鄱阳湖平原地下水重金属含量特征与健康风险评估

饶 志，储小东,，吴代赦，颜 春，陈 婷，何景媛

(1.江西省地质环境监测总站，江西 南昌 330031；2.南昌大学资源环境与化工学院，江西 南昌 330013)

长期城乡二元发展模式使我国农村供水与排水设施建设投入不足，导致农村水资源质量急剧下降，严重威胁农村居民饮用水安全。地下水作为淡水的重要组成部分，是保障我国农村生产和生活必不可少的水资源。但近年来，由于工矿业污染物、农村生活污水和农业生产废水向地下水的过量排放，农村地下水污染程度和范围不断扩大。农村地下水污染物的种类繁多，其中重金属污染尤为突出。重金属一般来源于工矿业生产，经由淋滤或渗透作用进入地下水体。地下水中的重金属通过饮水和食物链在人体内富集，对人体产生直接或间接的健康风险[1]。汞(Hg)、铅(Pb)、砷(As)、镉(Cd)、铜(Cu)和铬(Cr(VI))是危害最大的六种重金属。当这几种重金属进入人体后，容易与体内其他毒素结合生成毒性更大的物质，并在身体的某些器官累积，造成慢性中毒[2-7]。农村地区饮用水安全专业知识欠缺，对地下水污染的危害显然缺乏足够的重视。因此，有必要厘清农村地下水中重金属，尤其高危害重金属的含量，并评估这些重金属对人体可能产生健康风险，以规避农村地下水饮用水的安全隐患。

健康风险评价理论与方法，是评价地下水水质的有效手段，已被国外学者广泛应用于地下水重金属的风险评价研究中[8-10]，我国早期地下水健康风险评价通过引入“早四步法”[11]，介绍国外水环境健康风险评价模型[12]，建立我国居民的参数模型进行评价[13-15]。我国地下水健康风险评价研究逐渐发展到对城市饮用水源地[16-17，25]以及北方地区地下水的评估[18-19]；但到目前为止对我国南方平原区域地下水健康风险的评价报道仍然很少。据此，中国地质调查局于2012年立项开展鄱阳湖平原地下水污染调查与评价。本文以该项目为依托，以区域地下水重金属为研究对象，利用美国环境保护署(USEPA)水环境健康风险评价模型评价区内地下水的水质状况以及对人体健康产生的危害，以期为鄱阳湖地区水质污染状况研究及治理工作提供理论依据，为其他南方区域地下水重金属的监测和健康风险控制提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

鄱阳湖是中国第一大淡水湖。鄱阳湖平原作为长江中下游平原的重要组成部分，是长江和鄱阳湖水系冲积而成的滨湖平原，位于长江中下游南岸，区内地貌形态多样，低山、丘陵、岗地、平原、湖泊相间。鄱阳湖平原地处东亚季风区，属亚热带湿润季风性气候，气候温暖、降水丰沛，日照充足，无霜期长，四季分明。多年平均降水量为1500 mm，多年平均蒸发量为1150 mm。平原地下水是农村地区饮用水的主要来源，对社会经济发展起着重要作用，其类型包括松散岩类孔隙水、红层碎屑岩类裂隙孔隙水、碳酸盐岩裂隙溶洞水和基岩裂隙水，具有空间分布不均、季节变动大的特征[20]。本文研究范围为南昌、九江、景德镇、新余、抚州5个区市，总面积约2.8×105km2(图1)。

图1 研究区位以及采样点分布图Fig.1 Location of the study area and sampling sites

1.2 样品采集与测定

本研究探讨以饮用为目的的鄱阳湖平原浅层地下水，样点选取过程中充分考虑区域水文地质条件和污染源分布状况，选择具有代表性的水点(井、泉等)作为采样点，在平水期进行地下水样品采样。所采集的171个样点基本覆盖了研究区的范围(图1)，主要集中于工业园区、矿山、固废垃圾场、污水处理厂以及居民区，其中包括泉水采样点29个，泉水流量为2～47 L/min，井水采样点142个，所采集井水深度4～12 m。露天井采集水样时，先用水泵充分抽汲后再用水样采集器进行采样；手压泵井和抽水井采集水样时，先汲出停滞在管路中的水，充分冲洗后再采样。地下水样采集后加1%浓硝酸用聚乙烯瓶保存。样品在24 h内送回实验室，用0.45 μm的微孔滤膜过滤在聚乙烯瓶中，于4 ℃环境下保存，待测。地下水采样按照《地下水环境监测技术规范》(HJ/T164—2008)进行，采样时间为2012年1月—2015年12月。本文主要测定地下水中六种重金属元素，其中的Cu、Pb、Cd、Cr、As用ICP-MS(ThermoElectron，XII)直接进行测定；Hg过滤水样经硫酸、溴酸钾-溴化钾消解后使用原子荧光光度计 (北京吉天公司，AFS-8230) 测定。样品的测定在江西省地矿测试中心完成。

2 评价模型

运用SPSS 19.0软件对地下水重金属含量进行统计分析(最大值、最小值、均值、标准差等)。采用美国USEPA的风险评估模型，对研究区地下水中的目标污染物Cu、Pb、Cd、Cr、As、Hg等六种重金属元素进行健康风险评价，确定基因毒物质、躯体毒物质和整体健康风险。

2.1 水环境健康风险评价模型

地下水中的污染物主要通过饮水途径、皮肤接触、呼吸途径进入人体。鉴于区内地下水通常作为饮用水，故选用以饮水途径的健康风险评价方法。水环境健康风险评价模型主要包括基因毒物质(致癌物质)评价模型和躯体毒(非致癌)物质评价模型[21-22]。基因毒物质评价风险值计算公式：

(1)

Di——基因毒物质i通过食入途径的单位体质量日均暴露剂量/(mg·(kg·d)-1)；

qi——基因毒物质通过食入途径致癌系数/(mg·(kg·d)-1)；

S——人类平均寿命/a。

躯体毒物质评价风险值的计算公式：

(2)

Di——躯体毒物质i通过食入途径的单位体质量日均暴露剂量/(mg·(kg·d)-1)；

RfDi——躯体毒物质i通过食入途径参考剂量/(mg·(kg·d)-1)；

S——人类平均寿命/a。

饮水途径的单位质量日均暴露计量(Di)：

Di=Vi×Ci/W

(3)

式中：Ci——饮用水中各重金属的实测浓度/(μg·L-1)；

Vi——成人每日平均饮水量/(L·d-1)；

W——该地区的人体质量/kg。

饮用水中重金属整体健康风险评价模型，即健康危害总风险为：

R总=Rc+Rn

(4)

2.2 评价模型污染因子和参数的确定

针对重金属污染物的毒性，依据国际癌症研究署(IARC)及美国环境保护署综合风险信息系统(IRIS)数据，将污染物分为致癌污染物和非致癌污染物，本研究中致癌污染物包括3种分别为六价铬、砷、镉，非致癌污染物分别为汞、铜、铅。本研究考虑到男女性别的生理性差异，水环境健康风险评价模型中分男女两种性别进行评估，参数值的确定依据是人均寿命年龄：男性73岁，女性77岁。根据调查情况，成人每日平均饮水量为男性2.464 L，女性2.170 L；男性体重62.7 kg，女性体重54.4 kg[13]。

健康风险评价模型各污染物的qi和RfDi定量参考值来源于国际癌症研究机构以及世界卫生组织等机构，As、Cd 和Cr(VI) 为基因毒物质致癌物，强度系数qi分别为1.5 mg/(kg·d)、6.1 mg/(kg·d) 和41 mg/(kg·d)，Hg、Pb和Cu为躯体有毒物质，强度系数RfDi分别为3×10-4mg/(kg·d)、1.4×10-3mg/(kg·d)和5×10-3mg/(kg·d)[14]。国外推荐社会公众最大可接受风险水平及可忽略风险水平见表1，最大可接受风险值为1×10-6～1×10-4，最大可忽略风险值为1×10-8～1×10-7，本文选择1×10-6作为最大可接受风险水平，1×10-8作为可忽略风险水平。

表1 最大可接受风险水平和可忽略风险水平

3 结果与讨论

3.1 重金属的含量特征

研究区171个地下水样品中6种重金属元素测试结果及与我国《地下水环境质量标准》(GB/T 14848—2017)的Ⅲ类标准对比情况见表2。研究区内地下水重金属元素含量变化幅度较大，其中Hg与Cd两种重金属元素均值含量超过《地下水环境质量标准》(GB/T 14848—2017)Ⅲ类标准，分别是背景值的20.26倍和1.23倍，其他元素平均值含量低于Ⅲ类标准限制。该区重金属Hg、Cd和As的最大值均超过Ⅲ类标准，表明局部区域地下水存在污染。不同重金属元素含量变异差异性较大，其变异系数由大到小依次为：Cd(349%)>Cu(145%)>Hg(143%)>As(99%)>Pb(46%)>Cr(37%)，说明重金属在该研究区域地下水中分布不均匀，Cd、Cu、Hg、As四种金属受人为影响较大。重金属元素Cd、Hg具有较高的正偏度和峰度，表明研究区地下水中Cd和Hg受人为影响比较严重。

表2 研究区重金属浓度特征表

图2 研究区重金属水质状况分布图Fig.2 Distribution map of water quality of heavy metals in the study area

鄱阳湖平原地下水重金属受人为影响较大(图2)，浅层地下水Ⅰ类水主要在永修梅棠镇西北部、星子县蓼花镇、进贤文港—李渡镇一带、赣江中游新干段沿河岸边等地分布，其他地区零星分布；Ⅱ类水主要分布在工作区北部，具体在彭泽—湖口条带状分布、星子沿湖岸边、都昌北部沿湖岸边、德安林泉、永修柘林—梅棠一带、九江县岷山乡北部、九江市城区—庐山姑塘镇一带、高安城区—灰埠镇一带及新余南部等地，在其他地区零星分布；Ⅲ类水主要在进贤三里—前坊镇一带、南昌县广福镇、安义石鼻—万埠镇一带、都昌县南峰—芗溪乡一带及乐平后港—镇桥镇一带分布，其他地区零星分布；Ⅳ类水主要分布在工作区东部、赣江、抚河、修水、潦河下游地区及各大湖泊沿湖岸边。水体中Cd和Hg含量较高，导致区域地下水水质存在一定的污染。其原因可能是：

(1)原生环境污染地下水。在某些沉积物中存在着原生性物质，经溶解、溶滤或运移作用进入含水层，使含水层地下水水质受到污染，主要为南部地区岩石土质中伴生Hg，本底值较高以及矿山开采造成周边地下水原位污染。

(2)降水淋滤作用渗入地下水。以大气降水形式通过地表包气带含重金属污染的土壤层垂直下渗进入地下水，从而污染地下水。主要集中在垃圾填埋场周边以及农田土壤区域。鄢新华等[23]对江西南昌—樟树地区土壤中汞元素污染现状评价结果表明南昌等城市土壤中Hg元素污染与人类活动有着密切的联系。

(3)经地表水体间接污染地下水。工业园区的工业废水未经处理直接就近排入河、湖等水体，造成地表水重金属污染严重。在丰水期，河流携带污染物以侧向水平渗透方式扩散补给地下水。

(4)农村污水间接污染地下水。在采样过程中，经调查发现鄱阳湖平原农村饮用水90%以上建于房屋内或庭院内，10%左右建于路边，其中12.7%水井分布于排污水沟，厕所、猪圈或化粪池周边，卫生环境极差；农村地区3.5%水井周边有生活污水和垃圾就地排放或堆积，导致了农村饮用水源的严重污染。

3.2 健康风险评价

运用地下水健康风险评价模型对鄱阳湖平原地下水水质进行了健康风险值的计算, 结果见图3。研究区地下水中，As、Cd、Cr通过饮用水引起的男性平均个人年健康风险值分别为7.77×10-6/a～1.98×10-4/a、3.28×10-7/a～7.04×10-4/a、2.16×10-5/a～7.66×10-5/a，其平均值分别为2.70×10-5/a、2.03×10-5/a、4.43×10-5/a；女性致癌风险值分别在7.48×10-6/a～1.90×10-4/a、3.16×10-7/a～6.77×10-4/a、2.08×10-5/a～7.37×10-5/a之间，平均值为2.60×10-5/a、1.95×10-5/a、4.27×10-5/a。研究区不论男女平均个人年健康风险值均大于可接受风险值，Cr的健康风险值最大，是主要的致癌因子，As次之，Cd最低。男女健康风险值分别进行研究，发现男性的健康风险值均高于女性。孙超[16]等对上海市黄浦江上游地区和陈行水库水中重金属进行评价，结果表明，陈行水库的风险大小表现为As>Cr>Cd；黄浦江上游中，Cr的风险值最大，As次之，与本研究一致。高继军[19]等对北京市饮用自来水管和水井中的水质进行评价，表明As的风险值大于Cd，且两者致癌风险水平集中在10-6/a，低于本研究的结果。孙树青等[24]通过对湘江干流的健康风险评价，显示As的致癌风险值大于Cd。地下水饮用途径致癌物质总的健康危害风险分别为男性总风险2.97×10-5～9.78×10-4、女性总风险2.86×10-5～9.41×10-4。

图3 鄱阳湖平原地下水水质重金属健康风险值Fig.3 lg scale health risk of heavy metals in the groundwater of the Poyang Lake

对鄱阳湖平原地下水水质中非致癌物质进行健康风险计算，得出由Cu、Hg、Pb导致的男性平均个人年健康风险值分别为2.15×10-11/a～1.32×10-9/a、3.77×10-10/a～5.63×10-7/a、1.97×10-9/a～8.71×10-9/a，其平均值分别为2.26×10-10/a、3.64×10-8/a、3.16×10-9/a；女性致癌风险值分别在2.07×10-11/a～1.27×10-9/a、3.63×10-10/a～5.41×10-7/a、1.86×10-9/a～8.26×10-9/a，平均值为2.17×10-10/a、3.50×10-8/a、3.00×10-9/a。三种元素的健康风险水平表现为Hg>Pb>Cu，属于可忽略风险值。对这三种物质的男女性健康风险值进行比对，发现男性的健康风险值均高于女性。上海市主要饮用水中Hg、Cu、Pb引起的健康风险平均值都集中在10-10/a[16]， Hg、Cu的风险值小于本研究区域，Pb的风险值与之相当。北京市饮用水中Hg和Cu的平均风险值集中在10-8/a和10-9/a[19]，其中，Cu的风险值高于本研究结果。地下水饮用途径非致癌物质总的健康危害风险分别为男性总风险2.37×10-9～5.73×10-7、女性总风险2.24×10-9～5.51×10-7。

鄱阳湖平原地下水中致癌金属通过饮用途径产生的健康风险远大于非致癌金属的健康风险，存在潜在的健康危害，应引起重视。同时，考虑到本次选择的健康风险仅从重金属的饮水途径进行计算，没有对其他暴露途径(如皮肤接触、吸入和食入等)进行评估，因此实际环境中重金属总的暴露风险可能大于本研究的风险值。采样调查过程中发现部分农村饮用水井所处的位置与环境也存在着一定问题，给人体健康风险带来了巨大的隐患，通过规范使用农村饮用水源，合理保护地下水资源，可以减轻人体健康风险[25]。

4 结论

(1)研究区171个地下水样品中Cd、Cu、Hg、As、Pb、Cr等6种重金属元素含量变化幅度较大，其中Hg与Cd平均值含量超过《地下水环境质量标准》的Ⅲ类标准。Hg、Cd和As最大值分别达到Ⅲ类标准的313.5倍、44.0倍和2.46倍，表明鄱阳湖平原局部地下水存在严重的污染，可能来源于原生环境、大气降水、土壤和人为污染。

(2)致癌物健康风险评价中，Cr、As和Cd的平均个人年健康风险值均大于可接受风险值，Cr的健康风险值最大，是主要的致癌因子，As次之，Cd最低。非致癌物质进行健康风险计算中；Hg、Pb和Cu的健康风险水平表现为Hg>Pb>Cu，属于可忽略风险。区域饮水途径健康风险主要来自致癌物质产生的健康风险，总体上男性整体健康风险大于女性的健康风险。