(一)地下水水质恶化的主要特征
地下水的水质恶化是全球性环境污染的重要研究课题。本节所述地下水水质恶化，主要是指地下水在开发过程中，因环境污染和水动力、水化学形成条件的改变，以及不良的勘探所造成的水中某些化学、微生物成分含量不断增加，以致超出规定使用标准的水质恶化现象。其主要特征有如下几方面:
1)许多天然地下水中不存在的有机化合物(如各种合成染料、去污剂、洗涤剂、溶剂、油类及有机农药等)出现在地下水中;
2)天然地下水中含量极微的毒性金属元素(汞、铬、镉、砷、铅)及某些放射性元素大量进入地下水中;
3)各种细菌、病毒在地下水体中大量繁殖，远远超出饮用水水质标准;
4)地下水的硬度、矿化度、酸度和某些单项的常规离子含量不断上升，以致超过规定使用标准。
(二)地下水水质恶化的危害
地下水水质环境的恶化，严重损害了地下水资源的使用价值，给人类社会带来了种种不良后果，有损于人体健康，以致造成残疾和死亡;损害了工业产品的质量;使农作物减产和土地盐渍化;减少了地下水可采资源的数量，以致使整个水源地废弃;为处理水质，增加了水的单位成本。
我国地下水水质的污染问题，已不容忽视。我国主要城市，有1/2是以地下水作为供水水源，全国有1/3的人口饮用地下水。据对全国100个城市的调查，地下水受到不同程度污染的达80%以上，其中污染较严重的有北京、沈阳、太原、西安、包头、南昌等城市。沈阳市有78%的井水某些指标不符合饮用水标准。我国北方许多城市的地下水硬度逐年增高，某些沿海城市的海水入侵问题也相当严重。
(三)地下水水质恶化的原因
引起地下水水质恶化的原因很多，可归纳为以下3个方面。
1.存在引起地下水水质恶化的污染物质来源
这些污染物，既可存在于地下，也可以存在于地上。从污染物质的成因类型来看，可分为两大类。第一类为天然污染源，即自然界本来就存在着的各种劣质水体，如海水、地下高矿化水或其他劣质水体。此外，含水层或包气带中的某些含水介质含有某些矿物(特别是各种易溶盐类)，也可成为地下水的污染源。第二类为人为污染源，是指因人类活动所形成的污染源，如各种废水、污水、垃圾及化肥、农药等。据相关资料可知，我国平均每年污废水排放量达500×108t，其中，工业废水占75%，生活污水占25%。有80%以上的污水直接排入水域，造成水体污染。人为污染源又可分为直接源和间接源两类。各种污水、废水、化肥农药，其污染物质直接通过包气带进入含水层中，为直接污染源。污染物首先进入大气或地表水体，而后进入含水层中的称间接污染源。如在工业城市附近形成的含硫酸和硝酸的“酸雨”即是间接污染源。酸雨的入渗，一方面直接使地下水酸化;另一方面，酸化的水又可增强溶解能力，使地下水中的金属元素含量大大增加，污染地下水。而且酸雨的污染是大面积的，往往比局部点状污染源造成的危害更大。
工业废水和生活污水不经处理而排入地表水体中，进而造成地下水污染的例子更是比比皆是。特别是在那些以河水入渗补给为主的傍河水源地、山前冲洪积扇和岩溶暗河水源地，因河水污染而导致地下水源污染的问题更为严重。如鞍山市某地下水源地，枯水期主要依靠太子河水渗漏补给，由于上游化工厂排入河水的含硝基化合物废水，通过河水进入含水层中，使水源地中的40余眼水井受到不同程度的污染，污染面积达200km2。
此外，在某些情况下，井管或输水金属管道的腐蚀、混凝土水管的侵蚀，也可造成水质的污染。
2.存在污染物质进入的途径(通道)
地下水水质发生恶化，除了必须具备有污染源外，还必须具有污染物进入含水层的途径。污染物通常以3种方式进入含水层:
1)在含水层的开采降落漏斗范围内，污染物通过含水层上部的透水岩层直接渗入含水层。由于进入途径很短，故常常使地下水迅速产生重度污染。在相同污染源的情况下，地下水体遭受污染的程度，主要决定于地表到含水层之间岩层的渗透性能、岩土颗粒对污染物的吸附和净化能力及含水层的埋藏深度。因此，一般承压水较潜水有较好的防污染条件。潜水含水层的包气带内如有粘性土层存在，也会有较好的防护能力。
2)污染物从含水层的其他地段进入开采地段。各种天然劣质水体(如海水、大陆高矿化水)、已污染的地表水体等，通过与含水层的直接接触带(特别是补给区)渗(流)入含水层，然后再运移到开采地段。当污染源位于水源地上游时，对水源地水质污染的威胁更大。
3)污染物借助天然或人为的某些集中通道进入含水层。天然集中通道主要是指与污染源相沟通的各种导水断层通道、裂隙通道和岩溶通道(包括“天窗”)。这种通道一般多呈点状或线状分布，它可使埋藏很深的承压水体遭受污染。人为集中通道，主要是指在各种地下工程、水井施工时，因破坏了含水层隔水顶板(或底板)的防污作用，使工程本身构成了劣质水进入含水层的直接通道。常可见到因水井设计、施工上的缺陷(未止水或止水不合要求)，造成上部污水沿井管与孔壁间隙流入开采含水层;有时则因废井未加处理或回填不实，成为地表污水的入侵通道;某些失修的水井，因井管腐蚀或地震灾害使井管破裂，也可造成上部污水入侵开采含水层。
3.有引起地下水水质恶化的水动力和水化学因素
如果说污染源和污染通道的存在是地下水水质可能恶化的必备条件，那么在开采条件下所出现的水动力、水化学作用，则是导致地下水水质恶化的直接起因。
凡污水入侵开采含水层，均要求有一定的水动力条件。其一，开采含水层(或地段)与污水体之间必须存在某种直接或间接的水力联系;其二，由于开采抽水，在开采含水层(或地段)中形成相对于污染水体的负压区，从而促使污水直接或间接(通过弱透水层)流入并污染开采含水层(或地段)。
近海水源地，因水动力条件改变而引起的海水向大陆含水层入侵，便是典型例子。在天然条件下，大陆含水层中的淡水排入海洋，咸、淡水体之间的平衡界面是依靠含水层中淡水的水头压力高于海面来维持的。在开采条件下，如果水源地的开采量超过补给量，则必然引起含水层中淡水体水位持续下降。当水位降落漏斗扩展到海岸线时，就会导致海水入侵，使地下水咸化。在某些情况下，虽开采量未超过淡水的补给量，但当淡水体的水头压力已减少到难以维持咸、淡水体之间原来的平衡条件时，咸、淡水界面也会向大陆推移。如果该界面推进到抽水井的降落漏斗范围内，同样也会导致咸水入侵开采地段，使水质恶化。
大量开采地下水，也会使含水层的水文地球化学条件发生变化。某些新的水文地球化学作用的出现，也是引起某些地区地下水水质恶化的重要原因之一。我国许多地下水水源地在开采过程中所出现的矿化度、硬度及铁、锰离子含量增高和pH值降低的现象，主要是因含水层疏干及氧化作用加强所造成的。因为在开采地下水过程中，随着地下水位的下降，氧气随空气进入被疏干的地带，促使岩层中硫、铁、锰及氮化合物的氧化作用加强，特别是硫氧化细菌的作用，更加剧了金属硫化物的氧化过程。如分布较广的黄铁矿(FeS2)，在还原环境下很稳定，几乎不溶于水，但在氧化环境下，则易于溶解，形成酸性水。土层中经常存在的钙、镁、铁和锰的化合物，也易于溶解，使地下水中的铁、锰、钙、镁及硫酸根离子含量大大增加，地下水的矿化度和硬度也随之升高。
近些年来，我国北方半干旱地区水库(或渠道)浸没区所出现的潜水氟离子含量增高的现象，也是由于水文地球化学环境改变造成的。因水库(渠)建立后，浸没区潜水水位抬高，地下水蒸发浓缩作用加剧，使在半干旱碱性条件下潜水中本底值较高的氟离子含量进一步加大;由于建库，周围环境变得相对湿润，促使植被进一步发育，植物根部分泌出的CO2将加速土层中碳酸盐的分解和地下水中重碳酸盐的积聚，从而使环境碱化。而这种弱碱化的水文地球化学条件，又进一步为氟离子的富集创造了条件。
由于开采地下水使水文地球化学环境改变而引起地下水水质恶化的环境水文地质问题可能还有许多。还应看到，这种改变并非全都是不利的。例如，在一定条件下，由于强烈抽水促使地下水交替循环作用加剧，溶滤作用加强，从而加速了含水层中可溶盐的溶解和排除过程。由于含水层中水位下降，使地下水由原来的封闭还原环境变为开放的氧化环境，导致水中某些化合物沉淀，从而也可降低水中某些有害离子的含量，或使水质淡化。因此，在进行供水水文地质勘察时，应当根据当地的地层岩性结构条件、包气带和含水层中可溶盐的类型和含量、补给水源的类型和化学性质、水源地预计开采强度和降深等条件，进行深入、综合分析，这样才能对开采后地下水水质可能出现的变化，作出正确的预测。
(四)防治地下水水质恶化的措施
地下水是水圈乃至整个地球环境不可分割的重要组成部分。因此，防治地下水水质恶化，必须与防治环境恶化相结合进行综合治理，既要有技术措施，又要有管理措施。地下水水质恶化，常具有缓慢、隐蔽、不易及时察觉、一旦恶化又难以治理复原的特点。因此，须采取防、治结合，以防为主的方针，确保供水的质量。
1.预防性的技术措施
最重要的预防性技术措施是要对城市的发展与水源地的建设作出全面、合理的规划和布局。在制订城市发展规划特别是制订工业布局时，必须考虑尽量减少城市环境污染和地下水不受污染。那些容易造成地下水污染的工厂，应布置在水源地下游较远的地方，或者采用管道排污。新建水源地时，也必须考虑地下水污染的环境条件，应把水源地选择在城市上游或地下水的补给区，或在地层岩性结构方面选择防止污染条件较好的地方。总之，为保护地下水资源，在城市建设的总体规划中必须考虑环境保护的要求;必须有防治污染、维持生态的观点;要把环保工作与经济发展同步规划、同步实施，作到经济、社会和环境的协调发展。
此外，当取水层位上、下或附近有劣质水层或水体分布时(特别是滨海水源地)，应严格控制水源地的开采量和开采降深，以防止劣质水入侵含水层。在水井设计中，最好采用分层取水。当深部有咸水时，应控制井深，使井底与淡、咸水界面保持一定距离。要保证水井施工中的止水、回填质量。对年久失修的水井，要及时更换井管;对报废水井，要回填封死。还应注意，在地下建筑开挖工作中，不要破坏开采含水层上、下或周边的隔水保护层。
设立水源地的卫生防护带，虽不可能完全杜绝污染，但是它可在一定时间、一定水文地质条件下控制污染。对于埋藏较浅的潜水及地表覆盖层较薄的水源地，建卫生防护带有明显的效果。因此，我国环保局、卫生部、建设部、国土资源部等部门联合颁发了《饮用水水源保护区污染防治管理规定》。其中，规定对地下水水源地须设置一级保护区、二级保护区;必要时，外围还应设置准保护区，对各区规定了相应的保护措施。各区范围的大小，应视具体水文地质条件及开采强度而定。如卫生防护I带为严禁活动带，其范围不能太大，据前苏联国家文件规定，对承压水水源地，I带半径不应小于30m，潜水不小于50m。
2.治理措施
对已污染水源地的治理措施，应针对引起地下水质污染的主要原因、污染途径和当前国家的经济条件来制定。主要措施有以下几方面。
(1)治理污染源
污染源包括点源和面源两种类型。点源是指工业“三废”和城市生活污水及垃圾等所构成的污染源。它们是目前集中水源地水质污染的主要来源。其中，尤以工业废水的危害最大。因此，控制和治理地下水污染的重点应该是抓好工业废水的综合治理。除采取控制污水排放量和排放标准等法制措施外，主要应大力改革落后的生产工艺，搞好工业用水的闭路循环。这样才能最大限度地减少工业废水排放量，把工业废水消除在生产过程之中;同时也节约了水资源，提高了企业的经济效益。
对于不得不排放的废水(包括工业和生活污水)，必须防止它们在排放的路途中和在污水处置场地内向含水层渗漏。为了减少渗漏，最好将它们排放在有稳定隔水地层分布的地方，或者采取防渗衬砌措施，并且尽可能地将污水处置场布置在距水源地下游较远的地方。当利用地下岩溶洞穴或深部采空岩层排污时，必须在查明当地水文地质条件，并经试验证明对环境无害后方可实行。
在点状污染源的治理中，对于城市垃圾，特别是某些工业废渣对地下水可能产生的污染作用同样不可忽视。例如，兰州市的垃圾填土，曾导致黄河水和地下水受到污染。为使地下水免遭垃圾和工业废渣淋滤液的污染，对垃圾和废渣应采取废物回收利用、焚烧、发电、生化处理及堆肥等综合治理措施。一般来说，垃圾或废渣的堆放场或填埋场，最好选在地表弱透水土层分布广、厚度较大，且地形低洼封闭性好、包气带较厚的地方;同时，要求它们远离水源地或开采含水层的补给区。
面源主要指农业污灌、施肥、农药、酸雨，以及城市暴雨径流等所产生的污染。据美国统计，非点源对环境造成的污染负荷占总污染负荷的50%以上，是对地下水污染不容忽视的因素。对面状污染源的治理，可采取以下措施:
1)慎重开展污灌。最重要的是严格掌握污灌的水质标准、控制灌水定额及根据环境水文地质条件合理规划污灌区的位置。如在表土层薄或渗透性大的潜水地段、补给区和水源地附近，就不适宜进行污灌。
2)使用易被植物吸收或被土壤分解的化肥和对人体毒性小的农药，并严格掌握化肥与农药的使用量，尽可能减小它们在土壤层中的残余浓度和流入含水层的数量。
3)对灌溉用污水进行预处理。
(2)兴建配套的环境工程，大力开展污水的处理和利用
兴建配套的环境工程，大力开展污水的处理和利用是治理地下水水质恶化的治本措施。大量污水未经处理便排放，是造成当前环境特别是水源污染的主要污染源。处理后的污水，可据其质量用于不同目的的供水，以提高废水的重复利用率，增加水资源的总量。
(3)采取防止劣质水(或污水)入侵开采含水层的水力措施
当海水或其他劣质水从侧向侵入开采含水层时，可采用所谓“水力”措施来阻止劣质水体的入侵。现以国外防止海水入侵为例来介绍。
1)“补给水丘”或“淡水屏障”法。即在海岸与内陆开采地段之间布置淡水注水井，通过注水，使之形成高于天然地下水位的“补给水丘”(图12-1)，以控制咸水面向内陆移动。据报道，美国加利福尼亚州的某沿海地带及以色列沿海，都采用了这种方法，成功地阻止了海水入侵。
图12-1 补给水丘(淡水屏障)示意图
2)“抽水槽”法。在海岸和内陆开采地段之间布置一条抽水线，通过抽水使之形成阻止咸水向内陆运移的“抽水槽谷”。抽出的咸、淡混合水，如不能使用，则排入海中。这种方法较之前一种方法的优越之处，是不需补给水源。这种防止海水入侵的方法，在荷兰沿海的淡水砂丘带得到了广泛使用(图12-2)。
图12-2 抽水槽示意图(图例同图12-1)
3)“注水和抽水相结合”的方法。一般是将抽水槽布置在靠近海岸的地方，将注水井布置在靠近开采水源地的一侧。
4)修建“地下挡水墙”。这种方法主要用于咸水沿着狭窄透水通道入侵的地段。例如日本长崎县西北部，曾在沟道的入海口附近含粘土的砂砾石层中建造了阻止海水入侵的灌浆帷幕。在近海侧形成了人工地下水库，但是，这种措施的效果是有限的。海岸地带的水源地，即使将动水位保持在海平面之上，也很难防止深层咸水形成的“上升锥”向水井移动。
除上述情况外，另一种情况就是因不合理灌溉，使大面积土地发生次生盐渍化恶化了生态环境。如喀什地区，土地盐渍化面积竟达到耕地面积的64.7%，十分惊人。主要的防治措施，应是合理地进行灌溉。