2025, Vol. 46
2. 四川农业大学建筑与城乡规划学院, 成都 611830
2. College of Architecture and Urban-Rural Planning, Sichuan Agricultural University, Chengdu 611830, China
地下水作为人类最重要的水资源之一, 在生活、农业、工业制造等各个领域扮演着至关重要的角色, 是维持生态系统和社会经济可持续发展的关键因素[1]. 一般情况下, 地下水的形成受地质构造、水文地质条件、含水层岩性和气候环境等因素下的水岩相互作用制约[2, 3], 然而, 随着经济的快速发展和城市化进程的加速, 地下水越来越多地受到生活污水、农业农药化肥和过度开采等因素的强烈影响[3], 导致水化学环境发生变异, 水质变差. 地下水面临的环境挑战日益严峻已成为一个不容忽视的事实, 因此, 系统查明地下水的水化学特征及形成制约因素, 评价其水质, 可为地下水水质监管提供重要信息, 为社会经济、工农业和生态健康发展提供依据.
当前, 学者主要是基于Piper图、Gibbs图和离子相关关系等传统图解法来研究地下水水文地球化学特征, 水文地球化学模拟、主成分分析和因子分析等方法进一步拓展了研究手段[4 ~ 7]. 目前的研究大多基于主成分分析、因子分析等多元统计方法与传统图解法相结合的手段来研究地下水的成因机制, 以定量解释各因素对地下水化学演化的控制程度, 如艳艳等分析了内蒙古吉兰泰盐湖盆地图格力高勒流域不同时期地下水水化学特征, 揭示该区域地下水受蒸发浓缩控制[1]. 刘元晴等[3]指出牟汶河中上游孔隙水水化学特征受岩石风化和阳离子交替吸附作用影响, 人类活动导致了NO3-的富集.
地下水质量评价是识别当前地下水污染特征的重要方法之一, 是进行地下水水质健康风险评估的关键基础. 近年来, 学者们广泛采用水质指数法（water quality index, WQI）来探讨不同地区地下水的水质情况[8]. 然而, 水质指数法的评价结果在参数权重选择方面存在较大的主观性, 这可能影响评价的客观性和准确性. 为了消除这种主观因素对评价参数的影响, 引入熵权水质指数（entropy-weighted water quality index, EWQI）从而更合理评价地下水的质量[9]. 目前相关学者基于人类健康风险评价模型（HHRA）对地下水人体健康风险开展了广泛而深入地研究[10 ~ 12]. 如吴通航等[10]指出鄱阳湖流域赣江下游地下水受Mn和NO3-影响水质降低, 对婴儿存在严重的非致癌潜在风险.
花凉亭水库位于安徽省太湖县境内, 是一座以防洪、灌溉为主, 结合发电、供水、养殖、航运和旅游等综合利用的大型水利枢纽工程. 水库内居民生产和生活用水以地下水为主, 近年来, 对区内地下水的特征及成因尚未进行系统的研究, 尤其是水质及健康风险方面缺乏深入研究, 难以指导库区地下水的合理开发利用. 鉴于此, 以花凉亭水库流域内地下水为研究对象, 在分析水化学特征的基础上, 厘清地下水的成因及控制因素, 评价地下水水质, 确定影响水质的关键性因子, 评估地下水人体健康风险, 以期为库区内地下水合理开发利用提供参考.
1 研究区概况花凉亭水库位于长江流域皖河支流长河上游（图 1）, 水库控制流域面积1 870 km2, 多年平均入库流量46.3 m3·s-1, 水库正常蓄水位88 m, 总库容量23.66亿m3. 流域内主要有安乐河、南阳河、黑岩河、青石河、寺前河、罗溪河等. 库区内具有北亚热带季风气候特征, 年平均气温16.4℃, 年平均日照1 937.7 h, 年平均降雨量1 368.4 mm.
|
图 1 花凉亭水库位置及采样分布示意 Fig. 1 Location and sampling distribution of Hualiangting Reservoir |
研究区位于大别山腹地, 以中高丘、低起伏低山为主, 向外围则逐渐过渡到高起伏低山、中山地貌. 地层主要由新生界第四系和新太古界大别岩群组成, 其中第四系以坡积物和洪冲积物为主, 岩性为细砂、中粗砂及砂卵石等；新太古界大别岩群是一套中高级变质岩组合. 岩性主要为黑云斜长片麻岩、二云斜长片麻岩和云母（石英）片岩等.
研究区地下水类型可划分为松散岩类孔隙水和基岩裂隙水. 松散岩类孔隙水主要分布于河谷之中的松散层；基岩裂隙水可分为基岩风化裂隙水和构造裂隙水两种, 其中基岩风化裂隙水含水层岩性主要为变质岩及岩浆岩, 其含水介质主要为变质岩风化带. 构造裂隙水赋存于变质岩构造裂隙中. 地下水主要接受大气降水渗透补给和河流水的侧向补给, 向就近的沟谷排泄, 花凉亭水库为最低排泄面.
2 材料与方法 2.1 样品采集与测试在对花凉亭水库周边地下水进行野外调查的基础上, 于2020年6月对花凉亭水库流域内的地下水（机民井和冷水泉）进行采样, 共采集了62组水样, 其中井水采样42组, 泉水采样20组（图 1）.
现场采用SD150型便携式多参数水质测试仪测试了pH和溶解性固体总量（TDS）等参数. 样品采集时, 用于分析阳离子浓度的样瓶加入1∶1硝酸溶液以保持瓶内pH < 2. 而用于测试阴离子的样瓶不做处理. 样品采集后24 h内送实验室测试.
样品测试由安徽省地质实验所完成, 其中SO42-、Cl-和NO3-等阴离子由色谱仪（Dionex-2500型）测定；采用滴定法测定HCO3-；K+、Na+、Ca2+和Mg2+等由电感耦合等离子体光谱仪测定（ICAP 6300Duo型）. 采用阳离子-阴离子浓度平衡法计算误差, 误差 < ±5%.
2.2 研究方法 2.2.1 熵权质量指数（EWQI）考虑到传统水质评价指数（WQI）评价中权重因子的确定具较强的主观因素影响, 本文地下水质量采用由传统水质指数（WQI）修正而来的熵权水质指数（EWQI）来进行区域地下水质量评价[9]. 具体的计算步骤如下：
（1）构建水化学组分参数特征矩阵X
|
(1) |
（2）确定标准化参数矩阵Y
|
(2) |
|
(3) |
（3）计算参数的比率Pij和信息熵Ej
|
(4) |
|
(5) |
（4）计算信息熵权重wj及地下水质量等级qj
|
(6) |
|
(7) |
（5）确定熵权水质指数EWQI
|
(8) |
式中, m为水样品个数, n为选用的水化学组分参数, xij为第i个样本的第j项参数, Cj为每个地下水样品中各指标的浓度, mg·L-1, Sj为参数限值[9], mg·L-1. EWQI等级划分如表 1所示[9]. 一般来说, EWQI值大于100表示水质不适合饮用.
|
表 1 EWQI等级分类 Table 1 Classification of EWQI |
2.2.2 健康风险评价（HHRA）
当前, 美国环境保护署（USEPA）构建的健康风险评估（HHRA）模型广泛用于评估地下水污染物对人体健康的潜在有害影响[13]. 本文研究考虑饮水途径摄入和皮肤接触途径摄入两种途径[14]. 其计算如下：
|
(9) |
|
(10) |
|
(11) |
|
(12) |
式中, CDI为饮水摄入剂量, mg·（kg·d）-1；CDD为接触暴露剂量, mg·（kg·d）-1；HQ为污染物潜在非致癌风险, 无量纲；HI为污染物潜在非致癌总风险, 无量纲. RfD为通过饮水摄入污染物的参考剂量, mg·（kg·d）-1, Ci为地下水中污染物浓度, mg·L-1；其余各参数如表 2[10, 15].
|
|
表 2 健康风险评价模型参数 Table 2 Parameters employed for human health risk assessment |
考虑到不同年龄和性别的生理状态特征, 本文将研究区内饮水人群分为儿童、成年男性和成年女性, 针对不同人群开展健康风险评估. 当HI（HQ） < 1时, 表示污染引起的健康风险在可控范围内；当HI（HQ） > 1时, 则表明健康风险不可控, 且随HI值的增加, 非致癌风险也增加.
3 结果与讨论 3.1 地下水化学特征花凉亭水库流域井水和泉水pH在6.40~8.20（均值7.53）和6.51~8.37（均值7.52）之间（表 3）, 大致呈弱碱性. ρ（TDS）介于45.00~225.00 mg·L-1（均值110.48 mg·L-1）和65.00~210.00 mg·L-1（均值125.45 mg·L-1）之间；均属淡水. ρ（TH）在6.73~95.60 mg·L-1（均值46.24 mg·L-1）和17.85~144.33 mg·L-1（均值56.76 mg·L-1）之间；除泉水有两个样品为硬水外, 其余样品均属软水.
|
|
表 3 花凉亭水库流域地下水水化学特征统计1） Table 3 Statistical summary of hydrochemical data in the Hualianging Reservoir Basin |
研究区井水和泉水阳离子均以Ca2+和Na+为主, 分别占阳离子浓度的42.63%、45.46%和31.61%、28.99%, 浓度均值大小依次为：Ca2+ > Na+ > Mg2+ > K+；阴离子均以HCO3-为主, 分别占阴离子浓度的73.68%和75.07%. 浓度均值大小依次为：HCO3- > SO42- > NO3- > Cl-, 此外, 样品中有24.19%泉水和井水的NO3-含量超过国家标准《生活饮用水卫生标准》（GB 5749-2022）的限值（10 mg·L-1）, 这意味饮用研究区井水或泉水具有一定的人体健康风险. 从变异系数分析可知, NO3-（井水和泉水）和Cl-（井水）的变异系数大于100%, 呈较强的变异性, 表现出强烈的空间异质性. 已有研究表明Cl-和NO3-为人类活动的特征离子[16], 推测研究区井水和泉水均不同程度受到人类活动（如生活污水、农业肥料和地下水过度开采）的影响.
3.2 地下水化学类型Piper三线图可以直观地描述地下水水化学离子的成分组成和水化学类型, 定性判别地下水水化学性质及控制因素[1, 17]. 研究区地下水样中阳离子主要位于无主导型区域（图 2）, 说明研究区井水和泉水优势阳离子不明显, 少量样品落在Ca2+型和Na+型区域；而井水和泉水阴离子主要位于HCO3-区域, 说明HCO3-为优势阴离子.
|
图 2 花凉亭水库流域地下水Piper图 Fig. 2 Piper diagram of groundwater in the Hualianging Reservoir Basin |
研究区井水和泉水水化学类型变化多样, 按舒卡列夫式分类方法, 井水和泉水以HCO3-Na·Ca型为主, 其中井水占47.62%, 泉水占40%, 其次为HCO3-Na·Ca·Mg型（井水占16.67%, 泉水占25%）；HCO3-Ca型（井水占9.52%, 泉水占20%）；HCO3-Ca·Mg型（井水占11.90%, 泉水占5%）. 此外, 仍有少量样品为Cl·HCO3-Na·Ca、SO4·HCO3-Na·Ca和Cl·HCO3-Na·Ca·Mg等. 地下水水化学类型由HCO3-Ca→HCO3-Na·Ca·Mg→Cl-Na的逐渐演变趋势.
3.3 水化学控制因素 3.3.1 水岩相互作用研究水岩相互作用有助于揭示水化学演化机制[2]. 利用Gibbs图可以定性判别地下水是否受大气降雨、岩石风化和蒸发浓缩作用的控制[18, 19]. 研究区地下水阳离子Na+/（Na+ + Ca2+）在0.11~0.66之间[图 3（a）], 阴离子Cl-/（Cl- + HCO3-）在0.02~0.68之间[图 3（b）]. 且井水和泉水绝大部分位于岩石风化控制区域, 表明花凉亭水库流域内井水和泉水主要受水岩相互作用控制.
|
图 3 花凉亭水库流域地下水Gibbs图 Fig. 3 Gibbs diagram of groundwater in the Hualianging Reservoir Basin |
所有样品均远离降雨控制区域, 即使本区降雨量较大, 但对研究区地下水的形成影响控制仍较微弱, 部分井水和泉水样品Na+/（Na+ + Ca2+）和Cl-/（Cl- + HCO3-）大于0.5, 少量样点落在模型范围之外. 样品中TDS值普遍较低, 说明本区地下水的水岩相互作用不强烈, 但水岩相互作用仍是本区地下水水化学形成的关键水文地球化学过程[20], 随着Na+/（Na+ + Ca2+）和Cl-/（Cl- + HCO3-）的增大, TDS浓度变化不大, 表明本区地下水可能存在阳离子反应[21].
目前区内大多数井水或泉水除用于农业灌溉和生产用水外, 调查时发现仍有当地群众在泉水旁洗衣服、洗菜等生活活动. 表明研究区地下水除受到水岩相互作用控制外, 还可能受到人类活动的影响[7].
基于N（Mg2+）/N（Na+）、N（Ca2+）/N（Na+）和N（HCO3-）/N（Na+）关系可以定性判断地下水是否受蒸发盐岩、硅酸盐岩和碳酸盐岩风化溶解作用的控制[1, 22, 23]. 研究区井水和泉水样品点主要位于硅酸盐端元控制区域, 且向碳酸盐岩区域发展（图 4）, 表明花亭湖水库流域地下水主要受硅酸盐岩和碳酸盐岩风化控制, 且受硅酸盐岩控制尤为强烈, 这与研究区大面积分布的变质岩含水层分布有关[24]. 研究区含水介质多为强变质风化裂隙带或花岗岩, 且多发育长石、云母等矿物, 地下水可能发生了钙长石、钠长石和云母等硅酸盐矿物的溶解.
|
图 4 地下水HCO3-/Na+、Mg2+/Na+和Ca2+/Na+关系 Fig. 4 Relationships between HCO3-/Na+, Mg2+/Na+, and Ca2+/Na+ for groundwater |
离子比例分析是指以水文地质背景为基础, 通过分析地下水中不同化学组分占比, 从而识别地下水中不同化学组分的来源, 判断可能发生的水文地球化学演化过程[25]. 当地下水中Na+和Cl-仅来自于岩盐的溶解, 其Na+/Cl-值应当为1[25]. 从图 5（a）可以看出, 花凉亭水库流域井水和泉水所有水样均位于1∶1直线上部, 表明岩盐溶解不是研究区地下水中Na+的唯一来源, 富余的Na+可能来源于阳离子交替吸附作用.
|
图 5 水化学成分相关关系 Fig. 5 Relationship between hydrochemical compositions |
一般情况下, Ca2+与Mg2+来源于碳酸岩盐溶解时, 其N（Ca2++Mg2+）/N（HCO3-）的值应为1[26]. 从图 5（b）可以看出, 花凉亭水库流域井水和泉水样品均位于1∶1直线周围, 说明研究区地下水中Ca2+和Mg2+主要来源碳酸盐岩的溶解. 基于Ca2+/Mg2+关系能判断碳酸盐岩矿物是由白云石或者方解石溶解贡献[27]. 从图 5（c）可以看出, 井水和泉水所有样品点均落在在直线1∶1下部区域, 分布于2∶1直线周边, 说明本区井水和泉水中Ca2+和Mg2+主要来源于碳酸盐岩的溶解, 其溶解矿物主要为方解石, 研究区地处大别山腹地, 地层岩性大多为花岗岩、花岗片麻岩等变质岩, 且风化强烈, 多含长石、云母等矿物, 故推测本区井水和泉水中碳酸盐岩的溶解来源于方解石. 另外, 几乎所有井水和泉水样点落在N（SO42-）/N（Ca2+）=1的直线下方[图 5（d）], 且相关性不明显, 研究区井水和泉水中SO42-相对贫化, 而Ca2+处于相对盈余, 说明研究区地下水受蒸发盐岩溶解作用不大.
碳酸盐岩、硅酸盐岩和蒸发盐岩等矿物对地下水化学组分的贡献可由N（HCO3-）/N（Cl-+SO42-）（离子当量浓度比值, 下同）来确定[27]. 从图 5（e）可以看出, 绝大部分样点位于直线1∶1上部, 进一步表明研究区蒸发岩的溶解对研究区井水和泉水中离子组分贡献率较小[27], 但不能排除蒸发盐岩溶解对部分样点浓度的控制. 当地下水中的Ca2+和Mg2+主要来源于碳酸盐岩和硫酸盐岩的溶解时, N（HCO3-+SO42-）/N（Ca2++Mg2+）值应为1[28]. 从图 5（f）可以看出, 井水和泉水样品绝大部分位于1∶1直线上部, HCO3-和SO42-相对富集, 表明研究区井水和泉水的阳离子交替吸附作用主要是围岩中的Na+吸附水中的Ca2+和Mg2+.
当地下水中存在阳离子交替吸附作用时, 其N（Ca2++Mg2+-SO42--HCO3-）/N（Na++K+-Cl-）值应当为-1[28]. 研究区井水和泉水大部分样品比值接近-1[图 6（a）]. 表明阳离子交替吸附作用在研究区井水和泉水水化学形成过程中普遍存在. 同时研究区井水和泉水所有样品点的CAI-1和CAI-2值小于0[图 6（b）], 表明研究区井水和泉水中富余的Na+离子应由Ca2+和Mg2+离子置换而来, 从而导致Ca2+和Mg2+离子贫化[3].
|
图 6 研究区地下水阳离子交替吸附作用以及氯碱指数 Fig. 6 Cation exchange and adsorption of groundwater and Chlor-alkali index of groundwater in the study area |
在水岩相互作用和水文地球化学过程研究的基础上, 结合相关性和因子分析, 可以有效解释地下水水化学的控制因素[29, 30]. 选取pH、TDS、TH、Na+、K+、Ca2+、Mg2+、HCO3-、SO42-、Cl-和NO3-等11项水化学指标, 采用皮尔逊相关分析和因子分析对花凉亭水库流域井水和泉水进行了相关性分析, 进行了KMO-Bartlett球形检验, 结果显示器显著性水平接近零, 证明所选参数符合因子分析的检验标准. 在井水样品中提取2个公因子, 其累计方差贡献率达69.99%[图 7（a）]；而在泉水样品中提取3个公因子, 其累计方差贡献率达85.84%[图 7（b）]. 这基本上反映了花凉亭水库流域井水和泉水参数的大部分信息.
|
线条宽度和颜色表示因子载荷的范围 图 7 离子相关性及因子荷载 Fig. 7 Correlation of ions and factor loading |
对于井水来说, 主成分因子F1作为井水的主要因素, 以pH、TH、Ca2+、Mg2+、SO42-和HCO3-等代表的指标的载荷较大, 其综合贡献率达39.66%[图 7（a）], 且TDS、TH、Ca2+和Mg2+两两之间具有较强的相关性（R2 > 0.6, P < 0.01）, 说明上述指标来源具有相对的一致性；HCO3-与Ca2+和Mg2+也具有较强的相关性（R2 > 0.6, P < 0.01）. 调查时发现水井多布置在地形低洼、山坡坡脚等风化带裂隙密集发育地带, 含水层岩性主要为大别岩群片麻岩、片岩和新元古代花岗质片麻岩, 其含水介质主要为风化带. 水岩相互作用和主要离子水文地球化学过程揭示, 井水中的Ca2+、Mg2+和HCO3-等主要来源于硅酸盐和碳酸岩盐的风化溶滤作用, 而上述离子和SO42-的存在, 往往会导致高的TH和TDS[31]. 故推测井水中F1代表的是碳酸盐岩的风化溶解作用.
主成分因子F2贡献率为30.33%. 主要载荷为TDS、Na+、Cl-和NO3-. 且各指标相互之间具有显著的正相关性, 表明上述离子具有一致的来源. 研究表明Cl-为生活污水的特征离子[32], NO3-为农业活动产生特征物[4], Na+主要来源于蒸发岩盐溶解和离子交换作用, 同时也受人类活动（含钠化肥的使用）的影响. 相关研究表明, 受农田施肥影响的地下水体中, NO3-/Cl-的比值偏高, 而Cl-浓度偏低[33]. 研究区地下水中Cl-浓度普遍较低. 研究区为当地的典型的农作区, 农田耕作施肥影响较大. 推测井水中F2代表的是农业活动等人类活动影响作用.
对于泉水来说, 主成分因子F1综合贡献率为40.81%[图 7（b）], 以pH、TDS、TH、Ca2+、Mg2+和HCO3-为主要载荷因子, 且相互之间具有显著的正相关关系, 说明其具有一致的来源. 研究区内调查区断裂构造非常发育, 岩石因构造作用而破碎, 构造裂隙发育呈网脉状, 从而形成了具有一定规模的构造破碎带, 在张性及张扭性断裂带中导水、储水性较好, 在断裂带及其附近的浅部, 岩石受断裂影响而破碎且易风化, 强风化层厚度一般较大, 易接受大气降水的补给, 形成地下水的赋存空间, 其径流途径短, 在地形低洼处以泉的形式排泄. 含水层岩性以大别岩群片麻岩、片岩和新元古代花岗质片麻岩为主. 故推测泉水中F1为碳酸盐岩的风化溶滤作用.
主成分因子F2贡献率为29.87%. 主要载荷为Na+、Cl-和NO3-. 且各指标相互之间具有显著的正相关性, 表明上述离子具有一致的来源. 浅层地下水中硝酸盐主要来源于大气沉降氮、化肥氮、粪肥和污水氮以及土壤有机氮[34]. 研究区泉水出露位置大多位于低洼地段处, 且周边多为农田, 耕作期化肥的使用对泉水具有较大的影响. 故推测泉水与井水一样, F2代表的是生产生活等人类活动影响作用.
主成分因子F3贡献率为15.16%. 主要载荷为K+和SO42-. 调查时发现研究区部分地段由规模较大的深断裂控制, 经过长距离径流和深循环的构造裂隙承压水, 这种深循环的承压水在一定的构造条件下会在地势低洼处出露, 形成温泉, 温泉周边具有热水溶蚀现象、周围有钙华、水中硫磺味等现象. 另外, 本区地层中分布有硫铁矿等矿物, 故推测泉水中F3主要受硫铁矿氧化作用控制.
3.4 地下水质量评价农业活动、生活污水无序排放等人类活动制约着地下水的质量及水文地球化学演变过程, 表现为SO42-、Cl-、NO3-和Na+等特征离子的富集[35, 36]. 其中SO42-的剧增主要是由矿业活动导致, 而农业活动、生活污水乱排等活动则加剧Cl-、NO3-和Na+等富集[37]. 从图 8（a）可以看出, 研究区井水和泉水样品点主要位于硅酸盐风化端元, 但呈现出向农业活动迁移的趋势, 表明研究区井水和泉水受到一定农业污染的影响. 而从图 8（b）可以看出, 井水和泉水受农业活动影响较强, 井水部分样点受粪便和生活污水影响较为严重. 离子相关性表明, NO3-和Cl-具有明显的正相关性（图 7）, 推测农业活动和粪便与生活污水的排水影响着研究区的井水和泉水的质量.
|
图 8 研究区地下水Cl-/Na+与NO3-/Na+和Cl-与NO3-/Cl-的关系 Fig. 8 Relationships between Cl-/Na+ vs NO3-/Na+ and Cl- vs NO3-/Cl- of groundwater in the study area |
选用pH、TDS、TH、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-和NO3-等9项参数基于EWQI指数对研究区井水和泉水进行了质量评价. 计算结果表明, 井水样品的EWQI值在-2.327~45.604之间, 均值为14.652；泉水样品的EWQI值在1.105~33.398之间, 均值为15.799. 根据EWQI等级分级[9], 研究区井水和泉水样品中优良等级的占比为83.87%, 良好等级占比为16.13%[图 9（a）]. 表明研究区井水和泉水全部处于良好至优良等级. 可直接用于饮用[38]. 此外发现, EWQI与NO3-离子当量浓度具有明显的相关[图 9（b）], 其相关系数达0.68. 而其他离子当量浓度的增加并未导致EWQI显著提升. 可以推断NO3-离子是导致地下水等级变化的主要原因, 为地下水质量变化的主要贡献指标[39], 表明研究区地下水受人类活动影响较为严重.
|
图 9 地下水质量EWQI指数箱型图及EWQI与NO3-关系 Fig. 9 Box diagram of EWQI and relationship between EWQI vs. NO3- of the groundwater |
研究区地下水质量评估结果表明NO3-是引起地下水质量变差的主要特征因子. 研究表明直接饮用含过量NO3-将导致胃癌、高铁血红蛋白症等疾病[40, 41]. 考虑到人体主要通过皮肤接触和饮用直接摄入两种方式接触到水体中硝酸盐[42]. 选取影响研究区井水和泉水质量的关键指标NO3-开展健康风险评价.
研究区通过皮肤接触和饮用直接摄入硝酸盐健康风险指数计算结果如表 4所示. 研究区儿童、成年男性和成年女性在皮肤接触井水和泉水暴露途径下的HQ皮肤接触均值分别为7.452E-05、3.726E-05和6.115E-05（表 4）, 均小于1. 表明研究区地下水在皮肤接触暴露条件下人体非致癌健康风险极低.
|
|
表 4 硝酸盐在不同暴露途径下的非致癌风险 Table 4 Non-carcinogenic risk of nitrate in drinking water and dermal contact pathway |
儿童在饮水摄入暴露途径下的风险指数HQ饮水介于0.004~0.723之间, 均值为0.136；成年女性的HQ饮水摄入介于0.003~0.641之间, 均值为0.121；成年男性的HQ饮水摄入在0.003~0.671之间, 均值为0.126. 饮水暴露途径下的风险指数表现为儿童 > 成年男性 > 成年女性. 整体上研究区地下水在饮水摄入暴露途径下非致癌健康风险较小.
从总风险指数来看, 儿童、成年女性和成年男性的总风险指数HI平均值分别为1.361E-01、1.206E-01和1.263E-01（表 4）, 表现为：儿童 > 成年男性 > 成年女性. 研究区内所有水样品的总风险指数HI均小于1. 表明饮用或接触研究区井水和泉水均处于安全状态[43, 44].
综上所述, 花凉亭水库流域地下水潜在人体健康风险主要受到饮水摄入影响, 其影响程度为儿童 > 成年男性 > 成年女性. 总体上, 区内地下水硝酸盐健康风险指数较低[45], 对人体健康影响较小, 然而, 针对儿童健康风险明显高于成年人, 因此仍需引起足够的重视. 但就研究区来说, 主要是做好区内农业耕作中施肥、农药播撒等方面的管控措施, 以防止农业面源污染. 此外, 研究区泉水大多出露于低洼地区, 位于本区住户的房前屋后, 当地居民大多喜欢在泉水周边洗衣服、洗菜等活动, 这对于泉水的保护带来不利影响, 建议加强宣传和管控工作, 以最大限度保护好花亭水库流域泉水.
4 结论（1）花凉亭水库流域井水和泉水呈弱碱性, 其阳离子质量浓度均呈：Ca2+ > Na+ > Mg2+ > K+, 阴离子呈：HCO3- > SO42- > NO3- > Cl-特征. Ca2+与Na+和HCO3-为优势阳离子和阴离子. 以HCO3-Na·Ca型井水和泉水为主导, 兼有HCO3-Na·Ca·Mg型、HCO3-Ca型和HCO3-Ca·Mg型.
（2）花凉亭水库流域井水和泉水主要受岩石风化作用控制, 阳离子交替吸附作用进一步加剧了井水和泉水的水文地球化学过程. 碳酸盐岩的风化溶解作用是研究区井水和泉水中Ca2+、Mg2+和HCO3-的主要来源, Na+、Cl-和NO3-主要受农业活动、生活污水排放等人类活动影响；井水水化学的形成主要受F1（碳酸盐岩溶解）和F2（人类活动影响）制约, 泉水的形成除有井水的受控因素外, 还受到深部温泉水的影响.
（3）研究区地下水水质整体较好, 基本处于良好至优良等级, 研究区主要通过饮水摄入而影响人体健康, 人体健康风险指数较低, 对人体健康影响较小, 但对于儿童健康风险还需引起一定的重视.
| [1] |
艳艳, 高瑞忠, 刘廷玺, 等. 西北盐湖流域地下水水化学特征及控制因素[J]. 环境科学, 2023, 44(12): 6767-6777. Yan Y, Gao R Z, Liu T X, et al. Hydrochemical characteristics and control factors of groundwater in the northwest salt lake basin[J]. Environmental Science, 2023, 44(12): 6767-6777. |
| [2] |
刘海, 康博, 管政亭, 等. 淮南煤矿区地表水和地下水水化学特征及控制因素[J]. 环境科学, 2023, 44(11): 6038-6049. Liu H, Kang B, Guan Z T, et al. Hydrochemical characteristics and control factors of surface water and groundwater in Huainan coal mine area[J]. Environmental Science, 2023, 44(11): 6038-6049. |
| [3] |
刘元晴, 周乐, 吕琳, 等. 河北省顺平县地下水化学特征及其成因分析[J]. 环境科学, 2023, 44(5): 2601-2612. Liu Y Q, Zhou L, Lü L, et al. Hydrochemical characteristics and control factors of groundwater in Shunping County, Hebei Province[J]. Environmental Science, 2023, 44(5): 2601-2612. DOI:10.3969/j.issn.1000-6923.2023.05.052 |
| [4] |
刘春燕, 于开宁, 张英, 等. 西宁市浅层地下水化学特征及形成机制[J]. 环境科学, 2023, 44(6): 3228-3236. Liu C Y, Yu K N, Zhang Y, et al. Characteristics and driving mechanisms of shallow groundwater chemistry in Xining City[J]. Environmental Science, 2023, 44(6): 3228-3236. |
| [5] | Zhang Q Y, Xu P P, Qian H. Assessment of groundwater quality and human health risk (HHR) evaluation of nitrate in the central-western Guanzhong Basin, China[J]. International Journal of Environmental Research and Public Health, 2019, 16(21), doi: 3390/ijerph16214246. |
| [6] | Xiao J, Wang L Q, Deng L, et al. Characteristics, sources, water quality and health risk assessment of trace elements in river water and well water in the Chinese Loess Plateau[J]. Science of the Total Environment, 2019, 650: 2004-2012. DOI:10.1016/j.scitotenv.2018.09.322 |
| [7] |
姜凤, 周金龙, 周殷竹, 等. 巴伊盆地平原区地下水水化学特征及污染源识别[J]. 环境科学, 2023, 44(11): 6050-6061. Jiang F, Zhou J L, Zhou Y Z, et al. Hydrochemical characteristics and pollution source identification of groundwater in plain area of Barkol-Yiwu Basin[J]. Environmental Science, 2023, 44(11): 6050-6061. |
| [8] |
刘彦龙, 郑易安. 黄河干流水质评价与时空变化分析[J]. 环境科学, 2022, 43(3): 1332-1345. Liu Y L, Zheng Y A. Water quality assessment and spatial-temporal variation analysis in Yellow River Basin[J]. Environmental Science, 2022, 43(3): 1332-1345. |
| [9] | Wang Y H, Li P Y. Appraisal of shallow groundwater quality with human health risk assessment in different seasons in rural areas of the Guanzhong Plain (China)[J]. Environmental Research, 2022, 207. DOI:10.1016/j.envres.2021.112210 |
| [10] |
吴通航, 刘海燕, 张卫民, 等. 鄱阳湖流域赣江下游水化学特征及人类健康风险评价[J]. 现代地质, 2022, 36(2): 427-438. Wu T H, Liu H Y, Zhang W M, et al. Hydrochemical characteristics and human health risk assessment in downstream Ganjiang River of the Poyang Lake Basin[J]. Geoscience, 2022, 36(2): 427-438. |
| [11] | Zhang Y H, Dai Y S, Wang Y, et al. Hydrochemistry, quality and potential health risk appraisal of nitrate enriched groundwater in the Nanchong area, Southwestern China[J]. Science of the Total Environment, 2021, 784. DOI:10.1016/j.scitotenv.2021.147186 |
| [12] | Xiao Y, Hao Q C, Zhang Y H, et al. Investigating sources, driving forces and potential health risks of nitrate and fluoride in groundwater of a typical alluvial fan plain[J]. Science of the Total Environment, 2022, 802. DOI:10.1016/j.scitotenv.2021.149909 |
| [13] | Liu M J, Xiao C L, Liang X J, et al. Response of groundwater chemical characteristics to land use types and health risk assessment of nitrate in semi-arid areas: a case study of Shuangliao City, Northeast China[J]. Ecotoxicology and Environmental Safety, 2022, 236. DOI:10.1016/j.ecoenv.2022.113473 |
| [14] | Wu J H, Zhang Y X, Zhou H. Groundwater chemistry and groundwater quality index incorporating health risk weighting in Dingbian County, Ordos Basin of Northwest China[J]. Geochemistry, 2020, 80(4): 125607. DOI:10.1016/j.chemer.2020.125607 |
| [15] | Zhang Y T, Wu J H, XU B. Human health risk assessment of groundwater nitrogen pollution in Jinghui canal irrigation area of the loess region, Northwest China[J]. Environmental Earth Sciences, 2018, 77(7). DOI:10.1007/s12665-018-7456-9 |
| [16] |
郑涛, 焦团理, 胡波, 等. 涡河流域中部地区地下水化学特征及其成因分析[J]. 环境科学, 2021, 42(2): 766-775. Zheng T, Jiao T L, Hu B, et al. Hydrochemical characteristics and origin of groundwater in the central Guohe River Basin[J]. Environmental Science, 2021, 42(2): 766-775. |
| [17] | Piper A M. A graphic procedure in the geochemical interpretation of water-analyses[J]. Eos, Transactions American Geophysical Union, 1944, 25(6): 914-928. DOI:10.1029/TR025i006p00914 |
| [18] | Gibbs R J. Mechanisms controlling world water chemistry[J]. Science, 1970, 170(3962): 1088-1090. DOI:10.1126/science.170.3962.1088 |
| [19] |
魏善明, 丁冠涛, 袁国霞, 等. 山东省东汶河沂南地区地下水水化学特征及形成机理[J]. 地质学报, 2021, 95(6): 1973-198. Wei S M, Ding G T, Yuan G X, et al. Hydrochemical characteristics and formation mechanism of groundwater in Yi′nan, east Wenhe River Basin in Shandong Province[J]. Acta Geologica Sinica, 2021, 95(6): 1973-1983. DOI:10.3969/j.issn.0001-5717.2021.06.021 |
| [20] |
刘海, 宋阳, 李迎春, 等. 长江流域安庆段浅层地下水水化学特征及控制因素[J]. 环境科学, 2024, 45(3): 1525-1538. Liu H, Song Y, Li Y C, et al. Hydrochemical characteristics and control factors of shallow groundwater in Anqing section of the Yangtze River Basin[J]. Environmental Science, 2024, 45(3): 1525-1538. |
| [21] |
张春潮, 侯新伟, 李向全, 等. 三姑泉域岩溶地下水水化学特征及形成演化机制[J]. 水文地质工程地质, 2021, 48(3): 62-71. Zhang C C, Hou X W, Li X Q, et al. Hydrogeochemical characteristics and evolution mechanism of karst groundwater in the catchment area of the Sangu Spring[J]. Hydrogeology & Engineering Geology, 2021, 48(3): 62-71. |
| [22] | Gaillardet J, Dupré B, Louvat P, et al. Global silicate weathering and CO2 consumption rates deduced from the chemistry of large rivers[J]. Chemical Geology, 1999, 159(1-4): 3-30. DOI:10.1016/S0009-2541(99)00031-5 |
| [23] | Jiang L G, Yao Z J, Liu Z F, et al. Hydrochemistry and its controlling factors of rivers in the source region of the Yangtze River on the Tibetan Plateau[J]. Journal of Geochemical Exploration, 2015, 155: 76-83. DOI:10.1016/j.gexplo.2015.04.009 |
| [24] |
吴君毅, 刘洪, 欧阳渊, 等. 螺髻山北麓地下水化学特征与水质评价[J]. 西北地质, 2023, 56(5): 151-164. Wu J Y, Liu H, Ouyang Y, et al. Hydrochemical characteristics and water quality assessment of groundwater in northern foothill of Luoji Mountains[J]. Northwestern Geology, 2023, 56(5): 151-164. |
| [25] |
崔佳琪, 李仙岳, 史海滨, 等. 河套灌区地下水化学演变特征及形成机制[J]. 环境科学, 2020, 41(9): 4011-4020. Cui J Q, Li X Y, Shi H B, et al. Chemical evolution and formation mechanism of groundwater in Hetao irrigation area[J]. Environmental Science, 2020, 41(9): 4011-4020. |
| [26] | Liu J T, Wang M, Gao Z J, et al. Hydrochemical characteristics and water quality assessment of groundwater in the Yishu River Basin[J]. Acta Geophysica, 2020, 68(3): 877-889. DOI:10.1007/s11600-020-00440-1 |
| [27] |
邹嘉文, 刘飞, 张靖坤. 南水北调典型受水区浅层地下水水化学特征及成因[J]. 中国环境科学, 2022, 42(5): 2260-2268. Zou J W, Liu F, Zhang J K. Hydrochemical characteristics and formation mechanism of shallow groundwater in typical water-receiving areas of the South-to-North Water Diversion Project[J]. China Environmental Science, 2022, 42(5): 2260-2268. DOI:10.3969/j.issn.1000-6923.2022.05.031 |
| [28] |
陈陆望, 任星星, 张杰, 等. 淮北煤田太原组灰岩水水文地球化学形成作用及反向模拟研究[J]. 煤炭学报, 2021, 46(12): 3999-4009. Chen L W, Ren X X, Zhang J, et al. Hydrogeochemical formation and inverse simulation of limestone groundwater in Carboniferous Taiyuan formation of Huaibei coalfield[J]. Journal of China Coal Society, 2021, 46(12): 3999-4009. |
| [29] |
杨锐, 周金龙, 魏兴, 等. 新疆和田东部平原区地下水化学特征及演化规律[J]. 环境化学, 2022, 41(4): 1367-1379. Yang R, Zhou J L, Wei X, et al. Hydrochemical characteristics and evolution of groundwater in the eastern plain of Hotian prefecture, Xinjiang[J]. Environmental Chemistry, 2022, 41(4): 1367-1379. |
| [30] |
王帅, 任宇, 郭红, 等. 河南黄河改道区浅层地下水化学特征与主控污染源解析[J]. 环境科学, 2024, 45(2): 792-801. Wang S, Ren Y, Guo H, et al. Chemical characteristics of shallow groundwater in the Yellow River diversion area of Henan Province and identification of main control pollution sources[J]. Environmental Science, 2024, 45(2): 792-801. |
| [31] |
郭高轩, 代垠东, 许亮, 等. 北京西山岩溶地下水化学特征及成因分析[J]. 环境科学, 2024, 45(2): 802-812. Guo G X, Dai Y D, Xu L, et al. Chemical characteristics and genetic analysis of karst groundwater in the Beijing Xishan area[J]. Environmental Science, 2024, 45(2): 802-812. |
| [32] |
张亚丽, 张依章, 张远, 等. 浑河流域地表水和地下水氮污染特征研究[J]. 中国环境科学, 2014, 34(1): 170-177. Zhang Y L, Zhang Y Z, Zhang Y, et al. Characteristics of nitrate in surface water and groundwater in the Hun River Basin[J]. China Environmental Science, 2014, 34(1): 170-177. |
| [33] | Gibrilla A, Fianko J R, Ganyaglo S, et al. Nitrate contamination and source apportionment in surface and groundwater in Ghana using dual isotopes (15N and 18O-NO3) and a Bayesian isotope mixing model[J]. Journal of Contaminant Hydrology, 2020, 233. DOI:10.1016/j.jconhyd.2020.103658 |
| [34] |
李书鉴, 韩晓, 王文辉, 等. 无定河流域地表水地下水的水化学特征及控制因素[J]. 环境科学, 2022, 43(1): 220-229. Li S J, Han X, Wang W H, et al. Hydrochemical characteristics and controlling factors of surface water and groundwater in Wuding River Basin[J]. Environmental Science, 2022, 43(1): 220-229. DOI:10.3969/j.issn.1000-6923.2022.01.024 |
| [35] |
郑涛, 秦先燕, 吴剑雄. 店埠河流域地表水-地下水水化学特征及其成因分析[J]. 环境科学, 2024, 45(2): 813-825. Zheng T, Qin X Y, Wu J X. Hydrochemical characteristics and its origin of surface water and groundwater in Dianbu River Basin[J]. Environmental Science, 2024, 45(2): 813-825. |
| [36] |
赵幸悦子, 肖攀, 宋文龙, 等. 赣南红层地区地下水水化学特征及成因分析[J]. 科学技术与工程, 2023, 23(33): 14112-14122. Zhao X Y Z, Xiao P, Song W L, et al. Hydrochemical characteristics and genetic analysis of groundwater in red-bed area of south Jiangxi Province[J]. Science Technology and Engineering, 2023, 23(33): 14112-14122. DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2023.23.33.14112 |
| [37] | Yin C, Yang H Q, Wang J F, et al. Combined use of stable nitrogen and oxygen isotopes to constrain the nitrate sources in a karst lake[J]. Agriculture, Ecosystems & Environment, 2020, 303. DOI:10.1016/j.agee.2020.107089 |
| [38] | Tang L J, Yao R W, Zhang Y H, et al. Hydrochemical analysis and groundwater suitability for drinking and irrigation in an arid agricultural area of the Northwest China[J]. Journal of Contaminant Hydrology, 2023, 259. DOI:10.1016/j.jconhyd.2023.104256 |
| [39] |
郭华明, 尹嘉鸿, 严松, 等. 陕北靖边高铬地下水中硝酸根分布及来源[J]. 地学前缘, 2024, 31(1): 384-399. Guo H M, Yin J H, Yan S, et al. Distribution and source of nitrate in high-chromium groundwater in Jingbian, northern Shaanxi[J]. Earth Science Frontiers, 2024, 31(1): 384-399. |
| [40] |
张广禄, 刘海燕, 郭华明, 等. 华北平原典型山前冲洪积扇高硝态氮地下水分布特征及健康风险评价[J]. 地学前缘, 2023, 30(4): 485-503. Zhang G L, Liu H Y, Guo H M, et al. Occurrences and health risks of high-nitrate groundwater in typical piedmont areas of the North China Plain[J]. Earth Science Frontiers, 2023, 30(4): 485-503. |
| [41] | Li D F, Zhai Y Z, Lei Y, et al. Spatiotemporal evolution of groundwater nitrate nitrogen levels and potential human health risks in the Songnen Plain, Northeast China[J]. Ecotoxicology and Environmental Safety, 2021, 208. DOI:10.1016/j.ecoenv.2020.111524 |
| [42] |
谢浩, 邹胜章, 李军, 等. 重庆东南部岩溶水金属元素空间分布、源解析及健康风险评价[J]. 环境科学, 2023, 44(8): 4304-4313. Xie H, Zou S Z, Li J, et al. Spatial distribution, source analysis, and health risk assessment of metal elements in karst water in southeastern Chongqing[J]. Environmental Science, 2023, 44(8): 4304-4313. |
| [43] |
谭昊言, 张彩香, 李佳森, 等. 鄱阳湖流域天然劣质地下水中锰富集特征及其健康风险评估[J]. 生态毒理学报, 2023, 18(5): 227-235. Tan H Y, Zhang C X, Li J S, et al. Enrichment of manganese in natural inferior groundwater and its health risk assessment in Poyang Lake Basin[J]. Asian Journal of Ecotoxicology, 2023, 18(5): 227-235. |
| [44] |
吕海洋, 党秀丽, 朱影影, 等. 河南省典型工业区地下水水质分析及重金属健康风险评价[J]. 农业环境科学学报, 2023, 42(12): 2740-2751. Lü H Y, Dang X L, Zhu Y Y, et al. Groundwater quality analysis and health risk assessment of heavy metals in industrial areas of Henan Province, China[J]. Journal of Agro-Environment Science, 2023, 42(12): 2740-2751. DOI:10.11654/jaes.2023-0338 |
| [45] | Sheng D R, Meng X H, Wen X H, et al. Hydrochemical characteristics, quality and health risk assessment of nitrate enriched coastal groundwater in Northern China[J]. Journal of Cleaner Production, 2023, 403. DOI:10.1016/j.jclepro.2023.136872 |