松嫩平原海伦市长发镇地下水质量受天然抬升Fe和Mn影响的初步水文地球化学（hydrogeochemical）与健康风险评估（Health Risk Assessment）

《Toxics》：Naturally Elevated Fe and Mn Degrade Groundwater Quality in Changfa Town, Hailun City, Songnen Plain: A Preliminary Hydrogeochemical and Health Risk Assessment

　　

摘要：地下水是松嫩平原农村地区生活与农业用水的重要来源，其化学组成与水质直接影响公共健康与区域可持续发展，因而成为备受关注的研究课题。研究人员采用综合的分析框架，集成Piper三线图、离子比值分析、水质指数（Water Quality Index, WQI）以及人体健康风险评估（Human Health Risk Assessment, HHRA）模型，对松嫩平原一个农村乡镇的地下水状况进行了初步评价；该多方法途径旨在为区域地下水污染防治与修复策略提供科学认识。结果表明，研究区优势地下水化学类型为HCO3-Ca型；水文地球化学过程主要受热液风化与硅酸盐及碳酸盐矿物溶解控制，并伴有阳离子交换作用。WQI介于84.78至192.82之间，平均为132.68，表明整体水质为中等；Fe和Mn是影响水质的重要因素。地下水对儿童、女性与男性构成的非致癌潜在风险（分别为0.988、0.701、0.534）以及致癌风险（分别为1.77×10?5、6.27×10?5、4.81×10?5）均低于美国环保署（USEPA）推荐阈值（分别为1.0、1×10?4），说明健康风险总体可接受，但儿童的危害指数（Hazard Index, HI）接近阈值。结果强调需要有针对性地缓解抬升的Fe/Mn浓度（例如通过曝气生物滤池），同时突出当前条件下该地区健康风险较低。本研究为在地下水管理中整合地球化学与健康风险范式提供了一个模板。

该研究论文发表于《Toxics》，围绕松嫩平原海伦市长发镇农村地区的地下水水质与人体健康风险展开系统性研究。研究背景方面，地下水是全球最大的可获取淡水资源，也是松嫩平原农村地区主要的饮用水与农业灌溉水源，该区域作为我国重要粮食生产基地高度依赖地下水；近年来高强度人类活动引发地下水水位下降、可用性减少及水质恶化，对农村供水安全与公共健康构成威胁，而松嫩平原以往研究多聚焦区域尺度水文地球化学特征与局部水质超标问题，针对典型乡镇尺度综合集成水文地球化学解析、水质指数（Water Quality Index, WQI）评价与人体健康风险评估（Human Health Risk Assessment, HHRA）的初步研究仍较为缺乏，因此研究人员以海伦市长发镇为典型区开展研究，旨在识别地下水化学主控因素、评价水质等级并量化不同人群经饮水摄入与皮肤接触途径的健康风险，为乡镇级地下水保护与生态修复提供科学依据。研究人员采集5个白垩系碎屑岩孔隙—裂隙含水层（Nenjiang Formation）的农村社区供水井地下水样品，通过Piper三线图、Gibbs图、离子比值分析、（Chloro-Alkaline Index, CAI）等水文地球化学方法判析化学演化主控机制，采用WQI进行水质分级，并基于USEPA推荐的HHRA模型分别计算儿童、女性、男性经饮水摄入与皮肤接触途径的非致癌危害商（Hazard Quotient, HQ）、危害指数（Hazard Index, HI）和致癌风险（Total Cancer Risk, TCR），所有参数权重参照Pesce与Wunderlin方法及中国《生活饮用水卫生标准》（SDWQ）、世界卫生组织（WHO）准则取值，分析限于2024年8月单次旱季采样结果。

关键技术方法包括：研究样本为2024年8月采自松嫩平原海伦市长发镇5口农村社区供水井的白垩系Nenjiang Formation深层地下水（埋深114–183 m，属承压含水层）；主要技术手段涵盖水文地球化学解析（Piper三线图、Gibbs图、离子比值如Na⁺/Cl^?、Ca²⁺/Mg²⁺、(Ca²⁺+Mg²⁺) vs (HCO₃^?+SO₄^2?)、氯碱指数（Chloro-Alkaline Index, CAI））、水质指数（Water Quality Index, WQI）评价（参数权重依据SDWQ与WHO限值分配，K⁺因无限值且浓度低未纳入）、人体健康风险评估（Human Health Risk Assessment, HHRA）模型（USEPA推荐算法，分别计算饮水摄入与皮肤接触途径的平均日暴露剂量、非致癌危害商（Hazard Quotient, HQ）、危害指数（Hazard Index, HI）及致癌风险（Total Cancer Risk, TCR），参考剂量（RfD）与斜率因子（SF）取自标准附表），整体为单季节小样本初步综合评估，未涉及同位素示踪与长期动态监测。

研究结果如下：3.1 地下水水文地球化学特征（Hydrochemical Characteristics of Groundwater）：通过对5个样品常规离子与微量组分测试发现，pH均值7.11（弱碱性），总硬度（Total Hardness, TH）均值103.88 mg·L^?1（中等硬水），溶解性总固体（Total Dissolved Solids, TDS）均值283.96 mg·L^?1（淡水），优势阴离子顺序为HCO₃^?> Cl^?> SO₄^2?，优势阳离子为Ca²⁺> Na⁺> Mg²⁺；Fe、Mn、As平均浓度分别为3.99、0.96、0.0063 mg·L^?1，超出中国生活饮用水标准（SDWQ），F^?均值0.43 mg·L^?1未超标，NO₂^?与NH₄⁺局部略高但总体低量，据此研究人员判定Fe、Mn为突出的水质超标因子。3.2 地下水水文化学类型（Groundwater Hydrochemical Types）：Piper三线图显示所有样品落在Ca²⁺－HCO₃^?象限，判定优势类型为HCO₃-Ca型，反映主导离子源自碳酸盐与硅酸盐矿物溶解。3.3 地下水水质（Groundwater Quality）：WQI计算（低于检测限取半数检出限）得值域84.78–192.82（均值132.68），对应1个样品“良好”（good，50≤WQI<100），4个样品“中等”（moderate，100≤WQI<200），无优秀、差或极差样，整体水质中等，Fe与Mn贡献率达71.60%–83.60%。3.4 人体健康风险（Human Health Risk）：HHRA结果显示非致癌风险饮水途径高于皮肤接触，人群排序儿童（HI=0.988）>女性（0.701）>男性（0.534），均低于USEPA阈值1.0；物质贡献排序为As > F^?> Mn > Fe > NO₂^?> Zn；致癌风险以As为主，饮水途径高于皮肤接触，总致癌风险（Total Cancer Risk, TCR）排序女性（6.27×10^?5）>男性（4.81×10^?5）>儿童（1.77×10^?5），均低于1×10^?4可接受上限。

讨论部分总结如下：4.1 地下水水文地球化学主控因素分析（Analysis of Factors Controlling Groundwater Hydrochemistry）：Gibbs图所有样落入岩石风化主导区（TDS 100–1000 mg·L^?1，Na⁺/(Na⁺+Ca²⁺)与Cl^?/(Cl^?+HCO₃^?)均<0.5），表明矿物风化为主控；离子比值（Ca²⁺/Na⁺vs Mg²⁺/Na⁺、Ca²⁺/Na⁺vs HCO₃^?/Na⁺）显示样品落在硅酸盐与碳酸盐端元之间，说明硅酸盐（如长石）与碳酸盐（如方解石）共同溶解；Na⁺/Cl^?比值1.49–8.72（>0.86且高于1:1线）指示Na⁺除岩盐溶解外主要来自硅酸盐风化及反向阳离子交换（Ca²⁺、Mg²⁺置换介质Na⁺）；Na⁺/HCO₃^?低于1:1线佐证HCO₃^?源自碳酸盐与硅酸盐双重来源；Ca²⁺/Mg²⁺当量比2.74–3.93、 (Ca²⁺+Mg²⁺) < (HCO₃^?+SO₄^2?)进一步排除蒸发岩贡献；氯碱指数（CAI-I、CAI-II）均为负值证实反向阳离子交换活跃，综合判识主控为硅酸盐与碳酸盐矿物风化溶解，次要过程为反向阳离子交换，承压条件与较大埋深削弱大气降水与蒸发影响。4.2 影响地下水水质的因素分析（Analysis of Factors Affecting Groundwater Quality）：WQI中Fe与Mn合计占71.60%–83.60%，为水质降等主因；松嫩平原地层富Fe、Mn矿物，低洼还原环境和高有机质促进溶解，属天然地质成因而非人为污染，与区域已有认识一致。4.3 健康风险优先级与易感人群（Health Risk Prioritization and Vulnerable Populations）：非致癌风险饮水>皮肤接触，儿童>女性>男性，物质贡献As > F^?> Mn > Fe；虽HI均<1.0，但儿童HI（0.988）逼近阈值，As与F^?为主要贡献者；Fe、Mn的HQ偏低（因RfD较大），但浓度大幅超标且有流行病学证据关联长期高锰暴露致神经发育损伤，故仍需针对儿童等易感人群采取除Fe/Mn措施。4.4 对农村生态可持续发展的启示（Implications for Ecological Sustainability in Rural Areas）：中等水质与天然Fe、Mn抬升提示需针对性管理，曝气生物滤池（aeration biofilters）可作为农村低成本可持续除Fe/Mn技术。4.5 局限与展望（Limitations and Future Perspectives）：局限包括样品数少（n=5）、单季单次采样、WQI权重具主观性、HHRA未考虑多污染物协同/累积效应；展望为扩大采样至多层地质与土地利用类型、多季节动态监测、引入同位素示踪强化溯源。

结论部分翻译总结：研究区地下水弱碱性（平均pH=7.11），TH均值103.88 mg·L^?1，TDS均值283.96 mg·L^?1，优势阴离子HCO₃^?> Cl^?> SO₄^2?，优势阳离子Ca²⁺> Na⁺> Mg²⁺，水文化学类型为HCO₃-Ca型；水文地球化学主要受硅酸盐与碳酸盐矿物风化溶解控制，阳离子交换为次生修饰过程；WQI为84.78–192.82（均值132.68），整体中等水质，天然抬升的Fe与Mn为水质降级主因；非致癌危害指数（HI）与致癌风险（TCR）均低于USEPA阈值，但儿童HI（0.988）逼近限值，As与F^?为非致癌主要贡献物；研究基于单季小样本属初步结果，未来需扩大采样网络、多季节监测并结合同位素示踪以夯实结论。