孟加拉国恒河阿特拉伊洪泛区不同水文地质条件下地下水井与坑式厕所之间的安全距离

背景

在孟加拉国，从浅管井抽取的地下水经常被附近的坑式厕所污染，坑式厕所是该国农村和郊区常用的厕所。

方法

为了确定孟加拉国不同水文地质条件下管井与坑式厕所的最小安全距离，在三个研究地点(Manda、Mohanpur和Bagmara)安装了20口监测井，垂直和水平距离分别为18-47至2-15 m。在三个季节中采集了三次水样，并检测了粪便大肠菌群(FC)和粪便链球菌(FS)作为污染指标。按照标准程序分析土壤样品的质地、体积密度和水力导电性。采集沉积物样品制备岩性测井曲线。

结果

当三个站点之一(Mohanpur)的浅层含水层被18 - 23 m厚的含水层覆盖时，监测井的地下水被污染的横向距离和垂直距离分别为2 m和31 m。然而，在只有9米厚的排水管道中，污染的横向和纵向距离分别为4.5米和40.5米。各样地土壤质地以壤土和砂壤土为主。Manda、Mohanpur和Bagmara第一含水层的水力导度分别为5.2 ~ 7.3、8.2和1.4 ~ 15.7 m/h。

结论

结果表明，井口到坑式厕所的安全距离随井口的水平和垂直距离以及特定地区的水文地质条件的不同而不同。

与粪便有关的疾病和儿童死亡一直是孟加拉国国家公共卫生计划的一个主要关切和指导因素。只有农村地区和贫民窟的少数家庭才会将(5岁以下)儿童的粪便排入厕所。由于人们对卫生设施、安全环境和疾病之间的联系知之甚少，问题变得更加复杂。1，2]。然而，井的污染也可能由于井的设计和/或施工不当而发生[3.]。

当取水点与坑式厕所之间的安全距离没有适当保持时，地下水资源往往受到坑式厕所的污染。在包括孟加拉国在内的许多发展中国家，微生物污染和水媒疾病是由不适当的卫生系统造成的[4，5]。不同的研究提到，在孟加拉国从浅管井收集的水样中，约有50%受到人类粪便生物的污染[6- - - - - -8]。在孟加拉国，坑式厕所通常建在管井附近，主要是出于空间限制、卫生和方便的考虑。坑式厕所在农村和郊区的广泛使用使其成为地下水污染的主要来源。坑厕排出的污水含有致病菌、病毒、原生动物和蠕虫。坑式厕所的病原体可能通过地面(不饱和和饱和)过滤，最终到达地下水[9，10]。霍乱、伤寒、痢疾和其他腹泻病等传染病在孟加拉国很常见，每年造成2万多名儿童死亡。11]。

坑式厕所的主要污染物是坑内的微生物。管井与厕所的距离和当地的地质、水文地质条件是细菌污染管井传播的重要因素。12- - - - - -14]。然而，这些促成因素在孟加拉国尚未得到充分研究。当生物渗入土壤时，除其他因素外，土壤的水力导电性(即在单位水力梯度下单位时间内通过单位面积的水量)决定了生物如何向地下水饱和区移动。土壤的水力导电性同样取决于其颗粒大小，但也取决于结构因素，如泥沙年积形成的水平分层。在本文中，土壤是指地表最上层3 m，泥沙是指地表下的物质。影响细菌在含水层系统中迁移的其他重要因素是平流和水动力分散以及微生物衰变等物理迁移过程[15]。微生物病原体在地下水中的迁移受到死亡和衰减(包括过滤和吸附)的限制。细菌的死亡和衰减过程发生在所有地下水含水层中[16]。在砂和砾石含水层中，大肠菌群已在最初污染的35小时内从源处30米处分离出来[17]。有些致病菌可在土壤中存活长达42天[18]。因此，粪便细菌经常在比预测的更远和更深的地方被发现[10]。因此，需要深入实地调查，确定细菌在地下传播的条件和环境。

先前在孟加拉国进行的研究主要是从坑式厕所附近的现有水井中收集水样[6- - - - - -8，19，20.]。考虑到不同的水文地质条件，没有进行过在坑式厕所周围安装和监测井的研究，以监测微生物的运动，以便制定准则，确定管井与最近的坑式厕所的安全距离。因此，本研究旨在确定孟加拉国恒河阿特拉伊洪泛平原地区不同水文地质条件下管井与坑式厕所之间的最小安全距离。

研究区域

该研究于2008年3月至12月期间在孟加拉国Naogaon区的Manda和Rajshahi区的Mohanpur和Bagmara三个区(街道)进行。季风季节(5月至8月)包括在研究期间。从水文地质角度看，研究地点位于恒河和阿特拉洪泛平原之下，从西部、北部和东北部与巴林德平原接壤[21(图。1)。研究区域的土壤覆盖了农业生态区域[22]的Tista曲流河漫滩、下阿特拉盆地和上恒河河漫滩(图2)。1)。井水不含砷和铁。厕所的深度从2米到2.5米不等。研究期间，Manda、Mohanpur和Bagmara的水位分别在2-9.5、4-14和1.5 - 10 m之间变化。

建立监测井

Manda upazila的监测井巢安装在Kusumba联盟的Master Para。该地区位于阿特拉伊河畔，河水向东南方向流动。在Manda、Mohanpur和Bagmara安装了水井，以监测每个地点的目标厕所的地下水流量。沿着从厕所流出的地下水通道安装了监测井。每个厕所至少有5人或以上使用1年。通过对地表水局部配置、手管井和抽水灌井的考察，预测了水流路径。监测井的布置和空间配置如图所示。2和图中横截面(以显示深度)。3.，4和5。

样品的收集和分析

在三个研究区采用坑法采集土壤样品，直至达到地下水位。沉积物的水力传导率等级根据O 'Neal [23]。堆密度采用岩心取样法测定，颗粒大小采用散装样品分析。将已知体积的金属芯按所需深度压入土壤中，从而收集到未受干扰的土壤样品。土壤样品的质量是通过烘箱烘干后称重得到的。体积由绘制样品所用的芯尺寸计算。粒度分析采用比重计法测定[24]。根据Klute [25]。

在钻井过程中采集沉积物样品，制作岩性测井，以确定沉积物类型和含水层及含水层的延伸范围。当地钻井人员采用手击法钻井。每1.5 m深度采集样品。选取有代表性的样品对含水层沉积物进行筛分分析，以确定其物理和水力性质。通过粒度分析计算沉积物样品的均匀性系数(Uc)，即D60/D10。含水层沉积物的水力导电性根据Hazen的粒度分布曲线确定[26]。

从现有的管井及根据上文所述程序于一星期前安装的已建立的监察井采集水样[27，28]。简而言之，首先用纸巾清洁管井口。用酒精和煤气燃烧器对泵口内部进行了消毒。抽出管井水，静置2 min，然后将500 ml水样装入无菌的Nalgene塑料瓶中进行无菌采集。所有样品都被直接运送到孟加拉国国际腹泻病研究中心环境微生物学实验室(icddr,b)，并在24小时内处理一个装有冷袋(Johnny Plastic Ice, Pelton Shepherd, Stockton, CA, USA)的隔热盒。在研究期间对监测井进行了三次采样，以覆盖三个季节。

按其他地方所述的程序计算功能组别及功能组别。[6，28]。简而言之，对于FC和FS, 100 ml水样通过孔径为0.22 μm的膜过滤器(Millipore Corp.， Bedford, MA, USA)过滤，并将过滤器放置在膜粪便大肠菌群(mFC)和kf -链球菌琼脂板上。将mFC板在44℃下孵育18 ~ 24 h，将特征蓝色菌落计数为FC，并以每100 ml菌落形成单位(CFU)表示。将kf -链球菌琼脂板在37℃下孵育48 h，将特征浅色和暗红色菌落计数为FS。

曼达研究地点

Manda的监测测井显示，上部或第一含水层延伸至25 m深度，以棕色和灰色、细至极细砂为主，上覆9 m厚的粉质粘土层(图1)。3.)。较低或第二含水层位于距离地表27-40.5 m以下，由灰色和细砂至中砂组成。一层2米厚的灰色粉质粘土层将第一含水层和第二含水层隔开。

曼达土壤质地以壤土和砂壤土为主(见表2)1)。土壤容重在1.15 ~ 1.58 gm/cm之间^3.,分别。在2.30 ~ 518 mm/h范围内测定了沉积物的饱和水力导率。计算得到含水层沉积物的Uc，第一含水层为1.23 ~ 1.64，第二含水层为1.96 ~ 3.16(表1)2)。第一含水层和第二含水层的水力导度分别为5.2 ~ 7.3 m/d和3.6 ~ 11.7 m/d。

在Manda，在5月的雨季(5 - 8月)，在监测井1、2、5和6中观察到细菌污染(FC, FS或两者)，这些井分别安装在距离坑式厕所2 - 4.5 m和18-21 m的横向和垂直距离上(表1)3.)。一个现有的18米深的管井，位于坑式厕所水平9米处，没有发现细菌污染。现有管井的测量结果与监测井基本一致。这些监测井在中期(9 - 12月)取样时也受到污染。在旱季，监测井1和2未发现污染，而在湿期和中期(9 - 12月)采样时污染。监测井7号在中期和旱季取样时被发现受到污染。监测井3、4、8四季均无污染。监测井位于东南方向。

Mohanpur研究地点

在Mohanpur，监测测井显示，上部或第一含水层位于距地表23 ~ 33 m深度之间，以棕色和灰色细砂为主(图2)。4)。第一含水层上覆一层厚23 m的灰褐色粘性粘土层。下层或第二层含水层在37米以下，由棕色和灰色细砂与中细砂和极细砂混合组成，并被4米厚的棕色粘土层覆盖。地下水位的最大值和最小值分别为地表以下14米和4米，这两个含水层是相同的，表明它们是水力连接的。

莫汉普尔的土壤质地以壤土和砂壤土为主(表1)1)。土壤容重为1.37 ~ 1.64 gm/cm^3.。土壤饱和水导率为0.60 ~ 51.60 mm/h。Mohanpur含水层沉积物的计算Uc在第一含水层为2.33，第二含水层为1.47 ~ 1.69。第一含水层和第二含水层的水力导度分别为8.2和6.2-6.4 m/d。

在Mohanpur，在干湿季节，监测井1中观察到细菌污染，该井距离坑式厕所2米，深度为31米(表2)3.)。在研究期间，距离监测井15 m的现有管井发现不存在FC和FS。所有其他监测井也未发现污染。现有管井和监测井位于厕所东南方向。

巴格马拉研究地点

在Bagmara的监测测井中(图2)。5)，第一个含水层从地表以下18米延伸到43米，由灰色细砂和中砂组成。顶部18米的粘土层可以作为表面污染物的屏障。

巴格马拉土壤质地以壤土和砂壤土为主(见表2)1)。土壤容重在1.37 ~ 1.68 gm/cm之间^3.。土壤饱和水导率为0.02 ~ 55.30 mm/h。Bagmara含水层沉积物的Uc值为1.44 ~ 2.8，第一含水层的水力导率在1.4 ~ 15.7 m/d之间。

在Bagmara，监测井1和3在所有季节都观察到细菌污染。监测井2在湿季和中期取样时受到污染，旱季未受到污染。监测井1 ~ 3的水平和垂直距离分别为2.0 m和27.5 m。监测井4在中期采样和干季发现污染，水平和垂直距离分别为2.0 m和42.5 m。然而，在5 ~ 8口监测井以及水平和垂直距离分别大于4.5 m和27.5 m的现有管井中未观察到细菌污染。

研究结果表明，第一层即表层粘土层的厚度在保护含水层不受附近坑式厕所污染方面起着重要作用。在三个地区中，污染最低的是莫汉普尔，那里有23米厚的粘土层。这个水槽对细菌的垂直和水平运动起到了屏障的作用。在Manda和Mohanpur，在第一层和第二层含水层之间存在第二层粘土层，它对第二层含水层起屏障作用。然而，巴格马拉缺少这第二层粘土。因此，巴格马拉的含水层可能比曼达和莫汉布尔更容易受到污染。曼达的污染程度最高，在三个研究地区中，第一层粘土层是最薄的。所有沉积物样品的Uc均小于4，说明各地点的含水层沉积物分选良好。26]。

在湿季和中期取样时，曼达区18-21 m深度、距离坑厕2 - 4.5 m的监测井受到污染，而在干季取样时，监测井1和2未受到污染(表5)3.)。在2008年5月12日的雨季，在更深的深度，即40.5米，监测井被发现没有污染。因此，污染随季节以及监测井的水平和垂直距离而变化。以前的研究[19也支持更多的污染大肠杆菌浅井在湿季(61%)高于干季(9%)。在有利的水力梯度下，粪便污染最有可能在早期季风期间渗入浅层含水层[19]和浅水层。

在曼达，在两个含水层建立了监测井。第一和第二含水层分别有9米和3米厚的粉质粘土层。由于污染发生在两个含水层，这两个粘土层可能不够厚，不足以阻止细菌的移动。曼达土壤的特征表明，由于土壤的粘性和高导水性，微生物与水的流动将非常迅速(表1)1)。假定微生物附着要么是不可逆的，即微生物被永久地从流动液相中过滤掉，要么是可逆的，即微生物可以重新进入流动的液体[10]。模型表明微生物对固相的附着是不可逆的，附着速率与固相表面碰撞的概率有关[29]。因此，尽管其他水文地质条件保持不变，但预期的细菌迁移可能并不总是发生。

在Mohanpur地区，第一和第二含水层都没有受到地表污染，因为地表有一层持续厚的粘性粘土层(23米)。此外，在第二含水层上覆盖一层4米厚的粘性粘土层，可能对第二含水层的污染有额外的保护作用。莫汉普尔的土壤特征表明，由于土壤的致密性和中等的水力导电性，微生物随水流动缓慢。现有水井检测结果显示，该地区地下水未受细菌污染。

在Bagmara地区，所有的监测井都安装在27.5到42.5米深的含水层中。距离坑厕2 m的监测井均被污染。横向距离超过2米的监测井没有发现细菌污染。因此，与水文地质条件有关的横向距离在确定巴格马拉监测井的污染情况方面发挥了重要作用。巴格马拉的土壤特征表明，微生物随水运动的速度比莫汉普尔快，因为巴格马拉的第一含水层由粉砂、细砂和灰色细砂组成，不像莫汉普尔那样紧凑。

本研究结果表明，坑式厕所对地下水的污染主要取决于管井的横向和垂直距离以及特定地区的水文地质条件。研究发现，地表有一层持续厚的粘性粘土层，即含水层，可作为细菌运动的良好屏障，防止含水层受到污染。利用这些实验中发现的参数进行的双种群模型模拟表明，细菌浓度在运输的第1米内会迅速下降，但在长达10米的距离内，由于第二种群的不可逆附着率较低，细菌浓度的下降速度要慢得多。在这种情况下，长途运输大肠杆菌主要由衰变率决定[10]。

这些初步数据表明，由于孟加拉国各地的水文地质条件各不相同，因此无法制定全国性的统一准则，以便在与附近坑式厕所的安全距离上安装管井。

坑式厕所加剧了邻近浅管井水的微生物污染，其中水文地质条件(即表层粘土含水层的厚度和水力性质，如导电性、地下水位深度和地下水流向)对细菌的输送起着重要作用。在不同的水文地质条件下，细菌的存在和污染程度在横向和垂直距离上都存在差异，在表层粘土较厚且致密的地方，细菌污染较少或没有污染。在有污染的地方，不同季节的污染程度也不同。在季风季节，由于降水入渗速率大，水位较浅，污染程度较高。目前的研究没有提供足够的数据来为整个孟加拉国制定管井与坑式厕所的最小安全距离的一般准则。因此，需要进行进一步的研究，包括在不同水文地质条件下对孟加拉国进行更多的地理划分。虽然发现了地下水的微生物污染，但大多数取样井的水质细菌良好，主要是水文地质条件不允许细菌的运输。

菌落:

克隆形成单位

英国国际发展部:

国际发展部

舰队指挥官:

粪大肠菌

FS:

粪便链球菌

位于:

孟加拉国国际腹泻病研究中心

mFC:

膜粪便大肠菌群

分享:

环境卫生和卫生应用研究公平

加州大学:

均匀系数

VERC:

乡村教育资源中心

作者感谢孟加拉国水援助组织和乡村教育资源中心(VERC)的工作人员为开展这项研究提供的积极支持。此外，感谢国际发展部(DFID)通过英国伦敦卫生与热带医学学院的环境卫生与卫生应用研究权益(SHARE)提供的财政支持。作者也非常感谢Peter Ravenscroft对手稿的编辑。

作者的贡献

MSI、KI、YH、SC、RC、SPL、AC、HPE和JDC负责研究设计。ZHM、MSI、GCS、AZ和AHMZA进行了实验室测试。数据分析由MSI、AZ、MQH、HJ、MMH和SMF完成。手稿主要由MSI, AZ, AHMZA, SC和JDC完成。所有作者都阅读并批准了最终的手稿。

相互竞争的利益

作者宣称他们没有竞争利益。

作者及单位

1. 国际腹泻病研究中心，孟加拉国，莫哈卡里，达卡，1212

   M. Sirajul Islam, Zahid Hayat Mahmud, M. Shafiqul Islam, Stephen P. Luby, Alejandro Cravioto, Hubert Ph. Endtz, Shah M. Faruque和John D. Clemens

2. 达卡工程技术大学，加济普尔，孟加拉国

   Ganesh Chandra Saha

3. 达卡大学地质系水文地质与环境地质系，孟加拉国达卡1000

   安瓦尔·扎希德和库姆鲁·哈桑

4. 孟加拉国水开发委员会地下水水文学理事会，达卡，孟加拉国

   安瓦尔Zahid

5. 达卡大学土壤、水与环境系，孟加拉国达卡1000

   阿里

6. 水援助孟加拉国，巴纳尼，达卡，1213，孟加拉国

   Khairul Islam和Hasin Jahan

7. 乡村教育资源中心，萨瓦尔，达卡，1340，孟加拉国

   雅各布·侯赛因和马苏德·哈桑

8. 伦敦卫生和热带医学学院，伦敦，英国

   桑迪Cairncross

9. WaterAid，伦敦，英国

   理查德•卡特

10. 荷兰鹿特丹伊拉斯谟医疗中心医学微生物学和传染病科

    休伯特·恩兹博士

11. 环境微生物实验室，实验室科学和服务司，icddr,b, GPO信箱128号，孟加拉国，达卡，1000

    Sirajul Islam先生

相应的作者

对应到Sirajul Islam先生。

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