邯郸地下水水环境地球化学特征与硒的富集机制研究

【摘要】：硒元素对人类健康的影响具有两面性,因此备受学界关注。邯郸地区位于我国北方典型的低硒带中,其环境介质中却表现出硒元素的富集。邯郸中西部山地丘陵地带(邯郸富硒带)浅层地下水中硒元素的富集程度和机制尚不清楚;且区内地质、水文等情况错综复杂,而有关水文地球化学方面的研究缺少完整性。因此本文以邯郸富硒带浅层地下水中的主要阴阳离子、金属/非金属元素以及硒元素为主要研究对象,通过系统采样结合水文地球化学和统计学等方法,对水化学成分与分类、水文地球化学过程、物质来源和影响因素等进行了研究,并对水质和健康风险进行了定量评价。本研究不仅有利于认识典型低硒带中局部富硒区域地下水中硒元素的富集机制,还可以为充分合理利用富硒水资源提供科学指导。本研究取得的认识如下:(1)邯郸富硒带不同分区之间地下水的水化学类型和控制因素差异明显:Ⅰ区裂隙水和Ⅱ区岩溶水的水化学类型均为Ca(Mg)-HCO_3型,前者主要继承于大气降水而后者则源于碳酸盐岩的风化溶解;Ⅲ区岩溶水以混合型为主,岩层中金属硫化物矿物的氧化溶解造成SO_4~(2-)组分的比重明显升高;Ⅳ区潜水受到蒸发作用、反向阳离子交替吸附作用和农业活动的叠加影响,水化学类型以Na(K)-SO_4(Cl)型为主。(2)利用多种统计学方法结合组合特征、空间分布以及实际情况,对16种金属/非金属元素的物质来源进行了识别。结果显示不同分区地下水中金属/非金属元素的主控因素不同,岩石风化溶滤、工业污染、煤矿开采、蒸发作用、农业活动和交通运输均会造成明显的影响。(3)邯郸富硒带地下水中硒元素的浓度平均值为1.294μg/L,变异系数为143.7%,表现出明显的空间差异性,其中浓度最高的为Ⅲ区,均值为2.218μg/L,高于河北省平原区均值(0.84μg/L),显示出硒元素的富集。研究区出露的岩层为硒元素提供了基础物源,其中以出露于Ⅲ区的石炭–二叠系暗色含煤岩系最为主要,另外工业污染也有贡献,但影响范围较小。硒元素在多重环境介质的迁移过程中,洺河某段可以起到促进作用,且地下水中的氧化条件和NO_3~-、SO_4~(2-)的存在也利于硒的富集和迁移,而Fe和Mn则起着阻碍作用。(4)利用整合权重水质指数、重金属污染指数以及灌溉水质评价参数对研究区地下水中的水质进行了全面的评价。结果显示各方面水质总体较好,但Ⅲ区和Ⅳ区部分区域因受到煤矿开采、工业污染、农业活动和蒸发作用的影响,水质较差。(5)区分年龄人群和暴露途径地对地下水的健康风险进行了定量评价,并圈定了高风险的分布区域。结果显示:在年龄人群方面儿童面临的风险高于成人,暴露途径方面经口摄入造成的风险高于皮肤接触,元素方面As、Ba、Cr和Pb对非致癌风险的贡献最大而致癌风险则主要来自As和Cr。从总体上看,研究区地下水的非致癌风险较低;而致癌风险较高,几乎全部超过其界限值。