陕西省泾惠渠灌区地下水污染与人体健康风险评价

2018-10-09刘秀花

吉林大学学报（地球科学版） 2018年5期

张艳，徐斌，刘秀花

1.长安大学地球科学与资源学院，西安 710054 2.陕西省土地整治重点实验室，西安 710054 3.长安大学环境科学与工程学院，西安 710054 4.旱区地下水文与生态效应教育部重点实验室(长安大学)，西安 710054

0 引言

地下水是地球上最丰富且分布最广泛的淡水资源，对于人类的生产生活、社会经济发展具有重要的意义。在我国北方地区，地下水是工农业生产和人民生活的主要水源，在一些干旱地区甚至是唯一的可利用水源。随着人类活动的增强，地下水水质已遭受不同程度的污染，评价地下水中污染物的人体健康风险，对于地下水污染防治、保障饮水安全至关重要。关于人体健康风险评价，国内外众多学者从原理、方法等角度开展了一系列的研究，为地下水污染的人体健康风险评价奠定了基础[1-10]。

泾惠渠灌区是陕西省重要的粮食、蔬菜生产基地，地下水在灌区的工、农业生产以及居民生活中占有重要地位，其水质对人体健康有重大影响。近年来灌区在高效发展农业生产的同时，以化肥、农药的残留物为主的污染物对灌区土壤及浅层地下水造成了不同程度的污染，这给当地的居民健康带来了一定的风险[11]。针对上述问题，本文在调查泾惠渠灌区农业生态环境状况的基础上，采集地下水样品进行分析测定，利用GIS空间分析获取地下水中主要潜在污染物的空间分布特征，借鉴美国环境保护署(the united states environmental protection agency，USEPA)的人体健康风险评价模型对灌区地下水污染物的人体健康风险做出评价，以期为灌区地下水污染防治、保障居民健康提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

泾惠渠灌区位于关中平原中部，西有泾河、南有渭河、东有石川河、北接渭北黄土台塬。灌区总面积约为1 300 km2，灌溉设计面积903.3 km2，有效灌溉面积839.3 km2，包括泾阳、三原、高陵、临潼、阎良、富平等县(区)。灌区总体地势由西北向东南倾斜，海拔350～450 m，全区大部分地区地势平坦(图1)。

灌区属于大陆性半干旱气候区，夏季气温高，雨量多而集中；冬季寒冷干燥，雨量稀少，蒸发作用较强烈。灌区属于大型井渠双灌灌区，是陕西省粮食主要产区之一，地下水利用超过区域水资源利用总量的50%[12-13]。

1.2 样品采集与分析

1.2.1 样品采集

样品采集共选取47个采样点(图1)，采样点用GPS精准定位，有效覆盖整个灌区。采样过程按照《水质样品的保存和管理技术规定》(HJ 493-2009)[14]和《环境水质监测质量保证手册》[15]进行。所取水样为灌溉井、居民水井抽取的浅层地下水，每个采样点采集3瓶样品，共141个样品。

1.2.2 样品处理与分析

图1 研究区与采样点位置示意图Fig.1 Map of the study area and sampling sites

1.2.3 污染物筛选

在对研究区多年的地下水水质监测分析中，均检测出重金属以及农药、化肥残留物等有毒有害微量元素的存在，当此类物质进入生物体的量超过其允许范围后，必然会对其生长、发育等产生毒性作用和药害作用。

Ii=ρi/ρ0

(1)

式中：ρi为第i项污染物的质量浓度实测值；ρ0为第i项污染物的质量浓度评价标准。Ii≤1表示水体未污染；Ii>1表示水体污染。

表1 各污染物的污染评价结果

1.3 人体健康风险评价

1.3.1 暴露评估

环境污染物可以通过呼吸道、消化道、皮肤等途径进入体内，地下水污染物则主要以经口暴露途径(饮水、食物)和经皮暴露途径(洗澡、游泳)进入人体[18]。

图2 As, Cr(Ⅵ),-N质量浓度空间分布特征Fig.2 Spatial distribution of As, Cr(Ⅵ) and NO3--N

1)经口暴露

对于经口暴露途径主要考虑通过饮水方式摄入污染物，其暴露剂量采用以下公式[18]进行计算：

(2)

式中：Eo为目标个体通过饮水摄取特定化学物质的平均暴露剂量，mg/(kgd)；ρw为水中特定化学物质的质量浓度，mg/L；Ri为摄食率，即目标个体每天的饮水量，L/d；fe为年暴露频率，即目标个体一年中饮水的天数，d/a；De为暴露年限，表示目标个体一生中摄取包含特定化学物质饮用水的年数，a；m为目标个体的质量，kg；ta为平均暴露剂量时间，d。ta用于计算平均暴露剂量：对于非致癌效应，ta=365De；对于致癌效应，ta=365×74.68，74.68为第六次人口普查给出的陕西省人均期望寿命[19]。

2)经皮暴露

皮肤接触暴露主要通过游泳、沐浴途径发生，其日平均暴露剂量计算公式[20-21]为

(3)

式中：Ed为皮肤接触日平均暴露剂量，mg/(kgd)；Ae为单次接触的单位面积皮肤上的化学物质吸收剂量，mg/cm2；S为发生接触的皮肤表面积，cm2；Ve为单日内接触事件的发生次数。

无机化学物质的Ae用如下公式[20-21]进行计算：

Ae=Kpρwte。

(4)

式中：Kp为水中特定化学物质的皮肤渗透系数，cm/h；te为单次接触事件的时间，h。

暴露剂量计算参数见表2，取值根据中国实际情况和研究区居民生活习惯进行了相应的调整[17-25]。其中：Ri对应的平均饮水量根据左娇蕾[22]研究成果进行调整，均低于USEPA默认值；成人m值按男女1∶1比例计算平均值；fe按照中国北方人洗澡、游泳和日常洗漱的生活习惯，结合不同部位皮肤表面积，计算取值为200 d/a;S值根据王喆等[25]研究成果按男女1∶1比例计算平均值。

1.3.2 风险评价

进行人体健康风险评价时，通常使用致癌风险和非致癌危害商数来表示其风险程度。

1)致癌风险

致癌风险一般表示人一生中患癌症的超额危险度，USEPA通过致癌强度系数与日平均暴露剂量(Eo或Ed)计算公式来估计。当计算的致癌风险小于10-2时，采用下式估算致癌风险值[18]：

Rc=EoSc；

(5)

当计算的致癌风险超过10-2时，可采用下式估算致癌风险值[18]：

Rc=1-exp(-EoSc)。

(6)

式中：Rc为致癌风险；Sc为致癌强度系数，(kgd)/mg 。

2)非致癌风险

对于非致癌物质的风险定量化，通常使用暴露量除以参考剂量进行计算[18]：

Rn=E/Er。

(7)

式中：Rn为非致癌风险；E为日平均暴露剂量，即

表2 暴露剂量计算参数

Eo或Ed，mg/(kgd)；Er为参考剂量，mg/(kgd)。

表3污染物毒理学特性参数

Table3Toxicologicalcharacteristicsparametersofcontaminants

项目Sc/(kgd/mg) Er/(mg/(kgd))经口经皮As1.53.0×10-43.0×10-4Cr(Ⅵ)-3.0×10-37.5×10-5NO-3N-1.6×1001.6×100

当风险被具体量化后，即可以对潜在风险进行分析，主要是对风险程度和类型进行定性的描述。对于致癌物风险程度，通常按照指定的人体健康可接受的最大风险标准进行衡量，但目前国际上尚无统一的标准值，不同机构均制定了可接受风险水平，范围为1×10-6～1×10-4[26]。结合研究区污染情况，本研究选择1×10-4作为最大可接受风险水平来评价风险程度，即当总致癌风险大于1×10-4时，受体承受的致癌风险在不可接受范围内；反之，受体所承受的风险在可接受范围内。

而非致癌物的综合风险则通过危害指数(hazard index，IH)来表达，危害指数计算的假设前提是人体暴露于小于阈值浓度的多种非致癌物同时作用下会导致一种有害效应，其数值上为各非致癌风险之和，当IH>1时认为存在一定的健康风险。

2 结果与分析

2.1 As

As的人体健康风险高值区主要集中于阎良、高陵和三原局部区域，如图3、图4所示。

图3 As的致癌风险空间分布特征Fig.3 Spatial distribution of carcinogenic risk from As

图4 As的非致癌风险空间分布特征Fig.4 Spatial distribution of non-carcinogenic risk from As

相同环境下，不同暴露人群在健康风险方面的差异主要源于其日平均暴露剂量的不同，日平均暴露剂量越大则风险越高。由表2可知，模型中成人与儿童在Ri、De、m和S等参数方面均存在不同倍数关系，按式(2)—(4)进行计算，As对成人日平均暴露剂量要高于儿童日平均暴露剂量。通过表4的统计数据可知，研究区内成人罹患癌症的风险水平平均值明显高于儿童，最高达3.50×10-4，是USEPA的最大可接受风险水平(1×10-4)的3.50倍。这意味着每10万人中，因长期使用高砷地下水致癌人数达35人[1]。致癌风险主要集中在经口暴露途径，平均高出经皮暴露途径2个数量级。从风险分布特征角度分析，对于致癌风险大于1×10-4的区域界定为暴露人群患癌潜在区域，据此对研究区进行分类统计，结果显示成人患癌的潜在区域面积比例为42.82%，儿童患癌的潜在区域面积比例为0.99%。

非致癌风险主要集中在经口暴露途径，其数值约为经皮暴露途径的200倍(表5)。与致癌效应不同，非致癌效应下的日平均暴露剂量计算公式中消除了De参数的差异，As对儿童日平均暴露剂量要高于成人日平均暴露剂量。通过比对表5数据，与As的致癌风险相反，儿童面临的As所造成的非致癌性风险明显高于成人，其非致癌风险平均值为1.217 0，超过了非致癌风险限值，最高值则达到4.246 5。从分布特征角度分析，对于非致癌危害商数大于1的区域界定为暴露人群患病潜在区域，统计结果显示儿童患病潜在区域面积比例为69.19%，成人患病潜在区域面积为1.97%。

表4 As致癌风险

表5 As非致癌风险

2.2 Cr(Ⅵ)

Cr(Ⅵ)的人体健康风险高值区主要集中于三原县的大程镇附近，如图5所示。

通过表6的统计数据可知，与As的健康风险类似，受日平均暴露剂量影响，对于Cr(Ⅵ)所造成的非致癌性危害，儿童面临的风险明显高于成人，其非致癌风险平均值为1.576 0，最高值则达到8.693 7。在暴露途径方面，Cr(Ⅵ)经皮暴露途径与经口暴露途径带来的非致癌风险比例约为1/2，该数值远高于As，这说明与其他污染物相比，Cr(Ⅵ)通过皮肤被人体吸收的剂量更高，其经皮暴露风险以及带来的健康问题应引起关注。从分布特征角度分析，儿童患病的潜在区域面积比例为69.06%，而成人患病的潜在区域面积为12.46%。

图5 Cr(Ⅵ)的人体健康风险空间分布特征Fig.5 Spatial distribution of risks from Cr(Ⅵ)

表6 Cr(Ⅵ)非致癌风险

表-N非致癌风险

图-N的人体健康风险空间分布特征Fig.6 Spatial distribution of risks from -N

3 讨论

人体健康风险评价过程中存在着各种不确定性因素，对评价结果的可靠性会带来一定的影响。分析评价过程中引入的不确定性因素，对于正确认识和分析评价结果以及合理应对风险具有重要意义[27]。现从以下几个主要因素对不确定性进行讨论。

3.1 空间插值

传统的描述性统计方法可以用来分析地下水污染物质量浓度数据的分布特征、变化范围，但很难揭示地下水污染物质量浓度空间分布和变异特征；而基于ArcGIS的地统计学分析有效评估和预测未采样点地下水污染物的空间分布特征，可帮助判断污染物的来源，为地下水污染防治提供科学依据[28]。

ArcGIS进行地统计分析时，倒数距离加权插值(inverse distance weight，IDW)、径向基函数(radial basis function, RBF)和克里格插值(Kriging)是3种主要的插值与预测模型。当采样点数量较多且地下水化学形成机制简单，地下水化学成分变异有限时，不同插值模型的结果差异较小[29]。而对于本次调查，采样点仅47处，且存在异常质量浓度采样点，为保障插值结果的科学性与合理性，需要对不同模型的插值结果进行比较，选取最优模型进行预测。在ArcGIS地统计分析模块中，3种模型共有的模型最优判断参数为均方根预测误差(root mean square error，RMSE)，其数值越接近0，则模型的全局趋势拟合越合理。此外，在研究地下水污染问题时，应避免预测数据与实测数据在统计特征上有较大偏差，需要对最大值、最小值、平均值、标准差的偏差进行评价，偏差越小则认为模型精确度越高[29]。3种模型需独立进行参数最优化处理，再对各模型最优预测结果进行交叉比较，评价结果见表8。

基于以上分析可知，利用RBF模型插值获得的地下水污染物空间分布数据进行人体健康风险评价，在已知采样点处及附近区域计算所得健康风险与基于采样点实测数据计算所得风险在数值上偏差较小；而在未采样区域计算所得健康风险是基于污染物预测质量浓度所得，应与实际存在一定偏差，其评价结果存在不确定性。

3.2 污染特征

3.2.1 As

砷(As)在自然界中广泛分布，在地壳中的平均质量分数约为1.5 mg/kg，在天然水体中As的质量浓度较低，大部分低于1.0 μg/L[30]。从全球高As地下水的分布和地下水As异常的情况来看，高As地下水的成因主要分为天然和人为两种类型[31]。天然高As地下水主要与地层的沉积环境有很强的关联性，吸附As的铁氧化物矿物还原、解吸附以及含As硫化物矿物氧化分解是高As地下水的主要成因，但实际过程往往非常复杂[30-31]。人为活动污染是在人类活动直接或间接影响下，给地下水带来了额外的As，主要包括含As矿床的开采、含As农药的使用等[30]。

表8 空间插值模型对比数据

泾惠渠灌区潜水一般蓄存于第四纪全新冲积层中，厚度20～50 m，径流路径通畅，潜水开采程度较高，不具备As滞留富集形成高As地下水的天然条件。灌区内没有含As矿床分布，因此可以排除含As矿床开采导致的污染成因。灌区土壤中As质量分数主要与土壤母质有关[32-33]，在农业生产过程中含As农药的使用在一定程度上增加了土壤中As的质量分数，但土壤中As通过淋滤向地下水迁移的能力十分有限[34]。灌区早期研究成果显示，2007年地下水As平均质量浓度为0.016 7 mg/L，超标面积为95.75%，仅少数区域低于0.010 mg/L，与本次水质调查反映的特征不同[35-36]。由于数据时间序列较短，灌区地下水As质量浓度在时间和空间上规律性特征并不明确，局部高质量浓度区域可能是工业废水或含As农药原液随降水入渗进入地下水含水层形成的短期污染。鉴于此，本次健康风险评价中As污染所带来的健康风险具有一定的不确定性，需要进一步进行讨论。

由高As水导致的饮水型地方病大多分布在我国干旱、半干旱地区[1]。陕西省于2005年开展了高As水筛查工作，以0.05 mg/L为阈值，先后从商洛、汉中2市筛查出高As水分布区[37]。2006年对两市开展了As中毒病情调查，按照卫生部制订的《地方性As中毒诊断标准》(WS/T 211-2001)[38]，综合水As检测结果与As中毒检出率两项指标，初步认定陕西省有饮水型As中毒病区[39]。病区水砷超标范围为0.06～0.18 mg/L，病情检出率在2.50%～51.6%之间[39]。此次筛查中，泾惠渠灌区所处的西安、咸阳、渭南3市，共抽查800份水样，水As质量浓度范围为0.002～0.027 mg/L，因当时执行《生活饮用水卫生标准》(GB5479-85)[40]中As的阈值为0.05 mg/L，未对超出0.01 mg/L(《生活饮用水卫生标准》(GB5479-2006))[16]的区域进行As中毒病情调查，未确定灌区是否为饮水型As中毒病区[37]。本次污染评价若以0.05 mg/L为阈值，则超标面积为0%，As将被排除在健康风险评价目标之外。因此，本次污染评价参考《生活饮用水卫生标准》(GB5479-2006)[16]，以0.01 mg/L为阈值，其超标面积为2.58%，以此推断灌区存在健康风险，确定As为健康风险评价目标。健康风险评价结果显示，As的致癌平均风险为1×10-4，为USEPA给定h的临界风险值，由图2、图3可知风险区域对应的水As质量浓度最低值约为0.005 mg/L，低于《生活饮用水卫生标准》(GB5479-2006)[16]阈值，合并非致癌风险之后的超额风险面积约70.00%。当模型参数发生改变时，其对应阈值和超额风险面积会相应变化。而相关研究表明长期饮用含As量为0.005～0.010 mg/L的饮用水也会造成健康危害[41]。由此可见，污染评价阈值的设定对于是否进行饮水型As中毒筛查以及确定健康风险评价目标具有决定作用，给人体健康风险评价带来了极大的不确定性，对此相关文献也进行过论述[1]。

3.2.2 Cr(Ⅵ)

人(Cr)是金属矿床地下水中的常见元素，天然高Cr地下水的分布多与Cr矿有关。泾惠渠灌区内没有Cr矿分布，因此可以排除地下水Cr(Ⅵ)污染的自然成因。Cr及其化合物在冶金、化工、电镀等行业中广泛应用，其生产过程中产生大量的含Cr废物，大气中含Cr颗粒沉降、废渣废液淋滤均会导致Cr在表层土壤中的富集[5]。Cr(Ⅵ)在土壤中的迁移能力较强，容易通过包气带进入到地下水环境中，引起地下水潜在的污染风险[5]。灌区早期研究成果显示，2007年地下水Cr(Ⅵ)平均质量浓度为0.058 1 mg/L，超标区域与本次调查点源污染空间位置基本一致，主要分布在灌区三原县东北部及阎良区东南部[35-36]。灌区三原县及阎良区有较多的工业企业，尤其阎良区是我国重要的航空工业基地，工业废水的排放是造成地下水中Cr(Ⅵ)质量浓度较高的一个重要原因[27, 35]；其次，灌区北部的清峪河自西向东流经Cr(Ⅵ)质量浓度较高的区域，跨越三原、阎良两区县，灌溉过程中引用污染较严重的清峪河水，使含有Cr(Ⅵ)的污水经地表入渗到地下水含水层，最终滞留在含水层中致使该区域Cr(Ⅵ)质量浓度过高[27, 35]。

本次研究未对工业废水排放情况、地表水污染情况以及含水层污染程度进行调查，不能确定Cr(Ⅵ)污染在时间尺度上的变化趋势，这给健康风险评价带来了不确定性。