無錫市錫山區(qū)棕(褐)地環(huán)境風(fēng)險評價研究

林佳佳,王 維,居 婕,劉曉磊,孫 華 * (.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境與城鄉(xiāng)規(guī)劃系,江蘇 南京 0095；.江蘇省環(huán)境保護(hù)廳,江蘇 南京 0036)

棕(褐)地指廢棄的、閑置的或沒有得到充分利用的工業(yè)或商業(yè)用地及設(shè)施,在這類土地利用過程中,往往因存在著嚴(yán)重的環(huán)境污染而更為復(fù)雜[1].已有研究主要圍繞其概念、成因及整治等展開[2-5].而棕(褐)地自身也存在環(huán)境風(fēng)險[6-8].如何對城市棕(褐)地存在的環(huán)境風(fēng)險進(jìn)行識別與評價已經(jīng)成為城市環(huán)境管理中的重要內(nèi)容[9-10].

本文采用改進(jìn)的NAS四步法及潛在生態(tài)危害指數(shù)法分別對無錫市錫山區(qū)棕(褐)地存在的健康風(fēng)險和生態(tài)風(fēng)險進(jìn)行評價,敏感受體為居住在棕(褐)地附近的居民,包括成人和兒童.已有的運用NAS四步法對健康風(fēng)險進(jìn)行評價的研究中,一般選取美國環(huán)境保護(hù)局依據(jù)美國人群特征設(shè)定的參數(shù),考慮到模型參數(shù)對評價結(jié)果不確定性的影響,依據(jù)我國人群特征對相關(guān)模型參數(shù)進(jìn)行了修正.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域

無錫市錫山區(qū)位于江蘇省東南部,是長江三角洲地區(qū)重要的工業(yè)基地.近年來,錫山區(qū)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯轉(zhuǎn)變,傳統(tǒng)工業(yè)不斷外遷,出現(xiàn)大量棕(褐)地.

1.2 棕(褐)地樣點選取

本文以錫山區(qū)四大城市發(fā)展模塊,即錫東新城、安鎮(zhèn)—羊尖新市鎮(zhèn)、東港—錫北新市鎮(zhèn)、鵝湖新市鎮(zhèn)的棕(褐)地類型為基礎(chǔ),結(jié)合錫山區(qū)土地利用現(xiàn)狀與規(guī)劃圖、工礦企業(yè)分布圖資料,依地塊大小和污染程度選取21個樣點,在2010年9～12月進(jìn)行樣品采集和分析,采用垂直柱狀法,取混合土樣.風(fēng)干、研磨過100目篩,采用火焰原子吸收法測定土壤重金屬含量.

1.3 研究方法

1.3.1 健康風(fēng)險評價方法 采用NAS四步法對棕(褐)地存在的健康風(fēng)險進(jìn)行評價,該法的模型運算主要分布在暴露評價和風(fēng)險表征兩個階段.

1.3.1.1 暴露評價 錫山區(qū)棕(褐)地重金屬的暴露途徑主要有 3種,即不慎攝食污染土壤、皮膚接觸污染土壤及吸入污染土壤顆粒物[11-12],相應(yīng)分析模型如下:

(1)不慎攝食污染土壤

(2)皮膚接觸污染土壤

(3)吸入污染土壤顆粒物

式中: CDI為攝入的污染物,mg/(kg·d);CS為土壤中污染物質(zhì)濃度,mg/kg;IR1為土壤攝入量,mg/d;CF為單位轉(zhuǎn)換因子,kg/mg;EF為暴露頻率,d/a;ED為暴露期限,a;SA為接觸土壤的皮膚表面積,cm2;AF為土壤對皮膚的吸附系數(shù),mg/cm2;ABS為皮膚對污染物的吸收系數(shù);PEF為土壤塵產(chǎn)生因子,m3/kg;IR2為空氣攝入量,m3/d;AT為平均作用時間,d;BW為人群平均體重,kg.

1.3.1.2 風(fēng)險表征 參考世界衛(wèi)生組織(WHO)和國際致癌研究機(jī)構(gòu)(IARC)關(guān)于化學(xué)物質(zhì)致癌性編制的分類系統(tǒng),重金屬Cr、Pb、Cu和Zn均存在非致癌風(fēng)險,重金屬 Cd不但存在非致癌風(fēng)險還存在致癌風(fēng)險.

(1) 致癌風(fēng)險評價

致癌風(fēng)險是指人體暴露于某種致癌物質(zhì)下所引起的癌癥發(fā)生的概率,其值是通過平均到整個生命周期的平均每天攝入量(CDI)乘以不慎攝食、皮膚接觸或呼吸吸入致癌斜率系數(shù)(CSF)計算得出,即:

式中:CR為致癌風(fēng)險值;CDI為平均每天攝入量(假設(shè)生命周期為 70a),mg/(kg·d);CSF為各種暴露途徑的致癌風(fēng)險斜率系數(shù), kg·d/mg.

(2) 非致癌風(fēng)險評價

非致癌風(fēng)險值是通過平均每天攝入量(CDI)除以每一種暴露途徑相對應(yīng)的參考劑量(RFD)計算得出,即:

式中:HQ為非致癌風(fēng)險值;CDI為平均每天攝入量(平均到整個暴露作用期),mg/(kg·d);RFD 為參考劑量,mg/(kg·d).

表1 暴露評價參數(shù)值Table 1 Exposure assessment parameters

1.3.1.3 參數(shù)取值 本文暴露評價中各參數(shù)的計算參考值主要參照美國環(huán)保署的《暴露評價指南》[13]確定,但由于《暴露評價指南》中參數(shù)值界定是以美國當(dāng)?shù)厝梭w皮膚面積與暴露人群的種族作為參考,若直接采用國外人體參數(shù)數(shù)據(jù),將會對評估結(jié)果產(chǎn)生不利影響, 從而影響整個健康風(fēng)險評價的準(zhǔn)確性.

同時,考慮到我國的實際情況,各參數(shù)計算參考值也根據(jù)有關(guān)健康風(fēng)險評價文獻(xiàn)[14-17]中給出的參考值以及我國《工業(yè)企業(yè)土壤環(huán)境質(zhì)量風(fēng)險評價基準(zhǔn)》(HJ/T25-1999)中的暴露參考值做出了相應(yīng)修正,修正過程如下,修正結(jié)果見表1.

(1) 其中土壤攝入量、單位轉(zhuǎn)換因子、暴露頻率、暴露期限、致癌平均作用時間與非致癌作用時間修正依據(jù)《工業(yè)企業(yè)土壤環(huán)境質(zhì)量風(fēng)險評價基準(zhǔn)》(HJ/T25-1999)[18]、《場地風(fēng)險評估技術(shù)導(dǎo)則》確定.

(2) 其中接觸土壤的皮膚表面積、土壤對皮膚的吸附系數(shù)、皮膚對污染物吸收系數(shù)的修正過程如下:目前由于中國人皮膚表面積的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)極為匱乏,間接估算時存在一定不完整性,修正數(shù)據(jù)借鑒其他亞洲國家人體參數(shù)[14]、全國范圍內(nèi)的大型調(diào)查和文獻(xiàn)報道數(shù)據(jù)[15]等方式,而國內(nèi)文獻(xiàn)中得出的參數(shù)值一致性高[16-17],故進(jìn)行修正.人群平均體重、空氣攝入量依據(jù)國內(nèi)人口統(tǒng)計數(shù)據(jù)及相關(guān)中國衛(wèi)生統(tǒng)計資料.本文風(fēng)險表征中 CSF和 RFD的計算參考值主要參照《場地環(huán)境評價導(dǎo)則》、美國環(huán)保局頒布的《Cancer dose-response assessment and application to environmental mixtures》[19](US EPA 1996)以及有關(guān)健康風(fēng)險評價文獻(xiàn)[18-20]中給出的參考值確定,見表2.

表2 健康風(fēng)險評價模型參數(shù)CSF和RFD值Table 2 The value of CSF and RFD in health risk assessment model

1.3.1.4 風(fēng)險可接受水平的確定 一般認(rèn)為可接受非致癌風(fēng)險閾值為 1[21],而對于可接受致癌風(fēng)險則沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),本文參照我國污染場地風(fēng)險評估技術(shù)導(dǎo)則中的規(guī)定,以 10-6作為最大的致癌風(fēng)險可接受水平.

1.3.2 生態(tài)風(fēng)險評價方法 采用潛在生態(tài)危害指數(shù)法對棕(褐)地存在的生態(tài)風(fēng)險進(jìn)行評價.

(1) 單個重金屬污染系數(shù)(the factor of contamination),Cif.

式中:Cif為某種金屬的污染系數(shù);Ci實測為某種重金屬的實測值;Ci背景為某種重金屬的背景值.

本文土壤重金屬背景值的選取主要參考研究區(qū)域附近地區(qū)土壤重金屬背景值的相關(guān)研究文獻(xiàn)[22-24]來確定,見表3.

(2) 土壤重金屬污染度Cd,是多種重金屬污染系數(shù)之和.

(3) 重金屬毒性響應(yīng)系數(shù)Tir,該系數(shù)反映了重金屬在生物相、沉積相和水相之間的響應(yīng)關(guān)系,本文采用Hakanson制定的標(biāo)準(zhǔn)化重金屬毒性響應(yīng)系數(shù),見表3.

表3 土壤重金屬背景值與毒性系數(shù)Table 3 The background values and toxicity index of soil heavy metal

(4)單個重金屬的潛在生態(tài)危害系數(shù)(the potential ecological risk index),Eir.

(5)土壤重金屬潛在生態(tài)危害指數(shù)(the potential ecological risk index),RI.

重金屬污染潛在生態(tài)危害程度分級[24-25]見表4.

表4 重金屬污染潛在生態(tài)危害指標(biāo)與分級關(guān)系Table 4 The potential ecological risk index and graded relationship of the heavy metal pollution

2 結(jié)果與分析

2.1 健康風(fēng)險

2.1.1 致癌風(fēng)險 根據(jù)式(1)～式(4)以及表1～表3中的各參數(shù)值,計算得出錫山區(qū)棕(褐)地致癌風(fēng)險.由圖1可見,錫山區(qū)棕(褐)地致癌風(fēng)險值總體小于致癌風(fēng)險可接受水平,但已非常接近,說明致癌風(fēng)險問題較嚴(yán)重.其中,兒童受到的致癌風(fēng)險明顯高于成人,主要是不慎攝食土壤暴露途徑造成的,在皮膚接觸土壤與吸入污染顆粒暴露途徑產(chǎn)生的致癌風(fēng)險中兒童明顯低于成人,因成人的皮膚表面積與呼吸量均比兒童大.在錫山區(qū)四大發(fā)展模塊中,錫東新城棕(褐)地致癌風(fēng)險值最大,鵝湖新市鎮(zhèn)棕(褐)地致癌風(fēng)險值最小,安鎮(zhèn)—羊尖新市鎮(zhèn)與東港—錫北新市鎮(zhèn)棕(褐)地致癌風(fēng)險水平相近,這主要是因為錫東新城是錫山區(qū)工業(yè)發(fā)展的核心區(qū)域,原先的污染企業(yè)較多,污染程度最高.安鎮(zhèn)—羊尖新市鎮(zhèn)與東港—錫北新市鎮(zhèn)工業(yè)發(fā)展情況相類似,鵝湖新市鎮(zhèn)是錫山區(qū)新興產(chǎn)業(yè)及高科技產(chǎn)業(yè)集中區(qū)域,污染程度最低.

圖1 錫山區(qū)棕(褐)地對成人和兒童致癌風(fēng)險值(成人與兒童)Fig.1 The brownfield cancer risk in Xishan District(adult and child)

2.1.2 非致癌風(fēng)險 根據(jù)式(1)～式(3)和式(5)以及表1～表3中的各參數(shù)值,計算得出錫山區(qū)棕(褐)地非致癌風(fēng)險值,見圖2.

由圖 2可以看出,錫山區(qū)棕(褐)地非致癌風(fēng)險狀況與致癌風(fēng)險狀況類似,其值不管是針對成人還是兒童,總體來說都小于非致癌風(fēng)險可接受水平,但是已經(jīng)非常接近,說明棕(褐)地產(chǎn)生的非致癌風(fēng)險問題也已經(jīng)比較嚴(yán)重,這符合錫山區(qū)的實際情況;成人和兒童相比較,成人受到的非致癌風(fēng)險明顯高于兒童,但是成人在不慎攝食土壤暴露途徑中受到的非致癌風(fēng)險低于兒童,這主要與兒童不慎攝食土壤的概率較大;在錫山區(qū)四大發(fā)展模塊中,錫東新城棕(褐)地非致癌風(fēng)險值同樣最高,污染最為嚴(yán)重,這主要是因為錫東新城是錫山區(qū)工業(yè)發(fā)展的核心區(qū)域,原有高污染企業(yè)較多,污染程度最為嚴(yán)重;在3種不同的暴露途徑中,吸入污染顆粒途徑產(chǎn)生的非致癌風(fēng)險水平最低,產(chǎn)生非致癌風(fēng)險水平最高的暴露途徑是皮膚接觸土壤途徑.

從圖 3還可以得出以下結(jié)論:不管是針對成人還是兒童,重金屬Pb和Cr相對于其他3種重金屬Cd、Cu和Zn來說,產(chǎn)生的非致癌風(fēng)險指數(shù)均較大,尤其是Pb在錫山區(qū)棕(褐)地非致癌風(fēng)險中的貢獻(xiàn)率最大,重金屬Pb和Cr是錫山區(qū)棕(褐)地非致癌風(fēng)險最主要的風(fēng)險源.

2.2 生態(tài)風(fēng)險

根據(jù)式(6)～式(8)和式(9)以及表4和表5中的各參數(shù)值,計算得出錫山區(qū)棕(褐)地重金屬污染物質(zhì)的潛在生態(tài)危害系數(shù)Eir及潛在生態(tài)危害指數(shù)RI,具體數(shù)值見表5.

圖2 錫山區(qū)棕(褐)地非致癌風(fēng)險值(成人與兒童)Fig.2 The brownfield non-cancer risk in Xishan District(adult and child)

由表 5可以看出,在總的潛在生態(tài)風(fēng)險程度方面,錫山區(qū)棕(褐)地存在的潛在生態(tài)風(fēng)險處于中度危害水平.在錫山區(qū)四大發(fā)展模塊中,錫東新城棕(褐)地存在的潛在生態(tài)風(fēng)險水平最高,東港—錫北新市鎮(zhèn)與安鎮(zhèn)—羊尖新市鎮(zhèn)棕(褐)地存在的潛在生態(tài)風(fēng)險水平緊接其后,均處于中度危害水平,鵝湖新市鎮(zhèn)棕(褐)地存在的潛在生態(tài)風(fēng)險水平最低,處于輕度危害水平,這主要是因為錫東新城是錫山區(qū)工業(yè)發(fā)展的核心區(qū)域,污染企業(yè)較多,污染程度最高;安鎮(zhèn)—羊尖新市鎮(zhèn)與東港—錫北新市鎮(zhèn)工業(yè)發(fā)展情況相類似,污染程度相近;鵝湖新市鎮(zhèn)是錫山區(qū)新興產(chǎn)業(yè)及高科技產(chǎn)業(yè)集中區(qū)域,污染程度最小.在單因子污染物生態(tài)風(fēng)險程度方面,就錫山區(qū)整體而言,重金屬 Cd產(chǎn)生的潛在生態(tài)風(fēng)險水平最高,處于較強危害水平,重金屬Cr、Pb、Cu和Zn產(chǎn)生的潛在生態(tài)風(fēng)險均處于輕度危害水平;就錫山區(qū)四大發(fā)展模塊而言,重金屬 Cd產(chǎn)生的潛在生態(tài)風(fēng)險最嚴(yán)重,其中,在錫東新城,重金屬 Cd產(chǎn)生的潛在生態(tài)風(fēng)險處于很強危害水平,在東港—錫北新市鎮(zhèn)和安鎮(zhèn)—羊尖新市鎮(zhèn),重金屬 Cd產(chǎn)生的潛在生態(tài)風(fēng)險均處于較強危害水平,在鵝湖新市鎮(zhèn),重金屬 Cd產(chǎn)生的潛在生態(tài)風(fēng)險處于中度危害水平,其余重金屬Cr、Pb、Cu和 Zn在錫山區(qū)四大發(fā)展模塊中產(chǎn)生的潛在生態(tài)風(fēng)險均處于輕度危害水平.

圖3 錫山區(qū)棕(褐)地重金屬對人體非致癌風(fēng)險指數(shù)Fig.3 The brownfield hazard quotients and risk for each element in Xishan District

表5 錫山區(qū)棕(褐)地重金屬潛在生態(tài)危害系數(shù)Eir及潛在生態(tài)危害指數(shù)RITable 5 The brownfield heavy metals potential ecological risk index Eir and RI in Xishan District

3 結(jié)論

3.1 錫山區(qū)棕(褐)地產(chǎn)生的健康風(fēng)險,不論是致癌風(fēng)險還是非致癌風(fēng)險均已非常接近風(fēng)險可接受水平;在錫山區(qū)四大發(fā)展模塊中,錫東新城發(fā)展模塊相比其他三大發(fā)展模塊,存在的致癌風(fēng)險與非致癌風(fēng)險都是最大的;在三大暴露途徑中,吸入污染顆粒暴露途徑與其他兩種暴露途徑相比,產(chǎn)生的致癌風(fēng)險與非致癌風(fēng)險均是最小的;重金屬Pb和Cr是錫山區(qū)棕(褐)地產(chǎn)生非致癌風(fēng)險的主要風(fēng)險源.

3.2 錫山區(qū)棕(褐)地存在的生態(tài)風(fēng)險比較嚴(yán)重,其主要風(fēng)險源是重金屬 Cd;與健康風(fēng)險情況類似,在錫山區(qū)四大發(fā)展模塊中,錫東新城發(fā)展模塊存在的生態(tài)風(fēng)險最大.

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