基于逸度方法的延吉市BaP多介質(zhì)環(huán)境歸趨模擬

＊楊崇銘 陳昱彤 張子慕 陶然 韓雪 全紅梅 金光洙*

（1.延邊大學(xué)農(nóng)學(xué)院 吉林 133002 2.延邊大學(xué)地理與海洋科學(xué)學(xué)院 吉林 133002 3.延邊大學(xué)理學(xué)院 吉林 133002）

多環(huán)芳烴（PAHs）是一類致癌性很強(qiáng)的環(huán)境污染物，是由兩個(gè)或兩個(gè)以上的苯環(huán)構(gòu)成的碳?xì)浠衔?。美國環(huán)境保護(hù)署EPA公布了16種優(yōu)先控制的PAHs污染物名單，其中苯并[a]芘（BaP）是第一個(gè)被發(fā)現(xiàn)的環(huán)境致癌物，在多種環(huán)境介質(zhì)中都有富集，是環(huán)境污染物中重點(diǎn)檢測項(xiàng)目之一[1]。延邊州周邊的長春、吉林為我國的重工業(yè)基地，因此延吉地區(qū)PAHs污染不僅受到本地源影響，周邊城市的排放也應(yīng)該引起注意。

多介質(zhì)模型是在逸度模型基礎(chǔ)上建立的，可以描述化學(xué)品在多種環(huán)境介質(zhì)中的歸趨行為，已廣泛應(yīng)用于區(qū)域尺度上有機(jī)物的歸趨模擬中。本研究基于Level Ⅲ逸度模型將真實(shí)環(huán)境模型化，探究BaP在延吉市環(huán)境中的歸趨行為、跨介質(zhì)遷移及環(huán)境生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，為今后應(yīng)用逸度模型研究PAHs的環(huán)境行為和風(fēng)險(xiǎn)提供基礎(chǔ)，為PAHs的污染控制等提供科學(xué)依據(jù)。

1.研究區(qū)概況

延吉市位于我國東北吉林省東部，總面積1748.3km2。延吉四面環(huán)山，中間屬盆地，山地屬長白山脈東南支脈，屬溫帶季風(fēng)氣候，夏季高溫多雨，冬季寒冷干燥。年平均氣溫5.7℃，降水量531.4mm。延吉市境內(nèi)共有布爾哈通河、朝陽河、煙集河、依蘭河和海蘭河五條河流，總流域面積1636.57km2[2]。

2.模型與方法

(1)模型構(gòu)建

本研究將延吉市區(qū)與農(nóng)村地區(qū)分別劃分為5個(gè)主相，分別為氣相、水相、土壤相、沉積物相、植物相。模型所模擬的環(huán)境過程包括大氣與水的平流、各相中BaP的遷移過程以及BaP的降解過程，依據(jù)Ⅲ級逸度模型假設(shè)，建立各相的質(zhì)量平衡方程，如下：

式中：A代表氣相；W代表水相；S代表土壤相；sed代表沉積物相；V代表植物相；E代表該介質(zhì)中BaP的排放速率；G代表BaP平流輸入該介質(zhì)的速率；C代表該介質(zhì)中BaP的濃度；f代表該介質(zhì)中BaP的逸度；Dij代表從介質(zhì)i遷移到介質(zhì)j中的遷移速率；DRi代表BaP在介質(zhì)i中的降解速率；DAi代表BaP從介質(zhì)i中輸出平流速率。

(2)模型參數(shù)確認(rèn)

Level Ⅲ逸度模型需要輸入的參數(shù)主要包括化合物的物理化學(xué)性質(zhì)及研究區(qū)的各環(huán)境參數(shù)。物化參數(shù)主要包括飽和蒸氣壓、辛醇-水分配系數(shù)等，BaP的物化參數(shù)取自參考文獻(xiàn)[3-4]。延吉市地區(qū)的環(huán)境參數(shù)主要來自2020年統(tǒng)計(jì)年鑒、模型建立的典型值及經(jīng)驗(yàn)值，并結(jié)合延吉市實(shí)際對參數(shù)進(jìn)行了調(diào)整。

表1 BaP的物化參數(shù)

(3)ILCR終生致癌風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)

本研究使用EPA終生致癌風(fēng)險(xiǎn)模型對多介質(zhì)環(huán)境中BaP產(chǎn)生的終生致癌風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評價(jià)。該模型包括了土壤和大氣中BaP經(jīng)口、皮膚和呼吸暴露途徑產(chǎn)生的健康風(fēng)險(xiǎn)。暴露量取值參數(shù)來自參考文獻(xiàn)。

式中：CS為BaP毒性當(dāng)量，mg/kg；CSF為致癌斜率因子，mg/(kg·d)；BW為體重，kg；EF為暴露頻率，d/a；AT為平均壽命，d；ED為持續(xù)暴露時(shí)間，a；SA為皮膚接觸土壤面積，cm2/d；AF為皮膚附著因子，mg/cm2；ABS為皮膚吸附因子。

3.結(jié)果與分析

(1)模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證模型模擬結(jié)果是否可行，將模型模擬值與延吉地區(qū)的實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，實(shí)測數(shù)據(jù)來自于延吉市已公開發(fā)表文獻(xiàn)。由圖1可知，研究區(qū)實(shí)測值與模擬值的差值在0.5個(gè)對數(shù)單位以內(nèi)，說明模型值與實(shí)測值吻合度良好，模擬結(jié)果能夠很好的體現(xiàn)延吉市地區(qū)的BaP在各環(huán)境介質(zhì)中的分布和相間遷移。

圖1 BaP濃度實(shí)測值與模擬值對比

(2)相間遷移通量

BaP的遷移通量如圖2所示，BaP在各相中的主要遷移方式為擴(kuò)散和顆粒的干濕沉降。相間遷移的主要過程是大氣—土壤遷移、大氣—植物遷移和大氣—水遷移，占總遷移量的96.5%，而水—大氣及水—沉積物等過程較弱，遷移量也較小。

圖2 BaP的遷移通量

(3)延吉地區(qū)BaP的多介質(zhì)環(huán)境歸趨模擬

延吉地區(qū)1949—2050年城市與郊區(qū)五個(gè)環(huán)境相中BaP的濃度模擬趨勢如圖3所示。從整體上來看，無論是城市還是鄉(xiāng)村的各個(gè)環(huán)境相中BaP的含量都隨年份增加而增加，2034年達(dá)到最大值，而后呈現(xiàn)下降的趨勢。在不同地區(qū)的比較中，城市中的濃度高于郊區(qū)的濃度；從不同環(huán)境相的角度來看，固相中（淡水沉積物和土壤）中BaP的濃度最高，大氣中的濃度最低。從趨勢上來看，1949—1979年呈現(xiàn)了緩慢的增長趨勢，1979年之后增長速度加快，2034年達(dá)到最大值，之后呈下降趨勢，但濃度仍處于較高的水平，這與排放量、人口密度和GDP等都有較好的正相關(guān)關(guān)系。

圖3 城市（1）與鄉(xiāng)村（2）五個(gè)環(huán)境相中BaP濃度模擬

(4)季節(jié)變化對BaP歸趨的影響

分析不同環(huán)境中PAHs的季節(jié)變化能夠進(jìn)一步了解PAHs的特性，為PAHs的治理提供幫助。本研究選取2021年的模擬數(shù)據(jù)對其季節(jié)變化進(jìn)行探究，BaP濃度隨季節(jié)的變化如圖4所示。

圖4 大氣（a）、土壤（b）、淡水（c）、淡水沉積物（d）、植物（e）中BaP濃度隨季節(jié)的變化

在大氣和水體中BaP的濃度呈現(xiàn)出了夏秋季高于春冬季的特點(diǎn)。BaP屬于高環(huán)PAHs，幾乎全部存在于大氣顆粒物中，隨著溫度的降低，低環(huán)PAHs向大氣顆粒物中聚集，導(dǎo)致冬季大氣顆粒物中高環(huán)PAHs的濃度降低。由于延吉冬季寒冷，地表徑流遠(yuǎn)小于夏季豐水期，大氣干濕沉降和土壤流失等方式進(jìn)入水體的PAHs相比于夏季減少，因此造成了夏秋季水體中BaP的濃度高于春冬季。土壤和淡水沉積物中BaP的濃度均呈現(xiàn)出秋冬季迅速升高的特點(diǎn)。延吉地位于我國東北東部，冬季取暖季較長，消耗的煤和秸稈等燃料高于夏季，而高環(huán)PAHs大多來自燃料的不完全燃燒。溫度越高PAHs從土壤及沉積物中釋放的能力越強(qiáng)，從而對PAHs的掩埋能力削弱。植物中BaP的濃度變化呈現(xiàn)出秋冬季高于夏季的趨勢。植物葉片中葉蠟的含量與植物吸附PAHs的能力呈正相關(guān)，冬季植物中葉蠟含量普遍高于夏季，因此植物在冬季能夠吸附大量PAHs，而夏季葉表上的PAHs由于太陽輻射會產(chǎn)生強(qiáng)烈的光解能力，使得植物中BaP呈現(xiàn)出了冬高夏低的趨勢。

(5)ILCR終生致癌風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)

ILCR致癌風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)結(jié)果表明，不同人群通過各種途徑暴露于環(huán)境中的致癌風(fēng)險(xiǎn)大小為經(jīng)口攝入＞皮膚接觸＞呼吸攝入，其中兒童經(jīng)口及皮膚攝入的致癌風(fēng)險(xiǎn)較大，不同年齡組男女之間沒有明顯差異。在本研究中，不同環(huán)境中的不同人群經(jīng)不同暴露方式的風(fēng)險(xiǎn)值均低于1×10-6，說明延吉地區(qū)環(huán)境中BaP不存在致癌風(fēng)險(xiǎn)[11]。但是隨著PAHs的數(shù)量和濃度增加，致癌風(fēng)險(xiǎn)可能會升高，所以仍值得我們注意。

4.結(jié)論

（1）逸度模型較好的模擬了延吉市地區(qū)BaP的遷移和歸趨行為，濃度較高的環(huán)境相為土壤、水及沉積物相，大氣中和植物中的濃度較低；大部分BaP由大氣向土壤和水中遷移，主要以擴(kuò)散和顆粒物沉降兩種方式遷移。

（2）延吉市地區(qū)模擬預(yù)測結(jié)果顯示：BaP濃度先緩慢上升，1979年后快速上升，2034年達(dá)到最大值而后下降，但仍處在很高的水平。由于各種因素的影響，隨季節(jié)的變化大氣和水體中BaP呈現(xiàn)出夏季高冬季低的特點(diǎn)，而固相環(huán)境中BaP的特點(diǎn)為冬季高于夏季。

（3）延吉市地區(qū)BaP不同環(huán)境中的不同人群經(jīng)不同暴露方式的風(fēng)險(xiǎn)值均低于1×10-6，表明延吉地區(qū)環(huán)境中BaP不存在致癌風(fēng)險(xiǎn)。