中国珠江三角洲梧州市集中式饮用水源地下水中重金属的来源分析及其对健康风险的季节性影响

重金属污染特征及健康风险评估研究：以五洲市为例。本研究通过采集198份地下水样本，发现Mn、Fe、As是主要超标污染物，其中旱季污染指数（HPI）达18.0，显著高于湿季的16.1。源解析表明地质背景（28.67%）、采矿（22.70%）和农业活动（24.08%）是主要污染源，贡献率随季节动态变化。健康风险评估显示儿童非致癌风险略高于成人，西北区域风险突出。建议强化Mn、Fe、As的污染控制，优化集中供水处理工艺，并建立土壤-地下水-饮用水协同监测体系。

　　
该研究针对中国珠三角地区Wuzhou City的集中式饮用水水源地地下水重金属污染问题，通过多维度分析揭示了污染特征、来源及健康风险，并提出针对性管理建议。研究历时两年，覆盖2024年雨季和旱季共198个采样点，结合水文地质条件与污染源解析技术，建立了"污染特征-来源解析-健康风险"的系统性评估框架，为类似区域的水资源管理提供了科学依据。

一、区域水文地质特征与污染背景
研究区域位于南亚热带季风气候区，地质构造以喀斯特地貌为主，发育第四纪冲积层和基岩裂隙水系统。区域内地层分布以寒武系砂页岩、泥岩为主，侵入岩体富含锰、铁等金属元素。水文地质条件显示地下水主要受大气降水补给，径流方向由高向低垂直分布，含水层深度3-20米。这种地质背景导致自然背景值较高，叠加近三十年工业化进程加速，形成了"自然本底+人类活动"的双重污染特征。

二、污染特征与动态变化
（一）重金属浓度时空分布
1. 主要污染物：锰（Mn）、铁（Fe）、砷（As）构成污染核心，其平均浓度分别为252.73 μg/L（旱季）、191.47 μg/L（雨季）、158.23 μg/L（旱季）、101.92 μg/L（雨季）、2.28 μg/L（旱季）、2.06 μg/L（雨季）。其中，锰浓度持续超标率达42.42%-48.48%，铁浓度旱季超标率达15.15%。
2. 季节差异：旱季TDS（总溶解固体）均值达356.7 mg/L，较雨季（259.3 mg/L）高37.8%。锰、铁浓度旱季均值分别比雨季高31.6%和55.5%，呈现"旱季污染负荷加重，雨季稀释效应显现"的周期性特征。这种变化与喀斯特地区水文循环特征密切相关——旱季地下水流动减缓，污染物在裂隙水中富集；雨季降水形成裂隙水快速径流，造成污染物迁移扩散。

（二）污染程度综合评估
采用污染指数（PI）、尼默罗综合污染指数（NIPI）、重金属污染指数（HPI）构建三维评价体系：
1. PI指数显示，旱季严重污染点位占比31.3%，雨季降至13.1%。HPI指数旱季均值18.0（III类标准限值15），雨季16.1（III类标准15），验证了旱季污染更显著。
2. 空间分布呈现"两高两低"格局：西北部（喀斯特岩溶区）和矿业集中区污染程度最高，东南部农业区次之，中部居民区最低。这种空间分异与含水层结构（裂隙发育程度）、人类活动强度（矿业/农业分布）及水文循环（径流路径）的耦合作用密切相关。

三、污染来源解析与机制
（一）污染源贡献率
通过APCS-MLR模型量化三大污染源贡献：
1. 地质背景源：旱季贡献28.67%（Mn为主），雨季21.45%（Mn/Fe为主）。这源于寒武系地层中富含锰结核（平均含量达3.2%）、赤铁矿（5.7%）及砷矿床（0.15%），经风化淋滤进入地下水。
2. 采矿活动源：旱季贡献22.70%（As为主），雨季26.52%（As/Fe为主）。研究区12处金属矿产开采点（包括锰矿、铁矿、铅锌矿等）排放的含矿废水通过裂隙通道渗透，在旱季低流量时更易富集。
3. 农业活动源：旱季24.08%（Zn/Cd为主），雨季32.23%（Zn/As为主）。耕作区农药（镉含量0.8-1.2 mg/kg）和化肥（锌含量2.3-4.5 mg/kg）通过径流-渗流机制输入地下水，雨季贡献率提升37.2%。

（二）污染迁移机制
1. 地质-水文耦合作用：寒武系地层中黄铁矿（FeS?）含量达2.1%，在旱季低溶解氧条件下发生还原溶解，释放Mn2?（年均溶解量0.12 mmol/m3）和Fe2?（0.08 mmol/m3），形成地质本底污染。
2. 人类活动叠加效应：矿业废水（pH 3.2-4.5）与农业面源（N/P输入量达150 kg/ha·yr）导致重金属赋存形态改变。如雨季降雨（年均径流模数12.7 m3/s/km2）将表层土壤中吸附态砷（As(V)占比78%）转化为溶解态（As(III)占比提升至45%）。
3. 红ox条件调控：地下水氧化还原电位（-150 mV至+250 mV）变化显著影响重金属形态。旱季裂隙水缺氧（DO＜0.5 mg/L），促进Fe(III)→Fe(II)还原溶解；雨季地表水输入使DO升高至2.1 mg/L，抑制Fe(II)溶解。

四、健康风险评价与人群差异
（一）非致癌风险
1. 饮用水摄入风险：儿童风险指数（HI）旱季0.30（III类标准限值0.5），雨季0.24；成人HI旱季0.19，雨季0.15。其中，砷（As）贡献率达61.2%，锰（Mn）28.7%，铁（Fe）10.1%。
2. 皮肤接触风险：旱季HI为0.08（雨季0.07），主要来自砷（50.3%）和铁（31.2%）的悬浮颗粒物接触。

（二）致癌风险
1. 蒙特卡洛模拟显示，旱季儿童致癌风险中位数3.16×10??（95%CI 1.97-6.34×10??），成人7.44×10??（95%CI 4.72-11.9×10??）；雨季儿童2.91×10??，成人7.23×10??。
2. 风险热点：西北部（如Cangwu县）TCE（总致癌风险）达9.86×10??（儿童），远超国家风险阈值（1×10??）。

（三）人群敏感性差异
1. 儿童风险系数是成人的1.58-1.92倍，主要因器官发育未完全（胃酸pH 2.0-2.5 vs 成人3.0-3.5），导致砷摄入量增加42%。
2. 长期暴露风险：累积致癌风险（CR）年均值达7.3×10??，超过世界卫生组织建议的5×10??安全阈值。

五、综合治理策略建议
（一）污染源控制
1. 采矿污染治理：建立"矿区-地下水-地表水"联防机制，实施废水收集（沉淀池+生物滤池）和尾矿固化（水泥固化率＞85%）。
2. 农业面源防控：推广等量替代施肥（减少锌输入量30%），建设农田缓冲带（宽度≥50m），实施农药减量技术（降幅40%）。
3. 地质背景调控：在喀斯特峰林地区建设人工湿地（面积比1:5000），通过Fe/Mn氧化物吸附（去除率＞90%）改善水质。

（二）水处理工艺优化
1. 集中式处理：增设生物炭过滤（去除率As 68%，Mn 52%）、电吸附（Fe 92%）单元，出水达到GB5749-2022三级标准。
2. 居家处理：推广双级过滤系统（PAN膜+活性炭），经验证可使TCE降低76%（儿童）和63%（成人）。

（三）风险监测体系
1. 建立地下水污染源清单：划分三级管控区（核心矿业区/农业区/居民区），设置差异化的监测频率（核心区月检，一般区季度检）。
2. 开发智能预警平台：集成InSAR技术（精度±5mm）监测地表形变，结合电化学传感器（检测限0.01 μg/L）实现实时预警。

六、结论与展望
本研究揭示喀斯特地区地下水重金属污染存在显著季节分异，旱季污染贡献率比雨季高17.2个百分点。创新性采用APCS-MLR模型量化污染源（地质源＞农业源＞矿业源），发现雨季农业面源贡献率提升至32.2%，但地下水流速加快（1.2 m/d vs 旱季0.3 m/d）导致污染物迁移距离缩短40%。建议构建"空间-时间-源类"三维防控体系，重点加强旱季地质背景源管控（如实施水源地生态修复）和雨季面源截留（如建设人工湿地群）。

未来研究可拓展至：1）开发AI驱动的污染源指纹图谱技术；2）建立基于区块链的污染溯源系统；3）研究极端气候事件（如2021年持续降雨）对污染迁移的影响机制。这些技术突破将进一步提升地下水污染治理的精准性和可持续性。