河北省黄壁庄地区地下水水质健康风险评价

甘 爽,董子涵,落佳鑫,李俊峰,于开宁,4,5

1.河北地质大学,河北 石家庄 050031; 2.山东省鲁南地质工程勘察院(山东省地质矿产勘查开发局第二地质大队),山东 济宁 272100; 3.河北水文工程地质勘察院,河北 石家庄 050021;4.河北省水资源可持续利用与产业结构优化协同创新中心,河北 石家庄 050031; 5.河北省水资源可持续利用与开发重点实验室,河北 石家庄 050031

0 引言

地下水是重要的供水水源,居民的生活用水与农业用水主要依赖于地下水,因而地下水质量直接影响居民身体健康。目前地下水污染日益加剧,工业废水的不合理排放,农药与化肥的使用以及生活垃圾的不合理处置,会导致地下水重金属离子含量超标、有机物过量排放等诸多环境问题,这些问题会直接或者间接的危害人民群众的生命财产安全。如砷被认证为致癌物,吸入、饮用或伤及肝脏、肾脏、肠胃等器官,严重的话将导致休克甚至死亡[1,2]。数据显示,世界贫困地区每天有超2.5万人因饮水问题而死亡,约80%的疾病与饮用水安全问题有关[3]。饮用水源地水质安全问题已成为国际社会高度关注的公共卫生问题。

人体健康风险评价方法来源于美国国家环境保护局(USEPA)建议使用的健康风险模型,具有适用性强的优势[4,5],可以定量描述污染对人体产生健康危害的风险,是把环境污染与人体健康联系在一起的风险度评价指标[6]。人体健康风险评价包括对非致癌因素和致癌因素的评价,是建立在测试地下水所含离子及其浓度的基础上,将所得数据通过一系列与人体健康相关的公式进行计算,最终得出各有害离子导致人出现疾病及癌症的可能性[7,8],在我国水质健康风险评价中已得到广泛应用[6,9-12]。

黄壁庄水库是全石家庄市的供水水源、更是作为北京的备用水源地[13],其重要性不言而喻,因此开展黄壁庄水库及其附近区域的地下水质量评价刻不容缓。本文以对黄壁庄区域地下水进行取样测试为基础,初步分析其污染物分布,并进行健康风险评估,从而为研究区治理地下水中对人体健康影响较大的离子提供依据。

1 材料与方法

1.1 实验材料

本研究以河北省石家庄西北部的灵寿县、平山县和鹿泉市的交界区域为研究区(图1),地理坐标北纬38°18′00″—38°03′00″,东经114°28′00″—114°38′00″。该区域属于温带大陆性季风气候,7、8月温度较高,在27℃～39℃之间,降雨集中在该时间段,多年平均降水量为503 mm,年平均蒸发量为1 305.8 mm。由于处于太行山与华北平原衔接的部位,研究区的地形也呈现出西南高东北低的趋势。

图1 研究区采样点位置图Fig.1 Location of sampling sites in the study area

这种地势使得区域内水文条件简单,主要自然河流为滹沱河,蓄水引水工程有黄壁庄水库、石津渠等。研究区属于水源地一级保护区,但区内部分企业环境污染严重,影响地下水与土壤健康。

1.2 采样点布置与测试

本次研究共使用15个浅层水样点和15个深层水样点,采样点包括水库下游河流、村庄水井等,取样、保存和送样过程严格按照《区域地下水污染调查评价规范》(HJ/T164-2004),采样点位布设见图1。对地下水各个离子主要使用电感耦合等离子体原子发射光谱仪和离子色谱仪进行定性定量分析,详细的实验方法如表1所示。数据通过了离子平衡测试。

表1 离子测试指标及其方法Table 1 Analytical instrument of physiochemical parameters

1.3 计算方法

健康风险评价的内容主要包括估算污染物进入人体的数量,评估剂量与负面健康效应之间的关系[6]。美国环保署(2013年)推荐的方法对园区、耕地中有害离子在不同暴露途径下非致癌和致癌风险进行评价,当地居民摄入有害离子的方式主要包括饮食(饮用、食物摄入)和非饮食途径(皮肤接触、呼吸摄入)[14]。

研究区地下水中的有害离子主要通过饮用和皮肤接触威胁人体健康,因而本文主要考虑这两种途径,综合USEPA提出的水环境健康风险评价模型与研究区实际情况,建立了黄壁庄地区饮用水源地健康风险评价模型[6,7,15],饮用导致的非致癌风险如下式:

其中Intakeoral为暴露剂量(mg/(kg·d)),C分别代表地下水中污染物浓度(mg/L),IR代表日饮水量率(L/d)。EF、ED分别表示暴露频率(d/a)和暴露持续时间(a),BW和AT分别定义为平均体重(kg)和平均暴露时间(d)。HQoral指的是非致癌性风险,RfDoral为地下水中该离子通过口服途径进入人体的参考剂量。

皮肤接触导致的非致癌风险如下式:

其中Intakedermal为皮肤摄取途径的暴露剂量(mg/(kg·d)),DA为暴露剂量(mg/cm2),SA为皮肤接触面积(cm2)。EV为每日暴露频率,K为皮肤渗透系数(0.001cm/h)。CF代表转化因子,t代表接触时间,H和ABSgi分别表示平均身高和胃肠道吸收参数。

总非致癌风险表示如下:

其中HI指的是某种物质通过饮用、皮肤接触等途径计算出的非致癌风险之和,HItotal表示该区域所有有害离子导致的非致癌风险。当HI大于1时,居民被认为具有非致癌风险。

致癌风险可计算如下:

健康风险计算的参数如表2:

表2 健康风险计算参数表Table 2 Health risk calculation parameters

2 结果与讨论

2.1 有害离子的含量及其分布

表3 深层地下水描述性统计数据Table 3 Descriptive statistics of deep groundwater

表4 浅层地下水描述性统计数据Table 4 Descriptive statistics of shallow groundwater

对于致癌风险计算的As而言,深层地下水的As最小值为6.07×10-4mg/L,浅层地下水的As最小值为6.22×10-4mg/L。显然,深层地下水中As的浓度明显高于浅层,可能是由于浅层地下水更易受到地表工业用水的污染。深层地下水中该离子的最大值为3.76×10-5mg/L,浅层地下水As最大值为3.76×10-3mg/L,可能均是部分企业污水排放导致的。

2.2 健康风险评估

2.2.1 致癌风险

测试指标中的Cr和Cd均未检出,在研究区内仅检出有As会对人体造成致癌风险,As通过深层地下水对儿童造成致癌风险的范围分别是2.68×10-6～2.52×10-4。从表中可以看出,深层地下水样点S7的致癌风险明显高于其他点位,该结果与该点的As浓度高异常相关。根据对研究区的分析,S7水样点As浓度较高可能是由于该区域的工业企业进行了As的释放,造成As污染,进而导致致癌风险较高。

图2a代表成人在春秋季承担的风险,图2b代表成人在夏季承担的风险,图2c代表成人在冬季承担的风险,图2d代表儿童承担的风险。显然,对于成人而言,S7的致癌风险同样高于其他水样点(如图2)。其中,夏季的致癌风险高于其他季节,春秋季由于饮水量相仿,因而并未有显著差距。

图2 深层地下水致癌风险等值线图Fig.2 Contour map of carcinogenic risk of deep groundwater

在浅层地下水中,儿童由As造成的致癌风险范围为1.72×10-5～2.40×10-4,其中Q5明显高于其他点位,是平均值的5.56倍。由图3可以得出对于成人而言,Q5也是水样点中致癌风险最高的点。经分析该点可能受到地表污水排放的风险,区域内有矿石加工相关工业,对地下水产生相应污染。

图3 浅层地下水致癌风险等值线图Fig.3 Contour map of carcinogenic risk of shallow groundwater

深层水样点和浅层水样点的致癌风险值均大于1×10-6,即所有水样点具有一定的致癌风险。成人的致癌风险均高于儿童,可能是由于成人和儿童在生理习惯与抵抗能力方面的差异导致。

2.2.2 非致癌风险

图4和图5显示了成人和儿童的非致癌风险。不论是儿童还是成人其通过饮用方式遭受的风险较皮肤接触大,皮肤接触的风险均小于1,皮肤接触对健康的影响相对较小。由于F-在水样点中的检出率为100%,因而所有点位均有含F-的非致癌风险。

图4 深层地下水非致癌等值线图Fig.4 Noncarcinogenic contour map of deep groundwater

图5 浅层地下水非致癌等值线图Fig.5 Noncarcinogenic contour map of shallow groundwater

通过绘制的等值线图可以看出,在浅层和深层地下水中F-均对人的影响。研究区使用的部分杀虫剂中可能含有该离子,F-通过地下水的淋滤作用进入土壤和地下水,经过一系列水文化学作用将F-溶于地下水,影响地下水中该离子的含量,进而对地下水的质量造成影响。

通过计算,在深层地下水样点中,儿童、成人在春秋季、夏季和冬季的非致癌风险分别为0.37～5.70,0.19～2.94,0.25～3.81和0.18～2.76。对于儿童而言,在15个深层水样点中所有水样点均属于有非致癌风险的点,对于成人而言,春秋季、夏季、冬季引起非致癌风险的点分别有7个、11个和7个。夏季由于摄入的水量更大,因而引起风险的水样点也更多,春秋季与冬季引起非致癌风险水样点的数量相当。计算结果表明浅层地下水中儿童的非致癌风险与成人在春秋季、夏季和冬季的非致癌风险分别为1.13～4.84,0.58～2.50,0.75～3.23和0.55～2.34。

在深层地下水中,F-对儿童的风险范围为0.17～0.76,对儿童的影响明显高于对成人。在四季之中,由于夏季摄入的水量较大,冬季摄入的水量较小,因而夏季的非致癌风险高于冬季,春秋季的风险居于二者之间。F-导致的春秋季非致癌风险最小值为0.09,最大值为0.39。夏季非致癌风险的最小值为0.111,最大值为0.85,最大值未超过1。浅层地下水中的F-导致非致癌风险的情况与浅层相似,儿童的风险较成人更大,在0.003～0.827的范围内。成人的非致癌风险在夏季达到峰值,最高为0.88。仅计算F-均未到达1,不构成非致癌风险。

深层地下水样点的S10、S11、S15属于不对儿童造成非致癌风险的区域,其他水样点均属于对儿童造成非致癌风险的区域。成人的风险相对较低,夏季有4个水样点不对研究区成人产生非致癌风险。S14的NO浓度较高,对儿童产生的非致癌风险高达5.53。NO在该区域浓度较高的原因可能是研究区内农业生产对作物施加氮肥,导致其入渗至地下含水层,进而对地下水水质产生影响。另外,由于研究区采样点多位于人口较密集区域,水质也可能受到生活污水的影响。浅层地下水样点Q5由NO产生的非致癌风险大于1,对研究区的居民造成了非致癌风险,该点的浓度为0.38 mg/L,其在春秋季、夏季和冬季对成人产生的非致癌风险分别为2.172、2.810和2.036,对儿童的影响为4.194,该点硝酸盐含量较高,对人体危害相对较大。在夏天大部分点位均对成人产生非致癌的风险。对于该区域的儿童,硝酸盐产生的风险显然更大,所有水样点均产生非致癌风险。

根据计算,饮用造成的风险占到全部风险的99.7%,说明饮用仍是该区域NO非致癌风险的主要原因。

3 结论

(1) 研究区深层地下水与浅层地下水均呈现出弱碱性,阳离子丰度从大到小依次为Ca2+＞Mg2+＞Na+＞K+,阴离子从大到小的排序为

(4) 在研究区内As对人体造成致癌风险,该离子的威胁较大可能是由于工业污染。

(5) 在离子浓度相同的情况下,由于儿童的生活习惯与免疫能力的差异,其致癌风险和非致癌风险均高于成人。成人在夏季饮水量较大,因而饮用风险更高,因而致癌风险和非致癌风险均高于其他三个季节。