在地球上的大部分地区，人类活动产生化学物质，这些化学物质进入地下，导致地下水化学的变化。全球已经生产了数百万种不同的化合物，并且每年都在开发更多。因此，在过去的100年中，许多不同的化合物泄漏到地下，但目前已知只有数千种化合物会导致可检测到的地下水污染。源自人类活动的化学物质被称为人造化合物，以区别于地下水中的自然元素（地质元素）。

地下水化学的大多数变化对人类或生态系统无害；然而，那些可能危害人类健康和生态环境的变化在许多地区已成为巨大的问题。地下水污染会导致人类疾病和死亡的第一个记录发现是由医生约翰·斯诺做出的，他在1854年将英国伦敦霍乱流行的原因追溯到一口被人类污水污染的水井。尽管自那时以来地下水得到了更多的保护，并且造成的流行病也减少了，但因地下水污染而导致的疾病和死亡在全球范围内普遍存在。

▲导致地下水质量退化的化合物类别

城市和农村地区有造成地下水污染的许多活动和化学品来源。城市下水道经常在接缝处泄漏和破裂，郊区和农村地区都有化粪池，导致地下水污染。每一类污染都会导致地下水污染区向地下水流动方向延伸，并且由于其形状，被称为污染羽。

▲来自人为活动的化学物质进入地下，改变了地下水的化学性质，并产生了污染羽流

与地下水中的天然成分一样，人造化合物从补给区迁移到排放区或水井。一些污染羽在几年或几十年内到达排放区，而另一些污染羽则经过更长更深的路径，地下水停留时间长达数百年或更长时间。一些污染羽由于地下化学和/或微生物过程的自然降解或吸收，或稀释，而消失。然而，其他污染羽中的污染物可能无法去除，或者无法通过化学或微生物过程转化为其他污染物，这些污染物会持续存在并沿着地下水流继续迁移，直到被排出。

▲更长更深的地下水迁移路径

在两个世纪前的工业革命之前，人类活动造成进入地下的化学物质主要是来自人类及其动物废物的天然氮和有机化合物。这些化学物质很少造成伤害，因为它们很容易被自然过程吸收或降解。一般来说，地下具有巨大的自我清洁能力，可以吸收许多人造化学物质，从而保护人们免受现代工业社会中产生的大多数化学物质的伤害。

然而，近年来人们已经释放了足够的人造化学物质，使地下系统过载，以至于超过了自净这些化合物的能力。从十九世纪初的工业革命开始，由于能够从煤和其他地质材料中提取有用的物质，新的化合物种类被释放到地下水中，包括金属和煤焦油。但是，由于人口密度低、地下水使用不广泛和工业活动稀少，这些在当时受到的社会关注有限。

足以引起关注的地下水污染始于1950年代的欧洲和北美，当时：

数以百万计的有机化学品中的大多数要么在地下水中不迁移的，因为它们与矿物表面结合，要么被天然细菌迅速降解，影响很小。然而，有些，现在已知总共有几千种，是可迁移的，降解缓慢（是持久的），或者通过自然过程转化为其他更有害的污染物。其中许多污染物可以通过地下水流迁移，在大多数工业化国家，迁移性难降解污染物在地下水中的迁移已有50至70年的历史，导致长污染羽流（长度为100至1000米）。

评估被抽水的含水层是否可能有对地下水使用者造成伤害的人造污染物的一个重要步骤是，是否存在可探测的氚。现代地下水是通过存在极低浓度的可检测氚（放射性水分子）来识别的。氚从1950年代开始释放到大气中，在1960年代初从地上核试验中释放出来，并被纳入补充地下水的降水中。在大多数开发地下水的国家中，几乎所有重要的含水层都显示出大气氚的存在，这表明在过去几十年中至少有一些地下水分子补充了含水层。例如，美国地质调查局数据库中的3,493个地下水样本已经进行了氚分析，其中2,702个为阳性（77%）。

现代地下水也可能含有其他迁移的人造物质。一般来说，在地下水中发现了越来越多的化合物类型，但这种趋势对人类健康的长期后果尚不清楚，特别是在不同类型污染混合物的影响方面。

将地下水与地表水区分开来的特征之一是地下水的污染具有更长的停留时间。如果人们能够“挥动魔杖”并停止所有进一步向地下水中释放污染物，那么地下水中已有的污染物最终将被冲走或完全吸收，因为大多数污染羽是具有吸收能力的动态地下水流系统的一部分。但对于许多污染羽来说，冲洗或吸收所需的时间将是几个世纪或几千年。一个例子是熏蒸剂的二溴氯丙烷（DBCP），其在美国农业地区的使用于1979年被禁止，但直到2017年，即停止使用38年后，DBCP仍在加利福尼亚地下水中广泛检测到。相比之下，河流和湖泊的冲洗和衰减通常只需要输入停止后的几周或几个月。因此，鉴于地下水污染可以持续很长时间，一个重要的目标是防止更多的污染进入地下水，这样污染物就不会开始漫长的地下水之旅。

地下水退化的主要原因是因为人类经常有一种“眼不见，心不烦”的观点。然而，即使想到地下水，但对地下水的假设也会存在错误，因此对废物释放到地下时，会发生不切实际的期望。

例如，考虑用于处理家庭污水的现场污水处理和处置系统，化粪池系统，是放置在地下的废水处理装置。通常，化粪池系统有一个水箱和一个带有水平穿孔管道的排水场，用于废水通过流管区渗入地下水。虽然化粪池系统提供了防止疾病传播的第一道防线，因为它们通常可以去除病原体（细菌和病毒），但它们并非旨在去除氮和来自家用化学品和药品的许多其他类型污染物。随着时间的推移，持久化合物的羽流变得越来越长，直到到达井、河流、湖泊或海洋河口等受体。

▲a）典型住宅化粪池系统，附近有一口家用井；b）在系统开始运行后不久形成污染羽流

在美国、加拿大和欧盟，大约五分之一的家庭拥有（现场）化粪池系统。化粪池羽流含有硝酸盐和磷，以及来自药品、个人护理产品和食品添加剂的化学物质。在1950年代，化粪池系统成为美国快速发展的郊外许多地区的标准家庭特征。基于工程分析假设地下的强大吸收能力使污染羽流衰减程度很高，预计化粪池污染羽流不会从每个化粪池系统延伸很远，并且预计污染羽流中不会出现持久性硝酸盐、磷酸盐、药品和食品添加剂。

事实上，大多数拥有化粪池系统的家庭在该物业上也有一口水井，并且通常离化粪池系统不够远，而不能避免从化粪池渗场捕获污染羽流中的化学物质。总体而言，人们对地下水中化粪池系统污染物对人类健康的影响程度知之甚少，而且人们不太了解的是，化粪池系统污染正在破坏许多湖泊、河流、河口和海湾的水质和生态，因为向这些水体排放氮和磷会导致富营养化。这些影响也同时由泄漏的城市下水道系统的污染羽流引起的。

人类和动物污水进入地下水对人类健康的主要问题可能是病原体的污染，例如一些大肠杆菌等细菌和病毒株。细菌在沙含水层中通常不会迁移，因为它们足够大，可以被沙子过滤掉，但可以在砾石含水层、喀斯特和裂隙岩石含水层中迁移，并且由于病毒要小得多，它们比含水层中的细菌更具流动性。有害病毒可以保持活性长达三年，并可能在高渗透性含水层中传播数公里。大肠杆菌是易于在水样中检测到的细菌，它们的存在是病毒潜在存在的指标。虽然现在有对井水中的病毒进行采样和分析的有效方法，但很少进行这种测试，因此对地下水中病毒引起的疾病频率知之甚少。大肠杆菌常见于家庭水井中。

所谓的粮食生产绿色革命是另一个全球例子，说明新科学如何带来巨大的利益，但无意中带来了巨大不利的地下水副作用。这始于1940 年代，当时作物遗传学（植物杂交育种）发生了巨大变化，但当农业变得高度机械化并依赖人造化肥、除草剂和杀虫剂时，变革的这一方面很快就结束了。化肥中的大量氮最终以硝酸盐的形式进入地下水，对人类健康有害，对生态系统有害。由于化学农业和污水渗入地下水，硝酸盐现在是全球地下水中最常见的污染物。

在绘制过去70年的地下水污染历史时，人们发现新化学产品的开发和生产往往会对地下水质量产生意想不到的负面影响。

▲过去100年进入地下水的污染物来源的演变

旨在改善日常生活并对地下水产生负面影响的科学进步的最新例子是开发数千种氟化有机化学物质，统称为PFAS（全氟和多氟烷基物质）。这些对于生产现代商业产品至关重要，例如特氟龙，Gore-Tex，消防泡沫以及阻燃服装和床上用品。它们在全球地下水中广泛分布，而且是迁移和持久的，并生物积累（在接触于它们的生物体组织中积累），因此现在地球上的大多数人类和许多其他动物的血液和细胞中都有PFAS。PFAS在人类和动物中的积累与免疫和代谢系统的破坏，神经发育和癌症的并发症等问题有关。

▲在地下水中检测到的几类有机污染物的例子（每类只显示两种）：a）汽油泄漏产生的芳香烃；b）杀虫剂（除草剂和熏蒸剂）；c） 氯化溶剂；d）表面活性剂，包括消防泡沫。顶部显示了一个水分子，用于比较大小和结构复杂性。

另一个可能对地下水产生负面影响的科学进步是纳米颗粒的发展，用于制造许多产品，包括防刮眼镜、抗裂涂料、墙壁防涂鸦涂料、透明防晒霜、防污织物、自清洁窗户和太阳能电池陶瓷涂料。纳米颗粒存在于废物中，可能会在地下水中找到。如果发现纳米颗粒在地下水中很常见，人们尚不知道后果会是什么。

在这次关于地下水污染的讨论中，结果都是负面的，但有一个概念是将地下水区用作废物处置库（DGR），旨在取得积极的结果。这是为高放射性核废料开发深层地质处置库。这种废物需要控制一百万年。因此，目标是将废物埋藏在深层区域，放射性将在地质时间尺度上得到控制。换句话说，在当前条件下，将废物储存在地下水不属于活跃水文循环的地方。许多国家正在设计，有些国家正在非常低渗透率地质层中运行DGR，这些地质层位于地表以下450-600米的深度，地下水是咸水，并在这些层中停滞了数百万年。还有许多其他类型的危险废物，其化学物质不具有放射性，但降解缓慢，DGR也是将其中一些废物与环境隔离的一种选择。

▲固体核废料的深层地质储存库中，废料被埋在固体的、渗透率极低的岩石的采矿空腔中