冶炼厂及周边农村地下水健康风险评价*

辽宁工程技术大学环境科学与工程学院 徐颖，彭健，谭婷，毛俊楠，姚鑫毅

工业农业发展进程的急速推进，在我国许多农村地区建设企业。由于企业产生废水和废渣没有有效处理，对周边的土壤和地下水造成了严重污染。地下水作为我国北方农村地区的主要饮用水源之一[1-2]，安全问题也日益突出。

本文主要以喀左农村地区为研究对象，研究区域内有炼铁厂、养殖场和村庄。炼铁厂的选矿污水以及废弃的矿渣直接排放到周边环境，存在重金属污染风险。重金属可以通过消化道、呼吸道以及皮肤接触，造成肝、肺、肾和神经系统病变。因此，本文研究该地区地下水的重金属污染状况，采用US EPA的健康风险评价模型评价该地区重金属对人类健康风险，为农村的地下水管理及后期地下水的治理提供决策依据。[3-5]

一、模型与方法

（一）研究区域概况

研究区域位于辽宁省朝阳市喀左县羊角沟镇镇政府北约0.5km，包含烧锅杖子村、万盛浩村、大黄杖子村、西杖子村、腰杖子村、北杖子村、小梁前。其中大黄杖子、腰杖子、西杖子、北杖子、小梁前均位于山地的沟谷地区，所谓“两山夹一沟”地区。村庄坐落于铁沟川的两侧，距离河坝直线距离不超过八十米，居民所饮用的井水跟河流有着直接联系。该河流的补给，主要是地下水和降雨。

研究区域的气候类型为北温带大陆性季风气候。虽受东南部海洋暖湿气影响，但北部蒙古高原的干燥冷空气经常侵入，形成了半干燥、半湿润、易干燥地区，四季分明，雨热同季，日照充足，日温差较大，降水偏少。全年平均气温5.4℃～8.7℃，年降水量为450～580mm。7-9月为丰水期，5、6、10月为平水期，11月到次年4月为枯水期。研究区域存在两种类型地下水，分别是第四系松散岩[6]类孔隙水和基岩（层状、块状岩类）裂隙水，位于沟口及下游山前平原区。含水层岩性为砂砾、卵漂石为主的松散堆积层，含水层厚度小，水量中等。受上游孔隙潜水、侧向径流、降水补给，枯水期水位下降较大。

（二）样品采集与分析

考虑该地区的气候、地质、水文等综合因素，以及《环境影响评价导则-地下水环境》对采样地点、时间和方法的要求，设置8个地下水监测点，有效地覆盖整个研究区域。采样点信息（见表1）。根据当地的降水情况，分别在12月（枯水期）、5月（平水期）、7月（丰水期）进行采样检测。用去离子水清洗三次聚乙烯塑料瓶，然后用原水润洗三次。地下水水样取自水面下0.5m处，加硝酸酸化，进行避光密封低温保存。利用PerkinElmer NexION 350 ICP-MS电感耦合等离子体质谱仪，检测地下水中的Al、As、Cd、Cr、Cu、Hg、Mn、Ni、Pb和Zn浓度。根据以上金属元素浓度和分布特征，对地下水中的金属物进行分析。

表1 采样点信息

（三）US EPA健康风险评价模型

地下水健康风险评价[7]，是以地下水质量标准和风险评价的健康为基准，为人的健康考虑而进行评价地下水的一种方法[8]。20世纪80年代，欧美的一些科学家首先提出健康风险这一名词[9]。1972年，美国环保局（USE PA）先后对其进行完善并制定了法律、风险评价指南和技术细则。应用USEPA推荐的健康风险评价模型，根据国家环保部颁布的地下水健康风险评估手册的要求，按照土地的利用方式，地下水的暴露情景分为敏感用地（农业用地等）和非敏感用地（工业用地等）。不同的暴露情景具有不同的评价模型。地下水中污染物可以通过饮水摄入、皮肤接触和呼吸等方式进入人体，需要用不同的评价模型进行计算。根据世界卫生组织和国际癌症研究机构的研究污染因子分为致癌性评价和非致癌性评价。其中As、Cd、Cr为化学致癌性金属，其余的为化学非致癌性金属。

本文研究的区域为厂区和居民住宅，以“敏感用地”和“非敏感用地”的方式进行评价。根据US EPA的健康风险评价模型，相同环境下的致癌风险和非致癌风险不同，同一元素在不同暴露途径下的模型参数也不同。风险被量化以后，可对风险程度和类型进行分析，得到致癌风险程度。一般按照人体健康可接受的最大风险进行衡量。国际上目前没有明确的标准，但最大的可接受范围在10-6—10-4之间，可忽略的风险在10-8—10-7之间。本文根据已有的研究，将风险等级划分为6个，具体见表2。

表2 健康风险分级

二、结果与讨论

（一）地下水金属离子污染特征分析

依据研究区域周边地下水中10种金属元素的浓度和《地下水质量标准》（GB/T14848-2017）规定的Ⅱ类水标准，其中As、Cd、Cr、Cu、Pb、Zn、Al 在平水期、枯水期、丰水期浓度的平均值都超过Ⅱ类水质标准，Hg的平均值分别是Ⅱ类水标准权限值的 12.8倍、9.9倍、10.5倍。对于不同时期各点的金属浓度，Al、Cd、Cu、Mn、Zn均 满足Ⅲ类水标准，平水期金属（As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn、Al、Hg）浓度分别为0-12.47ug·L-1、1.08-2.57ug·L-1、8.33-18.18ug·L-1、1.35-46.59ug·L-1、7.70-33.96ug·L-1、10.98-44.90ug·L-1、3.04-17.96ug·L-1、17.58-32.19ug·L-1、0.53-26.00ug·L-1， 其 中 As、Hg、Ni、Pb最大值分别为Ⅱ类水标准权限值的12.5、26.0、2.3、1.8倍。平水期金属（As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn、Al、Hg） 浓度分别为 0-9.83ug·L-1、0.87-3.45ug·L-1、1.20-10.95ug·L-1、4.83-23.14ug·L-1、9.20-29.64ug·L-1、1.60-6.32ug·L-1、2.33-14.13ug·L-1、2.04-29.13ug·L-1、0.76-22.41ug·L-1，其中只有Hg、Ni的最大值为Ⅱ类水标准权限值的22.4、1.5倍。丰水期金属（As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn、Al、Hg） 浓 度分别为2.39-5.99ug·L-1、0.20-1.93ug·L-1、4.78-15.92ug·L-1、6.78-26.02ug·L-1、1.60-26.68ug·L-1、0.65-5.12ug·L-1、2.30-12.45ug·L-1、2.52-19.79ug·L-1、0.61-25.34ug·L-1，其中Hg、Ni的最大值为Ⅱ类水标准权限值的25.3、1.1倍。地下水污染主要由于冶炼厂冶炼镍铁、钼矿、锰矿等金属，其矿石中含有大量的Hg、Ni、Pb、As等金属元素。冶炼过程大量原材料的露天堆放，尾矿渣没有及时清理，经河流的冲刷和降雨雪淋溶进入地下水中，造成该地区地下水污染物浓度居高不下。

在研究区域内的8个采样点中，1号、2号 采样点位于冶炼厂厂区内，金属污染物浓度相对较大，分别为172.20ug·L-1和251.61ug·L-1；3号采样点位于万盛好村，金属总浓度167.35ug·L-1；4号采样点位于大黄杖子村，金属总浓度为 148.43ug·L-1；5号采样点位于腰杖子村，金属总浓 度 为 126.68ug·L-1；6号 采样点位于西杖子村，金属总浓度 为 115.29ug·L-1；7号 采 样点位于北杖子村，金属总浓度为 117.35ug·L-1；8号 采样点位于小梁前村，金属总浓度为114.30ug·L-1。随着离厂区距离的逐渐增大，金属离子总浓度在逐渐减小。

（二）健康风险评价

根据健康风险评价模型、模型参数、地下水金属元素浓度，分别计算出地下水中金属元素经饮水个人年健康风险、皮肤接触健康风险、总健康风险。金属离子通过饮水引起的健康风险，大于皮肤接触引起的健康风险。由表3可知，总致癌风险数量级在10-5-10-4之间，处于Ⅱ级和Ⅴ级评价风险区间之间。地下水致癌风险较高，地下水中As、Cr、Cd会对当地居民造成致癌风险。敏感用地的总风险大于非敏感用地总风险。

表3 地下水综合健康风险评价结果

对于敏感用地致癌风险采样点4号>3号>8号>7号>5号>6号>1号。敏感用地采用儿童期和成人期总暴露来评价，而非敏感用地采用成人期暴露来进行致癌风险评价。Cr通过饮水的致癌风险为4.30×10-4-7.07×10-4之间，处于Ⅳ、Ⅴ级致癌风险之间，Cd通过饮水引起的致癌风险介于8.83×10-5-1.54×10-4之间。处于Ⅲ、Ⅳ级风险，As通过饮水引起的致癌风险为2.07×10-6-1.13×10-4之间， 处 于 Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级风险。在敏感地区，Cr、Cd、As的质量浓度都超过《地下水质量标准》（GB/T14848-2017)中的Ⅱ类水标准，其致癌风险值却较高。对于As、Cd、Cr皮肤接触引起的致癌风险分别为：2.02×10-8-1.22×10-6、3.05×10-7-7.80×10-7、1.92×10-5-3.15×10-5， 经 皮肤接触途径引起的致癌风险Cr>Cd>As。

对于各金属离子而言，通过饮水摄入及皮肤接触两种途径引起的总非致癌风险商均大于1。人群暴露于此环境的地下水会引起非致癌风险，Hg在1号、3号、4号、5号、6号、7号和8号危害商均大于1，在6号采样点值最大。Mn在2号采样点的危害商大于1，其余各点没有超过1，认为无非致癌风险。Pb在1号、2号、3号、4号和7号点的危害商均大于1，表明Hg、Mn、Pb对于暴露此环境下会引发非致癌风险。对于皮肤接触途径引起的非致癌风险危害商均小于1，可以忽略不计。由此可以说明，饮水摄入是引起非致癌风险的主要途径。

三、结论与展望

研究区域农村地下水重金属平均浓度Al>Ni>Cu>Hg>Cr>Mn>Pb>Zn>As>Cd，Hg、As、Ni、Pb均有超过Ⅱ类水标准的权限值，浓度分别为标准值的26.0、12.5、2.3、1.8倍。金属离子浓度在平水期>枯水期>丰水期、地下水受到污染，已经不能饮用。研究区域致癌风险偏高，大于可接受风险10-6。总风险顺序：冶炼厂>西杖子>腰杖子>北杖子>大黄杖子>万盛好>烧锅杖子>小梁前。饮水摄入引起的非致癌风险大于皮肤接触3-4个数量级，致癌风险较皮肤接触高1个数量级，以饮水摄入为主。

该地区应长时间进行地下水监测，更好地掌握地下水水质情况，并对冶炼厂的固体废弃物进行有效处理，从源头上减少污染。更要确保自来水和其他饮用水供应，以免危险出现。在水资源生态保护方面，要进一步加强管理，完善管理条例和法规，设置专门的部门和机构进行管理，最大限度保护农村地区地下水质量。