南丹县矿区地下水水质及环境健康风险评价

2015-04-24班美玲郭诗琪苏相琴

环保科技 2015年3期

班美玲郭诗琪谢洲苏相琴

(广西壮族自治区环境保护科学研究院，南宁 530022)

1 南丹县矿区环境水文地质概况

南丹县位于广西壮族自治区西北部边陲，云贵高原南麓，地处东经 107°1'～ 107°55'、北纬 22°12'～23°32'之间，属于典型岩溶区，地下水丰富，以碳酸盐岩(石灰石)类岩溶水为主，其次是基岩裂隙水和松散岩类孔隙水。据南丹县普查勘测资料统计，县境内地下河10条，泉水露出343处，枯水流量4.106 m3/s，年平均流量18.209 m3/s，多年平均径流总量 5.75 亿 m3［1］。

南丹县富藏矿产资源，主要集中分布在大厂矿田，面积约66 km2。目前已探明30多种矿，品位高、储量大，其中铟金属储量在世界独占鳌头，锡、锑、锌、银金属储量分别为132 万 t、90 万 t、475 万 t、193 万 t。

大厂矿田因受区内温湿亚热带气候和构造上升运动的影响，形成远远高出于矿区最低侵蚀基准面以上的地形—山间侵蚀洼地和石灰岩区喀斯特低地，出露地层主要为泥盆系下统至三叠系上统碎屑岩、碳酸盐岩、硅质岩及生物礁灰岩建造。泥盆系地层沉积厚度大，硫和有机碳含量高，地层成矿元素锡、铅、锌、锑、银等含量高，是成矿带一个最重要的赋矿层位［2］。

大厂矿田的矿产开采历史较长，以地下开采方式为主，除国有企业开采外，早期还分布较多规模小的企业，历史遗留问题较多，主要是尾矿或矿渣无防渗随意露天堆放，污水外排不达标，废弃矿山尾渣堆场(库)、搬迁后遗留的渣场等重大潜在污染源将威胁着该区域地下水安全。矿区地下水以基岩裂隙水为主，大气降水补给通过地表裂缝、落水洞、地下河天窗等渗入地下形成岩溶地下水，再分散补给地下河主管道，并最终从地下河出口排泄。地下水径流方向大致与地形坡向一致，大多以分散流方式或泉水的形式排泄于溪沟，在碳酸盐岩与碎屑岩交界地带部分地下水以潜流形式汇入岩溶管道中。

南丹县的有色金属开发和利用对国民经济社会发展起到了重要的作用，但对位于典型岩溶地质的南丹县环境却造成较大影响，尤其是地下水资源受到了人为的扰动破坏和污染，使该区域的地下饮用水源受到威胁。为了解南丹县矿区地下水的水质状况及地下水污染对人体健康产生的危害风险，通过调查与监测，分别应用模糊数学综合评判法［3］及美国环境保护署(U.S.EPA)推荐的水环境健康风险评价模型对南丹县矿区地下水监测数据进行水质及地下水环境风险评价，并提出几点建议。

2 南丹县矿区地下水水质评价

由于水质评价中的污染程度及水质类别都客观存在的模糊概念，模糊数学综合评判法能较好的客观反映水质实际状况，评判过程一般归纳为5个步骤［3－5］:建立评判因素集及评价标准集－确定隶属矩阵－确定隶属函数－权重计算－计算评价结果。

2.1 建立评价因子集及评价标准集

根据南丹县岩溶地质、地下水及矿区分布特征，选取8个监测点的水质进行综合评价;选取水体中14项主要污染因子组成评价因子集合，即U={硝酸盐氮、亚硝酸盐氮、总硬度、溶解性总固体、氨氮、挥发酚、氟化物、铅、硒、砷、铁、锰、锌、铜};各监测点水质因子浓度范围及均值详见表1。根据GB/T 14848—1993《地下水质量标准》建立评价标准集V={Ⅰ级，Ⅱ级，Ⅲ级，Ⅳ级，Ⅴ级}，详见表2。

表1 南丹县矿区地下水水质监测结果 mg/L

表2 地下水水质分级标准

2.2 单因子评价，确定隶属矩阵R

水质具有精确与模糊、确定与不确定的特征，是一个多因素耦合的复杂动态系统，因而用隶属度来描述污染因素的分级界限，必须先确定每个因子对各级标准的隶属度，然后构造隶属矩阵R。

以1号监测点水样数据为例，计算隶属度进行单因子评价，按分类组成隶属度模糊评价矩阵R1:

同理计算求出其他7个监测点水样水质各项指标的隶属度模糊评价矩阵。

2.3 建立权重模糊矩阵A

计算各参评因子对总体污染影响强度的贡献。合理的权数应能反映:①参评因子对环境污染的实际要求;②多因子共同影响环境时，应能反映出因子间的协同、拮抗作用。

采用“污染物浓度超标加权法”计算1号监测点水样数据组成权重模糊行矩阵A1如下:

同理计算求出其他7个监测点水样水质各项指标的权重模糊行矩阵。

2.4 水质综合评价结果

利用取大取小法复合运算，行矩阵A1的元素分别与矩阵R1的各列中对应的元素按先取小再取大的办法取得结果为矩阵B1。

对上述结果进行归一化处理得:

按隶属择近原则进行分类，1号监测点水质对Ⅱ类水质的隶属度最大，则该监测点的水为Ⅱ类水质。

同理计算求出其他7个监测点水样水质分别隶属水质类型。

同理，按隶属择近原则进行分类，3号和5号监测点水质对Ⅰ类水质的隶属度最大;4号、6号和8号监测点水质对Ⅱ类水质的隶属度最大;2号监测点水质对Ⅲ类水质的隶属度最大;7号监测点水质对Ⅴ类水质的隶属度最大。

南丹县矿区所选8个地下水监测点的14个水质因子经模糊数学综合评价结果为:3号和5号水质归属Ⅰ类，1、4、6和8号4个监测点水质归属Ⅱ类，2号水质归属Ⅲ类，7号水质归属Ⅴ类。地下水总体上水质较好，但个别监测点的部分因子已经超标。7号监测点水质较差主要是总硬度、溶解性总固体两个指标监测结果分别超过 GB/T 14848—1993《地下水质量标准》中的Ⅴ、Ⅲ类标准，超标原因主要与岩溶地区地质背景特征有直接关系，由于具有溶蚀力的水对可溶性岩石进行溶蚀等作用，当雨水或者地下水与地面碳酸盐类岩石接触时，就会有大量离子溶于水中，经过长期的地下水迁移(垂向和横向)过程中的溶解侵蚀，因而形成了总硬度、溶解性总固体等指标超标。

3 南丹县矿区地下水环境健康风险评价

3.1 健康风险评价模型

完整的健康风险模型包括食入、吸入和皮肤接触3种暴露途径进入人体对人体健康产生危害的评价［6－7］。本文主要应用 U.S.EPA 推荐的健康风险模型对南丹县矿区通过饮用水途径摄入的多种化学物质对人体产生的健康风险进行定量评价。

污染物质通过饮用水进入人体后，其引起的健康风险主要包括基因毒性物质(包括放射性污染物质和化学致癌物质)健康风险和驱干毒性物质(非致癌物质)健康风险，由于在一般水体中放射性污染物质污染程度很轻，因此基因毒性物质仅考虑化学致癌物质。

化学致癌物质健康风险计算公式:

非致癌物质健康风险计算公式:

式中:Rc—化学致癌物质的综合健康风险度(a－1);

Rn—非致癌物质的综合健康风险度(a);Rci—化学致癌物质i通过饮用水途径产生的年平均个人健康风险(a－1);

Rni—非致癌物质i通过饮用水途径产生的年平均个人健康风险(a－1);

Qi—化学致癌物质i通过饮用水途径产生的致癌强度系数((kg·d)/mg)

RFDi—非致癌物质i通过饮用水途径摄入的参考剂量(mg/(kg·d));

70—人类平均寿命(a);

Di—毒性物质i的单位体重日均暴露剂量(mg/(kg·d));

Ci—饮用水体中各污染物质的实测浓度(mg/L);

70—人均体重(kg)。

假定各污染物质对人体健康危害的毒性作用不存在拮抗或协同关系，则污染物质通过饮用水途径对人体产生的总健康风险Rt=Rc+Rn。

3.2 评价因子及模型参数的选择

根据国际癌症研究中心(IARC)对化学物的分类，南丹县矿区地下水水质中危害人体健康的毒性物质主要有化学致癌物质砷(As)和非致癌物质硝酸盐氮、亚硝酸盐氮、氨氮、挥发酚、氟化物、铅、硒、铁、锰、锌、铜共12项，详见表1。

化学致癌物质砷(As)的致癌强度系数为15mg/(kg·d);非致癌物质饮水暴露的参考剂量详见表3。

表3 非致癌物质饮水暴露的参考剂量 mg/(kg·d)

3.3 评价标准的确定

通过地下水环境健康风险评价，建立人体健康与环境污染的关系，定量描述各种环境污染物对人体健康造成的危害及其发生概率。目前，部分国际机构推荐的社会公众最大可接受风险水平为1 ×10－6a－1～1 ×10－4a－1之间［7］，本文将地下水环境健康风险划分为极小健康风险、较低健康风险、中等健康风险、较高健康风险4个等级。各风险等级的具体划分见表 4［8］。

表4 环境健康风险等级划分 a－1

3.4 健康风险度的计算及评价

应用上述模型及选择的参数与水质监测数据计算南丹县矿区地下水水质受化学致癌物质和非致癌物质所致的健康风险度，即平均个人年风险及总风险，结果详见表5。

从表5可以看出，南丹县矿区8个地下水水质中化学致癌物质砷(As)通过饮用水途径产生的健康风险Rc在 6.73 ×10－7～1.87 ×10－4a－1间，平均为 4.76 ×10－5a－1，以8 号监测点为最大，健康风险排序为:5号＜3号＜1号＜7号＜2号＜6号＜4号＜8号;地下水质中11项非致癌物质所致的健康风险 (Rn)在7.07 ×10－10～1.71 ×10－9a－1间，平均为 1.04 ×10－9a－1，以6 号监测点为最大，健康风险排序为:1号＜5号＜7号＜3号＜2号＜8号＜4号＜6号;非致癌物质所致的健康风险以氟化物、硝酸盐氮为主，分别占非致癌物质所致的健康风险1.04 ×10－9的51.38%和 37.01%。

表5 南丹县矿区地下水环境健康风险

毒性物质通过饮用水产生的总健康风险(R总)在6.74 ×10－7～1.87 ×10－4a－1间，以 8 号风险最大，健康风险排序为:5号＜3号＜1号＜7号＜2号＜6号＜4号＜8号;总健康风险平均为4.76×10－5a－1，低于国际辐射防护委员会(ICRP)推荐的最大可接受风险水平 5 × 10－5a－1［9－10］。毒性物质通过饮用水途径产生的健康风险主要来自化学致癌物质砷(As)，占平均总健康风险(R总)的99.998%，非致癌物质所致的健康风险仅占总健康风险的0.002%，几乎可以忽略不计。

以毒性物质总健康风险结果与评价标准表4对照，5号监测点水质健康风险属于极小等级;1号、2号、3号和7号4个监测点属于较低风险;4号和6号属于中等风险;8号属于较高风险。

4 讨论与建议

4.1 讨论

(1)从表5可知，本次地下水水质评价结果与环境健康风险评价结果不存在一一对应关系，即水质好并不能说明水环境风险就小;3号和5号监测点水质归属Ⅰ类，但风险评价结果3号监测点为较低风险而5号为极小风险;1号、4号、6号和8号4个监测点水质归属Ⅱ类，但1号健康风险评价为较低、4号和6号均为中等风险、8号为较高风险，主要是8号监测点纳入风险评价的化学致癌物质As浓度值虽然达标，但在风险评价中占的比例大，产生的健康风险较高;2号监测点水质归属Ⅲ类，但健康风险为较低;7号监测点归属Ⅴ类水质，但健康风险为较低，7号监测点水质较差主要是总硬度、溶解性总固体两个指标监测结果超标，而风险评价中未将该两个指标纳入评价，因而健康风险评价为较低。

(2)本研究未考虑除饮用水途径以外的其它暴露途径，如吸入、皮肤接触等暴露的风险，仅考虑饮用水暴露途径产生的健康风险，实际上低估了地下水污染物暴露的风险。此外，通过饮用水暴露途径的健康风险还与人们的生活方式、生活习惯以及职业类型密切相关。

(3)环境健康风险评价是一种新的评价方法，评价本身存在较大的不确定性［10］，如评价标准级别的确定、非致癌物质参考剂量及致癌强度系数的选取、各有毒物质对人体健康危害的累积效应分析等，许多方面尚待深入研究。

(4)本研究对地下水污染状况调查属普查性质，对于南丹县矿区典型的岩溶地质而言，地下水监测点位的分布、监测频次及监测指标有限，未能按地下水文地质单元进行布点，未能考虑地下水污染状况的丰、枯水期变化及地下水饮用水全指标进行监测，相关研究尚需在今后进一步提高与完善。

4.2 建议

鉴于岩溶环境的脆弱性，岩溶地下水易受人类活动影响，且地下水受污染往往不易被发现，存在一定的隐蔽性，同时治理难度也较大。南丹县属于典型的岩溶地质，并具有较丰富的有色金属矿，矿产资源的开采将使该县的岩溶地下水面临污染威胁，本着预防为主的原则，提出几点防治建议:

(1)完善地下水环境监测网络建设，实施信息化动态管理。目前南丹县地下水环境监测网络及信息化管理平台尚未健全，建议环保、国土、水利等多部门联合共建地下水监测网络，提升地下水环境监测能力，全面掌握地下水水质情况;建立集自动控制、计算机技术及远程通讯技术于一体的地下水基础环境信息管理系统，实现地下水调查与评估数据的查询、统计汇总等功能，形成地下水长期、系统的监测评价、风险评估、应急预警体系。为今后地下水监测、监督、防止地下水污染、保护地下水环境提供技术支持。

(2)加强采矿管理，完善开采体制，提高资源利用率。南丹县矿山开采历史遗留问题较多，如工矿企业尾矿或矿渣露天堆放、搬迁后遗留的冶炼厂渣场等重大潜在污染源的存在威胁着这类地区的地下水安全。建议做好闭矿后的生态恢复规划、实施及跟踪监测工作。

(3)优化布局，推行清洁生产。大力提倡及推行清洁生产，淘汰落后的工艺技术、关停矿坑排水量大、回采率低的小型矿。以保护区域地下水环境为出发点，优化产业结构，合理调整工业布局，提高资源利用率［12］。

(4)落实企业对地下水污染防治责任，开展地下水污染防治示范。尽快明确产生污染源的矿山开采区、选冶矿企业对地下水监测井建设、定期监测和污染防治等责任，同时应责成责任主体尽快开展详细调查评估和污染治理，严格做到“谁污染，谁治理”，强化责任主体责任意识和环保意识，做到从源头上控制污染。

［1］罗毅.南丹县农村饮用水安全风险评估及对策研究［D］.南宁:广西大学，2009.

［2］刘伯胜，杨勤娟.广西南丹县大厂水系砂锡矿床矿体地质特征及成因条件分析［J］.企业科技与发展.2013，16:81－83.

［3］韩程辉，刘文生.模糊综合评判法在矿区地下水水质评价中的应用［J］.矿业安全与环保，2004，31(5):36－38.

［4］程继雄，程胜高.地下水质量评价常用方法的对比分析［J］.安全与环境工程，2008，15(2):23－ 25.

［5］马存信，霍德敏.地下水质量的模糊综合评价［J］.山西水利科技，1996，114:19－ 21.

［6］杨莉霞，王琳，姜朴，等.淮河流域某地区地下水污染健康风险评价［J］.环境化学，2011，30(9):1599－1603.

［7］倪彬，王洪波，李旭东，等.湖泊饮用水源地环境健康风险评价［J］.环境科学研究，2010，23(1):74－79.

［8］张光贵.岳阳市地下水污染健康风险评价［J］.水资源与水工程学报，2013，24(6):206 －210.

［9］高继军，张力平，黄圣彪，等.北京市饮用水源水重金属污染物健康风险的初步评价［J］.环境科学，2004，25(2):47－50.