胶莱盆地南部高氟地下水的水文地球化学特性及健康风险

《Process Safety and Environmental Protection》：Hydrogeochemical properties and health risks of high-fluoride groundwater in southern Jiaolai Basin

系统分析胶莱南部盆地氟富集地下水系统，揭示氟来源、迁移机制及健康风险，提出管理建议。

　　

孟翰·谭 | 高宗军 | 刘继端 | 蒋冰 | 林琳琳 | 李强 | 牛一茹

山东科技大学地球科学与工程学院，中国青岛 266590

摘要

地方性氟中毒主要是由于高氟含量的地下水引起的，这对暴露于这种水中的人群构成了严重的健康风险。本研究采用综合分析方法（包括多元统计分析和先进的水文地球化学表征技术），系统地研究了胶莱盆地南部（SJLB）的高氟地下水系统。通过全面的水质评估和风险评估方法，本研究建立了一个新的框架，将氟的来源、水文地球化学过程及其相关的公共卫生影响联系起来。分析结果表明，大约三分之一的采样地下水中的氟含量超过了推荐阈值，并显示出典型的碱性特征。主要的水化学类型为Cl·SO₄-Ca·Mg相，其水文地球化学演变主要由岩石类型相互作用控制。氟富集机制可归因于三个关键过程：含氟矿物的溶解、蒸发浓缩效应和离子交换现象。此外，SJLB南部的青山组和王石组含有高浓度的氟，这是地下水中的重要氟来源。虽然大多数地下水资源适用于农业用途，但适饮性评估显示其适饮性中等，且氟富集区与不适合人类饮用的区域在空间上有显著重叠。健康风险评估结果表明，摄入是主要的暴露途径，与氟相比，硝酸盐污染具有更大的非致癌危害。儿童面临更高的健康风险，地理风险分布模式表明南部地区的健康影响更为严重。与蒙特卡洛模拟健康风险概率评估方法相比，本研究的评估结果显示风险较低。这些发现对于SJLB地下水的合理开发、利用和安全管理至关重要。所提出的综合方法为全球类似的水文地质环境提供了参考框架。

引言

人类的生存依赖于自然环境，而地下水是全球重要的饮用水和灌溉资源（Liu等人，2018；Gao等人，2019）。地下水质量直接影响人类健康，因为微量元素的缺乏或过量都会干扰正常的发育、生长和新陈代谢（Rao等人，2012；Mahato等人，2023）。氟（F^?）由于其地球化学性质和在地下水中的多态形式，对人类健康有显著影响，并表现出双重阈值效应。饮用水氟中毒主要是由于长期摄入高氟地下水引起的，这已成为全球日益严重的环境毒理学问题，特别是在水资源短缺的地区（Msonda等人，2007）。在多个低收入国家（如印度、中国、坦桑尼亚、墨西哥和南非）都有相关病例记录。在亚洲，印度和中国的氟中毒发病率最高（Ayoob和Gupta，2006）。在中国，地方性氟中毒的空间和时间分布与地形、地质结构、地层岩性、土壤以及地表水和地下水等因素密切相关（Ozsvath，2008）。这种地球化学现象发生在特定的地理环境中。地方性氟中毒可分为三种主要类型：饮用水氟中毒、与茶叶相关的氟中毒和煤污染引起的氟中毒（Sun等人，2013；Vithanage和Bhattacharya，2015）。在地方性氟中毒地区，高氟地下水的摄入可能导致轻度牙齿氟中毒、严重的骨骼氟中毒，在极端情况下甚至会导致瘫痪和生产力下降（Frencken，1992）。这种情况对公共卫生构成严重威胁，并对该地区的经济和社会发展产生重大影响。因此，研究高氟地下水的水文地球化学特征和水质以及评估其健康风险对于确保水质安全和促进区域经济和社会进步至关重要。

研究表明，高氟地下水通常是由于地质构造中含氟矿物的溶解形成的，并受到多种水文地球化学过程的影响（Chitsazan等人，2019）。碱性或微咸的地下水、高蒸发率以及离子交换等因素通常会导致氟含量升高，而低钙环境则有利于氟的积累（Rafique等人，2009；Naseem等人，2010；Meenakshi和Maheshwari，2006）。先前的研究探讨了高氟浓度对饮用水和农业灌溉的影响，揭示了地下水质量与健康风险之间的关键联系。例如，最近的分析确定饮用水是某些地区氟的主要来源，并评估了长期接触氟和硝酸盐的非致癌健康风险（Salve等人，2008；Zheng等人，2024；Oluwafemi等人，2021；Narsimha等人，2019）。在土耳其的不同水文环境中进行的研究表明，尽管大多数水质参数符合世界卫生组织标准且总体健康风险较低，但某些地区的砷（As）致癌风险略高于安全限值。这种风险的空间分布受到自然地质和人类活动的影响，在干旱季节污染物浓度会显著增加。因此，有必要实施季节性监测并加强污染源控制（Tokatl?等人，2024；Karadeniz等人，2024；Yazman等人，2024）。

SJLB地区以盆地地下水中的高F^?含量而闻名，这主要是由于该地区存在红色板岩构造。由于其独特的地质和历史条件，该地区已成为全国氟中毒最严重的地区之一。包括Gao等人（2014a）、Gao等人（2014b）和Han等人（2014）在内的多项研究致力于了解该地区高F^?地下水的来源。Gao等人（2020）对从高氟地区采集的土壤样本进行了实验，结合实地调查，研究了氟的淋溶和迁移机制，确定了高氟地下水中氟的来源，并分析了原位氟置换方法。然而，现有研究主要集中在水文地球化学机制本身，对高氟地下水的水质特征和潜在健康风险的关注不足。因此，基于对以往研究结果的系统回顾，本研究全面分析了调节SJLB地区F^?空间分化和富集的关键水文地球化学过程。尽管对该地区高氟地下水的水文地球化学机制已有有益的探索，但整体水质特征和潜在健康风险通常被忽视。因此，本文进一步构建了一个水质和健康风险评估系统，以填补SJLB地区在风险层面的认知空白。本研究首次在该地区进行了全面的概率健康风险评估，量化了不同人群在暴露期间的不确定性和变异性，突破了传统确定性评估的局限性，为制定有针对性的公共卫生和风险管理策略提供了更可靠的基础。本研究旨在建立一个系统性的机制分析和风险评估框架，该框架（1）识别并量化控制氟富集的关键氟来源和水文地球化学过程的贡献；（2）从空间角度评估地下水用于饮用水和农业的适宜性，并识别高污染区域；（3）定量评估氟和硝酸盐的非致癌健康风险，并明确区分成人和儿童。

研究结果为该地区地下水的合理开发和管理提供了实际指导，为预防和控制地方性氟中毒以及改善当地居民的生活质量提供了策略建议。这些发现对全球类似地区的地下水环境研究具有重要的参考价值。

研究区域

SJLB（图1）位于胶莱平原和鲁东丘陵的交汇处，地形特点是南部较高，北部较低。最高点为南部的梁荫岭，海拔109.4米，最低点位于胶莱河西部，海拔7.5米。南部地区属于太乙山脉的末端，地形相对起伏，属于缓坡丘陵。

地下水的水文地球化学特征

根据SJLB地区地下水中主要化学成分的描述性统计结果（图S1），主要阳离子的浓度顺序为：Na⁺>Ca²⁺>Mg²⁺>K⁺，主要阴离子的顺序为HCO₃^?>SO₄^2?>Cl^?>NO₃^?>F^?。SO₄^2?的浓度范围为17.76至1841.27毫克/升，平均值为217.65毫克/升，低于国家规定的250毫克/升的标准限值。相比之下，NO₃^?的浓度反映了人类活动（如农业径流和家庭用水）的影响。

结论

本研究基于SJLB地区的118个地下水样本，考察了该地区的水文地球化学特征、高氟含量的原因、水质的适宜性（用于灌溉和饮用），以及F^?和NO₃^?对成人和儿童的健康风险。主要研究结果如下：

(1)

SJLB地区的地下水总体呈弱碱性。主要阳离子的顺序为Na?>Ca²?>Mg²?>K?，主要阴离子的顺序为HCO₃?>SO₄²?>Cl?>NO₃?>F?。

伦理声明

所有作者均已阅读、理解并遵守了“作者伦理责任”相关的规定。

资助

本研究得到了多个关键项目和计划的财政支持，包括山东省自然科学基金（项目编号：ZR2020MD109）和山东省地质与矿产资源局管理的“潍坊市土地质量地球化学调查与评估结果整合与应用”地质调查与科技创新项目（项目编号：202005）。此外，该项目还得到了其他资助。

作者贡献声明

李强：撰写 – 审稿与编辑。牛一茹：调查。孟翰·谭：撰写 – 初稿、软件开发、方法论设计、数据分析。高宗军：撰写 – 初稿、监督。刘继端：撰写 – 审稿与编辑、资源协调、方法论设计、概念构建。蒋冰：资源支持、调查。林琳琳：资源支持、调查。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究工作的财务利益或个人关系。