理解加纳Wassa East地区地下水水质的水文地球化学：对健康风险评估的启示

《Frontiers in Water》：Understanding the hydrogeochemistry of groundwater quality in Wassa East area of Ghana: implications for health risk assessment

　　

地下水是加纳Wassa East地区社区的主要饮用水源，但面临来自集约化农业、非法手工采矿和不适当废物处置的日益增长的威胁。本研究整合了水文地球化学特征（Piper、Chadha、Gaillardet、Gibbs图）、多变量统计（主成分分析PCA、层次聚类）、结合熵权法和CRITIC（Criteria Importance Through Inter-criteria Correlation）权重的综合加权水质指数（IWQI），以及基于USEPA（美国环境保护局）的人类健康风险评估（致癌和非致癌），以评估该地区139个钻孔的地下水水质。结果表明，地下水化学主要受硅酸盐风化控制，主要水类型为Ca-Mg-HCO₃、Ca-Mg-Cl和Na-HCO₃-Cl。大多数理化参数在WHO（世界卫生组织）允许限值内，但铁（48个样品，平均值0.53?mg/L）和铬（8个样品）在局部区域超标。IWQI将大多数地下水分类为“良好”饮用水，南部/中部地区水质较差，由地质成因的铁和色度驱动。然而，健康风险评估揭示了一个更令人担忧的模式：12个样品的氰化物非致癌风险商（HQ）超过1（最大HQ?=?4.56），5个样品砷超标，8个样品铬超标。几个样品的砷和铬致癌风险超过1?×?10^?4阈值。微生物污染普遍存在（89个样品总大肠菌群阳性；35个样品大肠杆菌阳性）。危害指数（HI）地图显示，不可接受的累积非致癌风险（HI?>?1）集中在采矿和农业土地利用强度最高的北部和中部社区。该研究得出结论，尽管基于IWQI分类，Wassa East的地下水通常适合饮用，但氰化物（手工采矿）、铬、砷和微生物病原体存在显著的局部健康风险。建议在热点社区（Daboase、Odumase、New Subri Zongo）进行常规监测和针对性干预。

**研究背景与问题**

地下水是全球数十亿人口的关键饮用水源，尤其在发展中国家，常作为主要供水。然而，日益增加的人类活动特别是采矿，显著影响了地下水水质，导致潜在有毒元素浓度升高。在西非特别是金矿开采区，地下水重金属污染已成为日益关注的问题，这既源于自然地质过程，也源于人类活动。尽管已有研究关注加纳西部地区的水文地球化学特征或重金属存在，但大多侧重于单一层面，缺乏整合水文地球化学特征、多变量统计和全面人类健康风险评估的整体理解。此外，结合熵权法和CRITIC（Criteria Importance Through Inter-criteria Correlation）权重的综合加权水质指数（IWQI）在该地区地下水系统中的应用鲜有报道。Wassa East地区地下水面临来自集约化农业、非法手工采矿和不适当废物处置的威胁，且该地区是加纳西部省的重要金矿区，因此亟需开展整合性研究，以评估地下水适宜性并为健康风险防控提供科学依据。

**研究内容与结论**

研究人员在Wassa East地区于干季采集了139个钻孔的地下水样品，整合了水文地球化学特征（应用Piper、Chadha、Gaillardet、Gibbs图）、多变量统计（主成分分析PCA、层次聚类）、结合熵权法和CRITIC权重的综合加权水质指数（IWQI），以及基于USEPA（美国环境保护局）框架的人类健康风险评估（致癌和非致癌）。研究得出结论：地下水化学主要受硅酸盐风化控制，主要水类型为Ca-Mg-HCO₃、Ca-Mg-Cl和Na-HCO₃-Cl；大多数参数在WHO（世界卫生组织）限值内，但铁和铬在局部地区超标；IWQI分类显示大多数地下水为“良好”，但健康风险评估揭示出显著的局部健康风险，尤其来自氰化物、铬、砷和微生物病原体。该研究首次在Wassa East地区整合了水文地球化学、多变量统计、IWQI和USEPA健康风险评估，提供了高分辨率的地下水水质和危害指数地图，为针对性干预提供了科学依据。论文发表在《Frontiers in Water》。

**主要技术方法**

研究人员采用了一项七阶段分析框架，包括：干季（11月至3月）期间在Wassa East地区139个钻孔进行样品采集，遵循加纳标准和USEPA（美国环境保护局）协议进行实验室分析。关键方法包括：多变量统计（描述性统计、Pearson相关热图、主成分分析PCA）识别潜在因素；水文地球化学图（Piper、Gibbs、Chadha、Gaillardet图）评估地球化学演化与来源；综合加权水质指数（IWQI）结合熵权法和CRITIC（Criteria Importance Through Inter-criteria Correlation）权重，用于分类饮用水适宜性；基于USEPA模型的人类健康风险评估，计算平均每日摄入量（ADI）、风险商（HQ）和危害指数（HI），针对致癌和非致癌效应。空间制图采用ArcGIS中的反距离权重插值（IDW）进行可视化。

**研究结果**

**3.1 地下水参数的描述性统计**
通过分析29个理化参数，发现pH值范围4.01–8.16，平均6.31，显示地下水偏酸性；总溶解固体（TDS）范围30.5–806?mg/L，平均213.87?mg/L，所有样品均低于1000?mg/L，属于淡水类别。铁（48个样品超标，平均0.53?mg/L）和铬（8个样品超标）在局部区域超过WHO（世界卫生组织）限值。总大肠菌群（89个样品阳性，最高1548?CFU/100?mL）和大肠杆菌（35个样品阳性，最高200?CFU/100?mL）表明存在显著粪便污染。

**3.2 地下水质量参数之间的关系**
Pearson相关分析显示，总硬度与Ca²⁺（r=0.70）和Mg²⁺（r=0.86）呈强正相关，表明硬度主要由钙镁贡献；EC与TDS呈强正相关（r=1.00）；NO₃^?与NO₂^?呈正相关（r=0.41），指示氮物种可能与农业活动或氧化还原反应相关。pH与碱度呈负相关（r=?0.29），反映碳酸盐缓冲系统。

**3.3 化学计量分析**
**3.3.1 主成分分析（PCA）**
提取了9个主成分，解释74%方差。成分1（21.6%方差）由TDS、EC、盐度主导，反映地下水矿化梯度；成分2（12.7%方差）集合了浊度、NO₃^?、NO₂^?、Mn、Cr和CN^?，指示地表污染和金属迁移；成分3（8.7%方差）强负载Mg²⁺、总硬度和Zn，反映硬度；成分4（6.7%方差）强负载Na⁺，指示阳离子交换；成分5（6.0%方差）与As和K共负载，指示还原条件下砷释放；成分6（5.6%方差）代表pH和碱度的缓冲系统；成分7（4.7%方差）反映铁氧化还原；成分8（4.4%方差）指示微生物污染；成分9（4.0%方差）可能反映磷酸盐化肥污染。

**3.3.2 聚类分析**
层次聚类（Ward法）将样品分为两个主要宏簇：左簇（蓝色）代表大多数样品，具有中等相似的水化学条件；右簇（橙色）代表矿化或污染特征升高的样品。在PCA双标图上，19个亚簇显示了沿PC1（地质矿化梯度）和PC2（人为污染梯度）的分离，表明地下水质量受至少两个主要水化学梯度控制。

**3.4 地球化学分析**
**3.4.1 Schoeller图**
显示主要离子为钙和碳酸氢根，其次为钠、钾和氯，次要离子为硝酸根和硫酸根。

**3.4.2 Gibbs图**
TDS与Na⁺/(Na⁺+Ca²⁺)及Cl^?/(Cl^?+HCO₃^?)的图显示，大多数样品落在岩石-水相互作用区，表明水岩相互作用是地下水化学成分的主要自然来源。

**3.4.3 Piper图**
主要水文地球化学相为Ca-Mg-HCO₃、混合Ca-Mg-Cl、Na-Cl-SO₄、混合Ca-Na-HCO₃及少量Na-HCO₃类型，反映地下水矿化多样性。

**3.4.4 Chadha图**
显示主要水类型为Ca-Mg-HCO₃（补给水）和Ca-Mg-Cl（直接离子交换），少量Na-HCO₃（反向离子交换）和Na-Cl（盐分侵入或蒸发浓缩）类型。

**3.4.5 Gaillardet图**
HCO₃^?/Na⁺对Ca²⁺/Na⁺和Mg²⁺/Na⁺对Ca²⁺/Na⁺的摩尔比图显示，样品主要分布在硅酸盐风化区，伴有碳酸盐影响和少量蒸发岩贡献，表明硅酸盐风化和溶解是主要控制因素。

**3.5 水文地球化学演化综合**
多种图形方法表明，地下水化学演化从新鲜补给水（Ca-Mg-HCO₃）通过离子交换反应（Ca-Mg-Cl、Na-HCO₃）逐渐演变，反映滞留时间、水流路径长度和人为污染源接近度的差异。

**3.6 健康评估**
**3.6.1 致癌风险**
砷和铬被确定为致癌风险。5个样品（3.6%）的砷致癌风险超过1×10^?4阈值，8个样品（5.8%）的铬致癌风险超标，最大致癌风险值分别为0.00375和0.001966。

**3.6.2 非致癌风险**
对6种重金属评估非致癌风险，锌、铁、锰的风险商（HQ）在可接受范围内；12个样品氰化物HQ超过1（最大4.56），5个样品砷HQ超过1，8个样品铬HQ超过1。危害指数（HI）地图显示，北部和中部社区（Daboase、Odumase、New Subri Zongo等）累积HI>1，表明存在不可接受的非致癌健康风险。微生物污染（89个样品总大肠菌群阳性，35个样品大肠杆菌阳性）也构成重要公共卫生问题。

**总结讨论与结论**

讨论部分指出，综合加权水质指数（IWQI）与健康风险评估捕捉了地下水质量的不同维度：IWQI对地质矿化（铁、色度、硬度）敏感，而危害指数（HI）则反映人为污染的特异性毒理学负担。研究结果强调，尽管IWQI分类显示大多数地下水为“良好”，但局部存在氰化物（与手工采矿相关）、铬、砷和微生物病原体的显著健康风险，且北部和中部社区风险最高，与采矿和农业土地利用强度一致。研究建议在热点社区建立常规监测网络，优先监测砷、铬、氰化物、硝酸盐和微生物参数，并加强对手工和小规模采矿的监管。

**结论翻译**：本研究结果表明：Wassa East地区的地下水矿化主要源于硅酸盐风化，碳酸盐和蒸发岩溶解或风化贡献较小，主要水类型为Ca-Mg-HCO₃、Ca-Mg-Cl和Na-HCO₃。地下水通常呈微酸性至中性。大多数地下水参数在允许限值内，但铁和铬的平均浓度超过标准允许限值。共有48个样品（分散分布）铁超过WHO（世界卫生组织）限值，8个样品（全区散布）铬超过WHO限值。然而，总体而言，地下水质量被分类为良好。健康风险评估表明，Wassa East当前地下水消费对大多数人口处于可接受范围内。然而，在特定社区存在显著的局部健康风险，其中致癌和非致癌阈值均被超过。本研究基于单次干季采样，地下水质量可能呈现季节性变化，未来研究应纳入湿季和干季采样以全面了解时间变化。基于这些发现，建议建立常规地下水监测网络，优先考虑已识别的热点社区，特别是具有双重暴露风险的社区，建议每季度对关键污染物（砷、铬、氰化物、硝酸盐和微生物参数）进行采样，以追踪时间变化并评估缓解措施的有效性。应确保对手工和小规模采矿活动实施更严格的法规，包括促进化学品负责任处理、建立采矿点与水源之间的缓冲区，以及恢复废弃矿地，以防止氰化物和金属继续淋滤进入含水层。科学贡献和实践意义包括：该研究首次在Wassa East地区整合了水文地球化学特征、多变量统计、IWQI和基于USEPA的健康风险评估；IWQI的应用提供了比传统指数更稳健客观的地下水质量评估；PCA提供了多过程系统理解，区分了地质来源和人为压力；该研究提供了地区高分辨率的地下水质量和危害指数地图，使针对性干预成为可能，资源可集中于特定社区（Daboase、Odumase、New Subri Zongo）。