阿尔及利亚东北部工业化沿海含水层中的严重地下水污染：综合水文地球化学表征以及环境与人类健康风险评估

《Journal of Hydrology: Regional Studies》：Severe groundwater contamination in an industrialized coastal aquifer of northeastern Algeria: Integrated hydrogeochemical characterization and assessment of environmental and human health risks

　　

研究区域：本研究调查了阿尔及利亚东北部斯基克达（Skikda）地区的地下水水质，该地区以密集的工业活动、农业压力和海水入侵为特征。

研究焦点：工业化沿海地区的地下水水质正面临人为污染的严重威胁。研究人员分析了四十四份地下水样本中的17项理化参数和重金属（Cd, Cr, Pb, Ni, Cu, Zn）。采用结合自组织映射、主成分分析、PHREEQC地球化学建模和多路径健康风险评估的综合框架，来识别污染源、阐明水文地球化学过程，并评估环境和人类健康风险。

水文学新见解：所有样本的Cd、Cr和Pb含量均超过了世界卫生组织（WHO）的饮用水标准。SOM识别出三个聚类，分别代表极端工业污染、中度污染与碳酸盐溶解以及海水入侵。PCA验证了这些发现，将方差归因于工业污染、海水入侵和原位地质输入。PHREEQC建模证实了碳酸盐和蒸发岩溶解对水质有显著影响。环境指标表明含水层系统受到严重污染。健康风险评估模型表明，在所有采样区域，潜在的非致癌风险（HI > 1.0）和致癌风险（CR > 1 ×10^-4）大幅超过标准监管阈值。基于暴露模型，儿童是风险最高的弱势群体，其计算出的平均危害指数（HI）和总致癌风险（TCR）值表明迫切需要地下水管理和寻找替代水源。研究结果为评估受类似影响的工业化地中海沿海含水层提供了可复制的方法论框架。

研究背景与意义：地下水重金属污染是全球面临的最严峻的环境和公共健康挑战之一，尤其在快速工业化、集约化农业和沿海含水层退化的地区。地中海沿海地区由于人为压力与自然水文地质过程的叠加，地下水水质极易恶化。工业废水和海水入侵会通过阳离子交换和形成可溶性金属-氯络合物增强重金属的迁移能力。阿尔及利亚东北部的斯基克达地区是这种复杂相互作用的典型代表，拥有大型石化设施、集约农业和发生海水入侵的沿海含水层。尽管地下水是该地区灌溉和生活用水的主要来源，但结合先进统计、地球化学建模和多路径健康风险评估的综合研究仍然有限。因此，研究人员开展了这项研究以全面评估该地区地下水重金属污染状况，填补知识空白。该研究不仅揭示了污染现状和健康风险，还为面临类似环境挑战的工业化沿海地区提供了关键的科学证据和可复制的方法论框架。该论文发表在《Journal of Hydrology: Regional Studies》上。

主要技术方法概括：样本队列来源于2024年3月在阿尔及利亚斯基克达沿海平原采集的44口水井的地下水样本，涵盖浅层和深层含水层系统。研究人员在现场测定了pH、电导率（EC）等物理参数，并在实验室利用滴定法、火焰光度法和原子吸收光谱法（AAS）测定了17项理化参数及6种重金属浓度。随后应用自组织映射（SOM）和主成分分析（PCA）进行多元统计分析以识别污染源和聚类；利用PHREEQC进行矿物饱和指数计算以解析水文地球化学过程；采用美国国家环境保护局（USEPA）模型评估了多种重金属污染指数和经口、皮肤接触途径下的非致癌与致癌健康风险。

研究结果：
3.1. Chemical description of the measured parameters（理化参数的化学描述）：通过分析44个样本的理化参数，发现地下水呈中性至弱碱性，这种pH条件使得Cd²⁺、Pb²⁺保持自由离子形态且具有高迁移性，Cr(VI)则以CrO₄^2-形式存在。总溶解固体（TDS）与Cl^-和Na⁺显著正相关，指示海水入侵是主要咸化机制。重金属Cd、Cr、Pb和Ni在绝大部分样本中严重超标，且浓度从沿海工业区向内陆农业区递减，表明工业废水是主要污染源。

3.2. Hydrochemical evaluation（水文地球化学评价）：通过SOM分析将样本划分为三个具有不同水文地球化学特征的聚类：极端工业重金属污染、以水岩相互作用和碳酸盐溶解为主的中度污染、以及由海水入侵主导的咸化。PCA提取了三个主成分，分别代表自然水岩相互作用与海水入侵、人为工业重金属污染、以及涉及硫酸盐和农业活动的局部次生过程，验证了SOM的结果。PHREEQC地球化学建模表明碳酸盐矿物多处于平衡或过饱和状态，而石膏、硬石膏和岩盐普遍不饱和，证实了碳酸盐和蒸发岩溶解对水质的显著影响及海水入侵导致的同离子效应。Piper图显示水化学相主要为混合Ca-Mg-Cl/SO₄型和Na-Cl型，反映了沿海地区海水入侵和水岩作用的演化。

3.3. Environmental risk assessment of metals（金属的环境风险评估）：通过计算重金属污染指数（HPI）、污染程度、地累积指数和生态风险指数（ER）评估环境风险。结果显示，所有样本的HPI值均远超临界值100，达到严重污染级别；Cd指数显示多元素复合污染极重；Igeo证实Cr、Cd和Pb属极度人为污染，主要源于电镀和电池制造等工业活动；ER分析表明Cd对生态系统总风险的贡献高达99.3%，是主导的重金属威胁。

3.4. Non-carcinogenic health risk（非致癌健康风险）：通过危害商（HQ）和危害指数（HI）模型评估了经口和皮肤接触风险。结果表明，所有样本的口服HI值均大于1.0，存在不可接受的非致癌健康风险，且口服途径风险远高于皮肤接触。儿童因单位体重摄水量大、胃肠道吸收率高，其口服和皮肤接触风险均显著高于成人。Pb、Cd和Cr(VI)是主要的非致癌风险贡献元素。

3.5. Carcinogenic risk（致癌风险）：通过终生致癌风险（CR）和总致癌风险（TCR）评估。经口摄入是主要的致癌途径，所有样本的口服TCR均值达到2.75 ×10^-3，远超1 ×10^-4的不可接受风险阈值。Cr(VI)和Cd是主导致癌物。研究指出，长期饮用该地下水会对当地居民，特别是儿童，构成严重的公共健康隐患。

讨论总结与研究结论翻译：
在讨论部分，研究人员将研究结果与区域及国际文献进行了对比，证实了工业区点源排放是含水层退化的主要驱动因素。研究提出了新的政策与干预建议：首要干预措施是为依赖浅层井水的社区提供替代饮用水源；中期需强制执行工业废水预处理标准并建立地下水保护区；此外还需建立包括季节性采样和铬形态分析在内的长期监测网络。研究也指出了局限性，如依赖保守的USEPA暴露参数、未进行铬的直接形态测量、以及研究仅为单季节快照等。

研究结论部分翻译如下：
本研究结合了SOM、PCA、PHREEQC地球化学建模和多路径健康风险评估，对阿尔及利亚东北部斯基克达沿海含水层的地下水水质进行了综合评估。结果表明，工业重金属污染、海水入侵和自然碳酸盐与蒸发岩溶解这三个主要过程控制着研究区的地下水化学。这三种独立分析方法在同一控制因素上的趋同增强了来源解释的可信度，但也承认确定性的来源判定仍需同位素或示踪数据。

健康风险评估表明，该地下水构成了重大的非致癌风险，经口途径的成人平均HI值为11.22，儿童为26.19，均大幅超过USEPA的1.0阈值。Cd、Pb和Cr(VI)被确定为非致癌风险的主导因素。TCR值范围为1.03 ×10^-3至8.68 ×10^-3（平均2.75 ×10^-3），在所有44个采样点均超过了USEPA的1 ×10^-4不可接受阈值。这些结果表明，未经处理长期饮用该地下水会构成重大的公共健康隐患，特别是对于因体重较低和摄入体重比较高而表现出更高暴露剂量的儿童。然而，应当注意的是，健康风险模型基于保守的USEPA暴露假设和最坏情况下的铬形态估计；实际风险可能因当地暴露模式、饮食习惯以及含水层中真实的Cr(VI)/Cr(总)比值而有所不同。

在方法学上，本研究采用的综合方法被证明在表征复杂多源污染系统方面是有效的。SOM划分出了三个不同的水文地球化学聚类，并得到了PCA的独立支持，以及通过PHREEQC饱和指数建模的地球化学解释。这些方法的趋同提供了一个可复制的分析框架，适用于其他工业化沿海含水层系统。从环境管理的角度来看，研究结果支持几项基于证据的建议：首先，工业区污染集中的空间分布表明，针对性的源头控制（即执行工业废水预处理标准）将是最有效的近期干预措施；其次，鉴于研究区Cd、Cr、Pb和Ni含量普遍超过WHO饮用水指南，有必要为依赖浅层冲积井的社区提供替代饮用水源；第三，建立系统的长期地下水监测网络将大大减少未来风险评估的不确定性。