基于健康风险的改进内梅罗指数模型

2020-11-13汪继力李昕禹闫峰

南昌大学学报（工科版） 2020年3期

汪继力，李昕禹，闫峰

(南昌大学a.建筑工程学院；b.际銮书院，江西南昌 330031)

重金属是水环境中常见的污染物之一，具有难降解、易积累、毒性大的特点，而且极易通过食物链的富集作用对人体健康造成危害[1-3]。而且近年来的毒理学研究表明，重金属对人体的健康危害具有协同性，即使各重金属的单项浓度均被控制在容许限值以内，它们的协同影响也可能超过安全阈值[4-5]。因此，构建能够科学量化重金属协同效应的水质评价模型，对于水资源的管理和保护具有极为重要的意义。

内梅罗指数是目前国内外应用最为广泛的水质评价模型之一，具有计算简便、操作性强的优点，可以简洁而直观地反映区域的综合水质状况[6-7]。然而目前的内梅罗指数从污染物的极值特征和均值特征2个方面进行评价，当评价指标中包含重金属时，这种算法难以正确评估污染物对人体的协同危害。

为解决这一问题，本研究将基于健康风险理论，对传统的内梅罗指数进行改进，从而更好地评估重金属对人体健康危害的协同性，并将其应用于我国南方某县的饮用水水源地水质评价，以验证模型的有效性。

1 研究方法

1.1 传统内梅罗指数

在水环境质量评价中，除溶解氧为越大越优外，其他绝大多数污染物均为越小越优。因此在内梅罗指数中，指标i的污染标度pi被定义为：

(1)

其中：xi和ci分别为第i种污染物的容许限值；xi饱和为当指标i为溶解氧时所对应的饱和溶解氧数值。

容易发现，污染物标度pi直观地量化了指标i的超标程度。当pi≤1时，表明指标i的实测值在容许限值以内。当pi>1时，表明指标i的实测值已经超出了容许限值；而且pi越大，表明指标i的超标程度越高，污染越严重。

内梅罗指数从污染物的极值特征和均值特征两方面评价研究区域的综合水环境质量，计算方法为[6-7]：

(2)

其中：N为内罗梅指数；m为水体中评价的污染物数目。N的定义域为[0,+∞),根据N的数值，内梅罗指数将水体的综合水质状况划分为5个等级。

根据式(1)和式(2)容易发现，传统内梅罗指数从污染物的极值特征和均值特征进行水质评估，却没有考虑污染物的协同影响。然而重金属对人体的健康危害具有协同性，即使各重金属的单项浓度均被控制在容许限值以内，它们对协同影响也可能超过安全阈值。因此当参评指标中包含重金属时，传统内梅罗指数难以有效量化污染物环境危害的协同性。

表1 水质状况的等级划分Tab.1 Grade classification method of the water quality condition

1.2 重金属健康风险评价理论

根据健康危害的区别，重金属可以分为致癌重金属和非致癌重金属2类。其中致癌重金属主要包括砷、镉、六价铬；非致癌重金属主要包括铜、铅、汞、锌等重金属。本研究中所涉及的重金属主要为砷、六价铬和铜3种污染物。

目前国际上应用最为广泛的重金属危害评价方法是美国国家环境保护局(united states environmental protection agency，USEPA)提出的健康风险模型，它通过计算健康风险指数ri，量化各重金属对人体的潜在健康影响[4-5,8]：

(3)

式中：D为研究区域的人均饮水量，L；L为人均寿命，a；W为人均体重，kg。根据张兴磊等学者的研究，在我国南方的重金属健康风险评价中，D、L、W分别为2.2 L、70 a和70 kg；砷和六价铬的致癌系数分别为15 mg·kg-1·d-1和41 mg·kg-1·d-1；铜的参考剂量为0.04 kg·d·mg-1[9]。

在单项重金属健康评价的基础上，USEPA进一步构建了综合健康指数，以准确量化重金属污染物对人体健康的协同影响[4-5,8]：

(4)

式中：m*为水质评价中的重金属指标数目；R为综合健康风险指数。R的安全上限为1×10-4a-1，即每年每百万人中因为饮用水中的重金属而患病的人数应当低于100人[5,8]。

1.3 改进的内梅罗指数模型

传统内梅罗指数首先通过构建污染标度，量化各指标的超标情况。其中对于越小越优的指标，污染标度是实测值与容许限值的比值。为了将健康风险纳入水质评估，在改进的内梅罗指数中，本研究首先通过比较综合健康风险指数与安全阈值，定义健康风险标度pR如下：

(5)

容易发现，健康风险标度pR实际上是传统的污染标度向健康风险领域的拓展和深化。当pR≤1时，表明重金属的协同健康风险在容许限值以内。当pR>1时，表明重金属的协同健康风险已经超出了容许限值；而且pR越大，表明风险越高，危害越严重。

传统的内梅罗指数中，仅仅考虑了分析污染物的极值特征和均值特征。本研究进一步将重金属的协同风险纳入评估，并将改进内梅罗指数N*定义为：

(6)

容易发现，N*也是定义在[0,+∞)上的无量纲数值，它的等级划分方法与表1相同。

需要指出的是：对于COD、BOD5、高锰酸盐指数、总氮、总磷等常规污染物，目前尚无证据证明它们对人体的健康危害具有协同性。因此，当水质评价中不含重金属指标时，可以认为综合健康风险指数R和健康风险标度pR均为0。容易发现，此时式(6)的计算结果和式(2)相同。

由此可见：本研究改进的内梅罗指数模型并不是对传统方法的否定，它实质上是在保留极值分析和均值分析的基础上，将传统内梅罗指数向健康风险领域的拓展和深化；而传统模型则可以看成是改进的内梅罗指数在忽略重金属协同风险下的特例。

2 结果与讨论

2.1 污染物超标现状

本研究以我国南方某县饮用水水源地的水质评价为例，针对4种主要污染物(总磷、铜、砷、六价铬)在春夏秋冬4个季节进行考察和测量。各指标的实测值、污染标度、以及重金属健康风险如表2所示。

根据表2容易发现，在该县饮用水水源地的4种污染物中，仅有总磷的实测浓度在夏季和秋季时段超过了容许限值。其中在夏季，总磷浓度大约相当于水质保护目标[10]的1.75倍；在秋季，总磷浓度大约相当于水质保护目标的1.9倍。

表2 研究区域污染现状Tab.2 Pollution condition of the study area

从实测值和污染标度来看，3种重金属实测值在所有时段均低于水质保护目标。然而通过健康风险项容易发现，虽然所有重金属的单项浓度均被控制在容许限值以内，但是它们的协同影响已经超过安全阈值1×10-4。其中在春季和冬季，重金属健康风险分别为安全阈值的6.33倍和5.01倍；在夏季和秋季，重金属健康风险甚至已经相当于安全阈值的10倍左右。

2.2 2种内梅罗指数的评价结果对比

根据传统内梅罗指数和建立的改进内梅罗指数，结合表2中的数据进行水质评价，评价结果如表3所示。

结合表3容易发现，2种内梅罗指数对极值特征和均值特征的评价结果是相同的，它们的差异主要体现在如下方面。

1) 传统内梅罗指数仅仅从污染物的极值特征和均值特征两方面进行评估；而改进的内梅罗指数从污染物的极值特征和均值特征以及重金属的协同风险3个方面进行评估。

表3 2种内梅罗指数的评价结果Tab.3 Evaluation results of two Nemerow indices

2) 改进的内梅罗指数比传统方法更为严格。如表3所示，在春季和冬季，传统内梅罗指数分别为0.49和0.40，均能达到“优秀”级别；而改进的内梅罗指数分别为2.76和2.17，分别为“中等”和“良好”等级。在夏季和秋季，传统内梅罗指数分别为1.36和1.46，均为“良好”级别；而改进的内梅罗指数则分别为5.08和4.63，均为“较差”等级。

3) 改进的内梅罗指数比传统方法更符合当地的污染现状。根据2.1节的讨论可知，在4个评价季度中，虽然该县饮用水水源地的3项重金属单项浓度均被控制在容许限值以内，但是它们的协同健康风险已经超出了安全阈值。对比表1与表2可知，研究区域的水质并不能满足“水质状态很好，风险很低，水环境未受到破坏”的要求，因此传统内梅罗指数认为综合水质状况在春季和冬季可以达到“优秀”的结论明显过于乐观。结合表2可知，在夏季与冬季，总磷浓度已经从超出安全阈值0.7倍以上，重金属健康风险甚至已经高达安全阈值的10倍左右，研究区域的水质已经明显受到了较大程度的破坏。因此传统内梅罗指数得到的“良好”等级过于乐观，而改进内梅罗指数得到的“较差”等级更为符合实际。