水生所研究发现人类活动引起的土地利用变化增加了地下水氟砷污染及人体健康风险

来源：中科院水生所

成果简介

近日，中国科学院水生生物研究所毕永红研究员团队在环境领域知名期刊Journal of Hazardous Materials上发表了题为 “Land-use change caused by anthropogenic activities increase fluoride and arsenic pollution in groundwater and human health risk” 的研究论文，此研究为太原科技大学和中科院水生所合作完成。研究利用GIS遥感和风险评价相结合的方法，探究了人类活动引起的土地利用变化对地下水污染物扩散和人体健康风险的影响，为土地利用决策制定和居民饮水安全保障提供了科学依据。

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尽管高氟和高砷地下水主要由地质成因所致，但近年来随着人类活动的扩张，地下水氟和砷的地球化学行为被干扰，人类健康也受到了更大的威胁。

本研究以中国典型氟砷病区山西省为研究范围，调查了2010–2018年该地区地下饮用水中氟和砷的污染情况，并拟合土地利用中人类活动用地的变化对污染物时空分布和健康风险的影响做了详细的分析。结果表明，近十年内，高氟和高砷地下水的分布区域明显增加，并随着时间的推移而扩散。通过评估人体健康风险得知，在2016–2018年土地利用时期内的氟砷暴露风险显著高于2010–2015年土地利用时期内的风险。长期的监测结果证实了人类用地的扩张会增加地下水污染的程度和居民的健康风险，研究为今后的土地利用规划和居民饮水安全保障提供了研究手段和科学依据。

引言

全球大约有15亿人直接或间接以地下水为饮用水源，受污染的饮用水导致每年有数百万人死亡。在我国，约有2000万人正在饱受地下水氟砷污染带来的不利健康影响。尽管地下水中的氟和砷主要来自于地质活动，但随着人类活动的扩张，地下水氟和砷的地球化学特征被改变，其自然释放、迁移和富集过程被干扰，人类健康也受到了更大的威胁。矿石开采、肥料使用、工业和人类排放均会使氟和砷进入到地下水环境中。本研究拟从人类用地变化为出发点，宏观分析地下水污染物对人类活动的响应。为了确定当地居民健康风险所受的影响，我们以典型饮水型氟砷病区（山西省）为研究区域，以3–10岁儿童为研究对象，评估其健康风险的动态变化，在此基础上对土地利用决策提出建议。

图文导读

图1 基于遥感分析的2010–2018年山西省人类活动区域的变化情况（人类活动用地主要包括城市用地、农村用地和工业用地）。

图2 两个土地利用时期内地下水氟和砷浓度的比较。

2010–2018年，山西省人类用地的面积增加了3921km2，增速为10.24%，其中，工业用地的面积从2010年的713 km2增加到2018年的2071km2，增速为23.81%。2010–2015年，地下水氟和砷的平均浓度分别为0.79 mg/L和3.25 μg/L，而在2016–2018年，氟和砷的平均浓度分别增加到1.08 mg/L和4.11 μg/L。此外，高氟（>1.5 mg/L）频率和高砷（>10 μg/L）频率在2016–2018期间（分别为13%和5%）明显高于2010–2015期间（分别为7%和4%）。基于GIS的空间分析，我们预测了氟和砷的分布面积，在两个土地利用时期内，高氟地下水的分布面积从1277增加到3717 km2，高砷地下水的分布面积由381增加到884 km2。令人担忧的是，地下水氟和砷都随时间呈现出了明显的扩散趋势。

图3 两个土地利用时期内地下水氟和砷的空间分布变化

图4 两个土地利用时期内城市用地、农村用地和工业用地下地下水氟和砷的变化

研究详细比较了三种土地利用变化（其他用地–城市用地、其他用地–农村用地和其他用地–工业用地）对地下水氟和砷的贡献，结果表明城市用地的改变使地下水氟和砷显著增加了0.13 mg/L和0.22 μg/L（p<0.0001）；农村用地的改变使地下水氟和砷增加了0.11 mg/L和0.27 μg/L（p<0.005）；工业用地的改变使地下水氟和砷增加了0.15 mg/L和0.17 μg/L（p<0.001）。

城市化使得不断增长的人口需要更多的水来维持城市活动和农业生产，地下水的过度抽提使沉积物中的污染物释放到水体中。垃圾填埋场和城市绿地渗滤液和肥料的渗漏也是地下水受到污染的原因之一。农村生活污水（如厕所排水、洗涤废水、厨房清洁水和水产养殖废水是污染物渗漏的重要来源，山西省农村人均生活污水的生产量约为40升/天，加上排水系统不完善和污水处理能力不足导致污水随雨水排入低洼地然后进入地下水。此外，边远农村居民的取暖主要依靠燃煤，废气和残渣会通过大气循环和水循环进入地表水和地下水中。作为能源和工业大省，化石燃料燃烧、工业原料生产（如肥料、塑料、玻璃、水泥、砖块和皮革等）及其他工业过程（如炼钢、冶炼和染色）是空气、土壤和水污染的重要来源。

图5 两个土地利用时期内儿童的致癌和非致癌风险分析

研究还比较了当地儿童遭受的潜在健康风险，包括氟和砷的非致癌风险及砷的致癌风险。

结果表明两种风险均超过了世界卫生组织建议的可接受水平，且在2016–2018年土地利用期内的风险显著高于2010–2015年的风险水平。研究还借助GIS的空间分析功能，实现了山西省健康风险时空分布的可视化，提出在中部盆地（太原、晋中盆地）和南部盆地（运城盆地）须优先控制的策略。盆地地区地势低，地下水径流缓慢，污染物不易扩散，加上大量人口和工业活动的聚集，导致地下水污染的形势越发严重。山西省煤炭的无序和过量开采还会对地下水的流量、数量和补充模式造成极大的影响，会持续几十年甚至几百年。

小结

这项研究以城市化和工业化为背景，通过土地利用的空间变化探讨了人类活动对地下水污染物和人体健康风险的影响，并利用GIS的空间分析功能实现了健康风险时空分布格局的可视化。为了控制地方病地区地下水的污染和保护居民饮水安全，研究还为决策者提出以下五点建议：1）控制工业废水和生活污水的排放及提高处理效率；2）建立更多的地下水保护区，避免人类活动造成更多污染；3）制定和采用基于风险层级的土地管理办法，以便将地方病风险纳入土地利用规划中；4）扩大公共和集中供水的范围，为地下水污染区的居民提供安全的饮用水；5）以土地利用方式的变化量化人类活动强度，建立不同来源的污染物和健康风险的联系，以此为方向加强饮用地下水源的监测力度。