埃及西部沙漠绿洲努比亚砂岩含水层中天然放射性核素的辐射特征与健康风险评估

《Applied Radiation and Isotopes》：Radiological signatures and health risks of natural radionuclides in the Nubian Sandstone Aquifer across Egypt's Western Desert oases

　　

研究人员完成了对埃及西部沙漠绿洲努比亚含水层（Nubian Aquifer）地下水的首次辐射评估，覆盖4个绿洲。²¹⁰Pb、²³⁸U、²²⁶Ra和²²⁸Ra的活度浓度超过了世界卫生组织（World Health Organization, WHO）的筛查限值。放射性核素的迁移性取决于矿物组成，而非总体水盐度。成人和儿童的年有效剂量（annual effective dose equivalent, AEDE）超过了WHO限值。超额终生癌症风险（excess lifetime cancer risk, ELCR）显著超过了安全阈值。

本解读基于一项针对埃及西部沙漠绿洲努比亚砂岩含水层系统（Nubian Sandstone Aquifer System, NSAS）地下水的天然放射性核素综合评估。该研究填补了该区域系统性辐射数据缺失的空白，并为战略水资源的管理提供了科学依据。

研究背景方面，埃及超过97%的可再生供水依赖尼罗河，而人口增长、气候变化以及埃塞俄比亚复兴大坝（Grand Ethiopian Renaissance Dam, GERD）的建设加剧了水资源压力。政府因而将西部沙漠的努比亚砂岩含水层作为替代水源。该含水层是地球上最大的化石含水层之一，储存水量巨大，但其地下水为古降水补给，更新缓慢，属于有限资源。西部沙漠的四个绿洲（阿尔法拉法拉、达赫拉、哈里杰、巴黎）是其自然排泄区，当地居民长期依赖地下水。然而，地下水在流经岩石时溶解了天然放射性核素，如铀-238（²³⁸U）、钍-232（²³²Th）和钾-40（⁴⁰K），摄入后可能造成内照射。世界卫生组织（WHO）、国际放射防护委员会（ICRP）等均设定了饮用水放射性筛选水平。但既往关于埃及地下水放射性的研究多集中于尼罗河三角洲，对西部沙漠绿洲的研究零散且仅涉及少数核素，无法支撑公共卫生决策。因此，研究人员开展了首次系统性的辐射评估，目标是测定6种关键核素的活度浓度、揭示空间分布、评估健康风险并探究影响核素迁移的因素。

研究方法上，研究人员在四个绿洲共采集64份生产井地下水样品，覆盖不同地质和水化学条件。样品经30天密封储存后，使用高纯锗（high-purity germanium, HPGe）γ射线能谱仪测定²¹⁰Pb、²³⁸U、²²⁶Ra、²²⁸Ra、²³²Th和⁴⁰K的活度浓度。效率校准采用无源效率刻度软件（Laboratory Sourceless Calibration Software, LabSOCS）完成。同时测定总溶解固体（total dissolved solids, TDS）和电导率（electrical conductivity, EC）用于水化学分析。健康风险评估基于UNSCEAR和ICRP推荐方法，计算不同年龄段（成人、儿童、婴儿）的AEDE和ELCR。空间分布采用逆距离加权（inverse distance weighting, IDW）插值绘制。相关性分析采用Pearson和Spearman秩相关。

主要研究结果如下。

3.1 放射性核素的活度浓度。通过HPGe能谱分析64份样品，发现平均活度浓度顺序为⁴⁰K（11.86 Bq/L）最高，其次为²¹⁰Pb（1.89 Bq/L）、²³⁸U（1.75 Bq/L）、²²⁶Ra（1.29 Bq/L）、²²⁸Ra（1.28 Bq/L）和²³²Th（1.22 Bq/L）。其中²³⁸U和²¹⁰Pb的变异系数最高（>48%），表明空间异质性强；⁴⁰K变异系数最低（17.4%）。与WHO和EPA筛选值相比，²¹⁰Pb、²³⁸U、²²⁶Ra和²²⁸Ra的平均浓度分别超标约19、4.7、1.3和13倍。

3.2 空间分布。利用IDW插值绘制了6种核素的空间分布图。²³⁸U在达赫拉和巴黎绿洲局部出现热点，²¹⁰Pb呈碎片状分布；²²⁶Ra和²²⁸Ra分布相对连续，可能与滞留时间有关；²³²Th和⁴⁰K分布均匀。热点主要受含水层矿物学和局部氧化还原条件控制，未见系统性区域梯度。

3.3 健康风险评估。按饮水途径计算三个年龄组的AEDE，成人平均为2119.9 μSv/y，儿童为2054.9 μSv/y，婴儿为1450.1 μSv/y。所有年龄组的平均值均超过WHO的100 μSv/y个人剂量准则，成人超出约21倍。ELCR成人平均为7.42×10^-3，儿童为7.19×10^-3，婴儿为5.08×10^-3，超过可接受阈值1×10^-4约50至74倍，提示显著公众健康风险。

3.4 相关性与水化学。TDS和EC与各放射性核素均无显著相关，而铀系和钍系核素之间呈强正相关（r=0.621–0.822）。这表明核素迁移主要受矿物组成、氧化还原条件等局部因素控制，不能用TDS或EC预测放射性水平。

3.5 与既往研究比较。本研究中²²⁶Ra和²³²Th浓度高于埃及尼罗河三角洲、湖纳塞尔等地，但与美国、芬兰等国的结晶岩和砂岩地下水数据处于同一数量级，反映出努比亚含水层特有的地质背景和长期水岩作用。

讨论与结论：研究证明西部沙漠绿洲地下水存在天然源放射性核素富集，健康风险超出安全阈值，尤其对成人和儿童影响显著。建议开展持续辐射监测，在风险热点区域实施水处理（如反渗透）或寻找替代水源。未来研究需关注时间变化、其他理化参数（pH、氧化还原电位）以及处理过程中核素的去除效果。结论部分原文翻译如下：本研究提供了对埃及西部沙漠四个主要绿洲努比亚砂岩含水层地下水的首次综合辐射评估，为此战略水资源建立了关键基线数据集。对64份地下水样品的高分辨HPGe γ能谱分析显示，天然放射性核素活度浓度在研究区变化显著，其中²³⁸U和²¹⁰Pb变异性最大（CV>48%），⁴⁰K分布最均匀（CV=17.4%）。²¹⁰Pb、²³⁸U、²²⁶Ra和²²⁸Ra的平均活度浓度超过WHO筛选水平，反映了努比亚砂岩地层独特的地质特征和化石含水层长期水岩相互作用。铀系和钍系核素间的强相关（r=0.621–0.822）支持其共同地质来源；而它们与TDS和EC无显著相关，表明核素迁移由矿物组成、氧化还原条件和含水层非均质性等复杂局地因素控制，而非总体盐度指标。健康风险评估显示，成人、儿童和婴儿的平均年有效剂量分别超过WHO个人剂量准则100 μSv/y约21.2、20.5和14.5倍。此外，ELCR值（5.08–7.42×10^-3）超过可接受阈值1×10^-4约50至74倍，构成显著公共卫生关切。局部地点的个体剂量超出安全阈值最多达4.2倍，进一步强调实施针对性监测计划和水处理策略的必要性。该研究为埃及在水资源压力、人口增长和GERD背景下开发替代水源的规划提供了数据基础。未来研究应开展长期时间监测、纳入更多水化学参数（pH、氧化还原电位、溶解氧），评估水处理过程中的核素行为，并通过流行病学研究验证实际健康影响。此外，应采用更密的采样网络和地统计方法（如克里金变差函数建模）以减少空间插值不确定性，确保这一不可替代水资源的安全可持续利用。