城市地表水重金屬污染特征及風(fēng)險評價

陳莎莎

（廣東一方環(huán)保科技有限公司，廣東 廣州 510000）

地表水是陸地表面動態(tài)水和靜態(tài)水的總稱，主要指富含淡水資源的江河、湖、海等，這些淡水資源是目前人類賴以生存的重要用水來源之一。近年來，我國城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，導(dǎo)致部分地區(qū)地表水水體被嚴(yán)重污染，情況日益惡化，重大污染事件頻頻發(fā)生，給人們的生產(chǎn)生活造成了很大影響。目前評價地表水的標(biāo)準(zhǔn)主要是測試水體中氮、磷、鉀等元素的含量，對于重金屬的詳細(xì)測試未集中開展。

重金屬元素相對于常規(guī)元素的污染物，在水體中含量雖低，但是更難通過目前所使用的工藝進(jìn)行去除，同時重金屬會隨著食物鏈不斷積累，部分重金屬元素如鉻、砷等具有很強的致癌風(fēng)險，因此將重金屬含量納入地表水評價標(biāo)準(zhǔn)，具有非常迫切且現(xiàn)實的意義。

鑒于此問題的嚴(yán)峻性，本文以廣東省某市為例，分析地表水重金屬污染情況，并進(jìn)行風(fēng)險評估。本文采用地理信息系統(tǒng)（GIS）插值分析，得到地表水區(qū)域全體的風(fēng)險分布結(jié)果。采用蒙特卡洛法對生態(tài)、健康風(fēng)險隱患的不確定性結(jié)果進(jìn)行隨機(jī)模擬，消除各種偶然因素帶來的實驗誤差，保證實驗結(jié)果數(shù)據(jù)的科學(xué)、合理、有效[1]。

1 實驗研究

1.1 研究區(qū)域概況

該實驗地表水取樣地位于廣東省中南部某市，與港澳地區(qū)及廣州、中山等城市相鄰。該市降雨量十分充沛，且集中于6～9月份，屬于亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候；該市水資源豐富，珠江水系貫穿全域。近年來，連續(xù)高強度的開發(fā)明顯影響地表水質(zhì)量，其質(zhì)量呈現(xiàn)下降趨勢，水質(zhì)超標(biāo)、水質(zhì)性缺水現(xiàn)象較為突出，這與我國某些大城市水污染情況基本相同[2]。

1.2 樣品收集

在該市多個主要河段的斷面及其節(jié)點位置選取一定數(shù)量的點位進(jìn)行采樣，并記錄采樣位置，現(xiàn)場測試溫度、酸堿性等指標(biāo)，然后進(jìn)行過濾，最后將樣品保存在低溫避光的環(huán)境下。

對樣品進(jìn)行預(yù)處理后，利用北原子熒光分光光度計對砷和汞的含量進(jìn)行測試；利用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀對銅、鋅、鎘、鉛和鉻的含量進(jìn)行測試。將質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)樣品編號標(biāo)記：GBW（E）060003、GBW（E）060035、GBW（E）060039。加標(biāo)回收率保證在85%～114%之間，相對偏差控制在小于10%范圍。

1.3 地表水風(fēng)險評價

結(jié)合不同重金屬的含量、數(shù)量以及毒性大小，本文最終選擇潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)來對該市地表水中的重金屬風(fēng)險進(jìn)行評估[3]。

潛在風(fēng)險指數(shù)法是目前生態(tài)風(fēng)險評價方法中較為常見的方法之一。

使用內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法計算生態(tài)風(fēng)險。

式中，P為內(nèi)梅羅污染指數(shù)；Pimax為納入范圍的污染因子的最大污染指數(shù)；Piavr為納入范圍的污染因子污染指數(shù)的均值。

用下式對單因子污染指數(shù)Pi進(jìn)行計算：

式中，ρi為實測某種污染因子i得到的濃度值；Si為某種污染因子i的判定標(biāo)準(zhǔn)值。

以1為分界線，當(dāng)某種物質(zhì)污染指數(shù)超過1時，此種重金屬濃度超標(biāo)，存在生態(tài)風(fēng)險。具體判斷標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)調(diào)研得到的內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)進(jìn)行判斷。

1.4 健康風(fēng)險評估

水體中重金屬進(jìn)入人體的方式主要是通過飲用水以及皮膚接觸。通過飲用水進(jìn)入人體的致癌物所導(dǎo)致的健康風(fēng)險計算如下：

式中：Rci為通過飲用水進(jìn)入人體的化學(xué)致癌物i（共K種化學(xué)致癌物質(zhì)）所導(dǎo)致的個人致癌年風(fēng)險，a-1；Di為經(jīng)過飲用水進(jìn)入人體的某種化學(xué)致癌物i，每公斤體重每天暴露的劑量，mg/（kg·d）；CSFi為通過飲用水進(jìn)入人體的化學(xué)致癌物質(zhì)i導(dǎo)致癌癥病發(fā)的幾率，（kg·d）/mg；L為人均生命長度，a[4]。

通過飲用水途徑導(dǎo)致某種致癌物質(zhì)在人體內(nèi)，每公斤體重每天暴露劑量Di計算公式：

式中：θ為每人每天飲用水量的平均值，L；Ci為有毒物質(zhì)i的質(zhì)量濃度，mg/L；W為調(diào)研得到的人均質(zhì)量，kg。

通過飲用水途徑導(dǎo)致某種非致癌污染物的健康風(fēng)險指數(shù)，通過如下算式進(jìn)行計算。

式中：Rni為通過皮膚接觸進(jìn)入人體內(nèi)的非致癌物質(zhì)i在平均狀況下的健康危害，a－1；RfDi為通過飲用水進(jìn)入人體的非致癌物質(zhì)i的參考劑量，mg/（kg·d）。

通過皮膚接觸的途徑，某種化學(xué)致癌物質(zhì)所帶來的健康風(fēng)險Rp為：

式中：Rpi為通過皮膚接觸的特定化學(xué)致癌物質(zhì)i，在平均狀況下對人體的致癌風(fēng)險，a-1；CDI為每天每人每公斤體重的物質(zhì)攝入含量，mg/（kg·d）；CSFi為有害物質(zhì)的致癌風(fēng)險系數(shù)[5]。

非致癌污染物經(jīng)皮膚接觸途徑所致健康危害的風(fēng)險Rf計算方法如下。

式中：Rfi為通過皮膚接觸的非致癌有害物質(zhì)i，平均每年對每人的風(fēng)險，a-1；I為每次洗澡時，人體表面單位面積通過接觸作用對污染物的吸附劑量，mg/（cm2·次）；Asd為平均人體皮膚面積，cm2；FE為每天洗澡次數(shù)，次/d；EF為每年暴露天數(shù)，d/a；ED為暴露延伸時長，a；kg；AT為平均暴露在有害物質(zhì)下的時間，d；f為腸道面積與吸附有害物質(zhì)的比值；SK為皮膚吸附表征參數(shù)，cm/h；τ為延長滯后時間，h；TE為平均洗澡時長，h。根據(jù)行為習(xí)慣，部分參數(shù)取值見表1。

表1 部分參數(shù)取值表

根據(jù)目前現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)，重金屬元素的有害濃度可以接受的水平在10-6～10-4之間，小于10-6表明幾乎不存在風(fēng)險，高于10-4表示具有較高的風(fēng)險，需要警惕。

1.5 空間和不確定性模擬分析

本文對空間分析進(jìn)行插值描述，使用IDW以及Nature Neighbor兩種算法；不確定分析采用蒙特卡洛計算方法進(jìn)行分析，所進(jìn)行的隨機(jī)模擬次數(shù)為120 000次。

2 實驗結(jié)果分析

2.1 重金屬元素濃度分析

本文對該地區(qū)地表水選取45個點位，并對其中的7種重金屬濃度進(jìn)行測試，測試結(jié)果及地區(qū)對比如表2。

表2 7種主要重金屬濃度測試結(jié)果及地區(qū)對比表

本文將測試結(jié)果與北京、上海、南京等城市、地區(qū)的地表水質(zhì)量進(jìn)行對比，該地Cu的含量高于北京、上海地區(qū)，低于南京主要河流的含量；Zn含量低于黃浦江及嘉定區(qū)地表水含量，高于南京主要河流以及洞庭湖地區(qū)含量；Cr和Pb含量均高于上海及南京地區(qū)地表水中相應(yīng)元素的含量；其他幾種重金屬元素的含量與北京、上海、南京等地的含量均相差不大。

根據(jù)濃度分布圖可知，各種重金屬濃度分布都存在一個相對高的區(qū)域，而后向周邊逐漸降低，呈階梯狀分布。并且各種重金屬濃度最高點分布不均勻，初步分析重金屬濃度分布與當(dāng)?shù)毓I(yè)生產(chǎn)具有一定的關(guān)系，需要實地進(jìn)一步分析相關(guān)原因[6]。

2.2 重金屬元素的相關(guān)性及來源分析

首先進(jìn)行相關(guān)性分析，可知Ni和Cr具有顯著的相關(guān)性，Ni和Pb、Ni和Zn，Zn、Pb也具有較高的相似性，初步認(rèn)定其具有類似的來源；而Mn與 Zn、Cu、Ni、Hg、Pb，Zn與Cu、Cr、Hg，相關(guān)系數(shù)較弱，可以判定其來源不一致。詳見表3。

表3 重金屬元素相關(guān)性分析結(jié)果表

在相關(guān)性分析的基礎(chǔ)上，開展主成分分析，在此之前對以上數(shù)據(jù)進(jìn)行球形檢驗，得出值為0.73，顯著性小于0.005，表明變量間的偏相關(guān)性和相關(guān)性符合主成分分析相關(guān)要求[3]。詳見表4。

表4 主成分分析數(shù)據(jù)表

根據(jù)表4將污染來源分為兩類：第一類可以認(rèn)為是區(qū)域內(nèi)電子行業(yè)帶來的Zn、Ni、Cr、Mn和Pb的污染；另一類是其它行業(yè)導(dǎo)致的Hg和Cu的污染[7]。

2.3 生態(tài)風(fēng)險評價

本文使用插值法得到該區(qū)域生態(tài)風(fēng)險綜合指數(shù)以及潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)分布圖，如圖1及圖2所示。

圖1 生態(tài)風(fēng)險綜合指數(shù)的空間分布

圖2 潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)的不確定性分析

根據(jù)上述結(jié)果，該地地表水生態(tài)風(fēng)險值空間分布綜合指數(shù)均小于0.7；僅部分地區(qū)的綜合指數(shù)超過5，具有一定的風(fēng)險。隨機(jī)模擬預(yù)測得到的平均污染綜合指數(shù)為0.56，RI平均值為6.75，高于計算得出的結(jié)果。說明計算結(jié)果有可能低估了生態(tài)風(fēng)險。

2.4 健康風(fēng)險評價

本次所評價的重金屬元素的非致癌風(fēng)險和非致癌總風(fēng)險，均不超過最低指標(biāo)10-6，幾乎不存在風(fēng)險。在致癌元素中，鉻元素導(dǎo)致的總致癌風(fēng)險已經(jīng)超過了最大可以接受的風(fēng)險水平，需要特別注意；其他重金屬物質(zhì)的致癌風(fēng)險尚在可以接受的范圍之內(nèi)[8]。

本文進(jìn)行不確定性分析以及蒙特卡洛隨機(jī)模擬，得到健康風(fēng)險分布結(jié)果以及敏感性分布結(jié)果。根據(jù)結(jié)果可以看出該區(qū)域地表水中重金屬元素的非致癌風(fēng)險，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的風(fēng)險限值，并且控制地表水中的砷和銅的濃度是降低地表水致癌風(fēng)險的有效手段。在致癌風(fēng)險指標(biāo)中，六價鉻的貢獻(xiàn)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他元素的數(shù)值，其中體重以及皮膚面積對兒童致癌風(fēng)險的影響均高于成年人。兒童體重變化大，比表面積高是其易受重金屬致癌影響的重要因素。

3 結(jié)語

本文測試了某市區(qū)域內(nèi)地表水的7種重金屬濃度，根據(jù)產(chǎn)業(yè)分析，電子行業(yè)發(fā)達(dá)，導(dǎo)致Cu、Ni等元素含量較高；相關(guān)性以及主成分分析均表明，行業(yè)產(chǎn)業(yè)因素是潛在污染源。

通過對地表水中含有的重金屬元素生態(tài)風(fēng)險指數(shù)進(jìn)行評價，發(fā)現(xiàn)其潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)和綜合評價指數(shù)都很輕微，在可以接受的范圍內(nèi)；對重金屬元素健康風(fēng)險進(jìn)行計算，所評價的重金屬元素非致癌風(fēng)險及非致癌總風(fēng)險均未達(dá)到風(fēng)險最低值，可以視為無風(fēng)險；而個別元素的致癌風(fēng)險達(dá)到最低限值，但仍然低于顯著風(fēng)險限值，這在一定程度上可以接受；砷的濃度貢獻(xiàn)了一半以上的致癌風(fēng)險，而且兒童對于重金屬的致癌風(fēng)險和非致癌風(fēng)險更為敏感。