淮河流域平原区高铁锰地下水环境健康风险评估.pdf
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1、第44卷第2 期2023年6 月DOI:10.16788/j.hddz.32-1865/P.2023.02.001引用格式:许乃政,陶小虎,龚建师,等.淮河流域平原区高铁锰地下水环境健康风险评估 J.华东地质,2 0 2 3,44(2):119-12 7.(XU N Z,TAO X H,GONG J S,et al.Exposure risk of high Fe and Mn groundwater from Huaihe River PlainJJ.East ChinaGeology,2023,44(2):119-127.)淮河流域平原区高铁锰地下水环境健康风险评估华东地质EAST CHI
2、NA GEOLOGYVol.44No.2Jun.2023许乃政12,陶小虎1,龚建师1,檀梦皎1(1.中国地质调查局南京地质调查中心,江苏南京2 10 0 16;2.自然资源部流域生态地质过程重点实验室,江苏南京2 10 0 16)摘要:基于近期获得的水文地球化学分析数据,应用指示克立格法开展了淮河流域平原区高铁、锰地下水环境健康风险评估,并分析了高铁、锰地下水的形成原因。结果表明:铁、锰是影响研究区地下水质量的主要化学组分,铁、锰在地下水中的空间分布上表现出明显的变异性。铁、锰超标概率峰值具有相似的空间分布格局,铁、锰高风险地区呈岛状分布,深层地下水的环境健康风险明显降低。含铁浅层地下水高风
3、险地区面积为12 57.15km,面积占比0.0 7%;含铁深层地下水高风险地区面积为47 6.93km,面积占比0.0 3%。含锰浅层地下水高风险地区面积为358 8 3.16 km,面积占比19.19%;含锰深层地下水高风险地区面积为12 6 9.30 km,面积占比0.0 7%。淮河流域高铁锰地下水是原生成因,铁、锰离子主要来源于含水层中含铁、锰矿物的还原性溶解。高铁锰地下水的风险评价结果,可为区域供水区划提供指导。关键词:铁锰地下水;环境健康风险;指示克立格法;淮河平原中图分类号:X53文献标识码:A文章编号:2 0 9 6-18 7 1(2 0 2 3)0 2-119-0 9饮用水中
4、与化学成分相关联的健康风险主要由化学成分在长时间暴露后对人体健康产生不利影响而产生的。地下水环境健康风险评估是建立水体污染与人体健康联系的一种评价方法 1-8 。地下水污染是引发地下水环境健康风险的主导因素,地下水环境健康风险评估是开展地下水环境污染防治问题工作的前提和基础。指示克立格法是非参数统计方法,通过计算在一定风险条件下未知量的估计值及概率,评估水土资源利用的风险 9-13。指示克立格法不要求原始数据服从正态分布,不需剔除重要而实际存在的特异值,且能抑制特异值对变异函数稳健性的影响,这为进行区域水土资源利用的风险性评估提供了新思路。指示克立格法消除了通常数据处理的平滑效应,免于使某些异
5、常信息丢失,是处理有偏数据的有力工具,因此,在水土化学成分的空间分布与环境风险评估等方面得到广泛应用 5.7.9-15。铁、锰是地壳中最丰富的金属之一,它们天然存在于地下水水源中,铁、锰浓度过高会影响水的可接受性,并对人体健康产生不利影响。高铁锰地下水主要分布在我国冲积平原和内陆盆地 16-17 。淮河流域地下水铁、锰组分分布具有高度的空间异质性,铁、锰含量超标是淮河平原地下水较普遍的特征 18 ,威胁着当地供水水质安全及居民身体健康。为全面了解淮河流域平原区高铁锰地下水的空间分布特征,本文应用指示克立格法对淮河流域平原区的地下水井取样分析结果进行分析,绘制了原生超标物含量超过最大允许值的概率
6、图,可为区域供水区划与水源地供水安全等级划分提供指导。1研究区概况淮河流域地处中国东部地区,西起桐柏山、伏*收稿日期:2 0 2 2-0 1-2 6基金项目:中国地质调查局“长江下游及准河流域水文地质与水资源调查监测(编号:DD20230428)”项目资助。第一作者简介:许乃政,197 1年生,男,研究员,博士,主要从事环境科学研究。Email:。通信作者简介:龚建师,197 9年生,男,高级工程师,学士,主要从事水文地质学研究。Email:593591934 q q.c o m。修订日期:2 0 2 2-0 5-2 5责任编辑:谭桂丽120牛山,东临黄海,南以大别山、江淮丘陵、通扬运河及如泰
7、运河分界,北以黄河、泰山为界与黄河流域毗邻,地理坐标:11155 12 12 5E,30 553636N;地质构造上位于华北板块、扬子板块、秦岭造山系的交接地带 191(图1(a))。该流域位于中国南北气候过渡带上,属于暖温带半湿润季风气候区,年平均气温1116,年平均降水量92 0 mm。本文研究区为淮河流域内的平原地区,面积约18.7万km,以冲积平原为主,海拔一般10 50 m,地势由西北向东南微倾。研究区分布最广的地下水类型为松散岩类孔隙水。自新近纪(2 3Ma)以来,淮河流域形成了巨厚的新近系、第四系松散沉积物,为区域地下水的形成与分布提供了良好的水文地质条(b)N伏牛山0140 k
8、mA(c)华东地质件。在流域内平原区地表以下30 55m广泛分布1层厚142 0 m的黏性土层,因此,大致以地表以下50m为界限,将埋深小于和大于50 m的松散岩类孔隙含水层组分别划分为浅层、深层含水系统 2 0 1(图1(b))。浅层地下水赋存于50 m以浅的全新统、上更新统,与大气降水、地表水关系密切,地下水埋深一般为2 6 m,径流缓慢,径流方向总体由西往东;降水渗是主要的补给方式,蒸发是主要的排泄途径。深层地下水赋存于 50 m的新近系与中一下更新统,含水层埋深50 0 6 0 0 m(图1(c))。由于深层地下水埋藏较深(50 m),含水层之间有黏性土层相隔,不能直接接受大气降水的补
9、给,径流缓慢,人工开采是深层地下水的主要排泄途径。(a)华北板块淮河平原黄临沂市海徐州市连云港宿迁淮北市淮南桐柏山王港2023年扬子板块板块对接带造山系盐城浅层地下水采样点全新统深层地下水采样点上更新统变质岩水文地质面中更新统河流、湖泊下更新统千枚琼港B本碎屑岩岩浆岩碳酸盐岩-100-434.96-200-300-400L图1淮河流域平原区地质背景(a)、采样位置(b)及水文地质剖面(c)Fig.1 Geological setting(a),sampling sites(b)and hydrogeological profile(c)in the Huaihe River Plain165.
10、00246.81团钻孔含水层圆弱透水层地层界线地下水流向下更新统中更新统上更新统全新统235.80第44卷第2 期2研究方法2.1指示克立格法指示克立格法是一种插值方法,主要用于估计超过某个预定义阈值的概率 9,12 15。设在区域D上取样并测定了某观测项目,若区域D上的值或边界值为Z,则在D上的每个样品点xED上定义1个Z的如下阶梯函数:i(x;Z)=1当x点上的观测值Z(x)Z当x点上的观测值Z(x)0.8划分为高风险地区,0.5 F0.8为中风险地区,F0.5为低风险地区。本文研究的地下水铁分析测试样品基数为5090件,铁超标井数1336 口,调查井超标率26.25%,铁超标组分在区域上
11、呈点块状集中分布。(5)3.1.1浅层地下水(0.8)。呈岛状展布,主要分布于河南兰考县、民权县,江苏兴化市、海安县、响水县,面积约12 57.15km,占研究区面积的 0.0 7%。(2)中风险地区(0.5 F 50 m)深层地下水分析测试样品10 52 件,地下水铁121空间结构特征分析,借助ArcGIS10.1的Geosta-tisticalAnalyst工具,应用指示克立格法制作超标概率图。(3)超标概率图评价。根据超标组分的毒性、持久性与超标概率,对超标概率图进行分区。122华东地质2023年N济宇市临沂市开封郑州市昌市平顶山市优0漯河市牛Fe0.3 mg/L污染概率1.00.80.
12、60.40.2Fig.2 Risk probability map of Fe concentrations in shallow groundwater under the Huaihe River Plain超标井数199口,调查井超标率18.92%。(1)高风险地区(F0.8)。主要分布于江苏沿海地区泰州市、兴化市、海安县,集中呈岛状展布,面积约47 6.93km,占研究区面积的0.0 3%。(2)中风险地区(0.5 F0.8)。主要展布于高风险地区外围,分布于河南省兰考县、民权县,江苏省泰州市、兴化市、连云港市、海安县、大丰县、丰县、沛县。中风险地区面积约10 313.6 2 km,占
13、研究区面积的5.52%。(3)低险地区(F0.8划分为高风险地区,0.5 F0.8为中风险地区,F0.8)。主要分布于河南开封县、兰考县、民权县、杞县、睢县、宁陵县、商丘县、太康县、柘城县、虞城县、西华县、项城县、正阳县,山东省东明县、定陶县、鄄城县、梁山县、曹县、郓城县、巨野县,江苏省丰县、响水县、灌南县、涟水县、淮安市、宝应县。高风险地区呈岛状集中展布,面积约358 8 3.16 km,占研究区面积的19.19%。(2)中风险地区(0.5 F0.3 mg/L超标概率1.00.80.60.40.2Fig.3 Risk probability map of Fe concentrations
14、in deep groundwater under the Huaihe River Plain连云港市徐州市淮北市O阜阳市淮南市桐柏图3淮河流域平原区深层地下水铁超标概率分布图黄海宿迁市O淮阴市盐城市蚌埠市扬州市泰州市山0116kmN济宁市临沂市开封市郑州市连云港市口徐州市年昌市准北市平顶山市O漯河市牛山Mn0.1 mg/L超标概率1.00.80.60.40.2Fig.4 Risk probability map of Mn concentrations in shallow groundwater under the Huaihe River Plain县、淮阳县、永城市、夏邑县,山东省金
15、乡县、单县、成武县、嘉祥县、鱼台县、济宁市,安徽省山县、萧县、亳州黄海宿迁市准阴市盐城市O阜阳市蚌埠市淮南市桐柏图4淮河流域平原区浅层地下水锰超标概率分布图扬州市。泰州市山0市,江苏省丰县、沛县、邳州、睢宁县、沭阳县、泗阳县、赣榆县、灌云县、金湖县、盱眙县、高邮市、东台市、射阳116 km124县、阜宁县。中风险地区面积约8 6 8 8 8.8 8 km,占研究区面积的46.46%。(3)低风险地区(F0.5)。低风险地区面积6.42万km,占研究区面积的34.35%。3.2.2深层地下水(50 m)深层地下水分析测试样品1137 件,地下水锰超标井数2 10 口,调查井超标率18.47%。(
16、1)高风险地区(F0.8)。主要分布于江苏沿海地区滨海县、泰州市、兴化市,呈岛状展布,面积约12 6 9.30 km,占研究区面积的0.0 7%。(2)中风险地区(0.5 F0.8)。主要展布于高风险地区的外围地带,分布于滨海县、泰州市、兴化市、高邮市、扬州市、洪泽县、建湖县、连云港市、赣榆县、响水县、睢宁县、丰县、沛县,河南省兰考华东地质县、通许县、尉氏县、鄢陵县、扶沟县、桐柏县、信阳市、罗山县。中风险地区面积约2 6 7 7 8.90 km,占研究区面积的14.32%。(3)低风险地区(F0.1 mg/L超标概率1.00.80.60.40.2Fig.5 Risk probability m
17、ap of Mn concentrations in deep groundwater under the Huaihe River PlainO连云港市徐州市淮北市宿迁市淮阴市盐城市阜阳市蚌埠市淮南市桐柏图5淮河流域平原区深层地下水锰超标概率分布图黄海扬州市。泰州市山0116km3.3高铁、锰地下水的成因高铁、锰地下水主要是原生地质成因,其形成受含水层的岩性与物质组成、地下水的补径排条件以及地下水的氧化还原环境等多种因素影响 1-17。还原条件下,铁、锰经过还原性溶解作用释放进入地下水,主要以Fe2+和Mn+的低价离子形式存在;氧化条件下,铁、锰的还原性溶解作用被抑制,地下水中的铁锰被氧化,
18、主要以Fe3+、M n 4+的高价离子形式存在,并易形成难溶的氢氧化物而沉淀,或通过吸附作用被固定至沉积物中。淮河流域平原区地下水中铁、锰离子主要来源于含水层中含铁、锰矿物的淋溶,沉积物铁、锰氧化物的溶解是Fe、M n 进人地下水最重要的途径,该过程主要受地下水的水动力条件、氧化还原条件、pH值和微生物作用的影响 16-18 。大陆上地壳Fe、M n丰度分别为3510-3、0.6 2 10-32 5。根据平原内第44卷第2 期部钻孔岩心调查统计结果,淮河流域第四系含水层普遍沉积有铁锰结核,Fe、M n 含量显著正相关(n=90,R=0.55,p 50 10-3,Mn含量 110-3。高含量Fe
19、、M n 沉积层为高铁锰地下水的形成提供了物质基础。淮河流域地处内陆平原地带,地势低洼,径流滞缓,有机质含量较高,处于相对封闭的还原环境,还原条件下铁、锰氧化物发生还原性溶解导致地下水中铁、锰浓度增大。人类活动造成的水动力条件的变化,也会激发介质中铁锰组分的释放,致使地下水铁、锰含量升高。4结论(1)铁、锰是淮河流域平原区地下水的主要超标组分,其在地下水中的分布表现出明显的空间变异性;应用指示克立格法可有效评估铁、锰超过饮用水标准的空间概率;铁、锰超标概率峰值具有相似的空间分布格局,深层地下水的环境健康风险明显降低。(2)铁、锰高风险地区呈岛状分布,含铁浅层、深层地下水高风险地区面积分别为12
20、 57.15km、476.93km,分别占研究区面积的0.0 7%、0.0 3%。含锰浅层、深层地下水高风险地区面积分别为35883.16km、12 6 9.30 k m,分别占研究区面积的 19.19%、0.0 7%。(3)淮河流域高铁锰地下水是原生成因,高含量Fe、M n 沉积层为高铁锰地下水的形成提供了物质基础。参考文献1 CAO H L,XIE X J,WANG Y X,et al.Predictingthe risk of groundwater arsenic contamination in drink-ing water wellsJ.Journal of Hydrology,
21、2018,560:318-325.2LI Y F,WAN D,LIU Y Y,et al.A predictive riskmodel of groundwater arsenic contamination in Chinaapplied to the Huai River Basin,with a focus on theregions cluster of elevated cancer mortalitiesJ.Ap-plied Geochemistry,2017,77:178-183.3SHAHID N M,NIAZI K,DUMAT C,et al.A meta-analysis
22、of the distribution,sources and health risks ofarsenic-contaminated groundwater in PakistanJ.En-vironmental Pollution,2018,242(A):307-319.许乃政,等:淮河流域平原区高铁锰地下水环境健康风险评估Control,2015,37(1):1-6.11谢云峰,曹云者,杜晓明,等.土壤污染调查加密布点优1254李璐,股乐宜,牛浩博,等.基于贝叶斯模型的地下水风险源污染概率估计方法研究J.环境科学研究,2020,33(6):1322-1327.LI L,YIN L Y,N
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