天津市地表水中氨氮健康风险及生态风险评价

梁增强 杨菁

摘 要：为了科学表征地表水中氨氮对人体健康和生态环境造成的风险，达到精准治污和风险管控的目的，采用USEPA推荐的健康风险和生态风险评价模型，选取2016—2020年天津市地表水中氨氮浓度进行健康风险及生态风险评价。结果表明：天津市地表水中氨氮的健康风险为1.14×10-4～2.35×10-2，远低于评价标准1；氨氮的生态风险为0.3～25.4，夏季慢性生态风险为有风险或高风险；其余均为无风险或有风险。氨氮的健康风险和生态风险均存在双峰现象，二者均呈显著的季节变化特征。氨氮的健康风险和生态风险均存在明显空间差异。研究采用的评价方法可以客观地表征地表水中氨氮对人体健康及生态环境造成的风险程度，为我国环境管理部门水质监管和业内同行开展类似研究提供了重要借鉴。

关键词：氨氮；健康风险；生态风险；时空特征；天津

中图分类号：X824文献标志码：A文章编号：1673-9655（2024）02-00-06

0 引言

氨氮作为地表水中主要的污染物之一，一直以来都是我国政府部门环境管理的重点。常规的地表水水质评价方法无法反映水质与人体健康风险或生态风险的关系，然而，健康风险评价方法可以定量反映水质对人体造成损害的可能性[1]；生态风险评价可以量化污染物对环境的生态危害[2]。目前，有学者对我国地表水体中酞酸酯[3]、重金属[4]、氯代烃[5]、

抗生素[6]、氨氮和氟化物[7]等污染物开展健康风险研究；也有学者对国内地表水中酚类化合物[2]、多环芳烃[8]和氨氮[9-10]等进行生态风险研究。但以天津市地表水作为研究对象的甚少，仅张新波[6]、

符刚[11]、王秋莲[12]、殷伟[2]、石璇[8]等陆续开展了健康风险或生态风险研究，对全市地表水氨氮风险研究尚未见报道。本研究能够弥补天津市地表水氨氮健康风险和生态风险研究的空白，对于管理部门开展地表水氨氮评价、绩效考核和风险防控等具有参考价值。

1 材料与方法

1.1 研究区域选取

天津市下辖16个区，2018年全市生产总值为18809.64亿元。同年，天津市地表水国家考核断面水质优良比例仅为40%[13]，水环境形势严峻。

1.2 数据来源

研究选取天津市生态环境监测中心官网发布的2016年8月—2020年12月天津市16个行政区的地表水氨氮月均值（http：//www.tjemc.org.cn/html/1//97/16/18/53/index.html）。数据样本汇总统计结果见表1。

1.3 健康风险评估方法及参数

健康风险评价是于1980年前后在我国新兴起的一项新型研究领域，其主要是將污染物和人体健康相关联，利用人体暴露量与污染物毒性参数来定量描述污染物对人体健康的危害程度[4]，被广泛用于饮用水中有害物质健康风险评价。通常在评价过程中将毒性物质分为致癌物质、放射性物质和非致癌物质，氨氮则属于非致癌物质。国内现有研究存在以下特点：①利用美国EPA推荐的风险评价模型进行评价[3-5]，但不同学者采用的模型存在一定差异[1，3]。例如，有学者[1，4]引用的评价模型仅考虑日均饮水量、浓度和体重等参数，忽略了更多的实际限值因素。也有学者[3，14]在前者基础上增加了暴露频率、暴露延时、肠胃吸收系数等，使评价结果更贴近实际；②暴露途径存在差异。地表水主要涉及皮肤接触和饮用水等暴露途径，但有学者仅研究饮用水途径[1，4]，从而低估了污染物的健康风险；③模型参数（毒性参数和暴露参数）尚未完全本土化。多数研究中毒性参数引自美国EPA[3-6]，张清华等[4]引用美国暴露参数进行评价，忽略了人种、行为习惯等差异，这可能与实际情况不符；④风险评价标准不同。有学者[4]

选用国际辐射防护委员会推荐的标准5.0×10-5，也有学者[3，14]选取10-6（致癌风险）和1（非致癌风险）作为评价标准。研究扬长避短，基于美国EPA风险评价模型，选取皮肤接触和饮用水等暴露途径，评估参数全部实现中国化，评价模型及计算参数见表2和表3。氨氮不存在致癌风险，非致癌风险评价标准选取1。

1.4 生态风险评估方法及参数

研究采用熵值法评估地表水中氨氮的生态风险。熵值法是一种简单且保守、使用普遍的生态风险评价方法[9，10]，该方法利用污染物暴露浓度与环境水质基准值的比值来表征污染物的生态风险程度。2013年，美国环境保护署发布了新的氨氮水生生物基准技术文件，提出了新的氨氮基准函数与基准值[18]。不同pH和温度条件下氨氮对水生生物的毒性作用不同[18]。水中氨氮生态风险分为急性毒性和慢性毒性，应分别计算其生态风险。氨氮水生态风险计算时需要考虑季节变化引起的水温变化，夏季和非夏季慢性基准存在显著性差异[9，10]。2016年王一喆等[10]按照夏季和非夏季两种情况对我国七大流域（松花江、辽河、海河、黄河、长江、珠江）推算了各流域氨氮水生生物基准值，该参数被学者应用推广[9，17]，均取得了良好效果。

RQ=EEC/WQC

式中：RQ—危害商值；EEC—污染物的水体暴露浓度；WQC—环境水质基准值。根据风险商值判断风险等级，当RQ＜1时认为基本无风险；1≤RQ＜10时为有风险；RQ≥10时为高风险[9，10]。天津市属于海河流域，故本研究WQC选取王一喆[10]等研究成果中海河流域氨氮水生生物基准值，即夏季氨氮急性基准为0.48，非夏季氨氮急性基准为0.08，非夏季氨氮急性基准为1.16，非夏季氨氮慢性基准为0.22。

2 结果与讨论

2.1 评价结果

2.1.1 健康风险时间变化特征

基于本研究选取的参数、模型和研究数据，计算获取了天津市各区地表水氨氮的逐月健康风险，其时间变化趋势绘制成图，结果见图1。

分析图1可知，天津市地表水中氨氮健康风险评价结果有明显的时间变化周期，存在双峰现象，为每年2—3月和7—8月；2017年3月，河东地表水氨氮健康风险达到全市最大值，为2.35×10-2；

双峰现象于2020年5月以后逐渐消失，健康风险一直处于低位状态。天津市地表水氨氮健康风险为1.14×10-4～2.35×10-2，低于评价标准1，说明天津市地表水氨氮健康风险处于很低水平，基本可以忽略。

对研究获取的健康风险数据按照季节（6—8月夏季；9—11月秋季；12—2月冬季；3—5月春季）取平均值，再对各区氨氮健康风险取平均值，获取天津市各季节氨氮健康风险数值，结果见图2。

分析图2可知，天津市地表水氨氮健康风险存在显著季节变化特征，冬季＞夏季＞春季＞秋季。

2.1.2 健康风险空间分布特征

基于ArcGIS10.1软件对各区地表水氨氮健康风险空间分布特征进行表征，结果见图3。

由图3可知，天津市各区不同季节地表水氨氮健康风险存在明显差异，且随着季节变化，各区数值变化显著。春季地表水中氨氮健康风险河东区和西青区数值最高，分别为5.3×10-3和5.1×10-3，东丽区和河北区次之，红桥区最低，为5.0×10-4；夏季地表水中氨氮健康风险南开区数值最高，为4.5×10-3，河西区、东丽区、武清区次之，红桥区和蓟州区最低，分别为1.2×10-3和1.0×10-3；秋季地表水中氨氮健康风险武清区数值最高，为2.8×10-3，东丽区、滨海新区和南开区次之，红桥区和静海区最低，分别为9.0×10-4和9.0×10-4；冬季地表水中氨氮健康风险武清区数值最高，为4.7×10-3，东丽区、西青区和滨海新区次之，红桥区最低，为1.0×10-3。就各区所有样本平均值而言，天津市地表水氨氮健康风险存在明显空间差异，其中东丽区、西青区和武清区数值最高，为3.5×10-3～3.7×10-3，河东区、滨海新区次之，静海区和蓟州区最低，分别为1.1×10-3和1.2×10-3。

2.1.3 生态风险时间变化特征

基于本研究选取的原始数据、模型和计算参数获取了天津市地表水氨氮的逐月生态风险（急性和慢性），取每月急性风险或慢性风险中最大值表征生态风险时间变化趋势，结果见图4。

分析图4可知，天津市地表水中氨氮生态风险评价结果有明显的时间变化周期，存在双峰现象，为每年2—3月（第一峰）和7—8月（第二峰），第一峰生态风险较低，第二峰生态风险较高。2019年10月以来，双峰现象大幅减弱，总体向好，2020年9月后天津市全部为有风险或无风险，不涉及高风险。

2.1.4 生态风险空间分布特征

基于ArcGIS10.1软件对各区地表水氨氮生态风险按照夏季、非夏季、急性生态风险和慢性生态风险进行空间表征，结果见图5。

分析图5可知，地表水氨氮急性生态风险（非夏季）总体为无风险或有风险，存在空间差异，西青区风险最高，为1.5，武清区、河东区、东丽区和滨海新区次之，红桥区风险最低，为0.3。地表水氨氮急性生态风险（夏季）总体均为有风险，存在空间差异，南开区风险最高，为4.2，河西区、东丽区和武清区次之，蓟州区风险最低，为1.0。地表水氨氮慢性生态风险（非夏季）总体为有风险，存在空间差异，西青区风险最高，为7.9，河东区、东丽区、武清区和滨海新区次之，静海区最低，为2.2。地表水氨氮慢性生态风险（夏季）总体为有风险或高风险，空间差异显著，南开区风险最高，为25.4，河西区、东丽区和武清区次之，蓟州区风险最低，为6.0。

2.2 分析讨论

2.2.1 总体风险水平分析

2016年8月—2020年12月：天津市地表水氨氮健康風险为1.14×10-4～2.35×10-2，远低于评价标准1，研究结果与符刚[12]、王秋莲[13]研究的风险水平相符，说明天津市地表水氨氮健康风险水平较低。天津市地表水氨氮生态风险为0.3～25.4，其中，非夏季急性生态风险为无风险或有风险，夏季急性生态风险为有风险，非夏季慢性生态风险为有风险，夏季慢性生态风险为有风险或高风险。研究表明[10]，海河流域氨氮生态风险超标数十倍至百倍，与本研究结果相符，说明天津市地表水夏季氨氮慢性生态风险需引起注意。

2.2.2 时间变化特征分析

天津市地表水氨氮浓度随季节呈双峰现象，与杨乐[19]等研究三峡中下游水体氨氮浓度变化特征相符。氨氮的双峰现象导致其健康风险和生态风险也会出现双峰现象。2019年10月以来，双峰现象大幅减弱，总体向好，2020年9月后天津市不涉及高风险。氨氮生态风险变化趋势与其健康风险变化趋势基本相符。天津市境内污染主要来源于工业企业、城镇生活以及农村面源排放[20]，说明天津市于2013—2016年实施的“清水河道行动”、2015年起实施的天津版“水十条”以及2018年实施的城市黑臭水体治理攻坚战成效显著，“一河一策”策略治理效果突出，政策的落地有效的化解了天津市地表水安全风险。仅2018年，天津对288家企业、108座污水处理厂完成提标改造及25条黑臭水体治理[13]，这对于减少氨氮排放起到积极作用。

天津市地表水氨氮健康风险和生态风险也存在明显的季节变化特征。地表水氨氮负荷的输出量与降雨、径流量存在较好的相关性，但与径流量的一致性更高，氨氮负荷的峰值集中在汛期，点源为城镇生活和工业源，排放量在年内基本均匀[21]。除与地表径流量有关外，还与硝化菌群的硝化作用有关。冬季地表水温度低，硝化作用相对缓慢，氨氮去存量速度较慢；加之不断排放的增量，导致冬季氨氮浓度增高，呈季节性变化趋势[22]。虽然夏季硝化菌群的硝化作用明显，对于降低氨氮生态风险起到关键作用，但夏季水温高，氨氮易转换成毒性较大的游离氨，在一定程度上又增加了氨氮的安全风险。在硝化作用和温度的正向作用下，秋季成为地表水氨氮健康风险最低的季节。

2.2.3 空间分布特征分析

天津市地表水氨氮健康风险存在明显空间差异，其中东丽区、西青区和武清区数值最高，

为3.5×10-3～3.7×10-3，河东区、滨海新区次之，静海区和蓟州区最低，分别为1.1×10-3和1.2×10-3。

这与符刚[12]研究结果（郊区＞滨海新区＞市区）基本相符。空间差异主要受产业布局、经济水平及功能定位等因素决定。降雨径流冲刷硬化路面累积的污染物是天津市区的关键源；西青和塘沽部分关键源区位于城镇用地，一部分由于点源污染物的排放引起，一部分是由城镇径流携带的污染物造成的；塘沽部分和东丽关键源区的土地利用类型为水田，污染负荷是由于农业生产过程中大量化肥的施用引起的[21]。

3 结论

（1）2016年8月—2020年12月：天津市地表水氨氮健康风险为1.14×10-4～2.35×10-2，远低于评价标准1；天津市地表水氨氮生态风险为0.3～25.4，夏季慢性生态风险为有风险或高风险；其余均为无风险或有风险。

（2）天津市地表水中氨氮健康风险和生态风险均存在双峰现象，每年2—3月和7—8月；2019年10月以来，双峰现象大幅减弱，总体向好，2020年9月后天津市不涉及高风险；健康风险存在明显季节变化特征，冬季＞春季＞夏季＞秋季；生态风险夏季与非夏季风险水平差异较大。

（3）天津市地表水氨氮健康风险存在明显空间差异，其中东丽区、西青区和武清区数值最高，为3.5×10-3～3.7×10-3，河东区、滨海新区次之，静海区和蓟州区最低，分别为1.1×10-3和1.2×10-3；天津市地表水氨氮生态风险存在明显空间差异，其中东丽区、武清区风险最高，西青区和南开区次之，红桥区、蓟州区和静海区风险最低。

参考文献：

[1] 侯姝君，孙海龙，李航，等.基于改进熵权模糊评价模型的锦江河流健康评价[J].四川环境，2022，41（5）：220-227.

[2] 殷伟，范德玲，汪贞，等.天津市地表水体与沉积物中7种高关注酚类化合物的污染特征与生态风险分析[J].生态毒理学报，2020， 15（1）： 230-241.

[3] 马武，韦林洪，王征远，等.集中式饮用水源地邻苯二甲酸酯类物质分布特征与健康风险评估[J].中国环境监测，2017，33（6）：69-77.

[4] 张清华，韦永著，曹建华，等.柳江流域饮用水源地重金属污染与健康风险评价[J].环境科学，2018，39（4）：1598-1607.

[5] 李新伟，崔永学，张扬，等.济南市市政供水三氯甲烷和四氯化碳含量及风险评估[J].环境卫生学杂志，2018，8（1）：42-45.

[6] 张新波，宋姿，张丹，等.天津供水系统中抗生素分布变化特征与健康风险评价[J].环境科学，2018，39（1）：99-108.

[7] 王恒，赵文艳.环境健康风险评估在某市河流型饮用水源中的应用[J].四川环境，2020，39（1）：112-118.

[8] 石璇，杨宇，徐福留，等.天津地区地表水中多环芳烃的生态风险[J].环境科学学报，2004，24（4）：619-624.

[9] 金修齐，黄代宽，赵书晗，等.松桃河流域氨氮和锰污染特征及生态风险评价[J].中国环境科学， 2021，41（1）：385-395.

[10] 王一喆，闫振广，张亚辉，等.七大流域氨氮水生生物水质基准与生态风险评估初探[J].环境科学研究，2016，29（1）：77-83．

[11] 符刚，曾强，赵亮，等.基于GIS的天津市飲用水水质健康风险评价[J].环境科学，2015，39（12）：4553-4560.

[12] 王秋莲，张震，刘伟.天津市饮用水源地水环境健康风险评价[J].环境科学与技术，2009，32（5）：187-190.

[13] 天津市生态环境状况公报[R].天津：天津市生态环境局，2018.

[14] 蔡睿堃，邓玉，倪福全，等.农村饮用水水源氮污染及健康风险的时空变化特征研究[J].四川大学学报（工程科学版），2015，47（增刊2）：40-46.

[15] 中华人民共和国生态环境部.环境污染物人群暴露评估技术指南：HJ 875—2017[S].

[16] 中华人民共和国生态环境部.污染场地风险评估技术导则：HJ 25.3—2014[S].

[17] 毕业亮，宿辉，刘洋，等.龙岗河氨氮生态风险及水生态功能评价研究[J].中国农村水利水电，2020（10）：100-105.

[18] USEPA.Aquatic life ambient water quality criteria for ammonia fresh water 2013[R].Washington DC：US EPA，Office of Water，2013：40-52．

[19] 杨乐，张烨，侯培强，等.三峡水库中下游水体氮磷时空变化与机制分析[J].长江流域资源与环境，2012，21（6）：732–740.

[20] 秦保平，房玉梅，高翔，等.天津市地表水环境氮污染特征及来源解析[J].城市环境与城市生态，2009，22（4）：37-40.

[21] 葛怀凤，秦大庸，周祖昊，等.基于污染迁移转化过程的海河干流天津段污染关键源区及污染类别分析[J].水利学报，2011，42（1）：61-67.

[22] 李琴，钟嶷，黄仁德，等. 2007年-2016年广州市水源水中氨氮季节变化分析[J].中国卫生检验杂志，2018，28（8）：986-988.