当前世界环境

介绍

水被广泛认为是地球上每个生物赖以生存的重要而宝贵的自然资源¹．水库被认为是城市健康的生态晴雨表，因为它们维持着任何城市中心的小气候，影响着居民的生活，特别是在半干旱地区²．除了包括降雨、沉积岩、侵蚀等环境因素外，城市化、工业和农业实践等人为因素也会影响水质^3.．它们脆弱的生态系统必须在环境稳定和周围环境之间取得平衡，尤其是在人类入侵和污染的情况下⁴．造成水库条件退化的主要原因可分为两类:(a)来自固定点来源的污染物(通过工业废物和水径流产生的污染物)。(b)来自非点源的污染物(来自肥料的营养物质、来自农业径流的有害农药和人类居住的污染物)在水库周边扩散⁵．

水质指数(water quality index, WQI)是综合水的总硬度、溶解氧、硫酸盐、硝酸盐等多个参数，反映水的状态的唯一数字⁶．进一步通过将各种水参数的集合数据简化为单个值来简化和表达逻辑数据⁷．水质评价提供了有关水资源的详细信息，以及各种用途(如饮用、灌溉和捕鱼)的污染风险^8、9．水质指数的应用是水库水质评价的一项有价值的技术。它有助于认识家庭用水的个别水质的一般情况¹⁰．1965年，Horton首次提出了代表水质状态的概念，并制定了众多能够快速准确地确定总水量的水质指标一个地区的质量。后来，Brown在1970年引入了通用WQI，它经过了更高级的修改，更适合于不同的目的¹¹．许多工人喜欢Abukila (2015)¹²，阿明(2019)¹， Aigberua等，(2020)¹³， Belokda等人，(2020)¹⁴， Uddin等人，(2020)¹⁵， Mohammed et al.， (2021)¹⁶研究淡水水质指数印度也一样，拉维库马尔等(2013)⁴Kangabam等人。, (2017)¹⁷、夏尔马和蒂瓦里(2018)¹⁸， Gupta等人，(2020)¹⁹， Roy等人，(2021)^20.， Dutt和Sharma (2022)²¹开展了河湖水质指数研究。对与饮用水供应有关的健康风险的评估可以显示污染源与人类健康之间的联系²²．通过统计确定健康问题，它可以为管理和保存供水提供一个基本的决策框架²³．从水中摄入大量硝酸盐会限制身体输送氧气的能力，这可能会导致多发性硬化症和胃癌²⁴．到目前为止，还没有关于基于WQI评分和摄入Bhosga水库硝酸盐的非致癌风险的分类研究的报道。

许多国家面临严重的水资源短缺，同时人类消费的水质问题也存在。必须检查可用水质，这在卡拉布拉吉、卡纳塔克邦等半干旱地区尤其重要，因为该地区降雨时空不规律，蒸发量和蒸腾量高。因此，监测水质是该地区的当务之急。这项研究的基本原理是利用物理化学参数来确定位于半干旱地区的博斯加水库中硝酸盐的质量状况和摄入的非致癌风险，因为水库周围的人们使用它来饮用。这项研究有助于水质检查和定期监测，以减少该地区的人类活动。

材料与方法

研究区域

Bhosga水库是卡拉布拉吉地区的一个多年生水体，位于郊区，距离卡拉布拉吉市近10公里。卡拉布拉吉位于北纬16°-12”至17°- 46”之间，经度76°- 46”至77°- 42”之间，平均海拔454米。水库总集水区面积756公里²东部边界有高约10.66米的河堤，一端有溢流设施。相比之下，剩下的边缘则被标记为农田(图1)。

图1:显示不同采样点的研究区域示意图。 点击此处查看图

数据收集

从2020年10月至2021年9月，在季风前(PRM)、季风后(POM)和季风(MON)季节，从水库的五个采样点采集了一年多的样本水。站点1和站点2位于受人为活动影响较大的村庄附近。站点3和站点4位于受农业径流影响的农田附近。5号站点为水库出口。在本研究中，测定了10个理化参数，即电导率(EC)，氯离子(Cl)^-)、pH、总硬度(TH)、总碱度(TA)、磷酸盐(PO)₄^{3 -})、溶解氧(DO)、硝酸盐(NO)_3.^-)、总溶解固形物(TDS)和硫酸盐(SO)₄^{2 -})对博斯加储层的整体水质指数进行评价。pH、TDS、EC等参数在现场用笔式数字仪表进行了计算。为了估计溶解氧，固定剂被添加到样品中，并通过温克勒的技术进行检测。采用滴定法测定总碱度、氯离子和总硬度。采用紫外可见分光光度计对磷酸盐、硫酸盐、硝酸盐等参数进行分析。参数分析采用Trivedy和Goel提出的标准技术²⁵和APHA²⁶．

水质指数计算

采用加权算术指数技术来确定WQI^{27日、28日}，由式(1)得到:

在这里,问_我指一个I的评级质量^th参数& W_我单位重量是I吗^th水质参数如式(2)所示:

在哪里V_我表示I的实际数量^th水质参数;V₀表示水参数(V)的模型值_我=7)和DO (V_我=14.6)，这是由Bora和Goswami采取的⁸，年代_我表示I的理想结果^th参数。

计算单位重量(W_我)式(3):

在哪里W_我为根据Lkr等人采用的公式赋予的单位权重。¹¹见(表3)，K为比例常数，由式(4)计算:

然后将WQI评级结果分为五组来评估水质状况(WQS)。²⁹，如表1所示。

健康风险评估

虽然污染物可能是健康问题的原因，即使它在允许的消费限度内，但健康风险评估是全面水质评估的关键步骤^30.．根据国际癌症研究机构(IARC)的说法，硝酸盐是非致癌物。在本分析中采用了美国环保署推荐的方法来估计与硝酸盐接触有关的潜在健康风险³¹．由于包括吸入和皮肤吸收在内的所有其他暴露途径都不显著，因此饮用水摄入途径被认为是最显著的暴露源³²．在目前的研究中，评估风险时考虑了口服摄入量。

下面的公式可以用来确定对人体健康的风险

其中C表示水中硝酸盐含量(mg/L)，本研究报告的IR值分别为成人2.2 L/天和儿童0.95 L/天。暴露期(ED)分别为6年和30年。暴露频率(EF)设定为每年365天(EF)， AW代表平均体重，成人为67.5公斤，儿童为16.5公斤。平均暴露时间(AT)以天表示，成人为10950天，儿童为2190天。HQ为危险商，Rfd为推荐剂量值³³．危险商根据标准值分为三类，HQ < 1为可接受风险，HQ > 1为不可接受风险，HQ越高风险越大^30.．

多变量分析

相关性调查是一种统计方法，用来表示两个变量之间的联系。相关系数值接近+1或-1指定x和y变量之间线性关系的概率¹⁹．在MS Excel上执行相关性分析。主成分分析是一种减少数据并提取有限数量的表观元素的技术，目的是分析观测变量之间的相关性，评估储层中物理化学参数的变化和潜在来源¹⁵．聚类分析是基于化学相似性预测多源元素分类的方法．树形图通常用于说明层次聚类，因为一个样本和整个数据集之间存在直观的相似性关联。它有助于对聚类系统的实际总结的数据解释，揭示了群体的形象&他们的感情与原始数据的一个方面惊人的减少¹⁹．主成分分析(PCA)和聚类分析(CA)，并于PAST- 4.03执行。

结果与讨论

水质参数

Bhosga水库五个采样点在POM、PRM和MON季节所选择的水质参数的统计概述见表2。电导率(EC)很重要，因为阳离子对味道有巨大影响，因此对饮用水的高接受度有很大影响。这是溶解固体总量的间接指标。人为来源的沉积岩风化最有可能是电导率增加的原因³⁴．EC的浓度在248.8 ~ 315µS/cm之间波动。在POM季节，Bhosga水库的最小EC平均值为275.12±15.15µS/cm。由于家庭农业径流和废弃物径流等人为因素的影响，PRM季节的最高平均值为294.02±6.19µS/cm。报告的值为均低于350µS/cm (BIS)³⁵标准。Toufeek等人(2009)也发现了类似的观察结果。³⁶纳赛尔湖不同位置的值在216 ~ 260µS/cm之间。

表1:水样WQI值、状态及使用情况²⁹

水质指数的值	水质状况(WQS)	可能的利用率
0-25	优秀的	饮用、灌溉及工业用途
26-50	好	饮用、灌溉及工业用途
51 - 75	可怜的	灌溉和工业
76 - 100	非常贫穷的	灌溉
超过100	不适合	使用前必须适当治疗

表2:博斯加水库水质参数统计分析。

参数	Post-monsoon (POM)	价值	Pre-monsoon(人口、难民和移民事务局)	价值	季风(星期一)	价值
电子商务(µS /厘米)	275.12±15.15	(248.8 - -287.5)	294.02±6.19	(287 - 300.8)	292.52±22.0	-315 (258.5)
Cl-(毫克/升)	36.63±2.07	(34.5 - -38.9)	72.12±5.82	(63.7 - -79.6)	50.08±2.17	(48.56 - -53.89)
pH值	7.57±0.11	(7.43 - -7.7)	7.69±0.06	(7.63 - -7.8)	7.62±0.10	(7.45 - -7.73)
TH(毫克/升)	181.38±6.21	(174.8 - -190.6)	218.84±12.31	(201.1 - -231.4)	194.61±2.97	(192.6 - -199.8)
助教(毫克/升)	104.56±4.11	(100.4 - -109.9)	143.12±8.71	(132.5 - -154.9)	122.48±4.00	(117.8 - -127.2)
阿宝43 -(毫克/升)	2.03±0.13	(1.9 - -2.2)	1.95±0.20	(1.7 - -2.19)	1.78±0.09	(1.62 - -1.84)
(毫克/升)	9.23±0.479	(8.82 - -10.05)	9.10±0.652	(8.32 - -10.1)	7.89±0.52	(7.24 - -8.56)
没有3.-(毫克/升)	1.84±0.135	(1.7 - -2.02)	2.00±0.17	(1.75 - -2.18)	1.82±0.07	(1.74.1.95)
TDS(毫克/升)	153.16±5.32	(145 - 158.3)	154.6±13.45	(138.8 - -175.8)	144.96±8.42	(138 - 159.5)
所以42 -(毫克/升)	4.34±0.10	(4.23 - -4.5)	4.25±0.25	(3.96 - -4.59)	4.05±0.24	(3.65 - -4.32)

除电导率(EC)、氯化物(Cl)、电导率(EC)外，其他参数均以mg/l为单位^-)、pH、总硬度(TH)、总碱度(TA)、磷酸盐(PO)₄^{3 -})、溶解氧(DO)、硝酸盐(NO_3.^-)、总溶解固体(TDS)和硫酸盐(SO)₄^{2 -}）.

氯化(Cl^-)是污染的重要指标之一。地表水中氯化物的主要人为来源是农业径流和污水排放³⁷．Cl^-数值在34.5到79.6毫克/升之间。平均Cl^-研究水样的浓度在POM季节最低，为36.63±2.07 mg/l，在PRM季节最高，为72.12±5.82 mg/l。同样的趋势是更高的Cl^-Majagi等人(2008)在PRM季节进行了观测。³⁸在Karanja水库。测定样品的氯离子浓度远低于BIS允许的250 mg/l³⁵标准。水的pH值表示溶液中碱度或酸度的等级。pH值是评价水质和水污染程度的重要指标¹．5个采样点的Bhosga储层pH值在7.43 ~ 7.8之间，表明Bhosga储层水基本为中性至碱性。POM季节的平均值最低，为7.57±0.11。PRM季节的最高平均值为7.69±0.06，这可能是由于蒸发速率增加和人为干扰的结果，部分原因是由于藻类的增殖增加了光合活性³⁸．平均pH值在BIS范围内³⁵规定的范围．在这项研究中，由于游离二氧化碳的年度变化不大，整个季节的pH值范围有限。Upadhyay and Chandrakala (2016)³⁹报道了Dalvoy湖理化参数的研究，观测到不同地点pH最大值为7.5，最小值为7.7。水的总硬度(TH)是由于各种钙、镁离子的存在⁴⁰．硬度浓度为174.8 ~ 231.4 mg/l。POM季节含量较低，为181.38±6.21 mg/l, PRM季节含量较高，为218.84±12.3 mg/l。这可能是由于随着蒸发量的增加，水的尺寸减小了⁴¹．Bora和Goswami(2017)也研究了类似的趋势。⁸可龙河的最高浓度为296 mg/l，最低浓度为52 mg/l。总碱度(TA)主要由碳酸盐氢氧化物含量决定，包括来自磷酸盐、硅酸盐和其他碱的贡献⁴²．Bhosga储层的TA值在100.4 ~ 154.9 mg/l之间。POM季节TA平均值最低，为104.56±4.11 mg/l。PRM季最高平均值为143.12±8.71 mg/l，可能为因为存在多余的游离一氧化碳₂由与生活垃圾的混合物结合的分解过程产生的⁴³．该数值低于BIS建议的200毫克/升的允许限值³⁵．这一观察结果与Yadav et al.，(2015)的观察结果一致。⁴⁴Pahuj河的浓度为175至200毫克/升。

磷酸(PO₄^{3 -})是生物体生长所必需的，也是限制生态系统初级生产的营养物质。磷酸盐以低浓度存在，它作为一种高营养物质，有助于藻华⁴⁵．阿宝₄^{3 -}取值范围为1.62至2.2 mg/l。MON季最低平均值为1.78±0.09 mg/l, POM季最高平均值为2.03±0.13 mg/l。根据BIS³⁵，所有读数均在5毫克/升的可接受范围内。这些浓度与Sharma和Tiwari(2018)的观察结果一致。¹⁸在Nachiketa湖中含量为0.05至0.10 mg/l溶解氧(DO)在所有水生生态系统中都是至关重要的，因为它调节生物体的代谢过程。水中溶解氧的主要来源是氧扩散和光合作用，主要受温度、总溶解盐和水运动的影响⁴⁴．DO值在7.24 ~ 10.05 mg/l之间变化。雨季由于雨水的加入导致水分稀释，平均值最小，为7.89±0.52 mg/l⁴⁶．在POM季节，由于冷水的溶解氧含量高于温水，平均值最高，为9.23±0.47 mg/l。许多因素影响溶解氧水平，包括温度、微生物种群、压力和采样时间¹⁷．水源的湍流行为、温度的降低和光合作用可导致DO的增加⁴⁷．结果与Lkr等人(2020)的研究结果一致。¹¹多阳江DO值为7.37 ~ 9.44 mg/l。

高硝酸盐(NO)_3.^-)的水位线，可侦测由排入湖泊的污水所造成的水质恶化。硝酸盐是淡水中最丰富的无机氮形式，因为它被高度氧化。由于肥料、粪便和污水污染，淡水中的硝酸盐浓度似乎有所上升⁴⁴．无_3.^-Bhosga储层5个采样点的含量在1.74 ~ 2.18 mg/l之间。氮肥季节硝态氮的平均值最低为1.82±0.07 mg/l, PRM季节硝态氮的平均值最高为2.00±0.17 mg/l，主要原因是农业活动，包括无机氮肥和粪肥的使用¹⁷．所有水样的硝酸盐值均远低于BIS规定的45 mg/l的允许范围³⁵．Ameen(2019)也报道了这一观察结果。¹取值范围为2.18 ~ 3.17 mg/l。TDS在水中的浓度决定了矿化程度。的溶解在水中的固体来自自然来源，并根据地区、降雨和流入的水而变化³⁷．TDS值为138 ~ 175.8 mg/l。MON季节的平均值最小为144.96±8.42 mg/l, PRM季节的平均值最大为154.6±13.45 mg/l。观察到的结果在BIS规定的500mg /l的允许范围内³⁵．Gupta et al.， (2017)⁴⁹在纳尔马达河记录的最小值为108毫克/升，最大值为234毫克/升。

硫酸(所以₄^{2 -})大量存在于所有天然水域，尤其是含盐量高的水域。硫酸盐是用来评价饮用水气味和味道的另一个重要的化学参数⁴⁷．所以₄^{2 -}数值在3.65至4.5毫克/升之间波动。MON季平均硫酸盐浓度最低为4.05±0.24 mg/l, POM季最高为4.34±0.10 mg/l。根据BIS规定，观测值在允许范围内³⁵标准:150mg /l。Solanki和Saraswat(2021)也记录了相同的价值趋势。⁵⁰值在3.3至9.3毫克/升之间。分析水的十个参数均在BIS规定的饮用水允许范围内³⁵标准。

水质指数(WQI)

WQI考虑使用“加权算术指数”技术，该技术涉及估计每个指定物理化学参数的单位权重。pH为0.208,DO为0.3536为最优单位权重，说明这两个参数在水质评价中的重要性及其对指标的实质性影响。各季节5个采样点所选物化参数记录值及WQI值见表4;图2). WQI的季节变化显示为正相关。所有5个地点的WQI值在MON季节最高，紧随PRM和POM季节。Lkr等研究人员也进行了相同的观察。¹¹，波拉和戈斯瓦米⁸．这些发现表明，所有五个采样点的水质都处于良好水质的范畴(25适合工业、饮用和灌溉用途)(表1)。目前的工作表明，由于轻微的人为活动和农业径流，站点3和4的值急剧增加，接近>50。在本研究考虑的10个参数中，通过对WQI的统计分析发现，pH和DO的WQI值由于pH升高和DO浓度降低而产生影响。

表3:权重(W_我)为WQI审议中使用的参数。

参数	BIS标准(S)我）	单位重量(Wi)
电子商务	300	0.00589
Cl-	250	0.00707
pH值	6.5 - -8.5	0.208
TH	300	0.00589
助教	120	0.01473
阿宝43 -	5	0.35361
做	5	0.35361
没有3.-	45	0.03929
TDS	500	0.00354
所以42 -	150	0.01179
W ?我= 1.000

表4:博斯加水库WQI总体与水质状况。

研究地点	砰的一声		人口、难民和移民事务局		我的
	水质指数	wq	水质指数	wq	水质指数	wq
S1	44.7	好	46.7	好	47.1	好
S2	44.0	好	46.1	好	48.3	好
S3	44.9	好	46.8	好	49.3	好
S4	45.4	好	47.4	好	49.8	好
S5	39.5	好	43.4	好	46.2	好

S1-Site 1、S2-Site 2、S3-Site 3、S4-Site 4及S5-Site 5;POM-季风后，prm -季风前和mon -季风季节。

图2:采样点的WQI值。 点击此处查看图

健康风险评估

从水中摄取大量硝酸盐会限制身体运输氧气的能力，这可能导致高铁血红蛋白血症、多发性硬化症、甲状腺肥大和胃癌²⁴．美国环境保护局人类健康风险评估方法被用来确定硝酸盐摄入对成人和儿童的潜在健康影响^30日,32．研究结果表明，成人和儿童的季节性HQ值分别为0.035 ~ 0.044和0.061 ~ 0.078。成人和儿童的季节性HQ平均值分别为0.036 ~ 0.040和0.065 ~ 0.071，如表5所示。与成人相比，儿童更容易受到环境健康问题的影响。由于成人和儿童的HQ结果都低于1，表明成人和儿童都没有任何负面影响。

表5:成人和儿童硝酸盐摄入量的季节性非致癌健康风险值。

采样地点	砰的一声		人口、难民和移民事务局		我的
	成人	孩子们	成人	孩子们	成人	孩子们
S1	0.036	0.064	0.038	0.068	0.036	0.064
S2	0.039	0.069	0.043	0.077	0.037	0.065
S3	0.035	0.062	0.041	0.073	0.036	0.065
S4	0.034	0.061	0.035	0.062	0.035	0.062
S5	0.041	0.072	0.044	0.078	0.039	０．０７０
平均	0.037	0.065	0.040	０．０７１	0.036	0.065

S1-Site 1、S2-Site 2、S3-Site 3、S4-Site 4及S5-Site 5;POM-季风后，prm -季风前和mon -季风季节。

相关

利用相关分析方法确定了Bhosga储层各对物化参数之间的关系⁵²．各参数之间的理化关系(表6)表现出较高(>0.7)、中等(0.5-0.7)和较低(0.3-0.5)的相似度。溶解氧与磷酸盐、硫酸盐和硝酸盐高度相关。pH值和电导率表现出高度的相似性。总硬度与氯化物、总碱度高度相关。磷酸盐和硫酸盐与硝酸盐正相关。有一些不太相关的离子，其余的几个相关情况是负的。硫酸盐、磷酸盐和硝酸盐最有可能来自农业径流。总碱度、总硬度和氯化物可能由人为活动引起。

表6:bhoga储层物化参数相关性。

	pH值	电子商务	TDS	做	TH	助教	Cl-	阿宝43 -	所以42 -	没有3.-
pH值	1
电子商务	0.732 *	1
TDS	-0.092	0.337 * * *	1
做	-0.982	-0.803	0.007	1
TH	0.441 * * *	-0.258	-0.749	-0.34	1
助教	0.026	-0.458	-0.976	0.09	0.768 *	1
Cl-	0.051	-0.576	-0.845	0.037	0.911 *	0.87 *	1
阿宝43 -	-0.78	-0.84	0.007	0.751 *	-0.009	0.044	0.321 * * *	1
所以42 -	-0.952	-0.619	0.079	0.96 *	-0.523	0.001	-0.167	0.561 * *	1
没有3.-	-0.92	-0.793	0.18	0.888 *	-0.291	-0.111	0.063	0.946 *	0.767 *	1

*高负载(0.7);* *温和(0.5 - -0.7);***弱加载(0.3-0.5)

主成分分析

主成分分析是一种调查和描述的工具，旨在确定影响水化学成分的基本成分⁵³．主成分分析发现两个特征值>1的显著成分占总方差的90.60%。PC1受农业径流相关投入的约束，占总方差的52.03%。它被分类为DO, PO的高正负荷₄^{3 -},所以₄^{2 -},没有_3.^-TDS适度加载，EC负加载。PC2解释了38.57%的总方差，TA、TH和Cl的负荷较高^-， ph值负荷适中。这一成分显示了人为活动的影响(图3)。

图3:理化参数对Bhosga水库水质影响的主成分分析双标图。采样点用黑点表示，变量为电导率(EC)，氯化物(Cl)-)、pH、总硬度(TH)、总碱度(TA)、磷酸盐(PO)43 -)、溶解氧(DO)、硝酸盐(NO3.-)、总溶解固体(TDS)和硫酸盐(SO)42 -）. 点击此处查看图

聚类分析

聚类分析是一种分类方法，目的是产生一组聚类，其中的对象彼此相关，并且与属于其他聚类的对象不同⁵⁴．对于采样点分析的数据集，聚类分析(CA)有两个主要的聚类。五个采样点，用五个水库水采样点表示，分为两个主要集群。第一簇包括受人为活动污染的3个采样点1、2和3。聚类二由受农业径流污染的采样点4和5组成(图4)。

图4:树状图表示采样点之间的相似性。 点击此处查看图

结论

采用水质指数法和硝酸盐摄入非致癌性风险评估模型，对博斯加水库的饮用适宜性和健康状况进行了评价，结果表明，博斯加水库水属于良好水质，不存在硝酸盐摄入的健康问题。目前的分析是利用各种物理化学参数来评价Bhosga储层的质量。经观察，水样适合饮用，污染水平在国际标准局规定的允许范围内。根据观察，所有五个选定的采样点的WQI值和硝酸盐摄入的非致癌风险都处于理想的水质位置;从Bhosga水库中选择的所有五个站点，在POM, PRM和MON季节，成人和儿童的HQ结果都低于1，这表明成人和儿童都没有任何负面影响。在本研究中，发现pH和DO对储层WQI有显著影响。目前，它对各种国内用途没有显示出任何重大威胁。因此，建议定期进行物理处理，如对水库水进行过滤，以尽量减少营养物质的负荷，并为该地区的居民提供优质的供水。

鸣谢

作者要感谢Kalaburagi的Gulbarga大学为开展本工作提供的财政支持和实验室设施。

资金来源

作者声明在撰写本文期间未收到任何资金、资助或其他支持。

利益冲突

作者声明没有利益冲突。

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