基于蒙特卡羅模擬的巖溶地下水健康風(fēng)險評價

賈方建

（河南理工大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，河南 焦作 454000）

北方地區(qū)包含100多個巖溶水系統(tǒng)，巖溶水資源總量為108×108m3/a，因具有高度集中和水質(zhì)良好等特點成為重要的生活和工業(yè)水源[1]。北方119個巖溶水系統(tǒng)中，有83個具有“煤在樓上，水在樓下”的水煤共生結(jié)構(gòu)特點，受到氣候變化和煤礦開采的影響，巖溶地下水極易遭到污染，水質(zhì)性缺水已成為現(xiàn)階段北方巖溶泉域面臨的嚴(yán)峻問題[2-3]。目前，對地下水質(zhì)量的評價一般在參考《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 14848——2017）的基礎(chǔ)上，采用單因子評價和內(nèi)梅羅指數(shù)法評價區(qū)域地下水水質(zhì)狀況和污染情況。此評價體系忽略了有毒有害金屬元素對水環(huán)境的影響，無法解釋飲用地下水時，是否會產(chǎn)生近期或者長期金屬元素造成的健康危害[4]。另外，國內(nèi)外采用的健康風(fēng)險評價方法多基于美國國家環(huán)境保護(hù)局（USEPA）推薦的健康風(fēng)險模型，此方法適用性較強(qiáng)，但為確定性評價模型，評價結(jié)果為單一數(shù)值。在取樣點較少的情況下，評價區(qū)域地下水健康風(fēng)險存在較大偏差。針對上述問題，本研究將蒙特卡羅模擬技術(shù)引入健康風(fēng)險評價體系中，針對北方典型泉域——許家溝泉域，估算巖溶地下水中金屬元素對人體健康造成的潛在危害，并通過敏感性分析判斷各微量元素質(zhì)量濃度和暴露參數(shù)對健康風(fēng)險評估結(jié)果的影響程度，為加強(qiáng)泉域巖溶地下水環(huán)境保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

本研究以鶴壁市許家溝泉域為研究對象，研究區(qū)位于太行山與華北平原過渡帶，泉域內(nèi)存在多個生產(chǎn)或已關(guān)閉煤礦，造成地下水污染，給當(dāng)?shù)鼐用駧砹私】碉L(fēng)險。泉域地勢大致為西北及西南略高、向東傾斜，屬北溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，泉域補(bǔ)給以大氣降水和河流側(cè)向滲漏補(bǔ)給為主，受地形和地質(zhì)構(gòu)造影響，巖溶地下水向東徑流，在巨厚層頁巖和砂巖層的阻擋下，轉(zhuǎn)向南徑流；受河流切割影響，在淇河北岸許家溝處以泉群形式集中排泄。全年7～9月為豐水期， 12月至次年4月為枯水期。本研究在2018年11月采集巖溶水地下水水樣，所取水樣均為奧陶系灰?guī)r水。取樣前，用待測水樣潤洗600 mL取樣瓶3次，取樣后用0.45 μm微孔濾膜過濾，并在水樣中加入適量優(yōu)質(zhì)HNO3酸化至pH小于2，再進(jìn)行密封處理，使用ICP-MS測定所有水樣中Ba、Ni、Cr、Cu、Pb和Zn 6種金屬元素的質(zhì)量濃度。檢測結(jié)果如表1所示。

表1 巖溶水金屬元素質(zhì)量濃度

2 基于蒙特卡羅模擬的健康風(fēng)險評價

2.1 健康風(fēng)險評價

健康風(fēng)險評價是用來評估有毒有害物質(zhì)對人體構(gòu)成的危害的一種模型，包括危害識別、暴露評估、毒性評估和風(fēng)險表征。根據(jù)世界衛(wèi)生組織（WHO）和國際癌癥研究機(jī)構(gòu)（IARC）的金屬元素分析數(shù)據(jù)，確定Cr為致癌性微量元素，Ba、Ni、Cu、Pb和Zn為非致癌性微量元素[5]。地下水中的金屬元素主要通過飲水方式進(jìn)入人體，故選擇飲水途徑評估成人及兒童的日均暴露劑量、致癌和非致癌金屬元素造成的健康風(fēng)險[6]。日均暴露劑量計算參照式（1），致癌性和非致癌性金屬元素健康風(fēng)險評價模型參照式（2）和式（3），致癌性金屬元素健康風(fēng)險評價模型參數(shù)如表2所示，致癌強(qiáng)度系數(shù)和非致癌參考劑量如表3所示。致癌健康風(fēng)險可接受程度在1×10-4～1×10-6a-1，本研究選用5×10-5a-1作為最大可接受風(fēng)險水平，選用1×10-8a-1作為可忽略風(fēng)險水平。

表2 致癌性金屬元素健康風(fēng)險評價模型參數(shù)

表3 金屬元素致癌強(qiáng)度系數(shù)和非致癌參考劑量

飲水?dāng)z入的日均暴露劑量：

致癌性金屬元素健康風(fēng)險評價模型：

非致癌性金屬元素健康風(fēng)險評價模型：

總健康風(fēng)險：

2.2 蒙特卡羅模擬

蒙特卡羅模擬是將所求解的問題同一定概率模型相聯(lián)系，將自變量轉(zhuǎn)換為概率分布函數(shù)，通過隨機(jī)模擬迭代計算，獲得累計概率分布圖。具體分析步驟：（1）利用Crystal Ball軟件的批次擬合功能，確定各金屬元素服從的概率分布。（2）通過分析前人研究成果，確定模型參數(shù)中各參數(shù)服從的概率分布。（3）根據(jù)式（1）～（3）建立評價模型，模擬計算成人、兒童日均暴露劑量以及致癌和非致癌風(fēng)險評價的概率分布。其中，將隨機(jī)迭代次數(shù)設(shè)置為10 000次，置信區(qū)間設(shè)定為5.00%～95.00%。（4）利用Crystal Ball軟件的靈敏度分析功能，分析各微量元素質(zhì)量濃度及各參數(shù)對健康風(fēng)險水平影響的靈敏度。

3 評價結(jié)果與討論

3.1 致癌健康風(fēng)險

平水期巖溶地下水致癌健康危害風(fēng)險值概率分布如圖1所示。由圖1可知，在[5.00%，95.00%]置信區(qū)間，平水期成人和兒童經(jīng)飲水途徑受到致癌性微量元素Cr的健康風(fēng)險范圍為2.28×10-5～1.43×10-4a-1、3.12×10-5～1.53×10-4a-1，均值分別為6.90×10-5a-1、7.84×10-5a-1，超過了最大可接受風(fēng)險水平5.00×10-5a-1，會對人體健康造成損害；因兒童飲水量和體重等各方面因素，兒童的致癌風(fēng)險總大于成人，兒童成為更加敏感的風(fēng)險受體，故在對該區(qū)域地下水中的Cr進(jìn)行優(yōu)先監(jiān)測和控制的同時，應(yīng)對兒童飲用地下水進(jìn)行更為嚴(yán)格的控制和管理。針對泉域巖溶水，趙慶令等[12]在調(diào)查魯中南雙溪村巖溶水時發(fā)現(xiàn)，致癌微量元素Cr的個人年風(fēng)險均值為 7.19×10-5a-1，為區(qū)域內(nèi)首要污染物；在省內(nèi)其他城市的地下水健康風(fēng)險評價中，王凡等[13]對商丘市虞城縣惠樓村地下水重金屬進(jìn)行了測定和評價，結(jié)果表明：所有測試樣點化學(xué)致癌物Cr和Cd的個人年風(fēng)險都在1.00×10-4a-1以上，且Cr對總風(fēng)險的貢獻(xiàn)率達(dá)到了96.73%，是主要致癌物；劉洋等[14]對鄭州市地下飲用水源進(jìn)行環(huán)境健康風(fēng)險評價指出，由化學(xué)致癌性金屬元素產(chǎn)生的健康風(fēng)險在10-6～10-5a-1，且Cr的風(fēng)險值最高，與本研究結(jié)果一致。

圖1 平水期巖溶地下水致癌健康危害風(fēng)險值概率分布

3.2 非致癌健康風(fēng)險

研究區(qū)巖溶地下水中非致癌微量元素的健康危害風(fēng)險值概率分布如圖2所示。由圖2可知，成人及兒童經(jīng)飲水途徑受到非致癌性微量元素Ba、Ni、Cu、Pb、Zn的平均年健康風(fēng)險數(shù)量級在10-11～10-9a-1，對數(shù)變換后為-12.0～-8.5。即每千萬人口中因飲用地下水受到非致癌健康危害（死亡）的不到1人，且最大值遠(yuǎn)低于可忽略水平10-8a-1（對數(shù)變換后為-8.0），不會對暴露人群產(chǎn)生健康危害。

圖2 非致癌性金屬元素健康風(fēng)險分布

3.3 敏感性分析

通過敏感性分析判定各微量元素及暴露參數(shù)對健康風(fēng)險評估結(jié)果的影響程度。敏感性分析所得敏感度的絕對值越大，表示該參數(shù)對風(fēng)險評估的影響也越大，正值和負(fù)值分別代表與最終健康風(fēng)險的結(jié)果呈正相關(guān)和負(fù)相關(guān)。利用Crystal Ball 11.1軟件對巖溶水進(jìn)行敏感性分析，結(jié)果如圖3所示。對于成人總健康風(fēng)險，日平均飲水量的敏感度最高，為50.2%，其次為Cr元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)、暴露頻率、成人人均體重，分別為21.4%、16.6%和-10.1%；對于兒童總健康風(fēng)險， Cr元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)敏感度最高，為27.6%，其次為暴露頻率、兒童人均體重和日均飲水量，分別為24.9%、-23.5%和22.1%?？偨】碉L(fēng)險與日平均飲水量（IR）、Cr質(zhì)量分?jǐn)?shù)和暴露頻率（EF）呈正相關(guān)，與人均體重（BW）呈負(fù)相關(guān)。人均體重越小，總健康風(fēng)險越高。因此，應(yīng)降低成人和兒童對地下水的暴露頻率，適當(dāng)減少成人飲水量，并將Cr元素作為風(fēng)險決策管理的重點。

圖3 風(fēng)險模型中的敏感性分析

蒙特卡羅模擬與傳統(tǒng)基于質(zhì)量濃度平均值確定性評價相比，在一定程度上對健康風(fēng)險模型進(jìn)行了量化分析，降低了風(fēng)險評價中的不確定性。但是，本研究仍存在一定不足。首先，在暴露途徑上，本研究僅針對金屬元素通過飲水?dāng)z入途徑產(chǎn)生的健康風(fēng)險，而未完整地評價食入、呼吸和皮膚接觸3種方式通過大氣、土壤、水和食物鏈4種途徑進(jìn)入人體的危害；其次，未對全年各個時期進(jìn)行評價；最后，對于模型參數(shù)，僅考慮到暴露參數(shù)的不確定性，而毒性閾值（SF和RfD）借鑒了國外現(xiàn)有的研究成果，未考慮誤差對計算健康風(fēng)險的影響。在評價的各個環(huán)境均會產(chǎn)生一定的誤差和不確定性，而降低風(fēng)險評價中的不確定性將成為今后工作的重中之重。

4 結(jié)論

（1）將蒙特卡羅模擬引入巖溶地下水健康風(fēng)險評價中，可計算致癌、非致癌風(fēng)險水平的概率分布，降低結(jié)果的不確定性。

（2）成人和兒童受到致癌物Cr的健康風(fēng)險均值分別達(dá)到了6.90×10-5a-1和7.84×10-5a-1，超過了最大可接受風(fēng)險5×10-5a-1，有較大的健康風(fēng)險。非致癌性金屬元素不會對人體產(chǎn)生健康危害。

（3）敏感性結(jié)果分析表明：暴露參數(shù)中暴露頻率和飲水量對結(jié)果的影響較大，金屬元素Cr對評價結(jié)果的影響最大。因此，將巖溶地下水中的Cr作為風(fēng)險決策管理重點，適量減少成人飲水量、降低暴露頻率，并且重點關(guān)注兒童的飲水風(fēng)險。