Pollution Characteristics and Health Risks of Heavy Metals in Groundwater of a Chemical Industrial Park

Résumé technique : Caractéristiques de la pollution et risques sanitaires des métaux lourds dans les eaux souterraines d'un parc industriel chimique

Énoncé du problème
Les parcs industriels chimiques présentent des risques importants pour les ressources en eaux souterraines et la santé humaine en raison des fuites potentielles de métaux lourds lors des processus de production et de stockage. Bien que des études antérieures aient utilisé diverses méthodes statistiques pour analyser les caractéristiques et les sources de la pollution, les évaluations classiques des risques sanitaires reposent souvent sur des paramètres d'exposition fixes, ne parvenant pas à prendre en compte les effets toxiques combinés des métaux lourds ou l'incertitude inhérente aux scénarios d'exposition. De plus, il existe un manque de données localisées concernant l'évolution dynamique des polluants et l'adaptabilité des paramètres d'exposition aux contextes régionaux spécifiques. Cette étude comble ces lacunes en étudiant un parc industriel chimique dans le sud de la Chine afin de caractériser systématiquement la pollution par les métaux lourds, d'identifier les sources et de mener une évaluation robuste des risques sanitaires tenant compte de l'incertitude.

Méthodologie
La recherche a été menée dans un parc industriel chimique du sud de la Chine, caractérisé par des strates du Crétacé supérieur et du Quaternaire avec un écoulement des eaux souterraines de l'ouest vers l'est.

• Échantillonnage et analyse : Un total de 127 échantillons d'eau souterraine a été collecté et analysé pour 11 métaux lourds (Fe, Mn, Al, Zn, Co, Ni, Pb, Cu, Cd, As et Tl).
• Évaluation de la pollution : L'étude a employé l'indice de pollution à facteur unique et l'indice de pollution globale de Nemerow pour évaluer les niveaux de pollution par rapport aux normes de la classe III du GB/T 14848-2024. La distribution spatiale a été cartographiée à l'aide de l'interpolation par pondération par l'inverse de la distance (IDW) dans ArcGIS 10.8.
• Identification des sources : L'analyse de corrélation de Pearson a été utilisée pour quantifier les corrélations internes entre les métaux lourds, aidant ainsi à l'identification de sources communes ou d'affinités géochimiques.
• Évaluation des risques sanitaires : L'étude a couplé le modèle de l'Agence américaine pour la protection de l'environnement (USEPA) avec la simulation de Monte Carlo pour évaluer les risques non cancérogènes et cancérogènes par ingestion orale. Cette approche a construit des distributions de probabilité pour les paramètres d'exposition (ex. : consommation d'eau, poids corporel, durée d'exposition) afin de prendre en compte l'incertitude, en évaluant spécifiquement les risques pour les adultes et les mineurs.

Résultats clés

• Caractéristiques de la pollution : Le fer (Fe) a présenté la concentration moyenne la plus élevée (12,16 mg/L), suivi du manganèse (Mn) et de l'aluminium (Al). À l'exception du cuivre (Cu), les concentrations moyennes de tous les métaux lourds analysés dépassaient les normes de l'eau potable de la classe III. L'indice de pollution globale de Nemerow pour la zone était de 42,78, indiquant une pollution globale sévère. Le Fe, l'Al, le Tl, le Pb et le Ni ont été classés comme sévèrement pollués, tandis que le Cd et le Co présentaient une pollution légère.
• Distribution spatiale : Le Fe, le Mn, l'Al et le Tl étaient répartis dans toute la zone d'étude avec des concentrations élevées. En revanche, le Cd, le Co, le Ni et le Pb présentaient des points chauds localisés dans la région centre-nord, tandis que les parties sud et est présentaient des concentrations plus faibles. La région centre-est a connu la pollution la plus grave en raison de la superposition de multiples polluants.
• Corrélations de sources : L'analyse de corrélation de Pearson a révélé un groupe à corrélation positive forte comprenant le Zn, l'Al, le Cd, le Ni et le Co (coefficients de corrélation généralement > 0,8), suggérant une origine commune ou une affinité géochimique similaire. Le Mn a montré des corrélations positives significatives avec la plupart des éléments, agissant comme un facteur de « liaison » dans la migration et l'enrichissement. Le plomb (Pb) a démontré de faibles corrélations avec les autres métaux, indiquant une source distincte ou un mécanisme d'enrichissement différent.
• Évaluation des risques sanitaires :
  • Risque non cancérogène : L'indice de danger (HI) moyen pour les adultes était de 5,39 et pour les mineurs de 2,25, dépassant tous deux le seuil de sécurité de 1. Les adultes présentaient un risque plus élevé que les mineurs. Le manganèse (Mn) et le cobalt (Co) ont été identifiés comme les principaux moteurs du risque non cancérogène.
  • Risque cancérogène : Le risque cancérogène total (TCR) moyen était de 0,501 pour les adultes et de 0,210 pour les mineurs. Bien que les valeurs moyennes se situent dans la plage « nécessitant une attention particulière » (1×10⁻⁶ à 1×10⁻⁴), le TCR maximum pour les adultes a atteint 1,33, dépassant le seuil de sécurité. L'aluminium (Al) a été identifié comme le principal facteur moteur du risque cancérogène.

Signification et revendications
Les auteurs affirment que cette étude fournit une base scientifique pour la prévention, la gestion et la remédiation ciblées de la pollution des eaux souterraines régionales par les métaux lourds. En intégrant les simulations de Monte Carlo au modèle de l'USEPA, la recherche répond aux lacunes des évaluations traditionnelles concernant la surveillance dynamique de la pollution et le calibrage des paramètres d'exposition localisés. L'identification de facteurs déterminants spécifiques (Mn et Co pour les risques non cancérogènes ; Al pour les risques cancérogènes) et la délimitation des points chauds spatiaux offrent des cibles précises pour une gouvernance future. De plus, l'analyse de corrélation clarifie les caractéristiques de source des métaux lourds dans la zone d'étude, soutenant des stratégies de traçage des sources et de contrôle de la pollution plus efficaces au sein des parcs industriels chimiques.