天津市地表水中氨氮健康風(fēng)險及生態(tài)風(fēng)險評價

梁增強(qiáng) 楊菁

摘 要：為了科學(xué)表征地表水中氨氮對人體健康和生態(tài)環(huán)境造成的風(fēng)險，達(dá)到精準(zhǔn)治污和風(fēng)險管控的目的，采用USEPA推薦的健康風(fēng)險和生態(tài)風(fēng)險評價模型，選取2016—2020年天津市地表水中氨氮濃度進(jìn)行健康風(fēng)險及生態(tài)風(fēng)險評價。結(jié)果表明：天津市地表水中氨氮的健康風(fēng)險為1.14×10-4～2.35×10-2，遠(yuǎn)低于評價標(biāo)準(zhǔn)1；氨氮的生態(tài)風(fēng)險為0.3～25.4，夏季慢性生態(tài)風(fēng)險為有風(fēng)險或高風(fēng)險；其余均為無風(fēng)險或有風(fēng)險。氨氮的健康風(fēng)險和生態(tài)風(fēng)險均存在雙峰現(xiàn)象，二者均呈顯著的季節(jié)變化特征。氨氮的健康風(fēng)險和生態(tài)風(fēng)險均存在明顯空間差異。研究采用的評價方法可以客觀地表征地表水中氨氮對人體健康及生態(tài)環(huán)境造成的風(fēng)險程度，為我國環(huán)境管理部門水質(zhì)監(jiān)管和業(yè)內(nèi)同行開展類似研究提供了重要借鑒。

關(guān)鍵詞：氨氮；健康風(fēng)險；生態(tài)風(fēng)險；時空特征；天津

中圖分類號：X824文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1673-9655（2024）02-00-06

0 引言

氨氮作為地表水中主要的污染物之一，一直以來都是我國政府部門環(huán)境管理的重點。常規(guī)的地表水水質(zhì)評價方法無法反映水質(zhì)與人體健康風(fēng)險或生態(tài)風(fēng)險的關(guān)系，然而，健康風(fēng)險評價方法可以定量反映水質(zhì)對人體造成損害的可能性[1]；生態(tài)風(fēng)險評價可以量化污染物對環(huán)境的生態(tài)危害[2]。目前，有學(xué)者對我國地表水體中酞酸酯[3]、重金屬[4]、氯代烴[5]、

抗生素[6]、氨氮和氟化物[7]等污染物開展健康風(fēng)險研究；也有學(xué)者對國內(nèi)地表水中酚類化合物[2]、多環(huán)芳烴[8]和氨氮[9-10]等進(jìn)行生態(tài)風(fēng)險研究。但以天津市地表水作為研究對象的甚少，僅張新波[6]、

符剛[11]、王秋蓮[12]、殷偉[2]、石璇[8]等陸續(xù)開展了健康風(fēng)險或生態(tài)風(fēng)險研究，對全市地表水氨氮風(fēng)險研究尚未見報道。本研究能夠彌補(bǔ)天津市地表水氨氮健康風(fēng)險和生態(tài)風(fēng)險研究的空白，對于管理部門開展地表水氨氮評價、績效考核和風(fēng)險防控等具有參考價值。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域選取

天津市下轄16個區(qū)，2018年全市生產(chǎn)總值為18809.64億元。同年，天津市地表水國家考核斷面水質(zhì)優(yōu)良比例僅為40%[13]，水環(huán)境形勢嚴(yán)峻。

1.2 數(shù)據(jù)來源

研究選取天津市生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心官網(wǎng)發(fā)布的2016年8月—2020年12月天津市16個行政區(qū)的地表水氨氮月均值（http：//www.tjemc.org.cn/html/1//97/16/18/53/index.html）。數(shù)據(jù)樣本匯總統(tǒng)計結(jié)果見表1。

1.3 健康風(fēng)險評估方法及參數(shù)

健康風(fēng)險評價是于1980年前后在我國新興起的一項新型研究領(lǐng)域，其主要是將污染物和人體健康相關(guān)聯(lián)，利用人體暴露量與污染物毒性參數(shù)來定量描述污染物對人體健康的危害程度[4]，被廣泛用于飲用水中有害物質(zhì)健康風(fēng)險評價。通常在評價過程中將毒性物質(zhì)分為致癌物質(zhì)、放射性物質(zhì)和非致癌物質(zhì)，氨氮則屬于非致癌物質(zhì)。國內(nèi)現(xiàn)有研究存在以下特點：①利用美國EPA推薦的風(fēng)險評價模型進(jìn)行評價[3-5]，但不同學(xué)者采用的模型存在一定差異[1，3]。例如，有學(xué)者[1，4]引用的評價模型僅考慮日均飲水量、濃度和體重等參數(shù)，忽略了更多的實際限值因素。也有學(xué)者[3，14]在前者基礎(chǔ)上增加了暴露頻率、暴露延時、腸胃吸收系數(shù)等，使評價結(jié)果更貼近實際；②暴露途徑存在差異。地表水主要涉及皮膚接觸和飲用水等暴露途徑，但有學(xué)者僅研究飲用水途徑[1，4]，從而低估了污染物的健康風(fēng)險；③模型參數(shù)（毒性參數(shù)和暴露參數(shù)）尚未完全本土化。多數(shù)研究中毒性參數(shù)引自美國EPA[3-6]，張清華等[4]引用美國暴露參數(shù)進(jìn)行評價，忽略了人種、行為習(xí)慣等差異，這可能與實際情況不符；④風(fēng)險評價標(biāo)準(zhǔn)不同。有學(xué)者[4]

選用國際輻射防護(hù)委員會推薦的標(biāo)準(zhǔn)5.0×10-5，也有學(xué)者[3，14]選取10-6（致癌風(fēng)險）和1（非致癌風(fēng)險）作為評價標(biāo)準(zhǔn)。研究揚長避短，基于美國EPA風(fēng)險評價模型，選取皮膚接觸和飲用水等暴露途徑，評估參數(shù)全部實現(xiàn)中國化，評價模型及計算參數(shù)見表2和表3。氨氮不存在致癌風(fēng)險，非致癌風(fēng)險評價標(biāo)準(zhǔn)選取1。

1.4 生態(tài)風(fēng)險評估方法及參數(shù)

研究采用熵值法評估地表水中氨氮的生態(tài)風(fēng)險。熵值法是一種簡單且保守、使用普遍的生態(tài)風(fēng)險評價方法[9，10]，該方法利用污染物暴露濃度與環(huán)境水質(zhì)基準(zhǔn)值的比值來表征污染物的生態(tài)風(fēng)險程度。2013年，美國環(huán)境保護(hù)署發(fā)布了新的氨氮水生生物基準(zhǔn)技術(shù)文件，提出了新的氨氮基準(zhǔn)函數(shù)與基準(zhǔn)值[18]。不同pH和溫度條件下氨氮對水生生物的毒性作用不同[18]。水中氨氮生態(tài)風(fēng)險分為急性毒性和慢性毒性，應(yīng)分別計算其生態(tài)風(fēng)險。氨氮水生態(tài)風(fēng)險計算時需要考慮季節(jié)變化引起的水溫變化，夏季和非夏季慢性基準(zhǔn)存在顯著性差異[9，10]。2016年王一喆等[10]按照夏季和非夏季兩種情況對我國七大流域（松花江、遼河、海河、黃河、長江、珠江）推算了各流域氨氮水生生物基準(zhǔn)值，該參數(shù)被學(xué)者應(yīng)用推廣[9，17]，均取得了良好效果。

RQ=EEC/WQC

式中：RQ—危害商值；EEC—污染物的水體暴露濃度；WQC—環(huán)境水質(zhì)基準(zhǔn)值。根據(jù)風(fēng)險商值判斷風(fēng)險等級，當(dāng)RQ＜1時認(rèn)為基本無風(fēng)險；1≤RQ＜10時為有風(fēng)險；RQ≥10時為高風(fēng)險[9，10]。天津市屬于海河流域，故本研究WQC選取王一喆[10]等研究成果中海河流域氨氮水生生物基準(zhǔn)值，即夏季氨氮急性基準(zhǔn)為0.48，非夏季氨氮急性基準(zhǔn)為0.08，非夏季氨氮急性基準(zhǔn)為1.16，非夏季氨氮慢性基準(zhǔn)為0.22。

2 結(jié)果與討論

2.1 評價結(jié)果

2.1.1 健康風(fēng)險時間變化特征

基于本研究選取的參數(shù)、模型和研究數(shù)據(jù)，計算獲取了天津市各區(qū)地表水氨氮的逐月健康風(fēng)險，其時間變化趨勢繪制成圖，結(jié)果見圖1。

分析圖1可知，天津市地表水中氨氮健康風(fēng)險評價結(jié)果有明顯的時間變化周期，存在雙峰現(xiàn)象，為每年2—3月和7—8月；2017年3月，河?xùn)|地表水氨氮健康風(fēng)險達(dá)到全市最大值，為2.35×10-2；

雙峰現(xiàn)象于2020年5月以后逐漸消失，健康風(fēng)險一直處于低位狀態(tài)。天津市地表水氨氮健康風(fēng)險為1.14×10-4～2.35×10-2，低于評價標(biāo)準(zhǔn)1，說明天津市地表水氨氮健康風(fēng)險處于很低水平，基本可以忽略。

對研究獲取的健康風(fēng)險數(shù)據(jù)按照季節(jié)（6—8月夏季；9—11月秋季；12—2月冬季；3—5月春季）取平均值，再對各區(qū)氨氮健康風(fēng)險取平均值，獲取天津市各季節(jié)氨氮健康風(fēng)險數(shù)值，結(jié)果見圖2。

分析圖2可知，天津市地表水氨氮健康風(fēng)險存在顯著季節(jié)變化特征，冬季＞夏季＞春季＞秋季。

2.1.2 健康風(fēng)險空間分布特征

基于ArcGIS10.1軟件對各區(qū)地表水氨氮健康風(fēng)險空間分布特征進(jìn)行表征，結(jié)果見圖3。

由圖3可知，天津市各區(qū)不同季節(jié)地表水氨氮健康風(fēng)險存在明顯差異，且隨著季節(jié)變化，各區(qū)數(shù)值變化顯著。春季地表水中氨氮健康風(fēng)險河?xùn)|區(qū)和西青區(qū)數(shù)值最高，分別為5.3×10-3和5.1×10-3，東麗區(qū)和河北區(qū)次之，紅橋區(qū)最低，為5.0×10-4；夏季地表水中氨氮健康風(fēng)險南開區(qū)數(shù)值最高，為4.5×10-3，河西區(qū)、東麗區(qū)、武清區(qū)次之，紅橋區(qū)和薊州區(qū)最低，分別為1.2×10-3和1.0×10-3；秋季地表水中氨氮健康風(fēng)險武清區(qū)數(shù)值最高，為2.8×10-3，東麗區(qū)、濱海新區(qū)和南開區(qū)次之，紅橋區(qū)和靜海區(qū)最低，分別為9.0×10-4和9.0×10-4；冬季地表水中氨氮健康風(fēng)險武清區(qū)數(shù)值最高，為4.7×10-3，東麗區(qū)、西青區(qū)和濱海新區(qū)次之，紅橋區(qū)最低，為1.0×10-3。就各區(qū)所有樣本平均值而言，天津市地表水氨氮健康風(fēng)險存在明顯空間差異，其中東麗區(qū)、西青區(qū)和武清區(qū)數(shù)值最高，為3.5×10-3～3.7×10-3，河?xùn)|區(qū)、濱海新區(qū)次之，靜海區(qū)和薊州區(qū)最低，分別為1.1×10-3和1.2×10-3。

2.1.3 生態(tài)風(fēng)險時間變化特征

基于本研究選取的原始數(shù)據(jù)、模型和計算參數(shù)獲取了天津市地表水氨氮的逐月生態(tài)風(fēng)險（急性和慢性），取每月急性風(fēng)險或慢性風(fēng)險中最大值表征生態(tài)風(fēng)險時間變化趨勢，結(jié)果見圖4。

分析圖4可知，天津市地表水中氨氮生態(tài)風(fēng)險評價結(jié)果有明顯的時間變化周期，存在雙峰現(xiàn)象，為每年2—3月（第一峰）和7—8月（第二峰），第一峰生態(tài)風(fēng)險較低，第二峰生態(tài)風(fēng)險較高。2019年10月以來，雙峰現(xiàn)象大幅減弱，總體向好，2020年9月后天津市全部為有風(fēng)險或無風(fēng)險，不涉及高風(fēng)險。

2.1.4 生態(tài)風(fēng)險空間分布特征

基于ArcGIS10.1軟件對各區(qū)地表水氨氮生態(tài)風(fēng)險按照夏季、非夏季、急性生態(tài)風(fēng)險和慢性生態(tài)風(fēng)險進(jìn)行空間表征，結(jié)果見圖5。

分析圖5可知，地表水氨氮急性生態(tài)風(fēng)險（非夏季）總體為無風(fēng)險或有風(fēng)險，存在空間差異，西青區(qū)風(fēng)險最高，為1.5，武清區(qū)、河?xùn)|區(qū)、東麗區(qū)和濱海新區(qū)次之，紅橋區(qū)風(fēng)險最低，為0.3。地表水氨氮急性生態(tài)風(fēng)險（夏季）總體均為有風(fēng)險，存在空間差異，南開區(qū)風(fēng)險最高，為4.2，河西區(qū)、東麗區(qū)和武清區(qū)次之，薊州區(qū)風(fēng)險最低，為1.0。地表水氨氮慢性生態(tài)風(fēng)險（非夏季）總體為有風(fēng)險，存在空間差異，西青區(qū)風(fēng)險最高，為7.9，河?xùn)|區(qū)、東麗區(qū)、武清區(qū)和濱海新區(qū)次之，靜海區(qū)最低，為2.2。地表水氨氮慢性生態(tài)風(fēng)險（夏季）總體為有風(fēng)險或高風(fēng)險，空間差異顯著，南開區(qū)風(fēng)險最高，為25.4，河西區(qū)、東麗區(qū)和武清區(qū)次之，薊州區(qū)風(fēng)險最低，為6.0。

2.2 分析討論

2.2.1 總體風(fēng)險水平分析

2016年8月—2020年12月：天津市地表水氨氮健康風(fēng)險為1.14×10-4～2.35×10-2，遠(yuǎn)低于評價標(biāo)準(zhǔn)1，研究結(jié)果與符剛[12]、王秋蓮[13]研究的風(fēng)險水平相符，說明天津市地表水氨氮健康風(fēng)險水平較低。天津市地表水氨氮生態(tài)風(fēng)險為0.3～25.4，其中，非夏季急性生態(tài)風(fēng)險為無風(fēng)險或有風(fēng)險，夏季急性生態(tài)風(fēng)險為有風(fēng)險，非夏季慢性生態(tài)風(fēng)險為有風(fēng)險，夏季慢性生態(tài)風(fēng)險為有風(fēng)險或高風(fēng)險。研究表明[10]，海河流域氨氮生態(tài)風(fēng)險超標(biāo)數(shù)十倍至百倍，與本研究結(jié)果相符，說明天津市地表水夏季氨氮慢性生態(tài)風(fēng)險需引起注意。

2.2.2 時間變化特征分析

天津市地表水氨氮濃度隨季節(jié)呈雙峰現(xiàn)象，與楊樂[19]等研究三峽中下游水體氨氮濃度變化特征相符。氨氮的雙峰現(xiàn)象導(dǎo)致其健康風(fēng)險和生態(tài)風(fēng)險也會出現(xiàn)雙峰現(xiàn)象。2019年10月以來，雙峰現(xiàn)象大幅減弱，總體向好，2020年9月后天津市不涉及高風(fēng)險。氨氮生態(tài)風(fēng)險變化趨勢與其健康風(fēng)險變化趨勢基本相符。天津市境內(nèi)污染主要來源于工業(yè)企業(yè)、城鎮(zhèn)生活以及農(nóng)村面源排放[20]，說明天津市于2013—2016年實施的“清水河道行動”、2015年起實施的天津版“水十條”以及2018年實施的城市黑臭水體治理攻堅戰(zhàn)成效顯著，“一河一策”策略治理效果突出，政策的落地有效的化解了天津市地表水安全風(fēng)險。僅2018年，天津?qū)?88家企業(yè)、108座污水處理廠完成提標(biāo)改造及25條黑臭水體治理[13]，這對于減少氨氮排放起到積極作用。

天津市地表水氨氮健康風(fēng)險和生態(tài)風(fēng)險也存在明顯的季節(jié)變化特征。地表水氨氮負(fù)荷的輸出量與降雨、徑流量存在較好的相關(guān)性，但與徑流量的一致性更高，氨氮負(fù)荷的峰值集中在汛期，點源為城鎮(zhèn)生活和工業(yè)源，排放量在年內(nèi)基本均勻[21]。除與地表徑流量有關(guān)外，還與硝化菌群的硝化作用有關(guān)。冬季地表水溫度低，硝化作用相對緩慢，氨氮去存量速度較慢；加之不斷排放的增量，導(dǎo)致冬季氨氮濃度增高，呈季節(jié)性變化趨勢[22]。雖然夏季硝化菌群的硝化作用明顯，對于降低氨氮生態(tài)風(fēng)險起到關(guān)鍵作用，但夏季水溫高，氨氮易轉(zhuǎn)換成毒性較大的游離氨，在一定程度上又增加了氨氮的安全風(fēng)險。在硝化作用和溫度的正向作用下，秋季成為地表水氨氮健康風(fēng)險最低的季節(jié)。

2.2.3 空間分布特征分析

天津市地表水氨氮健康風(fēng)險存在明顯空間差異，其中東麗區(qū)、西青區(qū)和武清區(qū)數(shù)值最高，

為3.5×10-3～3.7×10-3，河?xùn)|區(qū)、濱海新區(qū)次之，靜海區(qū)和薊州區(qū)最低，分別為1.1×10-3和1.2×10-3。

這與符剛[12]研究結(jié)果（郊區(qū)＞濱海新區(qū)＞市區(qū)）基本相符。空間差異主要受產(chǎn)業(yè)布局、經(jīng)濟(jì)水平及功能定位等因素決定。降雨徑流沖刷硬化路面累積的污染物是天津市區(qū)的關(guān)鍵源；西青和塘沽部分關(guān)鍵源區(qū)位于城鎮(zhèn)用地，一部分由于點源污染物的排放引起，一部分是由城鎮(zhèn)徑流攜帶的污染物造成的；塘沽部分和東麗關(guān)鍵源區(qū)的土地利用類型為水田，污染負(fù)荷是由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中大量化肥的施用引起的[21]。

3 結(jié)論

（1）2016年8月—2020年12月：天津市地表水氨氮健康風(fēng)險為1.14×10-4～2.35×10-2，遠(yuǎn)低于評價標(biāo)準(zhǔn)1；天津市地表水氨氮生態(tài)風(fēng)險為0.3～25.4，夏季慢性生態(tài)風(fēng)險為有風(fēng)險或高風(fēng)險；其余均為無風(fēng)險或有風(fēng)險。

（2）天津市地表水中氨氮健康風(fēng)險和生態(tài)風(fēng)險均存在雙峰現(xiàn)象，每年2—3月和7—8月；2019年10月以來，雙峰現(xiàn)象大幅減弱，總體向好，2020年9月后天津市不涉及高風(fēng)險；健康風(fēng)險存在明顯季節(jié)變化特征，冬季＞春季＞夏季＞秋季；生態(tài)風(fēng)險夏季與非夏季風(fēng)險水平差異較大。

（3）天津市地表水氨氮健康風(fēng)險存在明顯空間差異，其中東麗區(qū)、西青區(qū)和武清區(qū)數(shù)值最高，為3.5×10-3～3.7×10-3，河?xùn)|區(qū)、濱海新區(qū)次之，靜海區(qū)和薊州區(qū)最低，分別為1.1×10-3和1.2×10-3；天津市地表水氨氮生態(tài)風(fēng)險存在明顯空間差異，其中東麗區(qū)、武清區(qū)風(fēng)險最高，西青區(qū)和南開區(qū)次之，紅橋區(qū)、薊州區(qū)和靜海區(qū)風(fēng)險最低。

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