广州市浅层地下水水化学特征及水质评价

2022-12-02原升艳朱爱萍曾红平冯小蕾黄波波

人民珠江 2022年11期

原升艳，朱爱萍*，曾红平，冯小蕾，黄波波，李念

(1.安徽师范大学地理与旅游学院,安徽芜湖 241003;2.广东环境保护工程职业学院,广东广州 510655)

地下水作为水资源的重要组成部分[1-2]，在保障饮水安全和支撑经济社会发展等方面扮演着重要的作用[3-4]。近年来，随着人口和经济社会的快速发展，大量含氮元素的工农业废水和生活污水的排放给世界各地的地下水系统带来了巨大的压力，使地下水硝酸盐污染成为了全球性的环境问题[5-7]，也是国内外学者普遍关注的热点问题[8]。据有关资料统计显示，目前中国约有70%的人口以地下水作为主要饮用水源。地下水作为饮用水源，其水质状况直接关系人体健康，尤其当水体中的硝酸盐浓度超过10 mg/L(以N计)时，会对婴儿、胎儿产生毒害作用，并增大胃癌等发病的可能性[9]，危及人类健康及生存安全[10-11]。因此，对地下水水质进行合理的评价，并评估硝酸盐对人体健康带来的风险具有重要的现实意义。

目前，关于地下水水质评价方法的研究多采用单因子指数法、模糊综合评价法、改进灰色关联法、内梅罗综合指数法和水质生物综合评价法等[12-14]，或采用美国环保署(USEPA)提出的人类健康风险评估(HHRA)模型进行健康风险评价[8,14]，而将水质评价及健康风险评价相结合来对水质进行综合评价的研究较少[13-14]。将水质评价与健康风险评价相结合，能更全面地了解地下水水环境质量状况以及地下水作为饮用水的安全状况[13]，可为地下水污染防控和饮用水风险管理提供科学依据。

粤港澳大湾区是由珠三角和香港、澳门形成的城市群，是中国开放程度最高、经济活力最强的区域之一，在国家发展大局中具有重要战略地位。广州市作为粤港澳大湾区的中心城市，受农业集约化发展、旅游设施开发和城镇化快速发展的影响，该区域地下水普遍受到一定程度的污染[6-7,12,15]。目前，已有部分学者对广州市地下水环境质量开展了研究，但主要集中在地下水化学特征分析、质量评价等方面[16-19]，对地下水硝酸盐污染及健康风险评价等方面研究较少，对地下水水质及硝酸盐健康风险进行综合评价的研究更是未见有报道。因此，本研究以广州市浅层地下水为研究对象，采用内梅罗水质综合指数法和HHRA模型对研究区地下水水质及硝酸盐健康风险进行评估，以期为该地区地下水环境污染风险管理、饮水安全和地下水资源保护利用提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

广州市位于广东省的南部，地理位置介于112°57′～114°30′E，22°26′～23°56′N，包括从化区、海珠区、天河区等11个行政区域(图1)，面积为7 434.4 km2。广州市地处亚热带沿海，属亚热带海洋季风气候，年平均气温约为20～22℃，多年平均降水量约为1 800 mm，降水年内分布不均，主要集中在4—9月[17]。研究区的地势东北高，西南低。地貌类型有丘陵、台地和平原等，其中东北部以丘陵台地为主，南部为珠江三角洲平原区，西部为广花平原区[19]。在构造单元上，广州市属华南褶皱系粤北、粤东北—粤中凹陷带的粤中凹陷区[20]。地层岩性主要为第三系和白垩系的紫红色泥砂岩，二叠系和石炭系的灰岩、砂岩、页岩等和震旦系的花岗岩等[17,19]。根据地下水的赋存条件、含水介质条件与水力特征等，广州市地下水可分为松散岩类孔隙水、碳酸盐类岩溶水、基岩裂隙水三大类[17,19]。研究区地下水位分布东北高西南低，与高程基本一致，总体上从北向南呈现补给排泄趋势。2015年广州市土地利用类型以建筑用地、林地、园地和耕地为主，其占总面积的比例分别约为34.10%、26.70%、21.90%和9.92%[21]。

1.2 样品的采集与处理

2014年11月至2015年2月对广州市浅层地下水进行了布点采样，共采集水样132个，采样点的具体位置见图1。采集的水样经0.45 μm滤膜过滤后分为两部分：一部分加酸调节水样pH至2，用于阳离子和重金属的测定；另一部分则用于阴离子的测定。

a)采样点分布

1.3 内梅罗综合指数法

内梅罗综合指数法是一种兼顾极值或突出最大值的计权型多因子环境质量评价的方法，被广泛运用于地下水水质评价[13]。该方法的运用主要分为以下几个步骤。

a)选取评价因子。根据研究区的监测数据，选取pH、氯化物、硫酸盐、溶解性总固体、总硬度、挥发性酚类、氨氮、铁、锰和钠等指标作为评价因子。

b)确定单项评价因子评分值。根据GB/T 14848—2017《地下水质量标准》规定的5类标准，对各单项评价因子评分。各单项评价因子的评分值Fi=0、1、3、6和10时分别对应Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ类质量类别[24]。

c)确定水质综合指数F，计算见式(1)[14,25]：

(1)

式中Faverage——Fi的平均值；Fmax——Fi中最大值。

d)对地下水质量分级。根据F值划分地下水质量类别，F值的取值范围为小于0.80、0.80～2.50、2.50～4.25、4.25～7.20、大于7.20时，分别对应的地下水质量类别为优良、良好、较好、较差和极差[14]。

1.4 人体健康风险评价模型

健康风险评价采用美国环保署推荐的人类健康风险评估(HHRA)模型，该模型的评估过程采用“4步法”，即：危害识别、剂量反应评估、暴露评估和风险表征[26]。

a)危害识别。危害识别用来识别污染物的性质。硝酸盐属躯体毒物质，当其暴露剂量超过参考剂量时，可能产生毒害效应[27-28]。

b)剂量反应评估。剂量反应评估是人类健康风险评估的关键，可用污染物的参考剂量(RfD，mg/kg/d)来表示，硝酸盐的RfD值见表1。

c)暴露评估。地下水作为饮用水水源，其目标污染物硝酸盐主要通过2种途径进入人体[28]，不同途径暴露剂量的计算公式为[29]：

(2)

(3)

其中：CDI为饮水途径日均暴露剂量(mg/kg/d)，DAD为皮肤接触途径日均暴露剂量(mg/kg/d)，各参数代表的含义及参考数值见表1。

d)风险表征。风险表征是在前3个阶段所获得数据的基础上，估算在不同暴露条件下，人群可能产生的健康风险水平或某种健康效应发生的概率[30]。硝酸盐被认定为非致癌风险[31-32]。非致癌风险可通过危害熵数进行评估，计算公式为[33-35]：

(4)

(5)

HQtotal=HQoral+HQderm

(6)

其中，HQoral、HQderm、HQtotal分别为饮用水途径、皮肤接触途径以及总危害熵数。RfDoral、RfDderm分别为经饮用水途径和皮肤接触途径的硝酸盐参考剂量(mg/kg/d)，其他参数如前面所示。HQtotal>1表示硝酸盐污染所引起的健康风险较大，会对人体健康产生一定的威胁，反之，表示健康风险处于可接受水平，不会对人体健康产生影响[33]。

表1 健康风险评估模型参数

1.5 数据处理

2 结果与讨论

2.1 地下水水化学特征

表2 浅层地下水水化学参数统计特征值

图2 浅层地下水Piper三线图(灰色箭头代表地下水流向)

2.2 地下水硝酸盐氮的空间分布特征

表3 不同土地利用类型下浅层地下水硝酸盐氮浓度统计特征值

图3 浅层地下水硝酸盐氮的空间分布

2.3 地下水质量评价

利用内梅罗综合指数法得到广州市浅层地下水质量分级，总体而言，研究区浅层地下水质量可分为三级，其中仅30.9%的水质为良好，47.2%的水质较差，其余21.9%的水质为极差的级别。对监测点位分布密集的7个区(从化区、白云区、增城区、花都区、番禺区、南沙区和黄埔区)的地下水质分级分别进行统计分析发现，从化区46.7%的监测点地下水质属良好，53.3%的监测点其水质为较差和极差；白云区40.0%的监测点水质为良好，60.0%的监测点属较差和极差；增城区、花都区和南沙区28.6%的监测点水质属良好，71.4%的监测点为较差和极差；番禺区12.5%的监测点水质为良好，87.5%的监测点水质属较差和极差；而黄埔区90.9%的监测点水质为较差和极差，仅9.1%的监测点水质为良好。综上所述，从化区水质最好，白云区次之，黄埔区最差。

为进一步明确各项评价指标对研究区地下水水质评价结果的影响程度，根据GB/T 14848—2017《地下水质量标准》，对各评价指标中超过III类水质标准的占比进行统计，结果见图4。其中锰、氨氮超过III类水质标准的比例分别为47.15%和29.27%，是导致地下水水质较差的主要因子，其中锰和氨氮的平均浓度分别为0.54、1.09 mg/L，是地下水III类水质标准的5.4、2.2倍。铁和pH超过III类水质标准的比例分别为21.95%和23.58%，同样是影响地下水水质较差的因子。其余指标处于III类水质标准以下的比例较小(小于9%)，对研究区水质的影响较小。

图4 各评价指标Ⅳ、Ⅴ类水质质量占比统计

2.4 人体健康风险评价

2.4.1不同群体的健康风险评价

不同群体(成年男性、成年女性和儿童)的人体健康风险评价危害熵数见表4、图5。地下水硝酸盐污染的健康风险对儿童的危害最大，儿童总危害熵数的平均值为1.285 4，分别是成年男性和成年女性的3.23、2.81倍。HQtotal>1的样品数，儿童占据20.5%，成年男性和成年女性均占据12.1%；同时对不同群体危害熵数之间的差异性进行分析，得出成年男性和成年女性之间没有显著性差异，而成年男性与儿童、成年女性与儿童之间存在显著性差异。这表明与成人相比，儿童面临着更高的健康风险。

硝酸盐氮浓度较高的区域主要集中在从化区的南部(鳌头镇)和中南部(中心街道)、白云区与花都区西南部，从图5可看出，以上地区各个群体(成年男性、成年女性和儿童)的总危害熵数均大于1，面临着较高的健康风险，其余区域健康风险相对较低。此外，白云区西南部李坑垃圾填埋场周边区域的儿童总危害熵数HQ值甚至高达17，表明人体健康已受到严重威胁，且这些区域属于人口相对密集的区域，需引起相关部门的警惕和重视。

表4 硝酸盐健康风险评价的危害熵数

a)男性

2.4.2不同途径的健康风险评价

不同途径下人体健康风险评价危害熵数见表4。通过饮用水途径的危害熵数，儿童的平均值为1.270 2，分别是成年男性和成年女性的3.22、2.79倍，HQoral表现为儿童>成年女性>成年男性。经皮肤接触的危害熵数非常低，成年男性、成年女性、儿童的平均值分别为0.002 6、0.003 0、0.015 2，HQderm表现为儿童>成年女性>成年男性。同一途径下不同群体的显著性均表现为：成年男性和成年女性之间没有显著性差异，而成年男性与儿童，成年女性与儿童之间存在显著性差异。

此外，通过对比饮用水和皮肤接触2种途径危害熵数，通过皮肤接触途径的危害熵数远小于饮用水途径，各个群体均表现为HQoral>HQderm，这一结果与其他学者的研究结果一致[11,28,37]。饮用水途径的危害熵与总危害熵之间没有显著性差异，皮肤接触途径的危害熵与饮用水途径的危害熵，总危害熵存在显著差异。这一结果表明，硝酸盐通过皮肤接触途径对人体健康风险的影响较小，人体健康风险的总危害熵数主要是通过饮用水途径贡献的，因此降低硝酸盐健康风险应以饮水控制为主。