神東礦區地表水、地下水和礦井水水質特征及健康風險評價

盧 振,郭洋楠,李國慶,王 雷,李富忠,張 政2,

(1.國家能源集團神東煤炭技術研究院,陜西 榆林 719315;2.國家能源集團煤炭開采水資源保護與利用國家重點實驗室,北京 102211;3.中國地質大學(武漢) 資源學院,湖北 武漢 430074)

前人在神東礦區不同水體水質基本特征與氟超標成因方面進行了有意義的探索,但有關礦區水體水質綜合評價、健康風險空間分布特征方面的研究少見報道。本次研究在神東礦區采集了地表水、第四系地下水和礦井水水樣,測試了水質常規指標和毒理學指標,采用CCME-WQI法評價了礦區不同水體水質特征,并通過建立健康風險評估模型分析了礦區范圍內不同類型人群的水質健康風險及其空間分布特征。研究結果可為礦區水資源的可持續開發與利用提供借鑒。

1 研究區概況

神東礦區位于鄂爾多斯高原的東南部、陜北高原的北緣和毛烏素沙漠的東南邊緣,東西寬約15～55 km,南北長約80 km。該礦區地貌總體呈西北高、東南低,海拔一般為1 000～1 300 m,平均海拔在1 200 m左右,主要有風沙和黃土兩種地貌類型。礦區氣候干燥,屬于大陸季風氣候區,四季多風,風向以西北風為主,年平均氣溫為6.1 ℃;年降雨量的變化范圍為194.7～531.6 mm,年蒸發量的變化范圍為2 297.4～2 838.7 mm。礦區內主要河流為黃河水系的烏蘭木倫河,河流流向為自西北流向東南。區內出露的主要地層由老到新包括侏羅系、白堊系和第四系,主要含水層有第四系薩拉烏蘇組孔隙潛水含水層、白堊系基巖裂隙含水層、侏羅系直羅組基巖裂隙含水層和侏羅系延安組含煤巖系燒變巖含水層。神東礦區范圍內主要井田的平面展布及典型的地質剖面,如圖1所示。

圖1 神東礦區主要井田平面展布及典型地質剖面示意圖Fig.1 Plane distribution and typical geological section diagram of main mine fields in Shendong mining area

2 水樣采集與研究方法

2.1 水樣采集與測試方法

圖2 神東礦區不同水體水樣采樣點分布圖Fig.2 Distribution map of sampling points of different water bodies in Shendong mining area

2.2 CCME-WQI法

CCME-WQI法是由加拿大環保署提出的一種水質綜合評價方法,該方法從檢測指標的超標范圍F1、超標頻率F2和超標幅度F3三個方面分析研究區域水環境質量,具體如下[10,12]。

1) 計算檢測指標的超標范圍F1。設選取的水質評價指標總個數為M(個),指標i的測試總次數為Ki(次),指標i的限值為Ci,指標i的第j次實測值為Xij。當指標i所有的實測值都符合限值Ci時(即對于實測值越小、水質越好的指標滿足任意Xij≤Ci時成立,對于實測值越大、水質越好的指標滿足任意Xij≥Ci時成立),i為合格的指標。F1的計算公式如下:

(1)

式中:B表示不合格指標的個數(個)。

2) 計算檢測指標的超標頻率F2。當指標i的實測值Xij滿足限值Ci時,稱為一次合格檢測,統計超標檢測的次數為R(次),單個樣品總檢測次數為N(次)。F2的計算公式如下:

(2)

3) 計算檢測指標的超標幅度F3。定義指標i的某次實測值Xij的超標幅度為Eij,則對于實測值越小、水質越好的指標,其計算公式如下:

(3)

對于實測值越大、水質越好的指標,如溶解氧(DO),其計算公式如下:

(4)

根據式(3)和(4),可得F3。F3的計算公式如下:

(5)

結合F1、F2和F3,由下式可計算水質綜合指數Q:

(6)

水質綜合指數Q指示水體水質好壞,其值范圍在0～100之間,無量綱。Q值越大,則表明水體水質越好,依據Q值大小可將水體水質劃分為5個等級,見表1。

表1 CCME-WQI法的水體水質等級分類

2.3 水質健康風險評價模型

神東礦區地表水、第四系地下水是當地村民生活和生產用水的重要來源。為了緩解當地生產、生活用水供需矛盾,大量的礦井水被用于當地工業生產、居民生活和礦區生態灌溉。飲水攝入或皮膚入滲攝入劣質水,可能會對人體健康造成負面的影響。根據污染組分對人體的危害結果,水質健康風險可分為非致癌健康風險和致癌健康風險兩種, 兩者具有不同的水質健康風險評價模型[23-24]。其中,非致癌健康風險評價模型如下:

(7)

式中:HQ為經飲水攝入或皮膚滲入攝入的危險商(無量綱);Ei為某污染組分通過飲水攝入的平均每日暴露量[mg/(kg·d)];Ed為某污染組分通過皮膚入滲攝入的平均每日暴露量[mg/(kg·d)];RfD為某污染組分推薦的每日平均攝入量[mg/(kg·d)]。

上式中Ei、Ed的計算公式如下:

(8)

(9)

SA=239×H0.417·BW0.517

(10)

式中:c為水樣中某組分的質量濃度(mg/L);IR為平均每日飲水攝入量(L),成年男性取2.2 L,成年女性取1.9 L,青年取1.5 L,兒童取1 L;EF為暴露頻率(d/a),通常取365 d/a;ED為持續暴露時間(a),成年人取30 a,青年取12 a,兒童取6 a;BW為居民平均體重(kg),成年男性取70 kg,成年女性取65 kg,青少年取50 kg,兒童取20 kg;AT為平均暴露時間(d),成人取10 950 d,青年取4 380 d,兒童取2 190 d[25-27];SA為皮膚的暴露面積(cm2);H為居民平均身高(cm),成年男性取172.20 cm,成年女性取162.60 cm,青少年取150 cm,兒童取99.4 cm;Kp為皮膚滲透系數(cm/h);ET為每日皮膚暴露時間(h/d),成人、青年和兒童分別取 0.63、0.5 h/d和0.42 h/d;CF為單位轉換系數,取0.001。

根據檢測的超標指標確定評價模型所采用的參數[28-30]。另外,利用HI表示各元素累計HQ的非致癌健康風險(無量綱),具體計算公式為

(11)

式中:HQk為第k種污染組分的危險商(無量綱);D為污染組分總數(個)。

當HI>1時,表明水體水質具有潛在的非致癌健康風險。

致癌健康風險評價模型如下:

(12)

式中:CR表示致癌健康風險(無量綱);SF表示飲用攝入的斜率因子[(kg·d)/mg]。

根據前人的研究經驗,可根據CR值大小將致癌健康風險分為6個等級,見表2[24]。根據國際癌癥研究機構(IARC)和世界衛生組織(WHO)的規定,當CR值大于5.0×10-5時,表明水體中該污染組分具有較高的致癌健康風險。

表2 IARC和WHO的致癌健康風險等級分類

3 研究結果與討論

3.1 礦區不同水體的水化學特征

3.1.1 不同水體水質檢測結果

神東礦區地表水、第四系地下水和礦井水的水質指標測試結果統計,見表3。

表3 神東礦區地表水、第四系地下水和礦井水的水質指標測試結果統計

由表3可知:

1) 礦區地表水、第四系地下水和礦井水整體上呈弱堿性,其中地表水的pH值范圍在7.1～8.7之間,平均值為7.71;第四系地下水pH值范圍在7.2～8.7之間,平均值為7.94;礦井水的pH值范圍在7.3～8.3之間,平均值為7.76。

2) 礦區礦井水中TDS高于地表水和第四系地下水,其中地表水中TDS范圍在165～2 025 mg/L之間,平均值為678.64 mg/L;第四系地下水中TDS范圍在106～2 229 mg/L之間,平均值為485.94 mg/L;礦井水中TDS范圍在154～2 522 mg/L之間,平均值為1 038.88 mg/L。

3.1.2 不同水體水化學類型

基于神東礦區不同水體水質測試結果,分別繪制了礦區地表水、第四系地下水和礦井水的Piper三線圖和Chadha水化學類型圖,見圖3。

圖3 神東礦區地表水、第四系地下水和礦井水的Piper三線圖和水化學類型圖Fig.3 Piper trilinear diagram and hydrochemical type diagram of surface water,Quaternary groundwater and mine water in Shendong mining area

根據舒卡列夫水化學類型劃分方法,利用Piper三線圖[圖3(a)],得到該礦區地表水的主要水化學類型為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學類型為HCO3-Ca、HCO3-Na、SO4·HCO3-Ca·Na型水;礦井水的主要水化學類型為HCO3-Na,HCO3-SO4-Na,SO4·HCO3-Ca·Na,SO4-Na型水。Chadha水化學類型圖中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ區分別表示4種水化學類型,其水質主要影響因素依次為風化和補給作用、反向陽離子交換作用、蒸發作用、陽離子交換作用[31-32]。由Chadha水化學類型圖可知[圖3(b)]:該礦區地表水、第四系地下水水樣點在圖中較分散,表明其水化學類型多樣,水質受多種因素的影響;礦井水水樣點主要分布在Ⅲ區、Ⅳ區,表明礦井水水質主要受蒸發作用、陽離子交換作用的影響。

3.2 礦區不同水體的水質評價

圖4 神東礦區不同水體的水質綜合評價Q值箱式圖Fig.4 Box diagram of Q value of comprehensive evaluation of water quality of different water bodies in Shendong mining area

由圖4可知:

1) 礦區冬季地表水的水質等級為良—優,第四系地下水的水質等級為中等—優;礦區夏季地表水的水質等級為良—優,第四系地下水的水質等級為良—優[圖4(a)]。礦區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為雨季,大量雨水補給起到了稀釋地下水污染物的作用。總體上,礦區范圍內地表水水質普遍優良,僅個別井田(HJT井)地表水水質較差,這與附近礦井廢水地面排放有關。

2) 礦區礦井水的Q平均值由大到小依次為:WLML礦(82.77)>HLG礦(78.85)>SGT礦(77.09)>DLT井(74.82)>SW礦(56.86)>BET礦(52.33)>HJT井(46.64)>BLT礦(41.47)。其中,礦區冬季礦井水的Q平均值由大到小依次為WLML礦(90.45)>SGT礦(82.49)>DLT井(75.63)>HLG礦(71.22)>SW礦(42.42)>BLT礦(37.65);夏季礦井水的Q平均值由大到小依次為HLG礦(81.39)>WLML礦(75.10)>SGT礦(73.50)>DLT井(73.20)>SW礦(64.08)>BET礦(52.33)>HJT井(46.64)>BLT礦(44.02)[圖4(b)]。礦區冬季和夏季的礦井水共同采樣點共8個,均表現為夏季礦井水的Q值大于冬季。礦區礦井水質總體上呈現以烏蘭木倫河為界,東部的WLML礦、HLG礦、SGT礦、DLT井的礦井水水質較好,水質評價等級主要為中等—優;西部的HJT井、SW礦、BLT礦、BET礦的礦井水水質相對較差,水質評價等級主要為較差—極差。

神東礦區中、下侏羅系含煤地層的沉積環境主要為湖泊三角洲和河流沉積環境,巖性為碎屑巖。下白堊系志丹群是鄂爾多斯盆地重要的含水層,但其空間分布不均衡,在礦區范圍內,大致以烏蘭木倫河為分界線,礦區東部下白堊系志丹群缺失,煤層埋深相對較小,而礦區西部下白堊系志丹群發育,煤層埋深相對較大[33]。礦區西部下白堊系志丹群紅色地層相比侏羅系含煤地層更富Fe、Mn等元素,西部煤層上部含水層中的含氟礦物含量相對較高[33]。礦區西部中侏羅系直羅組以砂質泥巖為主,平均厚度為70.71 m,侏羅系上部2-2煤頂板導水裂隙帶通常未突破中侏羅系直羅組底部;而東部井田的下白堊系志丹群缺失,中侏羅系直羅組平均厚度僅為10～30 m,第四系甚至直接覆蓋于侏羅系煤層之上,屬于典型的淺埋深、薄基巖井田[33](圖1)。礦區西部礦井水的水源主要為侏羅系基巖裂隙水,與第四系地下水及地表水的水力聯系相對較弱;而礦區東部礦井水的水源主要為地表水、第四系地下水、侏羅系基巖裂隙水,不同水體之間的水力聯系較強[1,6-7]。因此,神東礦區東部和西部地層結構的差異,導致礦井水源和水、巖作用不同,從而造成礦井水質特征也存在差異。

3.3 礦區不同水體水質的健康風險評價

3.3.1 水質非致癌健康風險

表4 健康風險評價模型中各污染物的相關參數取值

神東礦區不同水體中污染組分的人群非致癌健康風險評價結果統計見表5,其中礦區不同水體中污染組分通過飲水攝入途徑的人群非致癌健康風險(HI)見圖5,通過皮膚入滲攝入途徑的人群非致癌健康風險(HI)見圖6。

表5 神東礦區不同水體中污染組分的人群非致癌健康風險評價結果統計

圖5 神東礦區不同水體中污染組分通過飲水攝入途徑的人群非致癌健康風險Fig.5 Non-carcinogenic health risks of pollution components in different water bodies in Shendong mining area through drinking water intake pathway

圖6 神東礦區不同水體中污染組分通過皮膚入滲攝入途徑的人群非致癌健康風險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、圖5和圖6可知:

1) 相比皮膚入滲攝入途徑,飲水攝入途徑的非致癌健康風險更大,在礦區不同水體中,通過飲水攝入途徑的非致癌健康風險HI平均值比通過皮膚入滲攝入途徑的非致癌健康風險HI平均值大1到2個數量級。不同人群通過飲水攝入礦區各類水體的非致癌健康風險HI最大值均達到了風險水平(HI>1),而通過皮膚入滲攝入途徑的非致癌健康風險HI最大值均小于1,未達到風險水平。

2) 按水體類型,礦區不同水體非致癌健康風險由高到低依次為:礦井水>地表水>第四系地下水,其中礦井水的非致癌健康風險遠大于地表水和第四系地下水(表5)。礦區地表水對不同群體的非致癌健康風險HI總和的平均值分別為兒童(1.44)、青少年(0.89)、成年女性(0.86)、成年男性(0.90);第四系地下水對不同群體的非致癌健康風險(HI)總和的平均值依次為兒童(0.91)、青少年(0.56)、成年女性(0.54)、成年男性(0.57);礦井水非致癌健康風險HI總和的平均值依次為兒童(4.40)、青少年(2.72)、成年女性(2.62)、成年男性(2.75)。根據群體不同,非致癌健康風險由高到低依次為兒童>成年男性>青少年>成年女性(表5、圖5)。

神東礦區不同水體中污染組分對非致癌健康風險的貢獻率(HQ/HI)箱式圖,見圖7。

圖7 神東礦區不同水體中污染組分對非致癌健康風險的貢獻率(HQ/HI)箱式圖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

由圖7可知:礦區不同水體中污染組分造成的非致癌健康風險程度存在明顯差異,其中不同水體中污染組分F-、As和Mn占主導,其中地表水中3種主導污染組分對HI值的平均貢獻率(HQ/HI)分別為59.95%(F-)、35.79%(As)、2.20%(Mn),第四系地下水中3種主導污染組分對HI值的平均貢獻率分別為63.25%(F-)、10.96%(As)、22.54%(Mn),礦井水中3種主導污染組分對HI的平均貢獻率分別為56.28%(F-)、22.69%(As)、14.58%(Mn)。

本文以兒童飲水攝入途徑的非致癌健康風險為例,考察了神東礦區不同水體兒童通過飲水攝入途徑的非致癌健康風險(HI值)空間分布特征,見圖8。

圖8 神東礦區不同水體兒童通過飲水攝入途徑的非致癌健康風險(HI值)空間分布特征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

由圖8可知:整體上,礦區西部地區地表水和第四系地下水中污染組分對兒童通過飲水攝入途徑的非致癌健康風險較高,礦區東部地區地表水和第四系地下水對兒童飲水攝入途徑的非致癌健康風險較低;在平面上,烏蘭木倫河西部的HJT井、SW礦、BLT礦和BET礦礦井水中污染組分對兒童通過飲水攝入途徑的非致癌健康風險均大于1,低風險區域主要分布在東部的DLT井、SGT礦、HLG礦及WLML礦。

3.3.2 水質致癌健康風險評價

在礦區超標的水質指標中,As是一種具有致癌健康風險的元素。根據礦區不同水體水質的測試結果,分析了礦區不同水體中As元素的致癌健康風險CR值空間分布特征,見表6、圖9和圖10。

表6 神東礦區不同水體中As元素的致癌健康風險評價結果統計

圖9 神東礦區不同水體中As元素通過飲水攝入途徑的人群致癌健康風險(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

圖10 神東礦區不同水體中As元素通過皮膚入滲攝入途徑的人群致癌健康風險(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、圖9和圖10可知:

1) 礦區礦井水中As元素的致癌健康風險(CR值)最高,地表水中As元素的致癌健康風險次之,第四系地下水中As元素的致癌健康風險最低;通過飲水攝入途徑的致癌健康風險遠高于通過皮膚入滲攝入途徑,前者的致癌健康風險CR值比后者大4～5個數量級,前者的致癌健康風險較高。

2) 礦區地表水中As元素通過飲水攝入途徑的致癌健康風險CR值范圍在5.01×10-5～4.68×10-4之間,致癌健康風險等級為Ⅲ～Ⅳ級;礦區第四系地下水中As元素通過飲水攝入途徑的致癌健康風險CR值范圍在9.23×10-7～5.72×10-5之間,致癌健康風險等級為Ⅰ～Ⅲ級;礦區礦井水中As元素通過飲水攝入途徑的致癌健康風險CR值范圍在5.10×10-6～3.59×10-3之間,致癌健康風險等級為Ⅰ～Ⅵ級(圖9)。

3) 礦區地表水、第四系地下水和礦井水中As元素對不同人群通過皮膚入滲攝入途徑的致癌健康風險均小于1×10-6(圖10),表明礦區水體中As元素通過皮膚入滲攝入途徑的致癌風險可忽略。

4) 礦區不同水體中As元素對不同群體的致癌健康風險由高到低依次為:兒童>成年男性>青少年>成年女性(表6、圖10)。其中,礦區地表水中As元素對不同群體通過飲水攝入途徑的致癌健康風險CR平均值由高到低依次為兒童(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)。礦區第四系地下水中As元素通過飲水攝入途徑的致癌健康風險CR平均值由高到低依次為兒童(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);礦區礦井水中As元素通過飲水攝入途徑的致癌健康風險CR平均值由高到低依次為兒童(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)。

以兒童通過飲水攝入各類水體中As元素的致癌健康風險為例,考察了神東礦區不同水體中As元素對兒童通過飲水攝入途徑的致癌健康風險(CR值)空間分布特征,見圖11。

圖11 神東礦區不同水體中As元素對兒童飲水攝入的致癌健康風險(CR值)空間分布特征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

由圖11可知:整體上,礦區西部地表水和礦井水中As元素的致癌健康風險相對較高,高風險值區域主要分布在HJT井、SW礦、BLT礦和BET礦;礦區中部第四系地下水中As元素的致癌健康風險相對較高,主要分布在HLG礦、BLT礦和SGT礦。

4 結 論

2) 神東礦區不同水體中污染組分通過飲水攝入途徑的非致癌健康風險和致癌健康風險均高于通過皮膚入滲攝入途徑;不同人群的非致癌健康風險、致癌健康風險從高到低依次為兒童>成年男性>青少年>成年女性;非致癌健康風險主要來自污染組分F-、As和Mn的影響;礦區地表水、第四系地下水和礦井水中As元素對不同人群飲水攝入途徑的非致癌健康風險都大于1,具有潛在的非致癌健康風險;礦區地表水、第四系地下水的致癌健康風險等級分別為Ⅲ～Ⅳ級和Ⅰ～Ⅲ級,致癌健康風險低;礦區礦井水中As元素通過飲水攝入途徑的致癌健康風險等級為Ⅰ～Ⅵ級,存在致癌健康風險,不適宜直接作為飲用水源;礦區不同水體中As元素通過皮膚入滲攝入途徑的非致癌健康風險HI值和致癌健康風險CR值分別小于1、1×10-6,表明通過皮膚入滲攝入途徑的健康風險可忽略。

3) 神東礦區第四系地下水、地表水和礦井水中污染組分的非致癌健康風險、致癌健康風險的空間分布特征較為一致,主要分布在礦區西部BET礦、BLT礦、SW礦和HJT井,推測礦區礦井水的生態利用對地表水和第四系地下水的水質造成了一定的影響,建議將礦區西部礦井水進行凈化處理后再利用,以避免對當地水體環境和居民健康造成不利的影響。此外,礦區水文地質條件是動態變化的,隨著各礦山開采深度及開采煤層的變化,其礦井水質特征及健康風險可能會發生相應的變化,今后需加強監測分析。