土壤及地下水污染點不同暴露途徑的健康風險比較

武曉峰,謝 磊,趙洪陽 (清華大學水文水資源研究所,水沙科學與水利水電工程國家重點實驗室,北京 100084)

土壤及地下水污染點不同暴露途徑的健康風險比較

武曉峰*,謝 磊,趙洪陽 (清華大學水文水資源研究所,水沙科學與水利水電工程國家重點實驗室,北京 100084)

選擇目前國際上應用最為廣泛的RBCA模式和Csoil模式,進行土壤污染和地下水污染暴露途徑考慮異同的比較,并在此基礎上設置典型的污染情景,對不同暴露途徑的健康風險進行了計算.Csoil模式比RBCA模式多考慮了3種可能的暴露途徑.將2種模式結合進行案例計算的結果表明,表層土壤污染的風險最大;對于淺層土壤污染,考慮淋溶作用時的風險較高.揮發暴露和飲水暴露是土壤及地下水污染點最主要的暴露途徑,在RBCA模式中沒有考慮的洗澡過程中的暴露也非常重要.對于表層土壤污染,覆土是減小健康風險的有效辦法.

土壤污染；地下水污染；健康風險；暴露途徑；RBCA模式；Csoil模式

隨著工業發展和城市化進程的加快,越來越多的有毒有害化學物質在生產和應用過程中通過各種途徑進入城市的土壤和地下水環境中,不斷加劇土壤和地下水污染.這些有毒有害物質會通過土壤、水、空氣、生物等媒介,經由多種途徑造成人體暴露,危害人體健康.這一問題已然引起發達國家的普遍關注,歐美、日本等國相繼制定了相應的環境質量標準,并加強了環境管理和污染治理[1].

對于土壤及地下水污染,傳統治理工作都是基于環境標準進行[2-3].多年的實踐經驗表明,按照環境標準制定的治理目標往往很難實現,治理費用高昂,治理時間很長,存在著很大的困難[4-5].而健康風險評價理念的引入,使得土壤及地下水污染場地的管理工作更加科學可行.經過不斷的研究和實踐,歐美等發達國家已開發出多種針對土壤及地下水污染的健康風險評價模式[6].我國相關研究人員對國外的風險評價和管理進行了理論基礎、方法利弊和使用經驗等方面的探討[7],并結合我國重點行業的特點梳理了風險評價和管理的流程[8-9].有研究指出,傳統的水質化學監測評價體系能夠反映水體的污染物濃度,但無法確認污染物對人體健康的潛在危害,而通過健康風險評價可以確定危害人體健康的風險來源及風險大小[10].同時,也有學者結合土壤及地下水污染的案例進行了揮發性有機污染物暴露劑量率和健康風險值的計算[11].

目前,對污染物的暴露途徑缺乏全面的、定量化的研究,并且難以獲得污染現場的數據進行健康風險評價.因此,本研究選取應用最為廣泛的RBCA模式和Csoil模式,設置土壤污染和地下水污染的典型污染場景,引入淋溶因素的考慮,對暴露途徑的選擇進行定性和定量的比較研究,為我國確立符合國情的健康風險評價模式提供借鑒.

1 健康風險評價模式概述

1.1 RBCA模式

美國材料與試驗協會(ASTM)針對土壤及地下水污染治理發展出了 RBCA(Risk-based Corrective Action)模式,用于健康風險評價[12]. RBCA模式將土壤及地下水污染治理的健康風險評價分為3個等級,分別確定治理目標.一級評價主要針對原位暴露,即污染點風險最大的情況,相關參數大量采用經驗保守值;二級評價可以考慮原位暴露和異位暴露,相關參數盡可能考慮污染現場的實際進行取值;三級評價一般考慮異位暴露,采用更為精確的數值模擬技術,對污染物的分布和濃度進行更加精確的模擬,從而使健康風險的評價更加準確.隨著評價等級的提高,要求對污染現場進行更深入的調查,以取得更準確的現場數據,使風險評價的結果也更加接近實際情況.實際工作中具體進行到哪一個等級,是由數據條件和相應等級治理目標的技術經濟分析結果綜合決定的.

1.2 Csoil模式

1994年,荷蘭公共衛生與環境國家研究院(RIVM)開發了 Csoil模式,用風險評價的理念確定污染物介入值,用于土壤及地下水污染的治理工作[13].該模式主要針對位于污染區域內居民的原位暴露情況進行風險評價,通過對多個暴露途徑的評價,確定整體風險.最初的 Csoil模式類似于RBCA模式的一級評價,參數大量采用經驗保守值.在隨后的研究中,Csoil模式也不斷改進,越來越多的應用于實際污染場地的風險評價. Csoil模式中污染物運移模型的前提假定包括:無窮盡的污染源,并且不考慮非水相流體(NAPL)的影響;均質土壤;不考慮吸附作用;忽略降解、側向輸移和淋溶作用.

2 暴露途徑的選擇

一般來說,污染物進入人體的載體主要包括土壤、空氣、水和作物,不同的載體又會對應不同的暴露途徑.將污染物進入人體的暴露途徑按照載體類型匯總整理得到表1.

表1 土壤及地下水中污染物暴露途徑匯總Table 1 Exposure pathways of soil and groundwater contamination

通常人類活動環境可以簡化為室內和室外2部分,因此在具體計算健康風險時,需要將暴露途徑與所處的環境結合起來.如果所考慮的暴露途徑不同,最終計算得出的人體暴露的健康風險也會存在差異,因此需要先對RBCA模式和Csoil模式所考慮的暴露途徑進行整理和比較.2種模式對暴露途徑的考慮情況整理匯總如表2所示.

表2 RBCA模式與Csoil模式對不同暴露途徑的考慮Table 2 Exposure pathways considered in RBCA and Csoil

由表2可知, Csoil模式對于暴露途徑的考慮更為全面,RBCA模式沒有考慮室內土顆粒的吸入、洗澡過程中的皮膚接觸和蒸汽吸入以及作物食用等暴露途徑.本研究擬通過一些算例的比較來考察這些暴露途徑的重要性,以期為實際應用提供借鑒.

3 案例評價及結果分析

在具體的污染現場,通常需要首先基于場地的實際情況來判斷需要考慮的暴露途徑,例如某些地區并不存在作物食用和洗澡過程中的暴露.但是,在環境管理中,需要盡可能考慮所有的暴露途徑,確保所制定的環境治理目標能夠保障人體健康的安全.因此,本研究擬對不同的污染情景下各種可能的暴露途徑對總體風險的貢獻進行比較,研究不同暴露途徑的重要性.選取表層土壤污染、淺層土壤污染(不考慮淋溶作用)、淺層土壤污染(考慮淋溶作用)和地下水污染4種情景進行健康風險評價,并在此基礎上進行比較.

3.1 案例情景設置

3.1.1 污染物及參數選擇 選擇常見的有機污染物苯來進行健康風險評價.苯在常溫下為無色、具有特殊芳香氣味的液體,易揮發,易燃,易溶于醇、醚、丙酮和四氯化碳等有機溶劑,難溶于水.苯對人體傷害較大,國際癌癥研究中心(IARC)已經確認苯為致癌物質[14].苯的主要物理化學屬性參數包括:摩爾質量 78g/mol,20℃下溶解度22.788mol/m3,20℃下飽和蒸汽壓 10133Pa,分配系數(Koc)74.1L/kg.

3.1.2 污染源及其暴露途徑 研究考慮土壤被污染和地下水被污染的原位暴露.其中土壤被污染分為表層土壤污染和淺層土壤污染 2種情況,所謂淺層土壤污染是指被污染的土壤位于地表以下,不能直接暴露,而是經由揮發或者滲入地下水等方式產生人體暴露.一般來說,不同的污染源對應的暴露途徑也不一樣,各種不同情景的暴露途徑如表3所示.

在各個情景中,假定污染源所在土層為砂土,容重為 1.5g/cm3,非飽和區土壤的含水率為 0.2,含氣率為 0.2.其中,表層土壤污染的情景,污染源位于地表,污染物總濃度為 10mg/kg;淺層土壤污染的情景,污染源頂部埋深為 0.5m,污染源厚度為 1m,污染物總濃度為 10mg/kg;地下水污染的情景,地下水埋深為2m,污染物濃度為15mg/L.

表3 各種污染情景及可能的暴露途徑Table 3 Possible exposure pathways in case-studies

3.1.3 揮發途徑參數設置 考慮環境中很多有機污染物較好的揮發性,通過揮發以氣體的形式進入人體是污染物暴露的重要途徑.因此,在土壤及地下水污染健康風險評價中,揮發模型采用的相關參數對于風險評價結果有著重要的影響,是運移模型的核心部分.參考國外在風險評價體系的參數選擇,本研究采用的揮發途徑相關參數如表4所示.

表4 揮發途徑相關參數Table 4 Parameters of volatilization related

3.2 計算結果

本研究采用對暴露途徑考慮更為全面的Csoil模式[15-18]進行計算,關于淋溶的計算采用了RBCA模式中關于淋溶作用的運移模型,計算淋溶稀釋因子 LF[1].受篇幅所限,不一一列出所選取的計算模型及其中參數的取值.除了上述已列出的參數外,其他參數均采用 Csoil模式中的缺省值,用來反映最一般的情況.在此基礎上,由實際暴露量與人體基于毒理學的最大可允許風險暴露量(MPR)之比得到健康風險值.其中,對于土顆粒食入、皮膚接觸、作物食用、飲水等途徑,MPR表示可容許污染物日均口服量(TDI);對于室內和室外揮發、土顆粒吸入、蒸汽吸入等途徑,MPR表示空氣中可容許污染物濃度(TCA).需要指出,最大可允許風險針對的是有毒致癌物質,取整個生命周期內萬分之一的風險為臨界值.本研究對4種情景分別進行了健康風險的計算,得出的各個暴露途徑的健康風險如表5所示,具體的數值表示在不同的污染情景下各暴露途徑對人而言的致癌風險(臨界值為10-4)[13].

表5 案例計算結果匯總Table 5 Calculation results of case-studies

3.3 結果分析

根據表5的匯總結果,計算不同污染情景下各暴露途徑的風險占總風險的百分數,如表6所示.

表6 在不同污染情景下各暴露途徑的風險占總風險的百分數(%)Table 6 Contribution of different exposure pathways to the total human exposure (%)

3.3.1 不同暴露途徑的風險貢獻 在 4個情景所涉及的各種暴露途徑中,揮發暴露和飲水暴露是最主要的暴露途徑,其中揮發暴露以室內揮發為主,室外揮發的影響相對較小.土壤污染主要需考慮室內揮發的途徑.對于地下水污染,在使用地下水作為飲用水的情況下,飲水暴露是最主要的暴露途徑,其次是室內揮發.如果地下水同時也用于洗澡,則在洗澡過程中由于皮膚接觸和蒸汽吸入帶來的風險也有必要予以考慮,特別是呼吸吸入的部分,要遠大于由于皮膚接觸所帶來的健康風險.本研究案例中,2種情景下洗澡暴露的風險分別占到了總風險的 0.6%和 7.6%,如果采用RBCA模式進行風險評價,應特別注意污染現場是否會使用含有污染物的水作為洗澡等生活用水,如果這一暴露途徑是存在的,則應對其帶來的風險單獨進行評價.作物食用這一暴露途徑的風險在總風險中所占的比例較小,均不超過 0.4%,但在大量使用受污染地下水進行灌溉時也需要引起重視.對于表土污染,由于存在直接的暴露途徑,污染物可能通過呼吸吸入、食入、皮膚接觸等途徑直接進入人體;但案例計算結果表明這些途徑帶來的風險都較小,一般情況下忽略這些暴露途徑并不會對評價結果帶來太大的影響.

必須指出,在本次案例評價中由于選擇了揮發性有機物苯作為研究對象,揮發暴露途徑產生的健康風險較為顯著.如果選用揮發性較小的有機化合物或者重金屬物質進行研究,則呼吸吸入、食入、皮膚接觸等直接暴露途徑和作物食用、飲水等途徑帶來的風險貢獻可能較大.同時,在室內揮發模型的建立上,Csoil模式中由土壤到地下室和地下室到室內的模型設置以及空氣交換率等參數的設定在一定程度上決定了這一途徑的暴露量大小,考慮到不同的房屋結構和建材特征會使風險評價結果產生較大差異,具體情況需參考評價對象實際,尚有待進一步研究.

3.3.2 淋溶作用的影響分析 對于淺層土壤污染的情景,通過比較“不考慮淋溶作用”和“考慮淋溶作用”時的計算結果可以看出,淋溶作用對于總風險的影響較大.該案例中,考慮淋溶作用時的總風險比不考慮淋溶作用時的總風險高出約20%,其中主要來自于飲水暴露途徑.這說明在進行健康風險評價時,如果污染現場的地下水埋深較淺,當出現直接利用淺層地下水的情況時,在污染點風險評價過程中考慮淋溶作用十分必要.

3.3.3 表層土壤與淺層土壤污染情景比較 在該案例中,表層土壤污染時的風險評價結果是淺層土壤污染(不考慮淋溶的作用)時的10倍左右,說明表層土壤污染的風險遠遠大于淺層土壤污染.因此在表層土壤污染的情況下,對污染區域土壤實施覆蓋可有效的降低風險,即將其轉化為淺層土壤污染,這種措施在實際污染現場也得到廣泛使用.進一步考慮二者相關的暴露途徑,覆土后室內揮發風險降為 10%,室外揮發風險降為 2%.同時由案例結果的比較可以看出,即便是對于揮發性較大的污染物,用足夠厚度的土壤覆蓋表土污染區域,可以有效阻斷很多暴露途徑,減小其余暴露途徑的風險,從而使總風險大為降低.而對于揮發性較小或者不揮發的物質,此種措施的效果應該更好.因此,對表層土壤實施覆土的處理措施具有減小健康風險的實際意義.

4 結論

4.1 在土壤和地下水污染點健康風險評價中,相對于RBCA模式來說,Csoil模式對可能的暴露途徑考慮更為全面,在RBCA模式的基礎上還考慮了其他3種可能的暴露途徑:室內被污染土壤顆粒的直接吸入,利用被污染的地下水洗澡時的蒸汽吸入和皮膚接觸,食用種植在被污染土壤中的作物或是利用被污染的地下水澆灌過的作物.

4.2 選擇苯污染的現場進行情景分析.表層土壤污染的情況下風險最大,其次是地下水污染的情況,淺層土壤受污染的情況風險最小;對于淺層土壤污染,考慮淋溶作用時的風險高于不考慮淋溶作用時的風險.對不同暴露途徑的風險比較表明:揮發暴露和飲水暴露是最為主要的暴露途徑,而揮發暴露中室內揮發是主要暴露途徑.在使用地下水的情況下,飲水暴露是最主要的暴露途徑,而洗澡過程中地下水的使用也會帶來較大的風險.作物食用帶來的風險在總風險中的比例都比較小.室內土壤顆粒吸入的風險微乎其微,一般情況下不需要特別考慮.覆土是降低表土污染危害的有效方法,可在實際中予以應用.

4.3 如果污染物是揮發性較小的有機化合物,或者是不揮發的物質如重金屬,作物食用和直接暴露的途徑有可能會對總風險產生較大的貢獻而不能忽視.

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Comparative study on the health risk of different exposure pathways at soil and groundwater contaminated sites.

WU Xiao-feng*, XIE Lei, ZHAO Hong-yang (State Key Laboratory of Hydroscience and Engineering, Institute of Hydrology and Water Resources, Tsinghua University, Beijing 100084, China). China Environmental Science, 2012, 32(2)：345～350

RBCA mode developed by ASTM and Csoil mode developed by RIVM are most commonly used worldwide in assessment of soil and groundwater contamination. Difference of two modes in exposure pathways consideration was compared firstly. Three possible exposure pathways were not considered in RBCA. Case-studies were carried out using Csoil mode to compare risks of different exposure pathways. Surface soil contamination had the greatest risk, and leaching was an important process for shallow contaminated soil. Volatilization and water-drinking were two most important exposure pathways. Shower and bathing pathways were possibly important too. For surface soil contamination, pavement was an effective measure to reduce the health risk.

soil contamination；groundwater contamination；risk；exposure pathway；RBCA mode；Csoil mode

2011-05-22

* 責任作者, 副教授, wuxiaofeng@tsinghua.edu.cn

X820.3

A

1000-6923(2012)02-0345-06

武曉峰(1967-),男,甘肅會寧人,副教授,博士,主要從事水環境保護研究.發表論文50余篇.