基于逸度方法的延吉市BaP多介质环境归趋模拟

＊杨崇铭 陈昱彤 张子慕 陶然 韩雪 全红梅 金光洙*

（1.延边大学农学院 吉林 133002 2.延边大学地理与海洋科学学院 吉林 133002 3.延边大学理学院 吉林 133002）

多环芳烃（PAHs）是一类致癌性很强的环境污染物，是由两个或两个以上的苯环构成的碳氢化合物。美国环境保护署EPA公布了16种优先控制的PAHs污染物名单，其中苯并[a]芘（BaP）是第一个被发现的环境致癌物，在多种环境介质中都有富集，是环境污染物中重点检测项目之一[1]。延边州周边的长春、吉林为我国的重工业基地，因此延吉地区PAHs污染不仅受到本地源影响，周边城市的排放也应该引起注意。

多介质模型是在逸度模型基础上建立的，可以描述化学品在多种环境介质中的归趋行为，已广泛应用于区域尺度上有机物的归趋模拟中。本研究基于Level Ⅲ逸度模型将真实环境模型化，探究BaP在延吉市环境中的归趋行为、跨介质迁移及环境生态风险，为今后应用逸度模型研究PAHs的环境行为和风险提供基础，为PAHs的污染控制等提供科学依据。

1.研究区概况

延吉市位于我国东北吉林省东部，总面积1748.3km2。延吉四面环山，中间属盆地，山地属长白山脉东南支脉，属温带季风气候，夏季高温多雨，冬季寒冷干燥。年平均气温5.7℃，降水量531.4mm。延吉市境内共有布尔哈通河、朝阳河、烟集河、依兰河和海兰河五条河流，总流域面积1636.57km2[2]。

2.模型与方法

(1)模型构建

本研究将延吉市区与农村地区分别划分为5个主相，分别为气相、水相、土壤相、沉积物相、植物相。模型所模拟的环境过程包括大气与水的平流、各相中BaP的迁移过程以及BaP的降解过程，依据Ⅲ级逸度模型假设，建立各相的质量平衡方程，如下：

式中：A代表气相；W代表水相；S代表土壤相；sed代表沉积物相；V代表植物相；E代表该介质中BaP的排放速率；G代表BaP平流输入该介质的速率；C代表该介质中BaP的浓度；f代表该介质中BaP的逸度；Dij代表从介质i迁移到介质j中的迁移速率；DRi代表BaP在介质i中的降解速率；DAi代表BaP从介质i中输出平流速率。

(2)模型参数确认

Level Ⅲ逸度模型需要输入的参数主要包括化合物的物理化学性质及研究区的各环境参数。物化参数主要包括饱和蒸气压、辛醇-水分配系数等，BaP的物化参数取自参考文献[3-4]。延吉市地区的环境参数主要来自2020年统计年鉴、模型建立的典型值及经验值，并结合延吉市实际对参数进行了调整。

表1 BaP的物化参数

(3)ILCR终生致癌风险评价

本研究使用EPA终生致癌风险模型对多介质环境中BaP产生的终生致癌风险进行了评价。该模型包括了土壤和大气中BaP经口、皮肤和呼吸暴露途径产生的健康风险。暴露量取值参数来自参考文献。

式中：CS为BaP毒性当量，mg/kg；CSF为致癌斜率因子，mg/(kg·d)；BW为体重，kg；EF为暴露频率，d/a；AT为平均寿命，d；ED为持续暴露时间，a；SA为皮肤接触土壤面积，cm2/d；AF为皮肤附着因子，mg/cm2；ABS为皮肤吸附因子。

3.结果与分析

(1)模型验证

为了验证模型模拟结果是否可行，将模型模拟值与延吉地区的实测数据进行对比，实测数据来自于延吉市已公开发表文献。由图1可知，研究区实测值与模拟值的差值在0.5个对数单位以内，说明模型值与实测值吻合度良好，模拟结果能够很好的体现延吉市地区的BaP在各环境介质中的分布和相间迁移。

图1 BaP浓度实测值与模拟值对比

(2)相间迁移通量

BaP的迁移通量如图2所示，BaP在各相中的主要迁移方式为扩散和颗粒的干湿沉降。相间迁移的主要过程是大气—土壤迁移、大气—植物迁移和大气—水迁移，占总迁移量的96.5%，而水—大气及水—沉积物等过程较弱，迁移量也较小。

图2 BaP的迁移通量

(3)延吉地区BaP的多介质环境归趋模拟

延吉地区1949—2050年城市与郊区五个环境相中BaP的浓度模拟趋势如图3所示。从整体上来看，无论是城市还是乡村的各个环境相中BaP的含量都随年份增加而增加，2034年达到最大值，而后呈现下降的趋势。在不同地区的比较中，城市中的浓度高于郊区的浓度；从不同环境相的角度来看，固相中（淡水沉积物和土壤）中BaP的浓度最高，大气中的浓度最低。从趋势上来看，1949—1979年呈现了缓慢的增长趋势，1979年之后增长速度加快，2034年达到最大值，之后呈下降趋势，但浓度仍处于较高的水平，这与排放量、人口密度和GDP等都有较好的正相关关系。

图3 城市（1）与乡村（2）五个环境相中BaP浓度模拟

(4)季节变化对BaP归趋的影响

分析不同环境中PAHs的季节变化能够进一步了解PAHs的特性，为PAHs的治理提供帮助。本研究选取2021年的模拟数据对其季节变化进行探究，BaP浓度随季节的变化如图4所示。

图4 大气（a）、土壤（b）、淡水（c）、淡水沉积物（d）、植物（e）中BaP浓度随季节的变化

在大气和水体中BaP的浓度呈现出了夏秋季高于春冬季的特点。BaP属于高环PAHs，几乎全部存在于大气颗粒物中，随着温度的降低，低环PAHs向大气颗粒物中聚集，导致冬季大气颗粒物中高环PAHs的浓度降低。由于延吉冬季寒冷，地表径流远小于夏季丰水期，大气干湿沉降和土壤流失等方式进入水体的PAHs相比于夏季减少，因此造成了夏秋季水体中BaP的浓度高于春冬季。土壤和淡水沉积物中BaP的浓度均呈现出秋冬季迅速升高的特点。延吉地位于我国东北东部，冬季取暖季较长，消耗的煤和秸秆等燃料高于夏季，而高环PAHs大多来自燃料的不完全燃烧。温度越高PAHs从土壤及沉积物中释放的能力越强，从而对PAHs的掩埋能力削弱。植物中BaP的浓度变化呈现出秋冬季高于夏季的趋势。植物叶片中叶蜡的含量与植物吸附PAHs的能力呈正相关，冬季植物中叶蜡含量普遍高于夏季，因此植物在冬季能够吸附大量PAHs，而夏季叶表上的PAHs由于太阳辐射会产生强烈的光解能力，使得植物中BaP呈现出了冬高夏低的趋势。

(5)ILCR终生致癌风险评价

ILCR致癌风险评价结果表明，不同人群通过各种途径暴露于环境中的致癌风险大小为经口摄入＞皮肤接触＞呼吸摄入，其中儿童经口及皮肤摄入的致癌风险较大，不同年龄组男女之间没有明显差异。在本研究中，不同环境中的不同人群经不同暴露方式的风险值均低于1×10-6，说明延吉地区环境中BaP不存在致癌风险[11]。但是随着PAHs的数量和浓度增加，致癌风险可能会升高，所以仍值得我们注意。

4.结论

（1）逸度模型较好的模拟了延吉市地区BaP的迁移和归趋行为，浓度较高的环境相为土壤、水及沉积物相，大气中和植物中的浓度较低；大部分BaP由大气向土壤和水中迁移，主要以扩散和颗粒物沉降两种方式迁移。

（2）延吉市地区模拟预测结果显示：BaP浓度先缓慢上升，1979年后快速上升，2034年达到最大值而后下降，但仍处在很高的水平。由于各种因素的影响，随季节的变化大气和水体中BaP呈现出夏季高冬季低的特点，而固相环境中BaP的特点为冬季高于夏季。

（3）延吉市地区BaP不同环境中的不同人群经不同暴露方式的风险值均低于1×10-6，表明延吉地区环境中BaP不存在致癌风险。