加纳北部Gushegu市地下水氟化物与硝酸盐污染：水文地球化学驱动机制、机器学习预测及健康风险评估

本刊推荐：本研究揭示加纳北部Volta盆地地下水氟(F-)和硝酸盐(NO3-)污染机制，通过水文地球化学分析与机器学习(ML)建模，发现93.3%样本氟超标（均值6.38 mg/L），40%硝酸盐超标（均值38.1 mg/L）。多元线性回归(MLR)预测精度最佳（R2=0.901/0.666），健康风险评估显示婴儿危害指数(HI)最高（氟HI≤45.69），为干旱区水质管理提供可迁移范式。

　　

研究亮点

地理位置、气候、地形、水文与植被

Gushegu市位于加纳北部，距区域首府Tamale 105公里，属热带气候，年降水量1000-1500毫米，旱雨季分明。地形以起伏平原为主，植被以热带草原和农业作物为特征。

一般理化特性与标准符合性

地下水样本呈现多样化理化特性（详见表2），碱性条件显著（pH 6.42-9.55，均值8.24），与奥蒂-彭贾里组沉积岩层特性一致。氟化物浓度范围0.001–19.5 mg/L（均值6.38 mg/L），93.3%样本超出世界卫生组织(WHO)限值（1.5 mg/L）；硝酸盐(NO₃^-)范围2.50–92.5 mg/L（均值38.1 mg/L），40%样本超出50 mg/L标准。总溶解固体(TDS)和电导率(EC)值显示中等矿化度，主导离子为Mg²⁺和HCO₃^-，形成Mg-K-HCO₃水型。

氟化物释放的地质控制机制

奥蒂-彭贾里组破裂风化岩层延长了水-岩相互作用时间。缓慢的地下水流速和碱性条件（pH >8）促进了白云母和黑云母等矿物的溶解，导致氟(F^-)富集。pH与氟化物间的强正相关性（r = 0.94）证实碱性环境增强了矿物中氟的释放。多数地下水样本呈碱性，饱和指数计算显示氟石和方解石处于饱和状态，而萤石未饱和，表明氟化物从含氟硅酸盐矿物（如云母）中持续溶解。高浓度氟化物与HCO₃^-和Na⁺的正相关性支持硅酸盐风化是主要释放机制。Gibbs图进一步证实岩石风化主导离子化学，而非蒸发或大气降水影响。

结论

本研究揭示了加纳北部Gushegu市地下水污染的关键洞察。水文地球化学分析确定Mg-K-HCO₃为优势水型，93.3%样本超出WHO氟化物限值（1.5 mg/L），40%超出硝酸盐阈值（50 mg/L）。氟污染主要源于地理源性过程，包括硅酸盐风化和水-岩相互作用，pH对氟化物迁移性具有最强控制力（r = 0.94）。