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地下水汚染（地下水汚染とも呼ばれる）は、汚染物質が地面に放出され、地下水に流れ込むことで発生します。このタイプの水質汚染は、地下水中の微量で望ましくない成分、汚染物質、または不純物の存在により自然に発生することもあり、その場合は汚染ではなく汚染と呼ばれる可能性が高くなります。地下水汚染は、オンサイト衛生システム、埋立地浸出水、廃水処理場からの排水、下水道の漏水、ガソリンスタンド、水圧破砕（フラッキング）、または農業における肥料の過剰使用によって発生する可能性があります。汚染（または汚染）は、ヒ素やフッ化物などの自然発生する汚染物質によっても発生する可能性があります。[1]汚染された地下水を使用すると、中毒や病気（水系感染症） の蔓延により公衆衛生に危険をもたらします。
汚染物質は、帯水層内に汚染物質のプルームを生成することが多い。帯水層内での水の移動と拡散により、汚染物質は広範囲に拡散する。その前進境界はプルームエッジと呼ばれることが多いが、地下水井戸や湧水などの表層水と交差し、水源が人間や野生生物にとって安全でなくなる可能性がある。プルームフロントと呼ばれるプルームの動きは、水文学的輸送モデルまたは地下水モデルを通じて分析することができる。地下水汚染の分析では、土壌特性と敷地の地質、水文地質学、水文学、および汚染物質の性質に焦点を当てることがある。地下水中の拡散、吸着、沈殿、崩壊など、さまざまなメカニズムが汚染物質の輸送に影響を及ぼします。
地下水汚染と表層水の相互作用は、水文学的輸送モデルを用いて分析される。地下水と表層水の相互作用は複雑である。例えば、多くの河川や湖沼は地下水によって供給されている。つまり、例えば水圧破砕や過剰汲み上げなどによって地下水帯水層が損傷すると、それに依存する河川や湖沼に影響を及ぼす可能性がある。沿岸帯水層への塩水浸入は、そのような相互作用の一例である。 [2] [3]防止策としては、予防原則の適用、地下水質の監視、地下水保護のための土地区画割り、敷地内衛生システムの適切な配置、法律の適用などがある。汚染が発生した場合、管理方法には、使用場所での水処理、地下水修復、または最後の手段としての放棄が含まれる。
汚染物質の種類
地下水に含まれる汚染物質は、物理的、無機化学的、有機化学的、細菌学的、放射性パラメータなど、広範囲にわたります。基本的に、表面水の汚染に関与する汚染物質の多くは、汚染された地下水にも含まれる可能性がありますが、それぞれの重要性は異なる場合があります。
ヒ素とフッ化物
ヒ素とフッ化物は、世界保健機関（WHO）によって、世界中で飲料水中の最も深刻な無機汚染物質として認識されています。 [4] [5]
無機ヒ素は、土壌や水中の最も一般的なヒ素です。[6]半金属ヒ素は地下水中に自然に存在する可能性があり、中国、インド、バングラデシュなどのアジアで最も多く見られます。[7]インド北部とバングラデシュのガンジス平原では、自然に存在するヒ素による深刻な地下水汚染が、2つの地域帯水層のうち浅い方の井戸の25％に影響を与えています。これらの地域の地下水は、ヒ素ベースの農薬の使用によっても汚染されています。[8]
地下水中のヒ素は、ヒ素を浸出させる 採掘作業や鉱山廃棄物の投棄場所がある場所でも存在する可能性があります。
地下水深が深くなるにつれて、地下水中の天然フッ素に対する懸念が高まっており、「2億人以上が高濃度の水を飲用する危険にさらされている」 [9] 。特に、水の硬度が低い場合、酸性の火山岩や分散した火山灰からフッ素が放出される可能性がある。地下水中のフッ素濃度が高いことは、アルゼンチンのパンパ、チリ、メキシコ、インド、パキスタン、東アフリカ大地溝帯、およびいくつかの火山島（テネリフェ島）で深刻な問題となっている[10]。
飲料水として使用される地下水に天然の高濃度フッ素が含まれる地域では、歯と骨のフッ素症が蔓延し、重篤化する可能性があります。[11]
病原体
適切な衛生対策が講じられていないことや、井戸の設置場所が適切でないことが原因で、飲料水が糞便や尿に含まれる病原体で汚染される可能性がある。このような糞口感染性疾患には、腸チフス、コレラ、下痢などがある。[12] [13]糞便中に存在する4種類の病原体（細菌、ウイルス、原生動物、蠕虫または蠕虫の卵）のうち、最初の3つは汚染された地下水でよく見られるが、比較的大きな蠕虫の卵は通常、土壌マトリックスによって濾過される。[要出典]
深く閉じ込められた帯水層は、病原菌に関して最も安全な飲料水源であると一般的に考えられています。処理済みまたは未処理の廃水からの病原菌は、特定の、特に浅い帯水層を汚染する可能性があります。[14] [15]
硝酸塩
硝酸塩は、世界中の地下水や帯水層で最も一般的な化学汚染物質です。[16]一部の低所得国では、地下水中の硝酸塩濃度が非常に高く、重大な健康問題を引き起こしています。また、硝酸塩は酸素濃度が高い環境でも安定しています（分解しません）。[4]
地下水中の硝酸塩濃度の上昇は、現場での衛生管理、下水汚泥の処分、農業活動によって引き起こされる可能性があります。[17]そのため、その原因は都市部または農業にある可能性があります。[10]
地下水中の硝酸塩濃度が10 mg/L（10 ppm）を超えると、「青色児症候群」（後天性メトヘモグロビン血症）を引き起こす可能性がある。[18]欧州連合の 飲料水水質基準では、飲料水中の硝酸塩濃度は50 mg/L未満と規定されている。[19]
飲料水中の硝酸塩と青色児症候群の関連性については、他の研究でも議論されている。[20] [21]この症候群の発生は、飲料水中の硝酸塩濃度の上昇以外の要因による可能性もある。[22]
有機化合物
揮発性有機化合物(VOC) は地下水の危険な汚染物質です。これらは通常、不注意な産業活動によって環境に持ち込まれます。これらの化合物の多くは 1960 年代後半まで有害であるとは知られておらず、定期的な地下水検査で飲料水源にこれらの物質が含まれていることが判明するまでにはしばらく時間がかかりました。[引用が必要]
地下水中に含まれる主な VOC 汚染物質には、BTEX化合物 (ベンゼン、トルエン、エチルベンゼン、キシレン)などの芳香族炭化水素や、テトラクロロエチレン(PCE)、トリクロロエチレン(TCE)、塩化ビニル(VC) などの塩素系溶剤があります。BTEX はガソリンの重要な成分です。PCE と TCE は、それぞれドライクリーニング工程と金属脱脂剤として使用される工業用溶剤です。 [引用が必要]
地下水中に存在し、工業活動から発生するその他の有機汚染物質は、多環芳香族炭化水素(PAH) です。分子量の都合上、ナフタレンは地下水中で最も溶解性が高く移動性の高い PAH ですが、ベンゾ (a) ピレンは最も毒性の高い PAH です。PAH は一般に、有機物の不完全燃焼によって副産物として生成されます。[引用が必要]
地下水中には、殺虫剤や除草剤として有機汚染物質も含まれています。他の多くの合成有機化合物と同様に、ほとんどの農薬は非常に複雑な分子構造を持っています。この複雑さにより、地下水系における農薬の水溶性、吸着能力、移動性が決まります。そのため、農薬の種類によっては、他の農薬よりも移動性が高く、飲料水源に容易に到達することができます。[9]
金属
いくつかの微量金属は特定の岩石層に自然に存在し、風化などの自然現象によって環境中に侵入する可能性があります。しかし、鉱業、冶金、固形廃棄物処理、塗装およびエナメル加工などの産業活動は、鉛、カドミウム、クロムなどの有毒金属の濃度上昇につながる可能性があります。これらの汚染物質は地下水に流れ込む可能性があります。[17]
地下水中の金属（および半金属）の移動は、いくつかの要因、特に異なる相や種の間での汚染物質の分配を決定する化学反応によって影響を受けます。したがって、金属の移動性は主に地下水のpHと酸化還元状態に依存します。[9]
医薬品
処理された廃水から帯水層に浸透する微量の医薬品は、米国全土で研究されている新興地下水汚染物質の一つです。[23]抗生物質、抗炎症薬、抗うつ薬、充血除去薬、精神安定剤などの一般的な医薬品は、通常、処理された廃水に含まれています。[24]この廃水は処理施設から排出され、飲料水として使用される帯水層または表層水源に流れ込むことがよくあります。[要出典]
地下水と表層水の両方に含まれる微量の医薬品は、ほとんどの地域で危険または懸念されるレベルをはるかに下回っていますが、人口が増加し、より多くの再生廃水が市の水道供給に利用されるようになると、問題が拡大する可能性があります。[24] [25]
その他
その他の有機汚染物質には、一連の有機ハロゲン化物やその他の化合物、石油 炭化水素、個人衛生用品や化粧品に含まれるさまざまな化合物、医薬品およびその代謝産物による薬物汚染などがある。無機汚染物質には、アンモニアやリン酸などの栄養素や、一部の地層に自然に存在するウラン(U) やラドン(Rn)などの放射性核種が含まれる。塩水の浸入も自然汚染の一例だが、人間の活動によって悪化することが多い。[要出典]
地下水汚染は世界的な問題である。1991年から2004年にかけて行われた米国の主要な帯水層の地下水質に関する研究では、家庭用井戸の23%で人体の健康基準を超えるレベルの汚染物質が検出されている。[26]別の研究では、アフリカにおける主要な地下水汚染問題は、重要度順に、(1)硝酸塩汚染、(2)病原体、(3)有機汚染、(4)塩化、(5)酸性鉱山排水であると示唆されている。[27]
原因
地下水汚染の原因には以下のものがあります（詳細は下記を参照）。
- 天然起源（地質起源）
- 現場衛生システム
- 下水および下水汚泥
- 肥料と農薬
- 商業および産業の漏洩
- 水圧破砕
- 埋立地浸出水
- 他の
天然起源（地質起源）
「地質起源」とは、地質学的プロセスの結果として自然に発生するものを指します。[引用が必要]
自然なヒ素汚染は、帯水層堆積物に帯水層内で嫌気性状態を生み出す有機物が含まれるために発生する。これらの状態により、堆積物中の鉄酸化物が微生物によって溶解し、通常鉄酸化物と強く結合しているヒ素が水中に放出される。その結果、ヒ素を多く含む地下水は鉄を多く含むことが多いが、二次的プロセスにより溶解したヒ素と溶解した鉄の関係が不明瞭になることが多い。[要出典] 。ヒ素は、還元された亜ヒ酸と酸化されたヒ酸の形で地下水中に最も多く存在し、亜ヒ酸の急性毒性はヒ酸のそれよりもいくらか強い。[28] WHOの調査によると、バングラデシュで検査された25,000のボーリング孔のうち20%でヒ素濃度が50 μg/Lを超えていた。[4]
フッ素の発生は、蛍石（CaF 2）などのフッ素含有鉱物の存在量と溶解度に密接に関係しています。[28]地下水中のフッ素濃度がかなり高くなるのは、通常、帯水層中のカルシウムの不足が原因です。[4]地下水中のフッ素濃度が1.5 mg/Lを超えると、歯のフッ素症に関連する健康上の問題が発生する可能性があります。これは、1984年以来のWHOガイドライン値です。[4]
スイス連邦水科学技術研究所（EAWAG）は最近、インタラクティブな地下水評価プラットフォーム（GAP）を開発しました。このプラットフォームでは、地質、地形、その他の環境データを使用して、特定の地域の汚染の地質学的リスクを推定することができ、すべての地下水資源からサンプルを検査する必要はありません。このツールを使用すると、ユーザーはヒ素とフッ化物の両方の確率リスクマップを作成することもできます。[29]
地下水中の塩分、鉄、マンガン、ウラン、ラドン、クロムなどの高濃度のパラメータも地質起源である可能性がある。これらの汚染物質は局所的には重要だが、ヒ素やフッ化物ほど広範囲に及んでいない。[28]
現場衛生システム
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人口密度や水文地質学的条件によっては、ピット式トイレや浄化槽などの現場衛生システムから地中に浸透する液体によって、病原菌や硝酸塩による地下水汚染が発生することもあります。 [12]
病原体の運命と輸送を制御する要因は非常に複雑であり、それらの相互作用は十分に理解されていません。[4]地元の水文地質学的条件（数平方キロメートルの範囲内で変化する可能性があります）を無視すると、ピット式トイレなどの単純な現場衛生インフラが、汚染された地下水を介して重大な公衆衛生リスクを引き起こす可能性があります。 [要出典]
液体はピットから浸出し、不飽和土壌ゾーン（完全に水で満たされていない）を通過します。その後、ピットからのこれらの液体は地下水に入り、地下水汚染につながる可能性があります。これは、近くの井戸が飲料水用に地下水を供給するために使用されている場合に問題になります。土壌を通過する間に、病原体は死滅するか、大幅に吸着される可能性がありますが、これは主にピットと井戸の間の移動時間に依存します。[30]ほとんどの病原体は、地下を通過してから50日以内に死滅しますが、すべてではありません。[31]
病原菌の除去の程度は、土壌の種類、帯水層の種類、距離、その他の環境要因によって大きく異なります。[32]たとえば、長期間の大雨により不飽和帯が「洗い流され」、病原菌が素早く通過する水力経路が提供されます。[4]ピット式トイレまたは浄化槽と水源の間の安全な距離を推定することは困難です。いずれにせよ、安全な距離に関するこのような推奨事項は、ピット式トイレを建設する人々によってほとんど無視されています。さらに、家庭の敷地は限られたサイズであるため、ピット式トイレは安全と見なされるよりもはるかに近い場所に地下水井戸に建設されることがよくあります。その結果、地下水が汚染され、この地下水を飲料水源として使用すると家族が病気になります。[要出典]
下水および下水汚泥
地下水汚染は、未処理の廃棄物の排出によって引き起こされ、皮膚病変、血便、皮膚炎などの病気を引き起こす可能性があります。これは、廃水処理インフラが限られている場所や、現場の下水処理システムが体系的に機能していない場所でより一般的です。[32]病原体や栄養素に加えて、未処理の下水には地下水系に浸透する可能性のある重金属も大量に含まれています。[要出典]
下水処理場からの処理済み排水は、地元の表層水域に浸透または排出された場合、帯水層に到達する可能性もあります。そのため、従来の下水処理場では除去されない物質も地下水に到達する可能性があります。[33]たとえば、ドイツのいくつかの場所では、地下水中の医薬品残留物の濃度が50 mg/L程度でした。[34]これは、従来の下水処理場では、ホルモン、医薬品残留物、尿や便に含まれるその他の微量汚染物質などの微量汚染物質が部分的にしか除去されず、残りが表層水に排出され、そこから地下水に到達する可能性があるためです。
地下水汚染は下水道の漏水によっても発生する可能性があり、これは例えばドイツで観察されている。[35]これにより、飲料水供給の潜在的な交差汚染も発生する可能性がある。[36]
農業における廃水や下水汚泥の散布も、地下水の糞便汚染の原因となる可能性がある。[4]
肥料と農薬
硝酸塩は、堆肥散布を含む肥料の過剰使用によっても地下水に入り込む可能性がある。これは、窒素系肥料のうち、農作物やその他の植物質に変換されるのはごく一部に過ぎないためである。残りは土壌に蓄積するか、流出して失われる。[37]窒素含有肥料の高施用量と硝酸塩の高い水溶性が組み合わさると、表層水への流出が増加し、地下水への浸出も増加し、地下水汚染を引き起こす。 [38]窒素含有肥料（合成肥料であれ天然肥料であれ）の過剰使用は特に有害であり、植物に吸収されない窒素の多くは容易に浸出する硝酸塩に変換される。[39]
肥料に含まれる栄養素、特に硝酸塩は、土壌から水路に流れ出たり、土壌を通して地下水に浸透したりすると、自然の生息地や人間の健康に問題を引き起こす可能性があります。耕作システムにおける窒素肥料の多用は、世界中の地下水中の人為的窒素の最大の原因です。[40]
飼育場や動物の囲い場も、窒素や金属が地下水に浸出する原因となる可能性がある。[36]動物の糞尿を過剰に施用すると、獣医薬由来の医薬品残留物による地下水汚染を引き起こす可能性もある。 [要出典]
米国環境保護庁（EPA）と欧州委員会は、適切な管理と統治を必要とする主要な水供給問題として、農業開発に関連する硝酸塩問題に真剣に取り組んでいる。[10] [41]
農薬の流出は地下水に浸透し、汚染された井戸から人間の健康問題を引き起こす可能性がある。[4]地下水中の農薬濃度は通常低く、規制による人間の健康に基づく制限値も非常に低いことが多い。[4]有機リン系殺虫剤モノクロトホス（MCP）は、飲料水源に到達できる数少ない有害で持続性があり、溶解性があり移動性がある（土壌中のミネラルと結合しない）農薬の1つであると思われる。[42]一般に、地下水の水質監視プログラムが広範囲に及ぶにつれて、より多くの農薬化合物が検出されているが、開発途上国では分析コストが高いため、監視ははるかに少なくなっている。[4]
商業および産業の漏洩
商業・工業活動の地下にある帯水層では、多種多様な無機・有機汚染物質が発見されている。[要出典]
鉱石採掘と金属加工施設は、ヒ素を含む人為起源の金属が地下水中に存在する主な原因です。酸性鉱山排水 (AMD)に関連する低 pH は、最終的に地下水系に侵入する可能性のある潜在的な有毒金属の溶解性を高めます。[引用が必要]
ガソリンスタンドの石油地下貯蔵タンク（UST）から漏れたガソリンによる地下水汚染に対する懸念が高まっています。[4] BTEX化合物はガソリンの最も一般的な添加物です。ベンゼンを含むBTEX化合物は、水よりも密度が低い（1 g/mL）。海上の石油流出と同様に、軽質非水相液体（LNAPL）と呼ばれる非混和性相は、帯水層の地下水面に「浮かぶ」ことになります。[4]
塩素系溶剤は、脱脂除去剤が必要とされるほぼすべての産業現場で使用されています。[4] PCEは、洗浄効果が高く、比較的低コストであるため、ドライクリーニング業界で広く利用されている溶剤です。また、金属の脱脂作業にも使用されています。揮発性が高いため、表層水よりも地下水中でより頻繁に見られます。[43] [信頼できない情報源? ] TCEは歴史的に金属洗浄に使用されてきました。米国の軍事施設であるアニストン陸軍補給基地（ANAD）は、地下水が2,700万ポンドものTCEで汚染されたため、 EPAスーパーファンド 国家優先リスト（NPL）に掲載されました。 [44] PCEとTCEはどちらも、最も有毒な塩素化炭化水素である塩化ビニル（VC）に分解する可能性があります。 [4]
多くの種類の溶剤も不法に廃棄され、時間の経過とともに地下水系に漏れ出した可能性がある。[4]
PCEやTCEなどの塩素化溶剤は水よりも密度が高く、非混和性相は高密度非水相液体（DNAPL）と呼ばれます。[4]帯水層に到達すると、「沈み」、最終的には浸透性の低い層の上に蓄積します。[4] [45]歴史的に、木材処理施設はペンタクロロフェノール（PCP）やクレオソートなどの殺虫剤を環境に放出し、地下水資源に影響を与えてきました。[46] PCPは溶解性が高く毒性のある旧式の殺虫剤で、最近ストックホルム残留性有機汚染物質条約に掲載されました。PAHやその他の半VOCは、クレオソートに関連する一般的な汚染物質です。
LNAPLとDNAPLは混和性がないにもかかわらず、水（混和性）相にゆっくりと溶解してプルームを形成し、長期的な汚染源となる可能性があります。DNAPL（塩素系溶剤、重質PAH、クレオソート、PCB）は地下水系の非常に深いところに存在する可能性があるため、管理が難しい傾向があります。[4]
水圧破砕
米国における水圧破砕（フラッキング）井戸の最近の増加は、地下水資源を汚染する潜在的なリスクに関する懸念を引き起こしている。 [47] EPAは、他の多くの研究者とともに、水圧破砕と飲料水資源の関係を研究するよう委託されている。[48]厳格な管理と品質管理措置が実施されていれば、地下水資源に重大な影響を与えることなく水圧破砕を行うことは可能であるが、不適切な取り扱いや技術的な欠陥による地下水汚染が観察されたケースが数多くある。[要出典]
EPAは水圧破砕による飲料水への広範囲かつ体系的な影響の重大な証拠を発見していないが、これは、飲料水の水質に関する水圧破砕前後の体系的なデータが不十分であること、およびタイトオイルとシェールガスの採掘とその影響との関連を排除する他の汚染物質の存在によるものである可能性がある。[49]
EPA が広範囲にわたる証拠を欠いているにもかかわらず、他の研究者は、マーセラス[50] [51] (カナダ、ブリティッシュ コロンビア州) にある主要なシェール オイル/ガス採掘現場のすぐ近くで、地下水汚染が上昇しているという重要な観察を行っています。これらの特定の現場から 1 キロメートル以内の浅い飲料水の一部では、メタン、エタン、プロパンの濃度が通常よりも一貫して高くなっています。炭化水素レベルの上昇とともにヘリウムやその他の希ガスの濃度が上昇していることを評価すると、水圧破砕による漏出ガスと自然に発生する「バックグラウンド」炭化水素含有量を区別できます。この汚染は、ガス井戸ケーシングの漏れ、故障、または不適切な設置が原因であると考えられます。[52]
さらに、深層残留高塩分水と水圧破砕液の毛細管現象によって汚染が引き起こされる可能性もあるという理論もある。毛細管現象は断層や亀裂をゆっくりと流れ、最終的に地下水資源と接触する。[52]しかし、多くの研究者は、頁岩層の上にある岩石の浸透性は低すぎるため、このようなことが十分に起こることはないと主張している。[53]この理論を最終的に証明するには、有毒なトリハロメタン（THM）の痕跡がなければならない。なぜなら、トリハロメタン（THM）は浮遊ガス汚染と関連していることが多く、高塩分水中の高ハロゲン濃度と共存するのが典型的だからである。[53]さらに、高塩分水は深層地下水系によく見られる自然現象である。[要出典]
水圧破砕流体の流れによる地下水汚染に関する結論は空間的にも時間的にも制限されているが、研究者らは、系統的な漂遊ガス汚染の可能性は、主にシェールオイル/ガス井構造の完全性と、潜在的にガスの漏洩経路となる可能性のある地元の亀裂システムに対する相対的な地質学的位置に依存すると仮説を立てている。[52] [53]
水圧破砕による広範囲で体系的な汚染については激しい論争が続いているが、最も問題であると研究者の間で最も合意されている汚染源の 1 つは、水圧破砕液と生成水の特定の場所での偶発的な流出である。これまでのところ、地下水汚染の大部分は、下にあるシェール層からの地下水の流れではなく、地表レベルの人為的経路に起因している。[54]被害は明白であり、これらの事故が頻繁に発生しないようにするための努力がはるかに多く行われている一方で、水圧破砕による石油流出に関するデータが不足しているため、研究者は依然として暗闇の中にいる。これらの事象の多くでは、漏出または流出から得られたデータは非常に曖昧であることが多く、そのため研究者は結論を欠くことになる。[55]
連邦地球科学天然資源研究所（BGR）の研究者らは、北ドイツ盆地の深部シェールガス層に関するモデル研究を行った。彼らは、フラッキング流体が地質学的地下を通って地表に上昇しても浅層地下水に影響を及ぼす可能性は低いと結論付けた。[56]
埋立地浸出水
衛生埋立地からの浸出液は地下水汚染につながる可能性がある。化学物質は降雨や流出を通じて地下水に浸透する可能性がある。新しい埋立地は、周囲の地下水を保護するために浸出液とともに粘土または他の合成材料で覆うことが義務付けられている。しかし、古い埋立地にはこれらの対策が取られておらず、多くの場合、地表水の近くや透水性土壌にある。閉鎖された埋立地は、汚染物質の漏出を防ぐために閉鎖前に不浸透性材料で覆われていない場合、依然として地下水に脅威を与える可能性がある。[57]
ラブ・キャナルは、地下水汚染の最もよく知られた例の 1 つです。1978 年、ニューヨーク州北部のラブ・キャナル地区の住民は、がんの発生率の高さと、驚くほど多くの先天異常に気づきました。これは、地区が周囲に建てられた産業廃棄物埋立地からの有機溶剤とダイオキシンが原因であることが判明しました。これが水道に浸透し、地下室で蒸発して空気をさらに汚染しました。800 世帯が、法廷闘争とメディア報道の末、住宅の代金を返金され、移転しました。[要出典]
過剰ポンピング
ベトナムのメコンデルタの衛星データから、地下水の過剰汲み上げは地盤沈下を招き、その結果ヒ素や他の重金属が放出される可能性があることが明らかになった。[58]ヒ素は粘土層に多く含まれるが、これは砂粒に比べて表面積と体積の比率が高いためである。汲み上げられた地下水のほとんどは、ヒ素濃度の低い砂や砂利を通って流れる。しかし、過剰汲み上げ時には、高い垂直勾配によって透水性の低い粘土から水が引き出され、ヒ素が水中に放出される。[59]
他の
地下水は水循環の一部であるため、地下水汚染は商業・工業活動からの化学物質流出、輸送中に発生する化学物質流出（ディーゼル燃料の流出など）、不法廃棄物投棄、都市流出水や採掘活動からの浸入、道路塩、空港からの除氷剤、さらには大気汚染物質によって引き起こされる可能性があります。[60]
除草剤の使用は、ヒ素の浸透を通じて地下水汚染に寄与する可能性があります。除草剤は、汚染物質の移動と輸送を通じてヒ素の脱着に寄与します。塩素系除草剤は、リン酸系除草剤よりもヒ素の脱着への影響が低いことが示されています。これは、特定の土壌に存在するヒ素のさまざまな濃度に適した除草剤を選択することで、ヒ素汚染を防ぐのに役立ちます。[61]
死体の埋葬とその後の劣化によって地下水が汚染される危険性もある。[62]
メカニズム
地下水は汚染に対する信頼性の高い自然の障壁となるが、それは好ましい条件下でのみ機能する。[12]
地域の地層は汚染物質の移動に重要な役割を果たしている。地域には砂質土、断層岩盤、粘土、硬盤の層がある。石灰岩の岩盤上のカルスト地形の地域は、地下水による表面汚染の影響を受けやすい場合がある。地震断層も汚染物質の流入経路となる可能性がある。地下水位は飲料水供給、農業用灌漑、廃棄物処理（核廃棄物を含む）、野生生物の生息地、その他の生態学的問題にとって非常に重要である。[63]
多くの化学物質は、特に地下水貯留層で長期間にわたって反応性崩壊または化学変化を起こします。そのような化学物質の注目すべきクラスは、トリクロロエチレン（工業用金属脱脂および電子機器製造に使用）やドライクリーニング業界で使用されるテトラクロロエチレンなどの塩素化炭化水素です。これらの化学物質は両方とも発がん性物質であると考えられており、部分的な分解反応を起こし、新しい有害化学物質（ジクロロエチレンや塩化ビニルを含む）につながります。[64]
地表水との相互作用
地表水と地下水は相互に関連しているものの、別々の資源として研究され、管理されてきた。[65]地下水と地表水の相互作用は複雑である。地表水は土壌に浸透して地下水になる。逆に、地下水は地表水源に水を供給することもできる。例えば、多くの河川や湖は地下水によって供給されている。つまり、例えば水圧破砕や過剰汲み上げなどによって地下水帯水層が損傷すると、それに依存する河川や湖にも影響を及ぼす可能性がある。沿岸帯水層への塩水侵入は、そのような相互作用の一例である。[2] [3]
化学物質や放射性核種の汚染物質が土壌（地表水域から離れた場所）に流出したり、継続的に放出されたりしても、点源汚染や非点源汚染は発生しないかもしれませんが、地下の帯水層を汚染し、有毒な煙を発生させる可能性があります。この煙の動きは、水文輸送モデルまたは地下水モデルを通じて分析できます。[要出典]
防止
予防原則
環境と開発に関するリオ宣言の原則15から派生した予防原則は、地下水資源を汚染から保護する上で重要である。予防原則は、「取り返しのつかない損害の恐れがある場合、完全な科学的確実性の欠如は、環境悪化を防ぐための費用対効果の高い対策を延期する理由として使用されるべきではない」と規定している。[66]
欧州連合（EU）の水政策の6つの基本原則のうちの1つは予防原則の適用である。[67]
地下水の水質監視
地下水の水質モニタリングプログラムは、世界中の多くの国で定期的に実施されています。これは、水文地質システムを理解し、概念モデルや帯水層脆弱性マップを開発するための重要な要素です。[68]
地下水の水質は、傾向を把握するために帯水層全体で定期的に監視されなければならない。効果的な地下水監視は、懸念される特定の汚染物質など、特定の目的に基づいて行われるべきである。[9]汚染物質のレベルは、世界保健機関（WHO）の飲料水水質ガイドラインと比較することができる。 [69]医学的経験が増えるにつれて、汚染物質の制限が引き下げられることは珍しくない。[10]
長期にわたって監視を継続するには十分な投資が必要です。問題が見つかった場合は、それを修正するための措置を講じる必要があります。[9]米国では、1990年代初頭に厳格な監視（および治療）要件が導入されて以来、水系感染症の発生は減少しました。[4]
地域社会は地下水の水質監視にも協力できる。[68]
科学者たちは、地下水中の地質学的毒性物質の危険地図を作成する方法を開発しました。[70] [71] [72]これにより、どの井戸を検査すべきかを決定する効率的な方法が提供されます。[引用が必要]
地下水保護のための土地区画
土地利用ゾーニングマップの開発は、世界中のさまざまな規模の水道当局によって実施されています。ゾーニングマップには、帯水層脆弱性マップと水源保護マップの2種類があります。[9]
帯水層脆弱性マップ
これは、地下水系が汚染に対して本質的に（または自然に）脆弱であることを意味します。[9]本質的に、一部の帯水層は他の帯水層よりも汚染に対して脆弱です。[68]浅い非圧帯水層は、汚染物質を濾過する層が少ないため、汚染のリスクが高くなります。[9]
不飽和帯は病原体の進行を遅らせる（場合によっては排除する）上で重要な役割を果たすため、帯水層の脆弱性を評価する際には考慮する必要がある。[4]生物活動は土壌表層で最も大きく、病原体の減衰が最も効果的である。[4]
脆弱性マップの作成には、通常、帯水層の脆弱性を表すために選択された物理的要因の主題マップをいくつか重ね合わせることが含まれる。[68]フォスターと平田 (1988) が開発したインデックスベースのパラメトリックマッピング法 GOD では、一般に入手可能または容易に推定できる 3 つのパラメータ、地下水の水力学的閉じ込めの程度、上部地層の地質学的性質、地下水深が使用される。[ 68] [73] [74] EPA が開発したさらに別のアプローチである「DRASTIC」という評価システムでは、脆弱性のインデックスを作成するために 7 つの水文地質学的要因、すなわち地下水面深、純涵養量、帯水層媒体、石油媒体、地形(傾斜)、不飽和帯への影響、および水力伝導率が使用される。[68] [75]
水文地質学者の間では、帯水層の脆弱性はすべての汚染物質に対して一般的な（本質的な）方法で確立されるべきか、それとも汚染物質ごとに特定的に確立されるべきかについて特に議論がある。[68]
情報源保護マップ
これは、井戸や泉などの個々の地下水源を汚染から特に保護するために、その周囲に捕捉領域を設けることを指します。したがって、病原体などの分解性汚染物質の潜在的な発生源は、流路に沿った移動時間が十分に長く、ろ過または吸着によって汚染物質が除去される距離に位置することができます。[9]
地下水の流れと汚染物質の移動を定義する方程式を使用する解析方法が最も広く使用されています。[76] WHPAは、米国EPAが坑口保護区域内の捕捉ゾーンを定義するために開発した半解析的な地下水の流れシミュレーションプログラムです。[77]
最も単純なゾーニングは、固定距離方式を採用しており、抽象化ポイントの周囲に均一に適用された指定された距離内での活動が排除される。[76]
現場の衛生システムの設置
ほとんどの有毒化学物質の健康影響は長期にわたる暴露によって生じるため、化学物質による健康リスクは病原体によるリスクよりも一般的に低い。[4]したがって、水源保護対策の質は、最終的な飲料水中に病原体が存在するかどうかを制御する上で重要な要素である。[76]
オンサイト衛生システムは、これらの衛生システムによる地下水汚染が発生しないように設計することができます。[12] [31]オンサイト衛生システムによる汚染から地下水源を保護するための安全な距離を推定するための詳細なガイドラインが策定されています。[78] [79]オンサイト衛生システムの安全な設置場所（場所の決定）については、次の基準が提案されています。[12]
- 飲料水源と衛生システム間の水平距離
- 飲料水井戸と衛生システム間の垂直距離
- 帯水層の種類
- 地下水の流れの方向
- 不浸透層
- 斜面と表面の排水
- 漏洩汚水量
- 重ね合わせ、つまり、より広い計画領域を考慮する必要性
ごく一般的なガイドラインとして、ピットの底は地下水面より少なくとも 2 メートル高い位置にする必要があり、微生物汚染への曝露を制限するために、ピットと水源の間の水平距離は最低 30 メートルにすることが推奨されています。[1]しかし、ピット式トイレによる井戸の汚染を防ぐために必要な最小限の横方向の分離距離については、一般的な説明はすべきではありません。[12]たとえば、下流に供給井戸または泉がある強くカルスト化されたシステムでは、横方向の分離距離が 50 メートルでも十分ではない可能性がありますが、粘土の被覆層が十分に発達していて、地下水井戸の環状空間が十分に密閉されている場合は、横方向の分離距離が 10 メートルで完全に十分です。[要出典]
立法
地下水保護政策や戦略の成否を左右する上で、制度的および法的問題は極めて重要である。[4]米国では、資源保全回収法が固形廃棄物や有害廃棄物の処分を規制することで地下水を保護しており、包括的環境対応・補償・責任法（別名「スーパーファンド」）は、放棄された有害廃棄物処理場の修復を義務付けている。[80] [81]
管理
汚染された地下水の修復の選択肢は、次のカテゴリに分類できます。
- 汚染物質を封じ込めて、それ以上移動しないようにする
- 帯水層から汚染物質を除去する
- 汚染物質が帯水層に残っている間に、それを固定化または解毒することによって帯水層を修復する（原位置）
- 地下水を使用場所で処理する
- この帯水層の地下水の使用を断念し、代わりの水源を探すこと。[82] [より良い情報源が必要]
使用時点での処理
携帯型浄水装置や「使用時点」（POU）水処理システム、および現場での水の消毒技術は、飲用前に地下水汚染、特に糞便汚染を除去するために使用できます。病原菌、塩素、不快な味、悪臭、鉛や水銀などの重金属を除去できる市販の携帯型浄水システムや化学添加物が多数あります。[83]
技術としては、煮沸、濾過、活性炭吸着、化学消毒、紫外線浄化、オゾン水消毒、太陽光水消毒、太陽光蒸留、自家製浄水器などがあります。[要出典]
ヒ素除去フィルター（ARF）は、通常、ヒ素を除去するために設置される専用技術です。これらの技術の多くは、資本投資と長期にわたるメンテナンスを必要とします。バングラデシュのフィルターは、コストが高く、メンテナンスが複雑で、しかも非常に高額なため、ユーザーから放棄されることが多いです。[引用が必要]
地下水浄化
地下水汚染は、目に見えない帯水層を通って長距離を移動する可能性があるため、地表汚染よりも軽減するのがはるかに困難です。粘土などの非多孔性帯水層は、単純な濾過（吸着と吸収）、希釈、場合によっては化学反応と生物活動によって、水中の細菌を部分的に浄化しますが、汚染物質が土壌汚染物質に変化するだけの場合もあります。開いた亀裂や洞窟を通って移動する地下水は濾過されず、地表水と同じくらい簡単に輸送されます。実際、カルスト地形の地域では、人間が自然の陥没穴をゴミ捨て場として利用する傾向があるため、この状況が悪化する可能性があります。[84]
さまざまな技術を適用することで、地下水から汚染物質や不純物を除去し、安全に使用できるようになります。地下水処理 (または修復) 技術には、生物学的、化学的、および物理的な処理技術が含まれます。ほとんどの地下水処理技術では、これらの技術を組み合わせて利用しています。生物学的処理技術には、バイオオーグメンテーション、バイオベンティング、バイオスパージング、バイオスラーピング、ファイトレメディエーションなどがあります。化学的処理技術には、オゾンおよび酸素ガス注入、化学的沈殿、膜分離、イオン交換、炭素吸収、水性化学酸化、界面活性剤強化回収などがあります。一部の化学技術は、ナノマテリアルを使用して実装される場合があります。物理的処理技術には、ポンプおよび処理、空気スパージング、および二相抽出が含まれますが、これらに限定されません。
放棄
汚染された地下水の処理や修復が困難または費用がかかりすぎると判断された場合、この帯水層の地下水の使用を中止し、代わりの水源を見つけることが唯一の選択肢となります。
例
アフリカ
ルサカ、ザンビア
ザンビアの首都ルサカの都市周辺地域は、地盤が強くカルスト化しており、このため、都市周辺地域の人口密度の増加と相まって、汲み取り式トイレによる井戸水の汚染が大きな公衆衛生上の脅威となっている。[85]
タンザニア、ババティ町
タンザニアでは、多くの住民が飲料水やその他の生活用水として、主に敷地内の浅井戸からの地下水源に頼っている。公的給水にかかる費用のため、多くの世帯がババティの都市水道・衛生施設ではなく私有井戸に頼っている。水質不明の一時的な水源（主に浅井戸）からの水の消費により、多くの人々が水媒介性疾患に苦しんでいる。タンザニアでは、安全でない水を飲んだことによる赤痢や下痢で、毎年5歳未満の子供23,900人が死亡していると報告されている。[86]
アジア
インド
ヒンズー教徒にとって聖なる水域であるガンジス川流域（GRB）は深刻なヒ素汚染に直面している。インドはガンジス川流域の79%を占めており、多くの州が影響を受けている。影響を受けている州には、ウッタラーカンド州、ウッタル・プラデーシュ州、デリー、マディヤ・プラデーシュ州、ビハール州、ジャールカンド州、ラジャスタン州、チャッティースガル州、パンジャブ州、ハリヤーナー州、西ベンガル州がある。地下水のヒ素濃度は最大4730 μg/L、灌漑用水は～1000 μg/L、食品原料は最大3947 μg/kgで、いずれも国連食糧農業機関の灌漑用水基準および世界保健機関の飲料水基準を超えている。その結果、曝露した人は皮膚、神経、生殖、認知機能に影響を及ぼす疾患に苦しみ、さらには癌を引き起こすこともあります。[87]
インドでは、政府は国内のいくつかの地域での地下水汚染の増加と戦うために衛生開発を推進してきました。この取り組みは成果を上げ、地下水汚染を減らし、この問題の影響を主に受けていた母親と子供たちの病気の可能性を減らしました。調査によると、汚染された水を飲んで毎年117,000人以上の5歳未満の子供が亡くなっており、これは非常に必要とされていたことでした。国の取り組みは、国のより経済的に発展した地域で成功を収めています。[88]
北米
ヒンクリー、米国
カリフォルニア州ヒンクリーの町では、 1952年から地下水が六価クロムで汚染され、パシフィック・ガス・アンド・エレクトリック（PG&E）に対して訴訟が起こされ、1996年に数百万ドルの和解金が支払われました。この訴訟は、2000年に公開された映画『エリン・ブロコビッチ』でドラマ化されました。
サンホアキン、米国
カリフォルニア州サンホアキン郡での集中的な汲み上げにより、ヒ素による汚染が発生しています。サンホアキン郡は深刻な集中的な汲み上げに直面しており、その結果、サンホアキンの地下の地盤沈下とインフラの損傷を引き起こしています。この集中的な地下水汲み上げにより、ヒ素が地下帯水層に流れ込み、少なくとも 100 万人の住民に飲料水を供給し、米国で最も肥沃な農地の一部で作物の灌漑に使用されています。帯水層は砂と砂利で構成されており、薄い粘土層で区切られており、粘土層は水とヒ素を保持するスポンジの役割を果たします。集中的に水を汲み上げると、帯水層が圧縮され、地面が沈下して粘土からヒ素が放出されます。研究によると、過剰な汲み上げの結果として汚染された帯水層は、汲み上げを停止すれば回復できる可能性があります。[89]
カリフォルニア州ノーコ
カリフォルニア州ノーコ市は、ノーコ高校の隣にあるワイル研究所の施設で有害物質の取り扱いと廃棄が不適切かつ怠慢だったために、トリクロロエチレンとヒドラジンによる 地下水汚染に見舞われた。トリクロロエチレンの濃度は、州の飲料水安全基準の128倍にも達し、ヒドラジンは近くの井戸2つで検出された。[90]
この施設は現在は稼働しておらず、危険物除去施設として使用されています。
ウォーカートン、カナダ
2000年、カナダのウォーカートンという小さな町で地下水汚染が発生し、ウォーカートン大腸菌感染症として知られている事件で7人が死亡しました。地下水から汲み上げられた水が、非常に危険な大腸菌O157:H7株に汚染されました。[91]この汚染は、地下水汚染の影響を受けやすい 隣接する井戸に農場からの水が流入したことが原因でした。
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外部リンク
ウィキメディア・コモンズには、地下水汚染に関連するメディアがあります。
- 米国地質調査所 - 地下水局
- 英国地下水フォーラム
- IGRAC、国際地下水資源評価センター
- IAH、国際水文地質学会
- 地下水汚染と衛生（持続可能な衛生同盟の図書館にある文書）
- UPGro – 貧困層のために地下水の可能性を解き放つ