皖江地區(qū)農(nóng)村地下水健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

章康寧, 李湘凌,2, 陳富榮, 湯金來, 杜國強(qiáng)

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院,安徽 合肥 230009; 2.安徽省礦產(chǎn)資源與礦山環(huán)境工程技術(shù)研究中心,安徽 合肥 230009; 3.安徽省地質(zhì)調(diào)查院,安徽 合肥 230001)

地下水作為重要的淡水資源之一,與人類健康、社會(huì)發(fā)展有著密切的關(guān)系。我國從“十二五”開始,將推進(jìn)地下水污染防控作為地下水工作的重點(diǎn),并將農(nóng)村生活污染防治和生態(tài)環(huán)境改善、農(nóng)村居民生活飲水安全保障納入發(fā)展需求目標(biāo)[1]。進(jìn)行農(nóng)村地下水健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)是保障農(nóng)村飲用水安全的重要途徑。

健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)是由美國環(huán)境保護(hù)署(U.S. Environmental Protection Agency,U.S. EPA)最早提出的,通過估算暴露于各種污染因子下對(duì)人體健康產(chǎn)生不良影響的概率,評(píng)價(jià)人體健康所受影響,以風(fēng)險(xiǎn)度作為評(píng)價(jià)指標(biāo),定量描述污染物對(duì)人體產(chǎn)生的健康危害[2-3]。從相關(guān)研究報(bào)道可以看出,我國地下水污染具有由城市向郊區(qū)、農(nóng)村蔓延的趨勢(shì)[4-6],目前在重點(diǎn)地區(qū)、重點(diǎn)城市的地下水污染監(jiān)控方面已獲得較全面的數(shù)據(jù),而非重點(diǎn)地區(qū)及大部分農(nóng)村地區(qū)的工作程度仍然較低[7]。而占我國人口比例42%的農(nóng)村人口中,仍有相當(dāng)部分農(nóng)村居民以地下水為重要飲用水源[8]。文獻(xiàn)[9-13]研究表明,部分農(nóng)村地區(qū)地下水存在不同程度重金屬和氮健康風(fēng)險(xiǎn)。目前,農(nóng)村地下水健康風(fēng)險(xiǎn)的研究程度尚無法完全滿足保障農(nóng)村居民生活飲水安全的需求,農(nóng)村地下水水質(zhì)監(jiān)測(cè)及其健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)工作亟待強(qiáng)化。

2016年國務(wù)院發(fā)布的《長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展規(guī)劃綱要》中指出“長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展戰(zhàn)略定位為堅(jiān)持生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展,共抓大保護(hù),不搞大開發(fā)”[14]。皖江地區(qū)不僅是“長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶”的重要節(jié)點(diǎn),也是安徽省糧、棉、油等農(nóng)產(chǎn)品主產(chǎn)區(qū)之一,區(qū)內(nèi)超過80%的土地為農(nóng)用地和林地,2018年區(qū)內(nèi)農(nóng)村統(tǒng)計(jì)人口為1 141.2萬人[15]。因此,開展皖江地區(qū)農(nóng)村地下水的健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)對(duì)區(qū)內(nèi)經(jīng)濟(jì)健康發(fā)展具有重要意義。

1 樣品采集測(cè)試及評(píng)價(jià)方法

1.1 研究區(qū)概況

皖江地區(qū)是指長(zhǎng)江流域安徽段兩岸,位于安徽省中部,具體的行政區(qū)劃包括合肥、蕪湖、馬鞍山、銅陵、安慶、池州、滁州、宣城等市全境和六安市金安區(qū)、舒城縣,共59個(gè)縣(市、區(qū)),區(qū)域面積[16]為7.58×104km2。區(qū)內(nèi)農(nóng)村居民2018年人均可支配收入為1.40萬元[17],居民多以大米為主食、北方部分地區(qū)以面食為主食。

區(qū)內(nèi)巖石和地層分布情況較為復(fù)雜,巢湖以北地區(qū)中北部丘陵為巖漿巖和碳酸鹽巖,南部丘陵主要為碎屑巖、碳酸鹽巖;中部平原地表主要為中、上更新統(tǒng)黏性土,其下伏地層為中生代紅色砂巖;皖西大別山中、低山區(qū)主要為變質(zhì)巖和巖漿巖。區(qū)內(nèi)可分為江淮丘陵山地、大別山中低山、沿江平原丘陵和皖南山地等4個(gè)水文地質(zhì)區(qū),地下水類型主要為松散巖類孔隙水、巖溶裂隙水和基巖裂隙水。地下水多為淺層地下水,埋深約4～25 m。

1.2 樣品采集與處理

在保證有效覆蓋研究區(qū)內(nèi)的農(nóng)村區(qū)域基礎(chǔ)上,根據(jù)水文地質(zhì)分區(qū)及地質(zhì)背景,共布設(shè)97個(gè)采樣點(diǎn)。2019年3—6月進(jìn)行地下水采樣,樣品均采自農(nóng)村居民自用水井,井深4～25 m不等,采樣點(diǎn)通過GPS精確定位,采樣點(diǎn)分布如圖1所示。

圖1 研究區(qū)采樣點(diǎn)分布

1.3 樣品測(cè)試

1.4 健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法

1.4.1 暴露評(píng)估途徑及參數(shù)選取

地下水中非揮發(fā)性污染物主要通過飲水?dāng)z入途徑和皮膚接觸暴露途徑進(jìn)入人體,本研究的預(yù)研究(未列出數(shù)據(jù))和相關(guān)研究[22-23]均表明地下水中重金屬元素、氮元素等物質(zhì)通過飲水?dāng)z入途徑的健康風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)比皮膚接觸暴露途徑高出2～3個(gè)數(shù)量級(jí),飲水?dāng)z入途徑下的健康風(fēng)險(xiǎn)遠(yuǎn)大于皮膚接觸暴露途徑,是健康風(fēng)險(xiǎn)的主要來源,因此本研究只考慮飲水?dāng)z入途徑的健康風(fēng)險(xiǎn)。

飲水?dāng)z入途徑的污染物暴露劑量計(jì)算公式[24]為:

(1)

其中:ICD為目標(biāo)個(gè)體通過飲水?dāng)z取特定化學(xué)物質(zhì)的平均暴露劑量(chronic daily intake,CDI);RI為人均每日飲水量(intake rate,IR);ρ為各評(píng)價(jià)指標(biāo)的監(jiān)測(cè)質(zhì)量濃度;FE為暴露頻率(exposure frequency,EF);tED為暴露期(exposure duration,ED);mBW為人均體質(zhì)量(body weight,BW);tA為效應(yīng)平均時(shí)間(average time,AT)。各參數(shù)取值[25]見表1所列。

表1 飲水?dāng)z入途徑暴露劑量計(jì)算參數(shù)

1.4.2 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法

(1) 致癌風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。致癌風(fēng)險(xiǎn)一般用致癌風(fēng)險(xiǎn)值(cancer risk,CR)RC表征,該值大小表明人體暴露于致癌物中導(dǎo)致的一生超過正常水平的癌癥發(fā)病率。RC計(jì)算公式為:

RC=ICDfS

(2)

其中:fS為飲水?dāng)z入途徑下污染物質(zhì)的致癌斜率因子(cancer slop factor,SF)。

U.S. EPA的綜合危險(xiǎn)信息系統(tǒng)(integrated risk information system,IRIS)將As列為典型致癌物,其SF[26]為1.5 (kg·d)/mg。有研究者也將Cr6+、Cd作為致癌物質(zhì)[27],但考慮到IRIS和文獻(xiàn)[25]中均未規(guī)定Cr6+、Cd的SF,同時(shí)考慮到區(qū)內(nèi)地下水的Cr6+和Cd檢出率低,其中可檢出樣品Cr6+和Cd質(zhì)量濃度低,因此本研究不開展Cr6+、Cd的致癌風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估,僅進(jìn)行區(qū)內(nèi)地下水As致癌風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

本文中采用單一污染物的可接受致癌風(fēng)險(xiǎn)為1×10-6,當(dāng)致癌風(fēng)險(xiǎn)低于1×10-6時(shí)為可接受。當(dāng)致癌風(fēng)險(xiǎn)高于1×10-6時(shí),則采用文獻(xiàn)[28-29]對(duì)健康危害進(jìn)行分級(jí)的方法進(jìn)行評(píng)價(jià),具體等級(jí)劃分如下:1×10-6～1×10-5為Ⅰ級(jí)風(fēng)險(xiǎn),1×10-5～5.0×10-5為Ⅱ級(jí)風(fēng)險(xiǎn),Ⅰ、Ⅱ級(jí)風(fēng)險(xiǎn)屬于低風(fēng)險(xiǎn);5.0×10-5～1.0×10-4為Ⅲ級(jí)風(fēng)險(xiǎn),1.0×10-4～5.0×10-4為Ⅳ級(jí)風(fēng)險(xiǎn),Ⅲ、Ⅳ級(jí)風(fēng)險(xiǎn)屬于中風(fēng)險(xiǎn);5.0×10-4～1.0×10-3為Ⅴ級(jí)風(fēng)險(xiǎn),屬于高風(fēng)險(xiǎn)。

(2) 非致癌風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。單一污染物飲水?dāng)z入途徑下的非致癌風(fēng)險(xiǎn)危害商(hazard quotient,HQ)QH計(jì)算公式為:

(3)

其中:DRf為非致癌物飲水?dāng)z入途徑的參考劑量(reference dose,RfD);fWA為暴露于地下水的參考劑量分配比例,取0.5,無量綱[25]。根據(jù)文獻(xiàn)[25]和IRIS確定各指標(biāo)的RfD,見表2所列。

表2 飲水?dāng)z入途徑下水質(zhì)指標(biāo)的參考劑量 單位:mg/(kg·d)

對(duì)于非致癌風(fēng)險(xiǎn),采用單一污染物可接受HQ為1的閾值標(biāo)準(zhǔn)對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)[25],即當(dāng)HQ大于1時(shí),認(rèn)為地下水中某種污染物對(duì)人體健康產(chǎn)生危害,否則對(duì)人體的非致癌風(fēng)險(xiǎn)在可接受范圍。將各污染物的HQ加和得到地下水的非致癌總風(fēng)險(xiǎn)，即總危害商(total hazard quotient,THQ)。每種污染物的HQ與THQ之比,即為各污染物非致癌風(fēng)險(xiǎn)貢獻(xiàn)率。

2 結(jié)果與討論

2.1 水質(zhì)特征

表3 地下水各監(jiān)測(cè)指標(biāo)質(zhì)量濃度統(tǒng)計(jì)特征(n=97)

所示。研究區(qū)地下水的Cr6+、Hg和Cd檢出率較低,其檢出率分別為2.1%、7.2%、15.4%,全部采樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)元素質(zhì)量濃度均低于地下水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)限值,表明研究區(qū)中地下水Cr6+、Hg、Cd指標(biāo)良好。As檢出率為85.6%,其中位值和最大值分別為0.87、17.04 μg/L,其中2個(gè)采樣點(diǎn)ρ(As)超過地下水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)限值(圖2a),分別為標(biāo)準(zhǔn)限值的1.70倍、1.01倍。Pb的檢出率為78.4%,其中位值和最大值分別為0.48、9.58 μg/L,全部采樣點(diǎn)ρ(Pb)均低于地下水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)限值。

圖2 研究區(qū)地下水中空間分布

Zn、Cu檢出率為100%,質(zhì)量濃度范圍分別為3.47～118.21 μg/L、0.30～18.94 μg/L,中位值分別為17.34、2.37 μg/L,全部采樣點(diǎn)質(zhì)量濃度均低于地下水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)限值。

Se檢出率為72.2%,其中位值和最大值分別為0.32、 8.75 μg/L,全部采樣點(diǎn)質(zhì)量濃度均未超過地下水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)限值。

2.2 健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

2.2.1 致癌風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

表4 飲水?dāng)z入途徑As致癌風(fēng)險(xiǎn)值

圖3 各采樣點(diǎn)As致癌風(fēng)險(xiǎn)值分布

2.2.2 非致癌健康風(fēng)險(xiǎn)

圖4 各指標(biāo)非致癌風(fēng)險(xiǎn)值分布

圖5 各采樣點(diǎn)及其他污染物對(duì)THQ的貢獻(xiàn)率

圖6 兒童空間分布

成人非致癌風(fēng)險(xiǎn)值低于兒童,而致癌風(fēng)險(xiǎn)結(jié)果顯示成人受到的致癌風(fēng)險(xiǎn)更大,此特征一方面與成人、兒童日均飲水量、暴露頻率及人均體質(zhì)量有關(guān),另一方面可能和污染物質(zhì)在人體內(nèi)的累積效應(yīng)有關(guān)[34]。

2.2.3 不確定性分析

3 結(jié) 論

(2) 成人和兒童As致癌風(fēng)險(xiǎn)值分別為0～1.25×10-4、0～7.05×10-5,主要分布在Ⅰ～Ⅲ級(jí),屬于中、低風(fēng)險(xiǎn)范圍,成人的As致癌風(fēng)險(xiǎn)大于兒童。