印度中西部地区地下水质量评估及长期接触有毒元素所带来的健康风险

《Science of The Total Environment》：Assessment of groundwater quality and health risks associated with chronic exposure to toxic elements in west-central India

地下水质量与重金属污染评估及健康风险分析。采用污染指数和水质指数法，结合主成分分析和聚类分析，揭示western Madhya Pradesh地区地下水砷、硒、氟和硝酸盐超标问题，发现儿童健康风险最显著，污染源与岩性、水文地质条件密切相关。

　　

苏帕尔娜·哈兹拉（Suparna Hazra）|乔利·罗伊（Jolly Roy）|拉坦迪普·贾乌哈里（Ratandeep Jauhari）|安基特·舒克拉（Ankit Shukla）

印度地质调查局，海得拉巴，500 068，印度

摘要

本文使用统计技术、水质指数和污染指数，评估了印度中部中央邦西部的地下水质量和重金属（HM）污染情况，并评估了摄入有毒元素对健康的潜在风险。2022年和2023年，在季风前后采集了地下水样本，从多种岩石和底土中选取代表性样本，并通过标准方法进行了分析。分析的物理化学参数包括水温、pH值、电导率、总溶解固体、Na⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、K⁺、HCO₃^?、CO₃^2?、Cl^?、SO₄^2?、NO₃^?、F^?、总硬度以及Fe、Mn、Zn、As、Se、Sr和Mo。根据BIS和WHO的饮用水指南，有17.8%的样本中As和Se的含量超标，分别有15.5%的样本中F^?和NO^3?的含量超标。为了更好地解读水质数据，使用了皮尔逊相关系数（r）、主成分分析（PCA）和层次聚类分析（HCA）等统计工具。高水质指数和污染指数（>100）、WQI与F^?（r=0.99）、HPI与As（r=0.971）、HPI与Se（r=1）、HPI与Zn（r=0.75）以及HPI与Sr（r=0.70）之间的强相关性表明这些元素对水质污染起到了重要作用。PCA确定了四个因素，解释了数据集中81.2%的变异。HCA将地下水样本分为三类：HM–F–盐型（C1）、碱性pH–F型（C3）和中间型（C2），这些分类与水文地质特征密切相关。两个季节中，男女性儿童的平均危害指数（HI）均超过了安全阈值（HI=1），其中儿童受影响最为严重。HI对体重变化和摄入量的敏感度高于浓度变化。砷摄入导致的癌症风险阈值（1 × 10^-5、1 × 10^-4、1 × 10^-3和1 × 10^-2）的超越概率，对于内部癌症而言高于皮肤癌，且女性患皮肤癌的风险概率高于男性。

引言

地下水是许多发展中国家和农业经济体的关键资源，人们依赖它作为饮用水和灌溉用水，以确保粮食安全。摄入含有超标有毒元素的受污染地下水会导致多种疾病，其中一些疾病甚至危及生命（WHO，2022）。因此，受污染的饮用水是一个严重的公共卫生问题，全球约有20亿人无法获得安全的饮用水（SDGS，2015）。这些有毒元素的来源可能包括地质成因（Mukherjee等，2024）、岩石与水的相互作用、各种地球化学和生物地球化学过程；自然灾害（如火山灾害和大气沉降（Stewart等，2006）、洪水、风暴潮和飓风（Nordio等，2023；Rakib等，2020）；或者人为因素。由于人口增长、城市化和农业需求导致的地下水过度开采；有毒矿山废物和工业废物；以及化学肥料和农药的使用，全球水质普遍恶化（Igboama等，2022；Santucci等，2018；Schreck，1998；Srivastava，2020）。有毒元素可以通过自然和人为途径持续进入地下水系统。因此，定期监测地下水质量和识别有毒元素的来源对于可持续的地下水管理至关重要。

尽管水质监测被认为是评估饮用水来源适宜性的有效手段，但在印度中部许多地区，关于水质的信息仍然有限。2016年，Krishnan和Indu首次报告了印度中部西部贾布阿区（Jhabua district）因摄入含氟化物污染的地下水而导致的骨骼氟中毒现象。骨骼氟中毒表现为膝盖疼痛和腿部弯曲。同一地区还报告了地下水盐度危害和灌溉质量差的问题（Bangar等，2022；Mandloi和Barbele，2023）。关于印度中部煤炭开采区和热电厂周边地区地表水和地下水重金属污染的广泛研究已有详细记录（Agrawal等，2011；Bhardwaj等，2020；Patel等，2024；Singh等，2017；Tiwari等，2025）。煤矿和热电厂附近的地区容易受到砷（As）、镉（Cd）、铅（Pb）、铬（Cr）和汞（Hg）等重金属的污染，这些污染物来自煤炭燃烧、飞灰、灰尘和采矿径流。这些重金属通过土壤、空气、地表水和地下水对人类和生态系统造成显著的致癌（As、Cd和Cr）和非致癌（神经、肾脏、呼吸系统问题）健康风险。除了工业污染外，印度中部农村地区的地下水重金属污染情况很少被报道。除了印度中东部恰蒂斯加尔邦（Chattisgarh）（Shukla等，2010）外，目前尚未有来自印度中部的地质成因砷污染的报道。恰蒂斯加尔邦拉杰南德加恩区（Rajnandgaon district）的砷来源是花岗岩中的天然砷（α-As₄S₄），这些花岗岩位于一条NW–SE走向的断裂带与Kotri裂谷带的交汇处（Shukla等，2010）。在拉丁美洲，地下水中砷（As）和氟化物（F^?）的共存与火山碎屑沉积物、高pH值和低补给量有关（Alarcon-Herrera等，2012）。天然水中硒（Se）的含量通常较低；然而，在印度北部的旁遮普邦和哈里亚纳邦（Bajaj等，2011）以及中国湖北省（Fordyce等，2000）的含硒含水层中发现了高浓度的硒。硒通常存在于硫化物矿物沉积物、页岩和沉积物中的粘土组分中（Fordyce等，2000）。砷具有生物累积特性，已知会对皮肤、肝脏、肺部和膀胱产生不良影响（Speer等，2022）。即使摄入量低至0.26 mg/L的有机硒和0.016 mg/L的无机硒，也会对人体产生毒性作用（Vinseti等，2017）。高浓度的硒会导致恶心、指甲和头发脱落、腹泻和关节疼痛（WHO，2022）。由于地下水是印度中部偏远村庄的主要饮用水来源，因此评估其整体质量、适宜性以及其中有毒元素（包括重金属）的存在和污染程度非常重要。

本研究评估并报告了印度中部西部贾布阿（Jhabua）和阿里拉杰普尔（Alirajpur）等偏远地区的地下水质量和重金属组成。本研究关注的重金属包括铁（Fe）、锰（Mn）、锌（Zn）、砷（As）、硒（Se）、锶（Sr）和钼（Mo）。重金属的浓度是影响水质安全性的重要因素。像Zn、Mo和Fe这样的重金属在水中以低浓度自然存在，对人类新陈代谢和生物生长至关重要（Mthembu等，2020）。另一方面，像硒（Se）这样的必需金属的高浓度会导致慢性或急性健康风险。其他重金属（如As）即使含量很低也具有高度毒性。此外，分析的物理化学参数还包括温度、pH值、电导率、总溶解固体、总硬度、Na⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、K⁺、HCO₃^?、CO₃^2?、Cl^?、SO₄^2?、NO₃^?和F^?。研究区域的村民在饮用、生活和灌溉方面严重依赖地下水。因此，查明有毒元素的来源、划定其空间分布范围，并评估不同年龄组和性别人群摄入受污染水的健康风险对于了解其对公共卫生的影响至关重要。如果调查出具有显著健康影响的金属和其他有毒元素，健康风险评估将更加准确（Zafarzadeh等，2020）。通过计算危害指数（HI）来评估长期暴露于硒（Se）、NO₃^?和F^?的非致癌风险，该指数反映了地下水中所有有毒元素的累积效应。通过确定性和概率方法评估了砷摄入的致癌风险。应用多变量统计方法（如主成分分析（PCA）来追踪有毒元素的来源和成因，并了解影响地下水组成的水文地球化学过程和隐藏因素。通过层次聚类分析（HCA）根据相似的地球化学行为对地下水样本进行分类。通过离子比率分析进一步解释了盐化作用和其他影响地下水污染物迁移的地球化学过程。PCA的结果通过岩石和土壤的地球化学和矿物学分析得到了验证。本研究旨在：a）识别污染物或有毒元素的来源和成因及其空间分布；b）使用污染指数和水质指数评估水质；c）评估不同年龄组和性别人群摄入有毒元素的非致癌和致癌健康影响及其与来源、成因和空间分布的关系。这项研究可以为政策制定者、水资源监管机构和公共卫生机构制定行动计划提供参考。

研究区域

本研究区域位于印度中部西部的纬度22°30′至22°45′N和经度74°15′至74°45′E之间，以及纬度22°45′至23°00′N和经度74°30′至74°45′E之间，地理面积为2130平方公里（图1）。这里的气候温和温暖，四季分明。根据Koppen的分类，这种气候属于Cwa类型（季风型，冬季干燥）。年平均温度和年降水量分别为25°C和951.3毫米。

样本采集

2022年和2023年，从浅井（<30米）和深井（>30米）中采集了用于农村供水的地下水样本（图2）。井的信息（如深度和水位）来自中央邦的公共卫生与工程部（PHED）和水资源部（WRD）。浅井通常深度小于30米，最深的井深度在90至250米之间。2022年11月季风过后共采集了210个样本。

水质评估

表1和表2分别总结了159个季风前和210个季风后地下水样本的主要离子浓度的描述性统计数据和现场测量结果。表1和表2还显示了用于计算水质指数的每个物理化学参数的单位重量（W_i）。

结论

本研究重点关注印度中部西部农村地区的地下水质量和重金属评估。采用水质指数（WQI）和污染指数方法来评估污染程度。通过统计方法确定污染的类型、来源和过程，并根据物理化学性质和污染指数对水样进行分类。评估了砷（As）等有毒元素的致癌和非致癌健康影响。

作者贡献声明

苏帕尔娜·哈兹拉（Suparna Hazra）：撰写初稿、可视化、验证、监督、软件使用、方法论设计、调查、概念构思。乔利·罗伊（Jolly Roy）：撰写、审稿与编辑、验证、软件使用、调查、数据整理。拉坦迪普·贾乌哈里（Ratandeep Jauhari）：撰写、审稿与编辑、验证、软件使用、调查、数据整理。安基特·舒克拉（Ankit Shukla）：正式数据分析。

资助

本研究得到了印度地质调查局（隶属矿业部）2022–2023年和2023–2024年野外季节项目的资助，项目编号分别为：M4BENV/NC/CR/SU-MP-BHO/2022/42054和M4BENV/NC/CR/SU-MP-BHO/2022/47641。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

印度地质调查局（GSI）（隶属矿业部）通过项目编号M4BENV/NC/CR/SU-MP-BHO/2022/47641提供了财政支持和必要的设施。作者衷心感谢GSI中央区域的纳格浦尔（Nagpur）和博帕尔（Bhopal）化学实验室的分析工作。同时感谢中央邦政府的水资源部（WRD）和公共卫生与工程部（PHED）的支持。