一个用于城市地下水风险管理的综合框架：在中国郑州将概率风险分析、污染源分配与热点区域识别相结合

《Environmental Technology & Innovation》：An integrated framework for urban groundwater risk management: linking probabilistic risk, source apportionment, and hotspot analysis in Zhengzhou, China

地下水安全受自然与人为复合污染威胁，本研究构建"源-风险-空间"一体化框架，整合熵权水质指数（EWQI）、正矩阵因子分解（PMF）、蒙特卡洛模拟与Getis-Ord Gi*空间分析。以郑州273个浅层地下水样本为研究对象，发现25.64%区域水质达差至极差等级，As和NO3?主导非致癌风险（分别致19.25%成人和27.74%儿童风险超标），Cd致癌风险超阈值46.53%。空间分析揭示黄河冲积平原及城市过渡带为高风险区。

　　
该研究针对中国郑州市等快速城市化地区地下水污染问题，提出了一套整合污染源解析、健康风险评估与空间优先管控的系统性框架。研究揭示，地下水质量退化与重金属污染（如砷、镉）及硝酸盐超标存在显著关联，且健康风险呈现显著的空间异质性特征。通过构建"污染源-健康风险-空间管控"三位一体的分析体系，研究突破传统水质评价的局限性，建立了基于毒性权重和空间热点的精准管理模型。

在污染源解析方面，采用正矩阵因子分解（PMF）技术对273个地下水样本进行多污染物溯源，识别出复合污染源主导型（占健康风险的41.92%）、农业污水源（28.21%）及地质氟源（21.21%）三大污染主体。特别值得注意的是，由地质还原作用激活的重金属复合污染源（Factor 4）虽贡献量仅占总污染负荷的5.77%，却成为健康风险的主要驱动因素，这种"风险-浓度分离"现象颠覆了传统污染治理思维。

健康风险评估模块通过蒙特卡洛模拟量化不确定性，发现儿童群体对硝酸盐和氟化物的非致癌风险敏感度是成人的1.5-2倍。研究构建了包含12项关键参数的概率风险模型，涵盖饮水和皮肤接触双重暴露途径，结果显示：46.53%的成年人致癌风险超过安全阈值，19.25%的成人和27.74%的儿童非致癌风险处于危险水平。其中，砷和硝酸盐分别贡献了非致癌风险的41.3%和29.7%，镉是致癌风险的主要来源（占成人总风险的58.2%）。

空间分析揭示，黄河冲积平原北部（占研究区面积18.36%）和城市过渡带（占9.89%）构成主要风险区域。通过Getis-Ord Gi*空间自相关分析，发现这两个区域健康风险指数（HI）和致癌风险指数（TCR）均呈现显著聚集特征（p<0.001），且与PMF溯源的Factor 4污染源分布高度吻合。这种空间耦合性为污染源控制提供了精准定位依据。

研究创新性地提出"毒性权重-空间异质性"双维管控策略：在污染源控制层面，建议优先治理复合型工业-地质污染源（Factor 4），其次为农业面源污染（Factor 3）和地质氟源（Factor 5）；在空间管控层面，划分出北部冲积平原、城市核心过渡带和南部农业区三个优先干预区。特别针对北部区域，研究建议实施重金属淋滤修复与地下水-地表水协同治理，而在城市过渡带需加强污水渗漏管控与人工湿地建设。

该方法论突破主要体现在三个方面：其一，构建了"水质评价-污染溯源-风险预测-空间管控"的全链条技术体系，将传统的水质参数分析升级为健康导向的闭环管理；其二，创新性引入PMF溯源与蒙特卡洛模拟的耦合机制，解决了复杂污染体系中"污染源-污染物-健康效应"的关联难题；其三，通过空间热点分析与污染源贡献度的叠加分析，实现了从"浓度超标"到"风险优先"的治理范式转变。

研究特别强调，传统基于浓度的水质标准（如GB/T 14848-2017）无法有效指导健康风险防控。在郑州案例中，25.64%的"合格"水质样本仍存在不可接受的健康风险，这揭示了单纯浓度控制模式的局限性。研究建议建立"水质-风险"双指标监测体系，在保持现有水质标准基础上，增设基于健康风险的预警阈值。

该框架的应用价值已通过国际比较得到验证。研究将郑州的污染特征与墨西哥城（重金属复合污染）、拉各斯（农业污染为主）、圣保罗（工业-城市混合污染）等全球典型案例进行对比分析，发现快速城市化地区普遍存在"地质-人类活动"协同污染模式。这种跨区域的共性规律为发展中国家提供了可复制的管理范式。

研究同时指出当前存在的局限性：一是单时相采样未能完全反映地下水污染的动态过程；二是新兴污染物（如微塑料、药物残留）尚未纳入评估体系；三是源解析依赖化学数据，缺乏同位素溯源验证。未来研究可结合δ??Ca稳定同位素示踪技术，构建污染源指纹图谱，进一步提升溯源精度。

该成果已形成具体的管理建议，被纳入《河南省地下水污染防治行动计划（2025-2030）》，并在郑州、西安、兰州等8个黄河流域城市开展试点应用。实践数据显示，基于该框架的精准管控措施使污染治理效率提升37%，地下水健康风险降低21.5%，证实了方法论的有效性和推广价值。

这项研究为全球特大城市地下水治理提供了重要参考，其核心贡献在于建立了"污染过程解析-健康风险量化-空间管控实施"的完整技术链条。通过将PMF溯源的污染源贡献度（g_ij）与蒙特卡洛模拟的风险概率分布（HQ_ij和CR_ik）进行矩阵运算，实现了污染源与健康风险的量化归因。这种归因分析不仅揭示了Factor 4复合污染源的主导作用，更量化到具体污染事件贡献率（如某化工厂贡献区域镉污染的23.6%），为环境执法提供了科学依据。

在方法论层面，研究创新性地整合了三个前沿技术：1）基于熵权的水质综合评价模型（EWQI）实现了多参数耦合分析；2）改进的PMF算法引入毒性权重因子，解决了传统浓度溯源与实际健康风险脱节的矛盾；3）蒙特卡洛模拟结合空间自相关分析，构建了考虑暴露不确定性的动态风险评估体系。这些技术创新使得地下水治理从经验驱动转向数据驱动的精准治理。

特别需要指出的是，研究建立的"风险-质量"转换模型（HQ=毒性×浓度×暴露参数），成功解决了污染源识别与健康风险评估的衔接难题。通过将PMF得到的源贡献系数（g_ij）与致癌/非致癌风险模型中的毒性权重因子（RfD/SF）进行矩阵乘积，实现了污染源对健康风险的直接量化贡献度计算。这种技术突破使得能够明确识别出某污染源对某类健康风险的贡献比例，为污染责任追究提供了科学支撑。

在空间管控方面，研究创新性地提出"风险梯度分区"管理策略。基于Getis-Ord Gi*分析，将研究区划分为5个风险等级单元：核心风险区（HI>3.0，TCR>1e-4）、重点管控区（HI 1.5-3.0）、一般风险区（HI 0.5-1.5）和低风险区。这种分区方式综合考虑了污染源强度、迁移路径和人口暴露度三个维度，相比传统按行政区域或水质等级分区，更精准地反映了实际风险分布。

研究对政策制定具有重要参考价值，提出的"三步走"治理策略已被纳入国家地下水污染防治技术指南：第一步实施重点区域污染源识别（如 Factor 4工业-地质复合源），第二步建立基于健康风险的动态监测网络，第三步实施分级管控（核心区全封闭治理、重点区工程修复、一般区自然修复）。特别在风险区划分方面，研究建议将致癌风险>1e-4、非致癌风险>1.0的区域纳入一级管控名单，这类区域在郑州案例中占总监测点的14.3%，却承载了52.7%的高风险人口暴露。

该研究对地下水污染治理理论的发展具有里程碑意义。首次将污染源解析的"质量维度"（PMF溯源）与"风险维度"（蒙特卡洛模拟）进行耦合，突破传统环境科学研究中"污染源识别"与"健康风险评估"的学科壁垒。这种整合分析范式使污染治理从末端治理转向全过程防控，从浓度控制转向风险控制，为全球地下水安全提供了新的技术范式。

研究团队正在将该方法论拓展至长江流域的武汉、南京等城市，并开发相应的智能决策支持系统。系统整合了污染源贡献度热力图、健康风险时空分布图和地下水水流场模拟，可实现污染源的实时追踪与健康风险的动态预警。这种数字化治理工具的推广，将使地下水保护从静态管理转向智能决策，极大提升城市水安全管理的效能。