.H.M. 塞利姆·雷扎（A.H.M. Selim Reza）|罗尼·罗伊（Roni Roy）|蒂尔托吉特·巴尔曼（Tirthojit Barman）|皮亚斯·昌德拉·萨克尔（Piyas Chandra Sarker）|阿布·沙米姆·汗（Abu Shamim Khan）
拉杰沙希大学地质与矿业系，拉杰沙希6205，孟加拉国
摘要
在孟加拉国西南部沿海地区，包括库尔纳县（Khulna District），海水入侵对地下水质量构成了严重威胁。本研究通过分析30个样本的水化学成分，评估了地下水的脆弱性，以检测盐度水平和潜在的入侵情况。结果显示，研究区域的某些部分出现了明显的盐碱化现象，电导率（EC）高达3016 μS/cm，总溶解固体（TDS）高达1930 mg/L，盐度高达0.57 ppt。大多数样本属于NaCl和NaHCO?混合型水，其中Na?是主要阳离子，Cl?和HCO??是主要阴离子。相关性分析表明，EC与Cl?（R2 = 0.975）以及Na?（R2 = 0.835）之间存在强烈关联，这些指标可以用来判断海水入侵的程度。根据世界卫生组织（WHO）的饮用水标准，钠浓度（65.20–2406.92 mg/L）表明17%的区域处于高度脆弱状态；氯化物浓度（10.30–987.99 mg/L）使得13%的区域属于中度脆弱，而碳酸氢盐浓度（245.30–668.85 mg/L）大多符合标准。大多数样本中的微量元素如砷（As，0.2–0.38 mg/L）、铁（Fe，0.00–3.39 mg/L）和锰（Mn，0.00–0.65 mg/L）超过了允许限值。由于旱季地表水流减少和海平面上升，盐度水平急剧上升。GALDIT模型（包括地下水位、含水层类型、水力传导性、距离海岸的距离、入侵影响以及含水层厚度）表明，当地下水位接近或低于海平面时，尤其是靠近潮汐河流的地区，脆弱性会增加。根据[Cl?]/[HCO?? + CO?2?]的比例，昌德卡利联合区（Chandkhali Union）的脆弱性最高，而杜穆里亚联合区（Dumuria Union）的脆弱性最低。脆弱性地图显示，南部地区——特别是帕伊克加查（Paikgachha）的拉斯卡尔（Laskar）、昌德卡利（Chandkhali）和加鲁伊卡利（Garuikhali）联合区——面临最大风险，而像库尔纳萨达尔（Khulna Sadar）和杜穆里亚乌帕齐拉（Dumuria Upazila）这样的东北部地区则显示出较低到中等的脆弱性。这些发现为管理孟加拉国沿海地区的淡水含水层和防止盐碱化提供了重要指导。
引言
在孟加拉湾平静的海浪下，一个隐秘的威胁正在悄然蔓延：海水正在慢慢渗入内陆，污染着数百万孟加拉国人赖以生存的淡水来源。这一日益严重的危机迫切需要科学调查和行动。海水入侵（Seawater Intrusion, SWI）是一种由密度差异驱动的水文地质过程，当沿海含水层中淡水和海水之间的自然水力平衡被打破时，密度较大的咸水会向陆地和/或向上迁移（Bear等人，1999年；Werner，2013年）。Ghyben-Herzberg原理根据淡水头和淡水与咸水之间的密度差异来估算淡水-咸水界面的深度（Bear等人，1999年）。临时性压力因素，如过度抽取地下水、上游河流流量减少、相对海平面上升以及补给量变化，都可能导致界面向内陆移动，从而降低地下水质量（Abdalla，2016年）。入侵的范围和速度取决于含水层的水力传导性、储水能力、补给率以及限制咸水垂直迁移的隔水层（Barlow和Reichard，2010年；Bouwer，1978年）。由于沿海含水层的自然冲洗能力较低，一旦盐碱化现象形成，可能会持续数十年。
在全球范围内，海水入侵对低洼地区和三角洲地区的地下水造成了严重污染威胁，因为这些地区通常依赖地下水作为主要淡水来源。气候变化的影响，包括海平面上升、降水模式改变以及风暴潮频率增加，预计会加剧海水入侵（Nicholls和Cazenave，2010年；IPCC，2021年）。人为因素，如城市扩张、灌溉强度增加以及沿海水产养殖（例如养虾业），进一步加速了盐碱化的进程（Mahmuduzzaman等人，2014年；Islam等人，2017年）。大约97%的孟加拉国人口依赖地下水作为饮用水（Shamsudduha等人，2011年）。在过去三十年中，沿海含水层的盐度显著上升，影响了大片沿海地区（Ahmed，2022年）。在库尔纳县，尤其是库尔纳萨达尔、杜穆里亚和帕伊克加查乌帕齐拉，由于法拉卡大坝（Farakka Barrage）对恒河上游的拦截、过度抽取地下水以及飓风潮的周期性侵袭，海水入侵现象更加严重（Khan，1993年；M?lg，2018年）。超级气旋“西德”（Sidr）和“艾拉”（Aila）导致大量浅层和深层管井受到污染，使得许多水源不再适合饮用（Islam等人，2017年）。
盐度不仅影响浅层（<100米）和中等深度的含水层，还影响用于灌溉和水产养殖的地表水（SRDI，2010年；Islam，2003年）。在西南部地区，土壤盐度对萨特基拉（Satkhira）、巴格赫拉特（Bagerhat）、库尔纳（Khulna）和巴尔古纳（Barguna）的影响尤为显著（SRDI，2010年）。季节性监测显示，四月至五月份由于补给量少和蒸发蒸腾作用强，盐度达到峰值；季风洪水部分稀释了地表水和浅层含水层的盐度（Rasel等人，2013年）。深层含水层（>200–300米）通常保持淡水状态，但在开发前进行特定地点的调查是必要的（Zahid等人，2009年）。包括生态敏感的孙德尔本斯红树林（Sundarbans Mangrove Forest）在内的沿海地区面临日益严重的盐度威胁（Islam和Gnauck，2009年）。每日两次的潮汐洪水会影响盐度梯度，其范围取决于距离主要河流的距离、当地地形和沉积物负荷（IWM，2003年）。盐度升高会降低作物产量，破坏土壤结构，并改变土壤化学性质（Haque，2006年）。渔业，尤其是养虾业，受到盐度波动的影响；公共卫生问题包括高血压、胃肠道疾病和生殖系统并发症（Rana，2014年）。海水入侵、淡水供应减少以及用水需求增加的综合作用导致许多地区出现严重的水资源安全问题。
多个组织，包括BWDB、IWM、BADC和DPHE，已经对沿海地区的盐度进行了研究，制作了盐度地图、水化学数据集和特定深度的剖面图（BWDB，2013年；Rasel等人，2013年）。然而，大多数研究仅在区级或分区内进行，这限制了其在特定地点管理的应用。GALDIT指数（Chachadi和Lobo Ferreira，2001年；Chachadi和Lobo-Ferreira，2001年）已在其他沿海地区成功应用（Sophiya和Syed，2013年；Islam等人，2017年），包括库尔纳县，用于评估地下水对海水入侵的脆弱性。需要结合含水层水力参数和标准化脆弱性指数的综合评估，以绘制海水入侵易感性的地图，从而实现有针对性的管理。全球范围内，有大量证据表明沿海含水层发生了海水入侵，尤其是在低洼和三角洲地区，这些地区的地下水抽取量较大。由于农业抽水和城市用水需求，地中海盆地（Italy、Spain、Greece）也记录了广泛的海水入侵现象（Barlow和Reichard，2010年；Werner，2013年）。来自印度、斯里兰卡、越南和泰国的研究表明，季风变化、灌溉抽取和水产养殖扩张大大加速了南亚和东南亚地区的盐碱化进程（Sophiya和Syed，2013年；Mondal等人，2015年）。类似的问题也出现在湄公河、尼罗河和印度河三角洲系统中，海平面上升和河流流量减少加剧了地下水盐碱化（Nicholls和Cazenave，2010年；IPCC，2021年）。为了促进沿海地区的可持续地下水管理，这些全球经验强调了结合水文地质特征和人为压力的空间明确脆弱性评估的必要性。最近的研究表明，通过结合水化学分析和基于GIS的指标，可以有效地评估沿海和城市化地区的地下水质量、盐度和管理问题（Subba Rao等人，2024年；Ravindra等人，2022年）。海水入侵、地下水抽取、蒸发蒸腾作用和地质过程都对沿海含水层的盐度有显著影响，这突显了进行特定深度和基于过程的研究的必要性（Subba Rao等人，2022年；Subba Rao，2018年；Gugulothu等人，2022年）。尽管对孟加拉国沿海地区的盐度进行了广泛研究，但仍存在一些不足之处。大多数研究集中在地表水或浅层含水层上，对特定深度的地下水脆弱性关注较少（SRDI，2010年；Rasel等人，2013年）。区域和区级的评估经常依赖于概括性的水文地质假设和不足的监测数据，这限制了其在井位选择和当地地下水开发中的应用（BWDB，2013年；Islam等人，2017年）。此外，许多脆弱性研究仅关注水化学指标，而没有充分考虑控制海水入侵动态的含水层水力特性。因此，低盐度含水层的识别以及入侵风险的精细空间变异仍然难以准确判断，尤其是在孟加拉国西南部的乌帕齐拉（upazila）层面。本研究采用标准化的GALDIT脆弱性评估方法，在乌帕齐拉层面进行评估，结合了基于GIS的空间分析、特定深度的地下水质量数据和现场获取的水文地质参数，填补了这些空白。与其他广泛的评估方法相比，本研究识别了对公共卫生、农业和饮用水供应重要的低盐度含水层区域，同时捕捉到了乌帕齐拉内部海水入侵风险的异质性。所提出的方法为在日益增长的人为和气候压力下进行特定地点的地下水管理提供了可转移的框架。
本研究旨在：i) 使用GALDIT指数量化库尔纳萨达尔（Khulna Sadar）、杜穆里亚（Dumuria）和帕伊克加查（Paikgachha）乌帕齐拉的海水入侵易感性；ii) 确定对人类健康有影响的高脆弱性区域；iii) 识别适合可持续饮用、生活和农业使用的低盐度含水层。通过整合水文地质现场数据、水质分析和标准化脆弱性指数，本研究为地下水资源管理者、政策制定者和公共卫生规划者提供了可操作的空间信息，有助于在气候变化和人为压力下保护淡水资源。
孟加拉国位于南亚东北部，与印度、缅甸和孟加拉湾接壤，国土面积约为147,570平方公里，人口约为1.65亿（BBS，2021年）。该国被恒河（Ganges）、布拉马普特拉河（Brahmaputra）、梅格纳河（Meghna）及其众多支流贯穿，约80%的国土面积覆盖着冲积沉积物（Badrul Imam，2013年）。长达710公里的海岸线与孟加拉湾相连，主要由全新世时期的冲积物和河口沉积物构成。
地下水样本的物理化学性质分析结果显示（表2）：pH值介于6.82至7.91之间（平均值：7.04），电导率（EC，μS/cm?1）介于234至3016之间（平均值：839.63），总溶解固体（TDS，mg/L?1）介于150至1930之间（平均值：537.30），盐度（ppt）介于0.17至0.57之间（平均值：0.34），深度（ft）介于750至1300之间（平均值：1017）。地下水样本中溶解阳离子的元素丰度显示（表2）...
库尔纳萨达尔（Khulna Sadar）、杜穆里亚（Dumuria）和帕伊克加查（Paikgachha）乌帕齐拉的地下水质量存在显著的区域差异，从淡水状态到咸水状态不等。总溶解固体和电导率的变化表明，北部地区的水质适合饮用，而南部沿海地区则出现了盐碱化现象。这导致了以NaHCO?和NaCl为主的水类型形成，这与海水逐渐入侵的过程一致。
BWDB（孟加拉国水资源开发委员会，Bangladesh Water Development Board）（2013年）。
帕拉马尔拉克希米（Paramalakshmi）： 写作 – 审稿与编辑；撰写初稿；监督；方法论；调查；数据分析；概念化。
罗尼·罗伊（Roni Roy）： 写作初稿；软件应用；方法论；数据分析；概念化。
蒂尔托吉特·巴尔曼（Tirthojit Barman）： 写作初稿；软件应用；方法论；数据分析；概念化。
皮亚斯·昌德拉·萨克尔（Piyas Chandra Sarker）： 调查；数据分析；概念化。
阿布·沙米姆·汗（Abu Shamim Khan）：
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
