中国西南重庆城区地下水硝酸盐污染源解析与健康风险评价

本研究针对城市地下水硝酸盐(NO3?)污染问题，通过整合自然背景水平(NBLs)、莫兰指数和贝叶斯MixSIAR模型，揭示了农业活动为主要污染源(贡献率27.7%-77.6%)，发现儿童面临显著非致癌风险(最大危害指数达15.553)，并采用FEFLOW模拟了污染物沿岩层走向的迁移规律，为全球城市地下水硝酸盐治理提供了科学依据。

　　

随着城市化进程加速，地下水作为全球超过50%人口的主要饮用水源，正面临日益严重的硝酸盐(NO₃?)污染威胁。过量硝酸盐摄入与高铁血红蛋白血症、致癌风险等健康问题密切相关，而含水层的自净能力受地质介质特性和水文条件等因素制约，呈现显著空间异质性。在中国西南部重庆这个拥有3190万人口的超大城市，农业活动与市政运营导致硝酸盐在含水层中过度积累，但关于硝酸盐的具体来源、迁移路径及其健康风险的系统研究仍存在空白。

为应对这一挑战，西南交通大学的研究团队在重庆主城区采集了41个地下水样本，开展了一项多方法融合的综合研究，成果发表于《Journal of Hydro-environment Research》。研究人员采用现场采样与实验室测试相结合的方式获取水化学参数，运用自然背景水平(NBLs)和莫兰指数识别异常污染区域，通过贝叶斯MixSIAR模型量化不同污染源的贡献比例，并借助FEFLOW软件构建二维溶质运移模型模拟硝酸盐迁移过程，最后采用确定性模型和概率模型相结合的方法评估健康风险。

研究结果揭示四个方面的重要发现：

4.1. 水化学结果

地下水样品中硝酸盐浓度范围为0.00-306.14 mg/L，平均值为19.47 mg/L，约20%的样品超过饮用水标准限值(20 mg/L)。Ca-HCO₃型水为主要水化学类型，硝酸盐成为研究区超标的主要化学参数。

4.2. 地下水NO₃?浓度的空间变异

高硝酸盐浓度主要分布在观音峡背斜区域，最高值达306.14 mg/L(采样点"S41")。NBLs分析确定硝酸盐背景值上限(NBL_up)为23.82 mg/L，下限(NBL_low)为0.19 mg/L。莫兰指数(0.18)和LISA分析表明硝酸盐浓度在空间上呈现显著聚集趋势，热点区域集中在观音峡背斜北部。

4.3. 同位素特征

δ²H-H₂O和δ¹⁸O-H₂O值表明大气降水是地下水主要补给源。δ¹⁵N-NO₃^-值范围(-2.13‰至13.42‰)和δ¹⁸O-NO₃^-值范围(-0.80‰至4.86‰)显示硝酸盐来源多样。

4.4. 扩散模型构建

基于地质剖面A-B建立的二维硝酸盐运移模型包含16,510个计算网格，模型验证显示模拟水头与观测值吻合良好(DV=0.03191 m)，证实了模型可靠性。

5.1. 硝酸源解析

水化学图解和贝叶斯MixSIAR模型分析表明农业活动是地下水NO₃?的主要来源。化学肥料(CF)在观音峡背斜热点区域贡献超过70%("S9":70.3%、"S30":77.1%、"S41":72.8%)，而河谷区域以生活污水和粪便(DSM)为主要来源("S26":38.2%、"S33":37.6%)。不确定性分析显示大气沉积(AD)的UI₉₀值最低(0.1557)，结果最稳定。

5.2. 地下水中NO₃?迁移的模拟与预测

FEFLOW模拟显示硝酸盐主要沿岩层走向向下迁移。一年期模拟表明高硝酸盐水体从污染源迁移约129.49米，五年、十年和二十年后分别延伸至138.80米、141.16米和249.15米。

5.3. 地下水硝酸盐相关的人类健康风险

确定性模型显示儿童HI值范围0-15.553(均值0.862)，成人HI值范围0-4.648(均值0.296)，17.07%的儿童样本和4.88%的成人样本超过健康风险阈值(HI=1)。概率模型分析中，非参数方法(核密度估计KDE)比参数方法更能准确反映含异常值数据集的特性，儿童和成人HI超过阈值的比例分别为14.72%和2.12%。Bootstrap重采样验证表明确定性估计与蒙特卡洛模拟结果一致(95%置信区间包含零)。

研究结论表明，重庆城区地下水硝酸盐污染主要源于农业活动，特别是在观音峡背斜区域，化学肥料贡献超过70%。硝酸盐沿岩层走向向下迁移，可能对下游地区造成长期污染。儿童是最易受硝酸盐非致癌风险影响的群体，采用核密度估计的非参数蒙特卡洛模拟方法在健康风险评价中表现更为可靠。这些发现为制定针对性的地下水保护策略提供了科学依据，建议加强农业施肥管理、实施分区供水策略，并优先保护儿童健康。

研究也存在一定局限性：仅基于旱季样本数据，未来需要补充湿季采样；硝酸盐转化过程需要进一步研究；当前二维模型简化了水文地质条件，缺乏钻孔数据支持三维模拟。未来研究应加强钻孔勘探和水文地质调查，支持三维地下水流和溶质运移建模，为重庆地区地下水硝酸盐治理提供更全面的科学支撑。