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    廢棄礦山地下水重金屬元素空間分布特征及健康風險評價

    2025-04-16 00:00:00張穩(wěn)趙玉潔朱明澹劉國劉晶京陳珈靜張宏煒
    人民黃河 2025年4期
    關(guān)鍵詞:敘永縣成人重金屬

    摘 要:為探究廢棄礦山地下水中重金屬空間分布特征及健康風險,以瀘州市敘永縣后山鎮(zhèn)廢棄礦山為研究區(qū)域,對研究區(qū)7 種重金屬(Fe、Cd、Cu、Pb、Zn、Mn 和Cr)進行測定和分析,利用污染指數(shù)評價法、模糊綜合評價法和健康風險評價模型揭示了后山鎮(zhèn)廢棄礦山地下水中重金屬的污染特征、空間分布狀況和健康風險,并采用蒙特卡羅模擬法進行了健康風險評價的不確定性分析。結(jié)果表明:研究區(qū)地下水中Fe、Pb、Mn、Cd 的質(zhì)量濃度均值高于Ⅲ類水質(zhì)標準限值;研究區(qū)地下水中5 種非致癌重金屬(Fe、Cu、Pb、Zn和Mn)對成人和兒童的非致癌健康風險值分別為0.617、0.145,均小于1,成人的非致癌健康風險值均高于兒童;地下水中重金屬Cd和Cr 在飲水和皮膚接觸兩種途徑均存在一定致癌健康風險;蒙特卡羅模擬法預(yù)測的Cd、Cr 對成人和兒童的致癌健康風險值分別為1.78×10-4 ~6.33×10-4、2.29×10-4 ~4.40×10-4,其平均值分別為3.96×10-4、3.33×10-4,地下水中Cd 和Cr 對成人具有一定致癌健康風險,對兒童的致癌健康風險較大。

    關(guān)鍵詞:地下水;重金屬;模糊綜合評價法;健康風險評價

    中圖分類號:X523 文獻標志碼:A doi:10.3969/ j.issn.1000-1379.2025.04.017

    引用格式:張穩(wěn),趙玉潔,朱明澹,等.廢棄礦山地下水重金屬元素空間分布特征及健康風險評價[J].人民黃河,2025,47(4):106-111,119.

    0 引言

    隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展,對礦產(chǎn)資源需求日益增加,礦山開采、尾礦渣長時間堆積會產(chǎn)生廢水,廢水中重金屬隨著礦硐涌水入滲到地下含水層中,將造成地下水污染[1-3] 。重金屬通過飲水或皮膚接觸途徑進入人體,將給人體造成致癌性和非致癌性健康風險。同時,攝入過量的Cd、Cr、Pb 等會嚴重危害人身健康[4] 。開展廢棄礦山地下水重金屬污染現(xiàn)狀和健康風險評價研究,對保護生態(tài)環(huán)境和人體健康具有重要意義。已有研究[5-7] 表明,單一水質(zhì)評價方法的評價結(jié)果具有局限性,綜合水質(zhì)評價方法的評價結(jié)果更加科學、合理。

    瀘州市敘永縣地處四川盆地和云貴高原過渡地帶的中低山區(qū),礦產(chǎn)資源豐富,盛產(chǎn)無煙煤和硫鐵礦,曾是我國重要的煤炭生產(chǎn)基地之一。敘永縣水資源匱乏,供水條件較差,地下水是當?shù)鼐用耧嬘盟凸喔扔盟闹匾獊碓矗郏福?。目前,針對敘永縣周邊地區(qū)地下水中重金屬健康風險的研究相對較少。本文以敘永縣后山鎮(zhèn)廢棄礦山地下水重金屬污染區(qū)為研究區(qū),篩選29個采樣點,對地下水中7 種重金屬(Fe、Cd、Cu、Pb、Zn、Mn 和Cr)進行測定和分析,利用污染指數(shù)評價法、模糊綜合評價法和美國國家環(huán)境保護局(US EPA)推薦的健康風險評價模型揭示后山鎮(zhèn)廢棄礦山地下水中重金屬的污染特征、空間分布狀況和健康風險[9-10] ,并采用蒙特卡羅模擬法進行健康風險評價的不確定性分析,以保證評價結(jié)果的準確性和全面性[11-13] ,以期為瀘州市敘永縣后山鎮(zhèn)廢棄礦山地下水重金屬污染防治提供依據(jù)。

    1 材料與方法

    1.1 研究區(qū)概況

    研究區(qū)位于四川盆地南緣,為川、滇、黔三省結(jié)合部,面積129 km2,耕地面積1477.3 hm2,總?cè)丝冢玻?萬余人。研究區(qū)海拔為440~1 100 m,地勢西北高、東南低,整體地形起伏相對平緩。研究區(qū)屬亞熱帶濕潤氣候區(qū),為亞熱帶與暖溫帶過渡區(qū),氣溫較高,日照充足,夏季多雷雨、冬季多為連綿陰雨天氣。研究區(qū)河流主要為大樹河,由南向北流經(jīng)礦山,于敘永縣城附近匯入永寧河。研究區(qū)水資源總量為66.57 億m3 / a,其中地下水資源豐富,主要為碎屑巖類孔隙裂隙水、基巖裂隙水[14] ;地表水系統(tǒng)較為發(fā)育,有煤礦開采沉陷形成的地下水通道以及天然形成的落水洞,地表水自東南向西北流動,隨著海拔的降低流量逐漸增大,且隨季節(jié)變化很大。在硫鐵礦開采初期,由于生態(tài)環(huán)境保護意識薄弱,硫鐵礦開采、洗選和土法煉磺等生產(chǎn)工藝落后,因此造成大量尾礦堆積,大片土壤酸化,植被被破壞。礦產(chǎn)開采形成采空區(qū),地下含水層遭到嚴重破壞,存在地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的隱患。研究區(qū)有多個遺留的廢棄礦硐與尾砂堆場,分別為新海壩煤礦礦硐D1、老海壩煤礦廢棄礦硐D2、敘星硫鐵礦廢棄礦硐D3 和尾砂堆場D4,廢棄礦硐、尾砂堆場、采樣范圍和采樣點分布見圖1。地下水賦存特征為碎屑巖類孔隙裂隙水構(gòu)成淺層地下水,淺層地下水主要接受大氣降水和地表水補給。

    1.2 樣品采集及測定

    2021 年9 月,根據(jù)《地下水環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(HJ 164—2020),按照廢棄礦硐排水、尾礦堆淋濾水等污染源分布情況,分別在地下水補徑排區(qū)域布設(shè)采樣點,點距為50~100 m。結(jié)合研究區(qū)原有民用井以及泉點分布情況,根據(jù)地下水實際出露情況及補徑排條件,適當增設(shè)和調(diào)整地下水采樣點,其中D1、D2 之間布設(shè)采樣點W1~ W6,D2、D3 之間布設(shè)采樣點W7 ~ W13,D3、D4 之間布設(shè)采樣點W14~W25,D4 下游布設(shè)采樣點W26~W29,共計29 個采樣點。每個采樣點均采集3 個平行樣,采樣時利用GPS 記錄每個采樣點的經(jīng)緯度,并利用便捷式水質(zhì)檢測儀(HI 98194)監(jiān)測溫度,以及水樣pH 值、氧化還原電位、溶解氧、電導(dǎo)率、溶解性固體總量、鹽度等水質(zhì)參數(shù)。采集后水樣使用HNO3酸化至pH 值<2,在4 ℃低溫下密封保存,運送至成都理工大學地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護全國重點實驗室測定重金屬含量。Cd、Cu、Pb、Cr 采用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀ICP-MS 測定,Zn 采用滴定法測定,Fe、Mn 采用紫外分光光度法測定。

    1.3 評價方法

    1.3.1 污染指數(shù)評價法

    污染指數(shù)評價法采用單個指標的污染指數(shù)表示水體的污染程度[15] ,計算公式為

    Pi =Ci/C0 (1)

    式中:Pi為水質(zhì)指標i 的污染指數(shù),污染指數(shù)≤0.20、0.21~0.40、0.41~1.00、1.01~2.00、≥2.01 的水質(zhì)級別分別為清潔、尚清潔、輕污染、重污染、嚴重污染;Ci 為水質(zhì)指標i 的實測值;C0 為《地下水質(zhì)量標準》(GB∕T14848—2017)規(guī)定的Ⅲ類水質(zhì)標準限值。

    1.3.2 模糊綜合評價法

    模糊綜合評價法是一種描述地下水水質(zhì)的常用方法[16] 。地下水環(huán)境復(fù)雜,影響因素多,將數(shù)學中模糊集理論和方法應(yīng)用于水質(zhì)評價,以《地下水質(zhì)量標準》為評價依據(jù),根據(jù)實測數(shù)據(jù)建立評價指標相對于各級水質(zhì)標準的隸屬度集,通過各評價指標的權(quán)重與隸屬度,對水質(zhì)評價指標進行定量化處理,綜合評判研究區(qū)水質(zhì)狀況[17] 。

    1.3.3 健康風險評價

    地下水中的Fe、Cd、Cu、Pb、Zn、Mn、Cr 均可能導(dǎo)致人體產(chǎn)生健康風險,按其毒理性質(zhì)可分為化學致癌物(Cd、Cr)和化學非致癌物(Fe、Cu、Zn、Mn 和Pb),因此對以上7 種重金屬進行致癌性和非致癌性健康風險評價。致癌物采用致癌重金屬的平均健康風險值(SRisk)表示,非致癌物采用非致癌健康風險值(HI)表示[18-19] ,其中:HI ≤1 為無非致癌風險或風險較小,HI>1 為存在顯著的非致癌風險;SRisk ≤1×10-6、1×10-6 <SRisk≤1×10-4、SRisk >1×10-4分別為可接受范圍、致癌風險較小、存在顯著致癌風險。本研究采用US EPA 推薦的健康風險評價模型評價地下水中重金屬可能對成人和兒童產(chǎn)生的健康風險,并計算皮膚接觸和飲水兩種途徑在地下水中直接暴露的情況[20-21] 。

    1.3.4 不確定性分析

    蒙特卡羅模擬法是風險評價中風險不確定性分析參數(shù)選取常用的一種概率模擬法。在健康風險評價中,不確定性主要來源于暴露參數(shù)(如體重、攝入量、皮膚表面積等)、不同研究區(qū)域污染物濃度差異以及健康風險評價模型的選擇,這些因素通過影響實際風險值的計算,從而造成健康風險評價結(jié)果的不確定性。借鑒有關(guān)研究[22-24] 進行不確定性分析的輸入?yún)?shù)(重金屬日均參考劑量和致癌斜率因子等)的選取,采用蒙特卡羅模擬法模擬9 種重金屬的致癌健康風險和非致癌健康風險,并對此進行不確定性分析,輸出結(jié)果用概率分布直方圖表示。使用Oracle Crystal Ball v11.1.2.3軟件進行不確定性分析,隨機模擬迭代次數(shù)設(shè)置為10 000次,置信度為95%。

    2 結(jié)果與討論

    2.1 研究區(qū)地下水水質(zhì)評價結(jié)果

    研究區(qū)地下水中7 種重金屬質(zhì)量濃度為0.46 ~14.45 mg/ L,采樣點W1 重金屬質(zhì)量濃度最小,采樣點W2 重金屬質(zhì)量濃度最大(主要受礦硐涌水影響)。重金屬Fe、Pb、Mn 質(zhì)量濃度變化幅度較大,檢出質(zhì)量濃度遠高于其他重金屬。

    污染指數(shù)評價法評價結(jié)果表明,研究區(qū)地下水重金屬污染指數(shù)Pi為0~47.10(見圖2),平均值為7.5。研究區(qū)水質(zhì)極差,其中Fe、Cd、Pb、Mn 的污染指數(shù)較大。根據(jù)各采樣點的地下水水質(zhì)數(shù)據(jù),運用熵權(quán)法計算熵權(quán),得出影響水質(zhì)的主要重金屬元素是Cu,其熵權(quán)最大。

    模糊綜合評價法評價結(jié)果(見表1)顯示:研究區(qū)綜合水質(zhì)類別為Ⅴ類,不適宜居民飲用和進行工農(nóng)業(yè)生產(chǎn);29 個采樣點中,采樣點W1、W24、W25、W26、W27、W28、W29 水質(zhì)為Ⅳ類,主要分布在海壩村西南部;其余采樣點水質(zhì)為Ⅴ類,主要分布于新海壩煤礦、老海壩煤礦、敘星硫鐵礦3 個礦硐及尾砂堆場之間,為巖溶地下水排泄區(qū)。研究區(qū)地下水水質(zhì)極差還可能與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有關(guān),農(nóng)業(yè)區(qū)農(nóng)藥、化肥的大量施用可能導(dǎo)致地下水重金屬含量超標。通過野外調(diào)查可知,該地區(qū)地下水滯留時間較長,補給條件差,地下水水質(zhì)極差。模糊綜合評價法評價結(jié)果與野外調(diào)查結(jié)果基本一致,模糊綜合評價法評價結(jié)果更加準確、有效??傮w而言,研究區(qū)地下水水質(zhì)較差。

    2.2 重金屬空間分布特征

    研究區(qū)廢棄礦山周邊地下水中重金屬平均質(zhì)量濃度Fe(2.86 mg/ L)>Mn(0.098 mg/ L) >Pb(0.082 mg/L)>Cd(0.034 mg/ L)>Cu(0.022 mg/ L)>Zn(0.010 mg/L)>Cr(0.001 mg/ L),根據(jù)《地下水質(zhì)量標準》,Fe、Pb、Cd 平均質(zhì)量濃度高于Ⅲ類水質(zhì)標準限值(Fe、Pb、Cd分別為0.1、0.01、0.005 mg/ L),而其他重金屬的平均質(zhì)量濃度低于Ⅲ類水質(zhì)標準限值。

    地下水中Fe、Pb、Mn 質(zhì)量濃度較高的地區(qū)主要位于新海壩煤礦與老海壩煤礦之間,其中新海壩煤礦周邊第四系礦渣堆積體中含有大量Fe、Pb、Mn 等重金屬。研究區(qū)屬亞熱帶濕潤氣候區(qū),地表水系統(tǒng)較為發(fā)育,礦渣堆積體通過風化淋濾作用使重金屬元素不斷溶解進入地下水,導(dǎo)致部分采樣點Fe、Pb、Mn 含量超標。敘星硫鐵礦與后山鎮(zhèn)尾砂堆場之間部分采樣點Cd 和Cr 含量超標,根據(jù)《瀘州統(tǒng)計年鑒(2021)》,敘永縣農(nóng)用化肥和農(nóng)藥施用量、農(nóng)用塑料薄膜使用量較大,而農(nóng)藥、化肥和地膜生產(chǎn)過程中需要大量重金屬元素Cd、Cr 等[25-26] ,農(nóng)藥、化肥的施用和地膜的大面積使用,使得重金屬通過地表徑流等方式滲入地下水中,導(dǎo)致部分地區(qū)Cd、Cr 含量超標。

    2.3 健康風險評價

    采用US EPA 健康風險評價模型,根據(jù)研究區(qū)重金屬實測含量,分別計算敘永縣后山鎮(zhèn)廢棄礦山地下水中化學致癌物(Cd、Cr)、化學非致癌物(Fe、Cu、Zn、Mn、Pb)通過飲水、皮膚接觸途徑進入人體的健康風險值,以及地下水中各重金屬的平均健康風險值,結(jié)果見表2、表3。

    研究區(qū)地下水中化學非致癌物(Fe、Cu、Zn、Mn、Pb)對成人和兒童的非致癌健康風險值分別為0.617、0.145,均小于1,研究區(qū)地下水中化學非致癌物不會對當?shù)爻扇撕蛢和a(chǎn)生非致癌健康風險。分析飲水和皮膚接觸兩種途徑的健康風險值,發(fā)現(xiàn)飲水途徑比皮膚接觸途徑的健康風險值高2~3 個數(shù)量級,表明飲水是造成健康風險的主要途徑。通過比較地下水中5 種非致癌重金屬對成人和兒童的非致癌健康風險值發(fā)現(xiàn),成人的非致癌健康風險值比兒童的高,這可能與成人比兒童的飲水攝入量和皮膚接觸面積更大有關(guān)。化學致癌物(Cd、Cr)對成人和兒童產(chǎn)生的健康風險值均超過US EPA 建議的最大可接受風險值(1×10-4),飲水和皮膚接觸兩種途徑均存在Cd、Cr 致癌風險。

    研究區(qū)成人和兒童的健康風險值空間分布大致相同,其中化學致癌物的健康風險值較大的區(qū)域主要分布在研究區(qū)西北部(見圖3),可能是周邊農(nóng)業(yè)活動使地下水中Cd、Cr 富集所致?;瘜W致癌物影響人體健康,進行重金屬檢測、對超標重金屬污染因子采取措施進行治理很有必要。

    2.4 不確定性分析

    采用蒙特卡羅模擬法模擬成人飲水和皮膚接觸兩種途徑的重金屬致癌健康風險值和非致癌健康風險值,結(jié)果見圖4。95%分位值代表最壞情況下的風險評估,對成人和兒童而言,Fe、Mn、Pb、Cu、Zn 的平均非致癌健康風險值和95%分位值(P95)均小于1,預(yù)測的成人和兒童的非致癌健康風險值均值分別為0.414、0.349,均小于1,說明目前研究區(qū)地下水中這5 種重金屬對成人沒有非致癌健康風險,對兒童的非致癌健康風險較小。

    從成人的致癌健康風險值來看,Cd、Cr 這兩種重金屬的平均致癌健康風險值和95%分位值大于1×10-4,預(yù)測的致癌健康風險值為1.78×10-4 ~ 6.33 ×10-4,平均值為3.96×10-4,中值為3.94×10-4,不確定性分析結(jié)果與健康風險評價結(jié)果基本一致,說明地下水中Cd、Cr 對成人具有一定致癌健康風險。對兒童而言,Cd、Cr 這兩種重金屬的平均致癌健康風險值和95%分位值均大于1×10-4,預(yù)測的致癌健康風險值為2.29×10-4 ~4.40×10-4,中值、平均值均為3.33×10-4,不確定性分析結(jié)果與健康風險評價結(jié)果一致,說明地下水中Cd 和Cr 對兒童的致癌健康風險較大。

    3 結(jié)論

    研究區(qū)地下水中Fe、Pb、Cd 的質(zhì)量濃度均值高于《地下水質(zhì)量標準》規(guī)定的Ⅲ類水質(zhì)標準限值,重金屬Fe、Pb、Mn 質(zhì)量濃度變化幅度較大,檢出的質(zhì)量濃度遠高于其他重金屬。研究區(qū)廢棄礦硐與尾砂堆場所屬區(qū)域地下水重金屬質(zhì)量濃度明顯高于其他區(qū)域。

    污染指數(shù)評價法評價結(jié)果表明,研究區(qū)地下水中Fe、Pb、Mn、Cd 均超出清潔水平,研究區(qū)屬于重度污染水平,水質(zhì)極差;從模糊綜合評價法評價結(jié)果來看,研究區(qū)29 個地下水采樣點中為Ⅳ類水質(zhì)有7 個采樣點,分別是W1、W24、W25、W26、W27、W28、W29,其余采樣點為Ⅴ類水質(zhì),總體水質(zhì)為Ⅴ類。

    研究區(qū)地下水對人體產(chǎn)生的非致癌健康風險較低,重金屬Fe、Pb、Mn、Cu、Zn 對成人的非致癌健康風險高于兒童,飲水途徑產(chǎn)生的非致癌健康風險遠大于皮膚接觸途徑;同時Fe、Pb、Mn、Cu、Zn 在飲水途徑和皮膚接觸途徑的健康風險值均小于1,不存在非致癌健康風險。但研究區(qū)地下水中Cd 和Cr 在飲水途徑和皮膚接觸途徑下對成人、兒童的致癌健康風險值均超過US EPA 所設(shè)定的最大風險值(1×10-4),對成人存在一定致癌健康風險,對兒童的致癌風險較大。因此,應(yīng)對地下水中致癌健康風險值高的重金屬元素(Cd 和Cr)進行治理。

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    【責任編輯 呂艷梅】

    基金項目:國家重點研發(fā)計劃項目(2023YFC3207300,2023YFC3710000);國家自然科學基金資助項目(42277078)

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