袁 宇,譚 璐,舒 倩,陳丹丹,楊海君
(1. 湘潭中環(huán)水務(wù)有限公司,湖南 湘潭 411100;2. 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,湖南 長沙 410128;3. 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院,湖南 長沙 410128)
據(jù)世界衛(wèi)生組織統(tǒng)計(jì),飲用水因衛(wèi)生不達(dá)標(biāo)引起疾病的占80%,尤其是20%的癌癥疾病與飲用水不良相關(guān)[1]。受工業(yè)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等影響,大量的污染物進(jìn)入飲用水核心區(qū)水體、土壤及區(qū)域內(nèi)水生動(dòng)植物中,致使我國飲用水水源受到不同程度污染,嚴(yán)重影響到水源地水環(huán)境質(zhì)量和人體健康[2]。所以,水環(huán)境的健康風(fēng)險(xiǎn)研究受到社會(huì)的日益關(guān)注和重視。近幾年,國內(nèi)外學(xué)者多見采用風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型簡單計(jì)算水體中污染物對(duì)人體健康狀況的影響,而未考慮評(píng)價(jià)過程中不確定性以及結(jié)果的可靠性[3]。隨著社會(huì)對(duì)飲用水水質(zhì)的注意力轉(zhuǎn)向于人體健康,對(duì)飲用水水環(huán)境進(jìn)行健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)成為當(dāng)前的熱點(diǎn)。目前國內(nèi)常采用美國環(huán)境保護(hù)署推薦的健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型進(jìn)行飲用水水環(huán)境健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[4-6]。模型綜合考慮了水環(huán)境中污染物危害程度、暴露水平和暴露時(shí)間等因子,通過建立特定的污染物質(zhì)計(jì)量與健康效應(yīng)定量關(guān)系,來定量評(píng)價(jià)污染物對(duì)健康存在的危害性,使評(píng)價(jià)指標(biāo)與人體健康緊密聯(lián)系。同時(shí)還可確定研究地主要污染物及治理的優(yōu)先順序,由此,評(píng)價(jià)結(jié)果更具現(xiàn)實(shí)意義。
位于湘江邊的湘潭市某水廠是湖南省163 個(gè)主要的飲用水水源地之一,其水環(huán)境質(zhì)量直接影響到當(dāng)?shù)厝罕姷娜梭w健康。文獻(xiàn)[7 - 11]對(duì)流經(jīng)該水源地的上、下游其他斷面水環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行了安全性等研究,但對(duì)該水源地水環(huán)境的各項(xiàng)監(jiān)測(cè)僅限于污染物濃度是否符合國家飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),重點(diǎn)放在污染物是否超標(biāo)上,而忽視了與人體健康密切相關(guān)的未超標(biāo)低濃度有毒物質(zhì)的危害。根據(jù)湘江斷面水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示,該水源地水體中除NH3-N、TP 存在超《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn):GB3838—2002》標(biāo)準(zhǔn)限值Ⅲ類外,其他毒性物質(zhì)濃度均符合《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》飲用水要求[12],但水體對(duì)供應(yīng)區(qū)域人群的身體健康是否存在潛在危害卻不能直觀反映出來。由于該水廠取水口處于湘江底泥重金屬含量高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域,底泥中的重金屬威脅到水質(zhì)安全[13-14]。此外,該取水口水環(huán)境質(zhì)量除受周圍土壤重金屬污染影響外,還受到上游水質(zhì)等影響。毒性物質(zhì)會(huì)在該水源地核心區(qū)域累積,毒性加倍,水環(huán)境的危害性也更為嚴(yán)重。因此,對(duì)該水廠飲用水水環(huán)境健康風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
本研究依據(jù)湘潭市某水廠取水口2013 年1 月~2019 年12 月每月的水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),采用美國環(huán)境保護(hù)署推薦的水環(huán)境健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型,對(duì)該水廠取水口水環(huán)境進(jìn)行健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià),探究該水廠的水環(huán)境健康風(fēng)險(xiǎn)情況,研究其時(shí)間變化特征,以期為湘潭河?xùn)|地區(qū)水環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)管理提供依據(jù)。
該水廠位于湘潭市河?xùn)|五里堆,緯度27°51′53.57",經(jīng)度112°56′18.36",原取水口位于長株潭城際鐵路湘江特大橋下游約50 m 處,為確保取水口水質(zhì)不受湘潭三橋交通干線穿越影響,現(xiàn)取水口移至湘潭三橋上游230 m 處,水廠一期、二期工程分別始于1978 年、1988 年,自1978 年建成投入使用以來,為湘潭河?xùn)|地區(qū)數(shù)十萬居民提供生活用水。為緩解河?xùn)|地區(qū)用水壓力和有效改善取水口水質(zhì),該水廠分別于2015 和2018 年進(jìn)行提質(zhì)改造,目前供水覆蓋人口約50 萬。
水質(zhì)監(jiān)測(cè)參數(shù)及測(cè)定項(xiàng)目分別為:生物參數(shù)(糞大腸菌群)、氧平衡參數(shù)(溶解氧、化學(xué)需氧量和生化需氧量)、常規(guī)參數(shù)(pH)、重金屬參數(shù)(Fe、Mn、Cu、Zn、Cd、Hg、Cr6+、Pb、As 和Se)、有機(jī)污染物參數(shù)(揮發(fā)酚、石油類、陰離子表面活性劑、三氯甲烷和四氯化碳)和無機(jī)污染物參數(shù)(氨氮、總磷、高錳酸鹽指數(shù)、氟化物、氰化物、氯化物、硫化物、硫酸鹽和硝酸鹽)。
按照《生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)方法 感官性狀和物理指標(biāo):GB/T 5750.4—2006》《生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)方法 金屬指標(biāo):GB/T 5750.6—2006》《生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)方法 有機(jī)物指標(biāo):GB/T 5750.8—2006》的要求,于2013 年1 月~2019 年12 月每月分別采集湘潭某水廠取水口水樣,測(cè)定樣品中的化學(xué)致癌物和非化學(xué)致癌物。野外采樣及樣品處理等參照《水域生態(tài)系統(tǒng)觀測(cè)規(guī)范》[15],水樣過0.45 μm 膜,按照《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn):GB3838—2002》《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法(第四版)》[16]中規(guī)定的方法檢測(cè),嚴(yán)格執(zhí)行空白樣、平行樣、加標(biāo)樣和密碼樣等質(zhì)控措施。
綜合污染指數(shù)法見文獻(xiàn)[17 - 18];污染物分擔(dān)率見文獻(xiàn)[19];健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)見文獻(xiàn)[20]。
采用SPSS 21.0 和Excel 2010 統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析,Graphpad Prime 進(jìn)行作圖。
湘潭市某水廠飲用水水源地一級(jí)保護(hù)區(qū)2013~2019 年水環(huán)境參數(shù)年度變化,見表1。
表1 湘潭市某水廠飲用水水源地水質(zhì)參數(shù)年度變化mg·L-1
表1 可知,與《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn):GB 3838—2002》Ⅱ類集中式生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)的污染物限值相比,取水口水環(huán)境監(jiān)測(cè)的29 個(gè)指標(biāo)中,除糞大腸菌群、揮發(fā)酚、Hg 和TP 外,其他監(jiān)測(cè)指標(biāo)年均值均低于Ⅱ類集中式生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)。其中超標(biāo)年數(shù)最多的是糞大腸菌群,其次是揮發(fā)酚、Hg,最后是TP,而在月均值超過Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn)的月份數(shù)上表現(xiàn)為揮發(fā)酚最多,其次是糞大腸菌群、Hg,最后是TP,此外,NH3-N 和Fe 也是該水廠取水口水質(zhì)的次要污染指標(biāo)。有研究顯示[21],在株洲、衡陽、湘潭和長沙4 個(gè)城市中,位于湘潭市上游的株洲地區(qū)年平均污染指數(shù)最高,是湖南省最重要的工業(yè)城市,集中了大型的化工廠、冶煉廠,大量污水排入湘江導(dǎo)致其水質(zhì)嚴(yán)重惡化。由于重金屬遷移性能強(qiáng),對(duì)下游湘潭的水質(zhì)造成了嚴(yán)重影響。2013~2019年NH3-N 濃度總體下降,變化趨勢(shì)比較平穩(wěn),含量得到了有效的控制。而TP 除在2013 年超Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn)外,其余年份變化平緩,這與2013 年湖南省將湘江保護(hù)與治理工作確定為省政府“一號(hào)重點(diǎn)工程”,并開始實(shí)施“三年行動(dòng)計(jì)劃”密切相關(guān)[22]。
根據(jù)湘江流域近30 年的徑流量與水位的變化規(guī)律,上一年度11~12 月至當(dāng)年度1~2 月為枯水期、當(dāng)年度5~8 月為豐水期、當(dāng)年度3~4 月與9~10 月為平水期[23],以此對(duì)該水廠飲用水源地一級(jí)保護(hù)區(qū)各水期水質(zhì)污染水平進(jìn)行分析,見表2。
表2 可知,在不同水期污染物的含量不一樣,Cu、Cr6+和BOD5的大小順序?yàn)椋贺S水期>平水期>枯水期;As、Pb 和四氯化碳的大小順序?yàn)椋贺S水期>枯水期>平水期;Zn、Cd 的大小順序?yàn)椋嚎菟冢矩S水期>平水期;DO、NH3-N 的大小順序?yàn)椋嚎菟冢酒剿冢矩S水期;三氯化碳的的大小順序?yàn)椋浩剿冢矩S水期>枯水期;pH 值總體變化不大,處于7.53~7.97 之間;DO 值表現(xiàn)為豐水期值最低,這是因?yàn)樨S水期在夏季,水溫越高,水中鹽度越大,DO 越低[24]。另外,豐水期也是區(qū)域內(nèi)農(nóng)業(yè)活動(dòng)最頻繁時(shí)期,取水口上游及周邊大量有機(jī)污染物進(jìn)入水體,而有機(jī)污染物降解需要耗費(fèi)一定溶解氧,這也是造成水體中氧含量偏低的主要原因之一[25];BOD5在各水期較穩(wěn)定,穩(wěn)定在2 mg/L 左右;COD 在2019 年豐水期出現(xiàn)超過Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn)情況;揮發(fā)酚和陰離子表面活性劑濃度較穩(wěn)定;硝酸鹽、氯化物等無機(jī)污染物在枯水期含量最高,水體中豐水期TP 含量比其他水期高,這主要是強(qiáng)降雨對(duì)土壤的淋濾作用所致[25]。水體中枯水期NH3-N 濃度相比其他水期有所升高,這是因?yàn)榭菟谒鲃?dòng)性較差,NH3-N 降解也趨緩,受上游來水污染影響大,這與劉文珺[25]的研究結(jié)果一致。
表2 湘潭市某水廠飲用水水源地水環(huán)境參數(shù)水期變化mg·L-1
從各水期水質(zhì)參數(shù)超標(biāo)情況看,該水廠取水口水體中僅糞大腸菌群、Hg、揮發(fā)酚、NH3-N 和TP 出現(xiàn)超Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn)情況,所以著重分析這5 個(gè)指標(biāo)在2013~2019 年枯水期、平水期和豐水期的變化特征,見圖1。
圖1 Hg、揮發(fā)酚、NH3-N 和TP 濃度年度水期變化特征
圖1 可知,2013 年Hg 濃度在枯水期出現(xiàn)超標(biāo),為Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn)的1.09 倍;2014 年Hg 濃度在平水期和豐水期出現(xiàn)超標(biāo)情況;2015 年和2016 年各水期Hg 濃度均未超標(biāo);2017 年Hg 在3 個(gè)水期的濃度均超標(biāo);2018 年枯水期和豐水期Hg 濃度超標(biāo),且3 個(gè)水期的Hg 濃度波動(dòng)較大;2019 年3 個(gè)水期的Hg 濃度均未超Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn)。各水期揮發(fā)酚濃度變化表現(xiàn)較平穩(wěn),在2013~2019 年均出現(xiàn)超Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn)情況。NH3-N 濃度僅在2013 年枯水期出現(xiàn)超標(biāo),其余年份各水期NH3-N 濃度均未超Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn)。在2013 年TP 濃度在平水期和豐水期出現(xiàn)超Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn);2014 年和2015 年TP 濃度在3 個(gè)水期均未超標(biāo);2017 年和2018 年的豐水期TP 濃度超標(biāo);2019 年3 個(gè)水期的TP 濃度均未超標(biāo)。糞大腸菌群除在2017 年枯水期未超Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn)外,其余年份各水期均出現(xiàn)超標(biāo)情況,豐水期尤為嚴(yán)重。這主要是受降雨沖刷的影響,降雨導(dǎo)致大量生活污水進(jìn)入自然水體,增大了水體中糞大腸菌群含量。
2.3.1 水環(huán)境單因子污染指數(shù)變化 湘潭市某水廠飲用水水源地2013~2019 年水環(huán)境中軀體毒物質(zhì)(Fe、Mn、Cu、Zn、揮發(fā)酚、氟化物、氰化物、Se、Hg、Pb、硝酸鹽、NH3-N 和石油類)和基因毒物質(zhì)(Se、Cd、Cr6+、三氯甲烷和四氯化碳)單因子污染指數(shù),見圖2。
圖2 湘潭市某水廠飲用水水源地水環(huán)境單因子污染指數(shù)年度變化
圖2 可知,基因毒物質(zhì)中,As 呈上升-下降-上升-下降變化趨勢(shì),而三氯甲烷則與之相反;四氯化碳的單因子污染指數(shù)在2014~2018 年呈現(xiàn)逐年下降趨勢(shì),但在2019 年出現(xiàn)反彈;Cr6+的單因子污染指數(shù)呈下降-上升-下降變化趨勢(shì),且Cr6+在所有基因毒物質(zhì)中污染指數(shù)最高;Cd 的污染指數(shù)變化趨勢(shì)不明顯,處于波動(dòng)狀態(tài)。軀體毒物質(zhì)中,Zn、Se、Hg 和Pb 單因子污染指數(shù)呈上升-下降-上升-下降變化趨勢(shì);揮發(fā)酚和氟化物的污染指數(shù)在2013~2014 年小幅上升,而在2014~2019 年呈逐年下降趨勢(shì),且揮發(fā)酚的單因子污染指數(shù)下降明顯;氰化物單因子污染指數(shù)無明顯變化;硝酸鹽和NH3-N 的污染指數(shù)呈下降-上升-下降趨勢(shì);石油類的污染指數(shù)在2013~2018 年呈逐年上升趨勢(shì),而在2019 年有所下降。
2.3.2 水環(huán)境綜合污染指數(shù)變化 湘潭市某水廠水體中2013~2019 年5 種基因毒物質(zhì)、13 種軀體毒物質(zhì)及糞大腸菌群的綜合污染指數(shù),見圖3。
圖3 湘潭市某水廠飲用水水源地水環(huán)境綜合污染指數(shù)變化
圖3 可知,除2016 和2017 年外,其余年份均出現(xiàn)重污染情況,其中2019 年5 月和7 月最為嚴(yán)重。從月綜合污染指數(shù)等級(jí)的分布情況來看,處于重污染和嚴(yán)重污染的月份數(shù)所占比例為11.90%和2.38%。
2013~2019 年該水廠飲用水源地水環(huán)境綜合污染指數(shù)月均值分別為0.57、0.64、0.77、0.47、0.42、0.52 和1.02,呈上升-下降-上升的趨勢(shì)。從每年每月水環(huán)境綜合污染指數(shù)等級(jí)頻次看,2013~2019 年水環(huán)境綜合污染指數(shù)處于重污染和嚴(yán)重污染等級(jí)月份數(shù)分別為1、2、3、0、0、1 和5 個(gè),集中于4~7 月。另外,2019 年5 月和7 月的水環(huán)境綜合污染指數(shù)明顯偏大,這主要受2019 年5 月和7 月降雨量明顯偏大影響所致。
2013~2019 年湘潭市某水廠飲用水水源地水環(huán)境污染物的年分擔(dān)率,見圖4。
圖4 可知,該水廠飲用水水源地水環(huán)境中氧平衡與重金屬分擔(dān)率在2013~2015 年呈下降趨勢(shì),在2015~2017 年呈上升趨勢(shì),在2017~2019 年又呈下降趨勢(shì),而微生物年分擔(dān)率與之相反,在2017~2019 年呈上升趨勢(shì);有機(jī)污染物年分擔(dān)率在2016~2019 年呈逐年下降趨勢(shì),說明取水口水體中的有機(jī)污染物危害在降低。綜合7 年的年均分擔(dān)率來看,糞大腸菌群的分擔(dān)率最高,為32.93%,其次為重金屬,分擔(dān)率為17.97%,有機(jī)污染物分擔(dān)率最低,為15.43%。由此可見,該水廠水體污染屬于病原微生物污染??傮w來看,水環(huán)境中氧平衡參數(shù)、重金屬參數(shù)、無機(jī)污染物參數(shù)與有機(jī)污染物參數(shù)年分擔(dān)率都下降,而糞大腸菌群年分擔(dān)率高,說明取水口水體受到了較嚴(yán)重的生活污水污染[10]。糞大腸菌群分擔(dān)率高,除與當(dāng)?shù)貧鉁馗?、濕度大和環(huán)境糞大腸菌群本底偏高外,還與當(dāng)?shù)氐奈廴驹捶植加嘘P(guān)。取水口周邊及上游的農(nóng)田徑流污染源及部分未用于農(nóng)灌的居民生活污水、畜禽養(yǎng)殖廢水隨地表徑流匯入水源地,導(dǎo)致糞大腸菌群分擔(dān)率高。
圖4 湘潭市某水廠飲用水源地水環(huán)境污染物分擔(dān)率隨時(shí)間變化
湘潭市某水廠飲用水源地水環(huán)境通過飲水途徑所引起的平均個(gè)人年致癌健康風(fēng)險(xiǎn)、非致癌健康風(fēng)險(xiǎn)和總健康風(fēng)險(xiǎn),見表3。
選取了具有代表性的化學(xué)致癌物和非致癌物進(jìn)行分析得出,2013~2019 年水環(huán)境中化學(xué)致癌物的健康風(fēng)險(xiǎn)按大小順序排列為Cr6+>As>Cd。根據(jù)ICRP 推薦的化學(xué)致癌物經(jīng)飲水途徑的最大可接受風(fēng)險(xiǎn)水平為5.0×10-5,2013~2019 年化學(xué)致癌物質(zhì)健康風(fēng)險(xiǎn)(Rc)均已超過最大可接受風(fēng)險(xiǎn)水平。2013~2019 年水環(huán)境中非致癌物的健康風(fēng)險(xiǎn)按大小順序排列為氟化物>Cu>Pb>NH3-N>揮發(fā)酚>Zn>氰化物>揮發(fā)酚。Cu 等8 個(gè)非致癌物質(zhì)經(jīng)飲水途徑的健康風(fēng)險(xiǎn)(Rn)均超過ICRP 推薦的化學(xué)非致癌物經(jīng)飲水途徑的最大可接受風(fēng)險(xiǎn)水平。表3還可知,2013~2019 年該水廠飲用水水源地水環(huán)境總健康風(fēng)險(xiǎn)(RT)呈先升后降趨勢(shì),均超出ICRP 的最大可接受風(fēng)險(xiǎn)水平。結(jié)果表明,化學(xué)致癌物個(gè)人年風(fēng)險(xiǎn)嚴(yán)重超標(biāo),當(dāng)?shù)卣畱?yīng)加以重視,減少水源地周邊化學(xué)致癌物質(zhì)的進(jìn)入,確保飲水安全。另外,本研究的飲用水健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)未涉及到微生物和放射性水質(zhì)指標(biāo)的影響[26-28],存在一定的局限性,同時(shí),本文重金屬暴露途徑只考慮了通過飲水途徑,而未涉及通過皮膚接觸、空氣吸入和食物攝入等其他途徑[29]。
表3 湘潭市某水廠水環(huán)境經(jīng)飲水途徑的健康危害的平均個(gè)人年風(fēng)險(xiǎn)a-1
(1)2013~2019 年該水廠飲用水源地水環(huán)境質(zhì)量整體有所改善,水環(huán)境污染水平呈無規(guī)律性變化,主要污染物為糞大腸菌群,其次是揮發(fā)酚、Hg 和TP。因流域自2004 年開始,生活廢水排放量超過工業(yè)廢水排放量,且其占廢水排放總量的比重加大,所以必須強(qiáng)化生活污水治理。
(2)該水廠取水口監(jiān)測(cè)的28 個(gè)指標(biāo)中,Hg、揮發(fā)酚、NH3-N、TP 和糞大腸菌群在3 個(gè)水期超Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn),Hg 濃度水期變化由大到小順序?yàn)椋嚎菟冢酒剿冢矩S水期,Hg 濃度的年際變化由大到小順序?yàn)椋?017>2018>2014>2015>2013>2016>2019;揮發(fā)酚濃度水期變化由大到小順序?yàn)椋浩剿冢矩S水期=枯水期;NH3-N 僅在2013 年的枯水期出現(xiàn)超標(biāo),其水期變化由大到小順序?yàn)椋嚎菟冢酒剿冢矩S水期,年際污染程度由大到小順序?yàn)椋?013>2014=2018>2019>2017>2016>2015;TP 濃度的水期變化由大到小順序?yàn)?;豐水期>平水期>枯水期,而年際變化由大到小順序?yàn)椋?013>2017=2018>2019>2015>2016>2014;糞大腸菌群的水期污染由大到小順序?yàn)椋贺S水期>平水期>枯水期,年際變化由大到小順序?yàn)椋?2019>2015>2014>2013>2018>2016>2017。
(3)該水廠飲用水源地水環(huán)境中糞大腸菌群、重金屬、無機(jī)污染物、氧平衡、有機(jī)污染物的年分擔(dān)率依次降低,分別為32.93%、17.97%、16.92%、16.75%和15.43%。
(4)2013~2019 年該水廠飲用水源地水環(huán)境總健康風(fēng)險(xiǎn)分別為5.27×10-4、5.02×10-4、5.23×10-4、6.91×10-4、6.90×10-4、6.93×10-4和5.60×10-4,均高于ICRP 的最大可接受風(fēng)險(xiǎn)水平。水環(huán)境總健康風(fēng)險(xiǎn)主要來源于化學(xué)致癌物質(zhì)。湘江流域?qū)儆诋a(chǎn)糧重要區(qū)域,化學(xué)肥料的使用必然帶來湘江水體的污染,所以必須加強(qiáng)農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染治理。