银川平原地下水水化学特征与潜在健康风险评估

《Water》：Hydrochemical Characteristics and Potential Health Risk Assessments of Groundwater Resources in the Yinchuan Plain, China

　　

地下水水质是制约经济可持续和健康发展的关键因素，尤其是在水资源匮乏地区。在自然过程和人类活动的共同影响下，了解银川平原地下水水化学演化与污染状况，对于该地区地下水资源的有效管理至关重要。本研究采集了94个潜水地下水样品，并整合传统水化学方法、熵权水质指数（entropy-weighted water quality index, EWQI）和人类健康风险评估（human health risk assessment, HHRA）模型，分析了银川平原地下水水化学特征、水质以及硫酸盐和硝酸盐相关健康风险。结果表明，沿地下水流动方向，地下水化学类型由HCO₃-Ca型及混合型转变为Cl-Na型。岩石风化和蒸发被确定为影响地下水化学的主要因素。SO₄^2?浓度主要受石膏溶解和蒸发作用控制。EWQI评价显示，31.91%的样品不适合饮用。水质较差的样品主要集中于惠农县、平罗县、贺兰县及利通区南部。此外，HCO₃^?、K⁺、NO₃^?、pH、SO₄^2?和Na⁺的高综合权重表明这些参数在地下水数据集中具有较高的信息含量和变异性。长期暴露于高浓度硫酸盐和硝酸盐可能造成潜在健康风险。研究发现，孕妇和哺乳期妇女的潜在健康风险高于10岁以上人群，应引起社会和学术界更多关注。本研究旨在为确定优先监测区域、优先关注的关键地下水污染物以及制定有针对性的污染控制措施提供依据。将地下水水质监测、污染源控制和可持续地下水利用规划相结合，可支持银川平原地下水资源的长期保护与可持续利用。

地下水作为世界上最大的淡水储存库，在维持生态平衡和支撑生产生活中具有不可替代的作用。近年来，在气候变化与人类活动加剧的双重影响下，地下水水质急剧恶化，已成为制约中国等发展中国家可持续发展的关键问题，尤其在干旱半干旱地区，地下水循环缓慢、污染后难以修复。银川平原地处黄河中上游，是宁夏回族自治区的政治和经济中心，地下水开发利用日益受到重视。然而，以往研究多集中于银川、永宁等中部地区，针对整个银川平原的地下水系统研究仍较薄弱，且同时评估NO₃^?和SO₄^2?健康风险的工作较为稀缺。为此，研究人员开展了本次研究，旨在全面识别地下水水化学特征、评价水质状况、量化硫酸盐和硝酸盐对人体健康的潜在风险，并为区域地下水管理提供科学依据。

研究人员于2021年6月从国家地下水质量监测井采集94个潜水地下水样品，依据相关标准进行保存与测试。主要技术方法包括：传统水化学统计分析、Piper图、Gibbs图、离子比例系数及Spearman相关分析，用于识别水化学类型和控制因素；熵权水质指数（EWQI）用于综合评价地下水质，通过信息熵客观确定指标权重；美国环境保护署（USEPA）推荐的人类健康风险评估（HHRA）模型，通过计算经口摄入剂量和危害商（HQ）评估不同年龄及生理状态人群的非致癌风险。

**4.1 地下水化学特征及空间分布**：通过94个样品的水化学参数统计，发现地下水总体呈中性至弱碱性，pH范围为6.87–8.78；TDS范围为214–28164 mg/L，48.94%的样品超标；总硬度（total hardness, TH）均值为876 mg/L，约52.13%的样品为极硬水。阳离子平均浓度顺序为Na⁺ > Mg²⁺ > Ca²⁺ > K⁺，阴离子平均浓度顺序为Cl^? > SO₄^2? > HCO₃^?。空间插值显示，高浓度Na⁺和SO₄^2?分布一致，TDS、TH、Ca²⁺、Mg²⁺、Cl^?、NH₄⁺的最高值出现在贺兰东部，NO₃^?高值区位于大武口北部、西夏区西南、兴庆西南及永宁西部。Spearman相关分析表明TDS与Ca²⁺、Mg²⁺、Na⁺、Cl^?、SO₄^2?显著正相关。

**4.2 地下水水化学类型**：Piper图显示，研究区地下水主要存在三种水化学类型，即混合型、Cl-Na型和HCO₃-Ca型。随着TDS升高，水类型由HCO₃-Ca型向Cl-Na型演化，反映自然因素对水化学的显著影响。

**4.3 地下水化学控制因素**：Gibbs图显示，近半数样品落在岩石主导区，其余落在蒸发主导区，指示岩石风化与蒸发是地下水化学的主要控制因素。离子比例关系表明，Na⁺和Cl^?主要来自蒸发岩溶解，阳离子交换是过量Na⁺的重要来源；方解石、白云石和石膏溶解对Ca²⁺、HCO₃^?和SO₄^2?贡献较大。NO₃^?/Na⁺与Cl^?/Na⁺关系及NO₃^?/Cl^?与Cl^?关系表明，地下水硝酸盐污染主要来自人为输入，如粪便和污水。

**4.4 基于EWQI的地下水水质综合评价**：EWQI值范围为29.37–920.43，平均值为126.23。其中29.79%为良好级，38.30%为中等，11.70%为差，20.21%为极差，即31.91%的样品不适合直接饮用。高权重参数为HCO₃^?、K⁺、NO₃^?、pH、SO₄^2?和Na⁺，它们对EWQI值贡献较大。空间上，水质较差区域位于惠农、平罗、贺兰及利通区南部，与农业活动、城镇污染排放和浅埋深蒸发浓缩密切相关。

**4.5 人体健康风险**：基于USEPA的HHRA模型，计算了不同年龄及生理状态人群的HQ值。结果发现0–2岁和2–10岁年龄组HQ最高，平均HQ均大于1，表明存在较高潜在健康风险。孕妇和哺乳期妇女的HQ介于10–16岁组和2–10岁组之间，且哺乳期妇女风险高于孕妇。HQ>1的比例在0–2岁和2–10岁组均为91.49%，在10–16岁组为78.72%，在>16岁组为71.28%。这表明儿童、孕妇和哺乳期妇女为高风险敏感人群，现有NO₃^?和SO₄^2?限值可能不足以保护这些人群。

讨论部分强调，熵权重高的参数反映水岩作用、人为输入等信息，但不应视为因果控制证据。从管理角度，应提高银川平原北部监测频率，将SO₄^2?和NO₃^?列为优先监测参数，并区分自然地球化学贡献与人为输入；农业区需改进施肥和灌溉管理。HHRA属于筛选级暴露评估，HQ不表示实际健康结局，未来需借助年龄和妊娠特异性毒代动力学参数进行更精细评价。

研究结论：银川平原地下水总体呈弱碱性，以硬水和极硬水为主。阳离子以Na⁺为主，阴离子以Cl^?为主；约51%的采样点SO₄^2?超过世界卫生组织（WHO）饮用水标准（250 mg/L），石膏溶解是主要原因。水化学类型包括混合型、Cl-Na型和HCO₃-Ca型，受岩石风化和蒸发控制。EWQI评价表明31.91%的样品不宜直接饮用，其中HCO₃^?、K⁺、NO₃^?、pH、SO₄^2?和Na⁺对水质影响显著。北部地区应作为未来监测和保护重点。硫酸盐和硝酸盐相关健康风险评价显示，长期直接饮用对0–10岁儿童、哺乳期妇女和孕妇存在潜在健康风险。该研究为优先监测区域识别、优先污染物确定及污染控制措施制定提供了依据，可支持银川平原地下水资源的长期保护与可持续利用。