神东矿区地表水、地下水和矿井水水质特征及健康风险评价

卢 振,郭洋楠,李国庆,王 雷,李富忠,张 政2,

(1.国家能源集团神东煤炭技术研究院,陕西 榆林 719315;2.国家能源集团煤炭开采水资源保护与利用国家重点实验室,北京 102211;3.中国地质大学(武汉) 资源学院,湖北 武汉 430074)

前人在神东矿区不同水体水质基本特征与氟超标成因方面进行了有意义的探索,但有关矿区水体水质综合评价、健康风险空间分布特征方面的研究少见报道。本次研究在神东矿区采集了地表水、第四系地下水和矿井水水样,测试了水质常规指标和毒理学指标,采用CCME-WQI法评价了矿区不同水体水质特征,并通过建立健康风险评估模型分析了矿区范围内不同类型人群的水质健康风险及其空间分布特征。研究结果可为矿区水资源的可持续开发与利用提供借鉴。

1 研究区概况

神东矿区位于鄂尔多斯高原的东南部、陕北高原的北缘和毛乌素沙漠的东南边缘,东西宽约15～55 km,南北长约80 km。该矿区地貌总体呈西北高、东南低,海拔一般为1 000～1 300 m,平均海拔在1 200 m左右,主要有风沙和黄土两种地貌类型。矿区气候干燥,属于大陆季风气候区,四季多风,风向以西北风为主,年平均气温为6.1 ℃;年降雨量的变化范围为194.7～531.6 mm,年蒸发量的变化范围为2 297.4～2 838.7 mm。矿区内主要河流为黄河水系的乌兰木伦河,河流流向为自西北流向东南。区内出露的主要地层由老到新包括侏罗系、白垩系和第四系,主要含水层有第四系萨拉乌苏组孔隙潜水含水层、白垩系基岩裂隙含水层、侏罗系直罗组基岩裂隙含水层和侏罗系延安组含煤岩系烧变岩含水层。神东矿区范围内主要井田的平面展布及典型的地质剖面,如图1所示。

图1 神东矿区主要井田平面展布及典型地质剖面示意图Fig.1 Plane distribution and typical geological section diagram of main mine fields in Shendong mining area

2 水样采集与研究方法

2.1 水样采集与测试方法

图2 神东矿区不同水体水样采样点分布图Fig.2 Distribution map of sampling points of different water bodies in Shendong mining area

2.2 CCME-WQI法

CCME-WQI法是由加拿大环保署提出的一种水质综合评价方法,该方法从检测指标的超标范围F1、超标频率F2和超标幅度F3三个方面分析研究区域水环境质量,具体如下[10,12]。

1) 计算检测指标的超标范围F1。设选取的水质评价指标总个数为M(个),指标i的测试总次数为Ki(次),指标i的限值为Ci,指标i的第j次实测值为Xij。当指标i所有的实测值都符合限值Ci时(即对于实测值越小、水质越好的指标满足任意Xij≤Ci时成立,对于实测值越大、水质越好的指标满足任意Xij≥Ci时成立),i为合格的指标。F1的计算公式如下:

(1)

式中:B表示不合格指标的个数(个)。

2) 计算检测指标的超标频率F2。当指标i的实测值Xij满足限值Ci时,称为一次合格检测,统计超标检测的次数为R(次),单个样品总检测次数为N(次)。F2的计算公式如下:

(2)

3) 计算检测指标的超标幅度F3。定义指标i的某次实测值Xij的超标幅度为Eij,则对于实测值越小、水质越好的指标,其计算公式如下:

(3)

对于实测值越大、水质越好的指标,如溶解氧(DO),其计算公式如下:

(4)

根据式(3)和(4),可得F3。F3的计算公式如下:

(5)

结合F1、F2和F3,由下式可计算水质综合指数Q:

(6)

水质综合指数Q指示水体水质好坏,其值范围在0～100之间,无量纲。Q值越大,则表明水体水质越好,依据Q值大小可将水体水质划分为5个等级,见表1。

表1 CCME-WQI法的水体水质等级分类

2.3 水质健康风险评价模型

神东矿区地表水、第四系地下水是当地村民生活和生产用水的重要来源。为了缓解当地生产、生活用水供需矛盾,大量的矿井水被用于当地工业生产、居民生活和矿区生态灌溉。饮水摄入或皮肤入渗摄入劣质水,可能会对人体健康造成负面的影响。根据污染组分对人体的危害结果,水质健康风险可分为非致癌健康风险和致癌健康风险两种, 两者具有不同的水质健康风险评价模型[23-24]。其中,非致癌健康风险评价模型如下:

(7)

式中:HQ为经饮水摄入或皮肤渗入摄入的危险商(无量纲);Ei为某污染组分通过饮水摄入的平均每日暴露量[mg/(kg·d)];Ed为某污染组分通过皮肤入渗摄入的平均每日暴露量[mg/(kg·d)];RfD为某污染组分推荐的每日平均摄入量[mg/(kg·d)]。

上式中Ei、Ed的计算公式如下:

(8)

(9)

SA=239×H0.417·BW0.517

(10)

式中:c为水样中某组分的质量浓度(mg/L);IR为平均每日饮水摄入量(L),成年男性取2.2 L,成年女性取1.9 L,青年取1.5 L,儿童取1 L;EF为暴露频率(d/a),通常取365 d/a;ED为持续暴露时间(a),成年人取30 a,青年取12 a,儿童取6 a;BW为居民平均体重(kg),成年男性取70 kg,成年女性取65 kg,青少年取50 kg,儿童取20 kg;AT为平均暴露时间(d),成人取10 950 d,青年取4 380 d,儿童取2 190 d[25-27];SA为皮肤的暴露面积(cm2);H为居民平均身高(cm),成年男性取172.20 cm,成年女性取162.60 cm,青少年取150 cm,儿童取99.4 cm;Kp为皮肤渗透系数(cm/h);ET为每日皮肤暴露时间(h/d),成人、青年和儿童分别取 0.63、0.5 h/d和0.42 h/d;CF为单位转换系数,取0.001。

根据检测的超标指标确定评价模型所采用的参数[28-30]。另外,利用HI表示各元素累计HQ的非致癌健康风险(无量纲),具体计算公式为

(11)

式中:HQk为第k种污染组分的危险商(无量纲);D为污染组分总数(个)。

当HI>1时,表明水体水质具有潜在的非致癌健康风险。

致癌健康风险评价模型如下:

(12)

式中:CR表示致癌健康风险(无量纲);SF表示饮用摄入的斜率因子[(kg·d)/mg]。

根据前人的研究经验,可根据CR值大小将致癌健康风险分为6个等级,见表2[24]。根据国际癌症研究机构(IARC)和世界卫生组织(WHO)的规定,当CR值大于5.0×10-5时,表明水体中该污染组分具有较高的致癌健康风险。

表2 IARC和WHO的致癌健康风险等级分类

3 研究结果与讨论

3.1 矿区不同水体的水化学特征

3.1.1 不同水体水质检测结果

神东矿区地表水、第四系地下水和矿井水的水质指标测试结果统计,见表3。

表3 神东矿区地表水、第四系地下水和矿井水的水质指标测试结果统计

由表3可知:

1) 矿区地表水、第四系地下水和矿井水整体上呈弱碱性,其中地表水的pH值范围在7.1～8.7之间,平均值为7.71;第四系地下水pH值范围在7.2～8.7之间,平均值为7.94;矿井水的pH值范围在7.3～8.3之间,平均值为7.76。

2) 矿区矿井水中TDS高于地表水和第四系地下水,其中地表水中TDS范围在165～2 025 mg/L之间,平均值为678.64 mg/L;第四系地下水中TDS范围在106～2 229 mg/L之间,平均值为485.94 mg/L;矿井水中TDS范围在154～2 522 mg/L之间,平均值为1 038.88 mg/L。

3.1.2 不同水体水化学类型

基于神东矿区不同水体水质测试结果,分别绘制了矿区地表水、第四系地下水和矿井水的Piper三线图和Chadha水化学类型图,见图3。

图3 神东矿区地表水、第四系地下水和矿井水的Piper三线图和水化学类型图Fig.3 Piper trilinear diagram and hydrochemical type diagram of surface water,Quaternary groundwater and mine water in Shendong mining area

根据舒卡列夫水化学类型划分方法,利用Piper三线图[图3(a)],得到该矿区地表水的主要水化学类型为SO4·HCO3-Mg·Na、HCO3-SO4-Na·Mg、SO4·HCO3-Mg·Ca·Na型水;第四系地下水的主要水化学类型为HCO3-Ca、HCO3-Na、SO4·HCO3-Ca·Na型水;矿井水的主要水化学类型为HCO3-Na,HCO3-SO4-Na,SO4·HCO3-Ca·Na,SO4-Na型水。Chadha水化学类型图中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ区分别表示4种水化学类型,其水质主要影响因素依次为风化和补给作用、反向阳离子交换作用、蒸发作用、阳离子交换作用[31-32]。由Chadha水化学类型图可知[图3(b)]:该矿区地表水、第四系地下水水样点在图中较分散,表明其水化学类型多样,水质受多种因素的影响;矿井水水样点主要分布在Ⅲ区、Ⅳ区,表明矿井水水质主要受蒸发作用、阳离子交换作用的影响。

3.2 矿区不同水体的水质评价

图4 神东矿区不同水体的水质综合评价Q值箱式图Fig.4 Box diagram of Q value of comprehensive evaluation of water quality of different water bodies in Shendong mining area

由图4可知:

1) 矿区冬季地表水的水质等级为良—优,第四系地下水的水质等级为中等—优;矿区夏季地表水的水质等级为良—优,第四系地下水的水质等级为良—优[图4(a)]。矿区夏季地表水和第四系地下水的Q值略高于冬季,其原因可能在于夏季为雨季,大量雨水补给起到了稀释地下水污染物的作用。总体上,矿区范围内地表水水质普遍优良,仅个别井田(HJT井)地表水水质较差,这与附近矿井废水地面排放有关。

2) 矿区矿井水的Q平均值由大到小依次为:WLML矿(82.77)>HLG矿(78.85)>SGT矿(77.09)>DLT井(74.82)>SW矿(56.86)>BET矿(52.33)>HJT井(46.64)>BLT矿(41.47)。其中,矿区冬季矿井水的Q平均值由大到小依次为WLML矿(90.45)>SGT矿(82.49)>DLT井(75.63)>HLG矿(71.22)>SW矿(42.42)>BLT矿(37.65);夏季矿井水的Q平均值由大到小依次为HLG矿(81.39)>WLML矿(75.10)>SGT矿(73.50)>DLT井(73.20)>SW矿(64.08)>BET矿(52.33)>HJT井(46.64)>BLT矿(44.02)[图4(b)]。矿区冬季和夏季的矿井水共同采样点共8个,均表现为夏季矿井水的Q值大于冬季。矿区矿井水质总体上呈现以乌兰木伦河为界,东部的WLML矿、HLG矿、SGT矿、DLT井的矿井水水质较好,水质评价等级主要为中等—优;西部的HJT井、SW矿、BLT矿、BET矿的矿井水水质相对较差,水质评价等级主要为较差—极差。

神东矿区中、下侏罗系含煤地层的沉积环境主要为湖泊三角洲和河流沉积环境,岩性为碎屑岩。下白垩系志丹群是鄂尔多斯盆地重要的含水层,但其空间分布不均衡,在矿区范围内,大致以乌兰木伦河为分界线,矿区东部下白垩系志丹群缺失,煤层埋深相对较小,而矿区西部下白垩系志丹群发育,煤层埋深相对较大[33]。矿区西部下白垩系志丹群红色地层相比侏罗系含煤地层更富Fe、Mn等元素,西部煤层上部含水层中的含氟矿物含量相对较高[33]。矿区西部中侏罗系直罗组以砂质泥岩为主,平均厚度为70.71 m,侏罗系上部2-2煤顶板导水裂隙带通常未突破中侏罗系直罗组底部;而东部井田的下白垩系志丹群缺失,中侏罗系直罗组平均厚度仅为10～30 m,第四系甚至直接覆盖于侏罗系煤层之上,属于典型的浅埋深、薄基岩井田[33](图1)。矿区西部矿井水的水源主要为侏罗系基岩裂隙水,与第四系地下水及地表水的水力联系相对较弱;而矿区东部矿井水的水源主要为地表水、第四系地下水、侏罗系基岩裂隙水,不同水体之间的水力联系较强[1,6-7]。因此,神东矿区东部和西部地层结构的差异,导致矿井水源和水、岩作用不同,从而造成矿井水质特征也存在差异。

3.3 矿区不同水体水质的健康风险评价

3.3.1 水质非致癌健康风险

表4 健康风险评价模型中各污染物的相关参数取值

神东矿区不同水体中污染组分的人群非致癌健康风险评价结果统计见表5,其中矿区不同水体中污染组分通过饮水摄入途径的人群非致癌健康风险(HI)见图5,通过皮肤入渗摄入途径的人群非致癌健康风险(HI)见图6。

表5 神东矿区不同水体中污染组分的人群非致癌健康风险评价结果统计

图5 神东矿区不同水体中污染组分通过饮水摄入途径的人群非致癌健康风险Fig.5 Non-carcinogenic health risks of pollution components in different water bodies in Shendong mining area through drinking water intake pathway

图6 神东矿区不同水体中污染组分通过皮肤入渗摄入途径的人群非致癌健康风险Fig.6 Non-carcinogenic health risks of pollution components in different water bodies in Shendong mining area through skin infiltration intake pathway

由表5、图5和图6可知:

1) 相比皮肤入渗摄入途径,饮水摄入途径的非致癌健康风险更大,在矿区不同水体中,通过饮水摄入途径的非致癌健康风险HI平均值比通过皮肤入渗摄入途径的非致癌健康风险HI平均值大1到2个数量级。不同人群通过饮水摄入矿区各类水体的非致癌健康风险HI最大值均达到了风险水平(HI>1),而通过皮肤入渗摄入途径的非致癌健康风险HI最大值均小于1,未达到风险水平。

2) 按水体类型,矿区不同水体非致癌健康风险由高到低依次为:矿井水>地表水>第四系地下水,其中矿井水的非致癌健康风险远大于地表水和第四系地下水(表5)。矿区地表水对不同群体的非致癌健康风险HI总和的平均值分别为儿童(1.44)、青少年(0.89)、成年女性(0.86)、成年男性(0.90);第四系地下水对不同群体的非致癌健康风险(HI)总和的平均值依次为儿童(0.91)、青少年(0.56)、成年女性(0.54)、成年男性(0.57);矿井水非致癌健康风险HI总和的平均值依次为儿童(4.40)、青少年(2.72)、成年女性(2.62)、成年男性(2.75)。根据群体不同,非致癌健康风险由高到低依次为儿童>成年男性>青少年>成年女性(表5、图5)。

神东矿区不同水体中污染组分对非致癌健康风险的贡献率(HQ/HI)箱式图,见图7。

图7 神东矿区不同水体中污染组分对非致癌健康风险的贡献率(HQ/HI)箱式图Fig.7 Box plot of the contribution rate of pollution components in different water bodies to non-carcinogenic health risks (HQ/HI) in Shendong mining area

由图7可知:矿区不同水体中污染组分造成的非致癌健康风险程度存在明显差异,其中不同水体中污染组分F-、As和Mn占主导,其中地表水中3种主导污染组分对HI值的平均贡献率(HQ/HI)分别为59.95%(F-)、35.79%(As)、2.20%(Mn),第四系地下水中3种主导污染组分对HI值的平均贡献率分别为63.25%(F-)、10.96%(As)、22.54%(Mn),矿井水中3种主导污染组分对HI的平均贡献率分别为56.28%(F-)、22.69%(As)、14.58%(Mn)。

本文以儿童饮水摄入途径的非致癌健康风险为例,考察了神东矿区不同水体儿童通过饮水摄入途径的非致癌健康风险(HI值)空间分布特征,见图8。

图8 神东矿区不同水体儿童通过饮水摄入途径的非致癌健康风险(HI值)空间分布特征Fig.8 Spatial distribution characteristics of non-carcinogenic health risks (HI values) of children in different water bodies in Shendong mining area through drinking water intake pathway

由图8可知:整体上,矿区西部地区地表水和第四系地下水中污染组分对儿童通过饮水摄入途径的非致癌健康风险较高,矿区东部地区地表水和第四系地下水对儿童饮水摄入途径的非致癌健康风险较低;在平面上,乌兰木伦河西部的HJT井、SW矿、BLT矿和BET矿矿井水中污染组分对儿童通过饮水摄入途径的非致癌健康风险均大于1,低风险区域主要分布在东部的DLT井、SGT矿、HLG矿及WLML矿。

3.3.2 水质致癌健康风险评价

在矿区超标的水质指标中,As是一种具有致癌健康风险的元素。根据矿区不同水体水质的测试结果,分析了矿区不同水体中As元素的致癌健康风险CR值空间分布特征,见表6、图9和图10。

表6 神东矿区不同水体中As元素的致癌健康风险评价结果统计

图9 神东矿区不同水体中As元素通过饮水摄入途径的人群致癌健康风险(CR值)Fig.9 Carcinogenic health risks (CR values) of As element in different water bodies in Shendong mining area through drinking water intake pathway

图10 神东矿区不同水体中As元素通过皮肤入渗摄入途径的人群致癌健康风险(CR值)Fig.10 Carcinogenic health risks (CR values) of As element in different water bodies in Shendong mining area through skin infiltration intake pathway

由表6、图9和图10可知:

1) 矿区矿井水中As元素的致癌健康风险(CR值)最高,地表水中As元素的致癌健康风险次之,第四系地下水中As元素的致癌健康风险最低;通过饮水摄入途径的致癌健康风险远高于通过皮肤入渗摄入途径,前者的致癌健康风险CR值比后者大4～5个数量级,前者的致癌健康风险较高。

2) 矿区地表水中As元素通过饮水摄入途径的致癌健康风险CR值范围在5.01×10-5～4.68×10-4之间,致癌健康风险等级为Ⅲ～Ⅳ级;矿区第四系地下水中As元素通过饮水摄入途径的致癌健康风险CR值范围在9.23×10-7～5.72×10-5之间,致癌健康风险等级为Ⅰ～Ⅲ级;矿区矿井水中As元素通过饮水摄入途径的致癌健康风险CR值范围在5.10×10-6～3.59×10-3之间,致癌健康风险等级为Ⅰ～Ⅵ级(图9)。

3) 矿区地表水、第四系地下水和矿井水中As元素对不同人群通过皮肤入渗摄入途径的致癌健康风险均小于1×10-6(图10),表明矿区水体中As元素通过皮肤入渗摄入途径的致癌风险可忽略。

4) 矿区不同水体中As元素对不同群体的致癌健康风险由高到低依次为:儿童>成年男性>青少年>成年女性(表6、图10)。其中,矿区地表水中As元素对不同群体通过饮水摄入途径的致癌健康风险CR平均值由高到低依次为儿童(2.16×10-4)、青少年(1.29×10-4)、成年女性(1.25×10-4)、成年男性(1.34×10-4)。矿区第四系地下水中As元素通过饮水摄入途径的致癌健康风险CR平均值由高到低依次为儿童(1.72×10-5)、成年男性(1.07×10-5)、青少年(1.03×10-5)、成年女性(9.99×10-6);矿区矿井水中As元素通过饮水摄入途径的致癌健康风险CR平均值由高到低依次为儿童(5.30×10-4)、成年男性(3.30×10-4)、青少年(3.17×10-4)、成年女性(3.08×10-4)。

以儿童通过饮水摄入各类水体中As元素的致癌健康风险为例,考察了神东矿区不同水体中As元素对儿童通过饮水摄入途径的致癌健康风险(CR值)空间分布特征,见图11。

图11 神东矿区不同水体中As元素对儿童饮水摄入的致癌健康风险(CR值)空间分布特征Fig.11 Spatial distribution characteristics of carcinogenic health risks (CR values) of As element in different water bodies in Shendong mining area to children through drinking water intake pathway

由图11可知:整体上,矿区西部地表水和矿井水中As元素的致癌健康风险相对较高,高风险值区域主要分布在HJT井、SW矿、BLT矿和BET矿;矿区中部第四系地下水中As元素的致癌健康风险相对较高,主要分布在HLG矿、BLT矿和SGT矿。

4 结 论

2) 神东矿区不同水体中污染组分通过饮水摄入途径的非致癌健康风险和致癌健康风险均高于通过皮肤入渗摄入途径;不同人群的非致癌健康风险、致癌健康风险从高到低依次为儿童>成年男性>青少年>成年女性;非致癌健康风险主要来自污染组分F-、As和Mn的影响;矿区地表水、第四系地下水和矿井水中As元素对不同人群饮水摄入途径的非致癌健康风险都大于1,具有潜在的非致癌健康风险;矿区地表水、第四系地下水的致癌健康风险等级分别为Ⅲ～Ⅳ级和Ⅰ～Ⅲ级,致癌健康风险低;矿区矿井水中As元素通过饮水摄入途径的致癌健康风险等级为Ⅰ～Ⅵ级,存在致癌健康风险,不适宜直接作为饮用水源;矿区不同水体中As元素通过皮肤入渗摄入途径的非致癌健康风险HI值和致癌健康风险CR值分别小于1、1×10-6,表明通过皮肤入渗摄入途径的健康风险可忽略。

3) 神东矿区第四系地下水、地表水和矿井水中污染组分的非致癌健康风险、致癌健康风险的空间分布特征较为一致,主要分布在矿区西部BET矿、BLT矿、SW矿和HJT井,推测矿区矿井水的生态利用对地表水和第四系地下水的水质造成了一定的影响,建议将矿区西部矿井水进行净化处理后再利用,以避免对当地水体环境和居民健康造成不利的影响。此外,矿区水文地质条件是动态变化的,随着各矿山开采深度及开采煤层的变化,其矿井水质特征及健康风险可能会发生相应的变化,今后需加强监测分析。