無錫市錫山區棕(褐)地環境風險評價研究

林佳佳,王 維,居 婕,劉曉磊,孫 華 * (.南京農業大學資源環境與城鄉規劃系,江蘇 南京 0095；.江蘇省環境保護廳,江蘇 南京 0036)

棕(褐)地指廢棄的、閑置的或沒有得到充分利用的工業或商業用地及設施,在這類土地利用過程中,往往因存在著嚴重的環境污染而更為復雜[1].已有研究主要圍繞其概念、成因及整治等展開[2-5].而棕(褐)地自身也存在環境風險[6-8].如何對城市棕(褐)地存在的環境風險進行識別與評價已經成為城市環境管理中的重要內容[9-10].

本文采用改進的NAS四步法及潛在生態危害指數法分別對無錫市錫山區棕(褐)地存在的健康風險和生態風險進行評價,敏感受體為居住在棕(褐)地附近的居民,包括成人和兒童.已有的運用NAS四步法對健康風險進行評價的研究中,一般選取美國環境保護局依據美國人群特征設定的參數,考慮到模型參數對評價結果不確定性的影響,依據我國人群特征對相關模型參數進行了修正.

1 材料與方法

1.1 研究區域

無錫市錫山區位于江蘇省東南部,是長江三角洲地區重要的工業基地.近年來,錫山區產業結構發生明顯轉變,傳統工業不斷外遷,出現大量棕(褐)地.

1.2 棕(褐)地樣點選取

本文以錫山區四大城市發展模塊,即錫東新城、安鎮—羊尖新市鎮、東港—錫北新市鎮、鵝湖新市鎮的棕(褐)地類型為基礎,結合錫山區土地利用現狀與規劃圖、工礦企業分布圖資料,依地塊大小和污染程度選取21個樣點,在2010年9～12月進行樣品采集和分析,采用垂直柱狀法,取混合土樣.風干、研磨過100目篩,采用火焰原子吸收法測定土壤重金屬含量.

1.3 研究方法

1.3.1 健康風險評價方法 采用NAS四步法對棕(褐)地存在的健康風險進行評價,該法的模型運算主要分布在暴露評價和風險表征兩個階段.

1.3.1.1 暴露評價 錫山區棕(褐)地重金屬的暴露途徑主要有 3種,即不慎攝食污染土壤、皮膚接觸污染土壤及吸入污染土壤顆粒物[11-12],相應分析模型如下:

(1)不慎攝食污染土壤

(2)皮膚接觸污染土壤

(3)吸入污染土壤顆粒物

式中: CDI為攝入的污染物,mg/(kg·d);CS為土壤中污染物質濃度,mg/kg;IR1為土壤攝入量,mg/d;CF為單位轉換因子,kg/mg;EF為暴露頻率,d/a;ED為暴露期限,a;SA為接觸土壤的皮膚表面積,cm2;AF為土壤對皮膚的吸附系數,mg/cm2;ABS為皮膚對污染物的吸收系數;PEF為土壤塵產生因子,m3/kg;IR2為空氣攝入量,m3/d;AT為平均作用時間,d;BW為人群平均體重,kg.

1.3.1.2 風險表征 參考世界衛生組織(WHO)和國際致癌研究機構(IARC)關于化學物質致癌性編制的分類系統,重金屬Cr、Pb、Cu和Zn均存在非致癌風險,重金屬 Cd不但存在非致癌風險還存在致癌風險.

(1) 致癌風險評價

致癌風險是指人體暴露于某種致癌物質下所引起的癌癥發生的概率,其值是通過平均到整個生命周期的平均每天攝入量(CDI)乘以不慎攝食、皮膚接觸或呼吸吸入致癌斜率系數(CSF)計算得出,即:

式中:CR為致癌風險值;CDI為平均每天攝入量(假設生命周期為 70a),mg/(kg·d);CSF為各種暴露途徑的致癌風險斜率系數, kg·d/mg.

(2) 非致癌風險評價

非致癌風險值是通過平均每天攝入量(CDI)除以每一種暴露途徑相對應的參考劑量(RFD)計算得出,即:

式中:HQ為非致癌風險值;CDI為平均每天攝入量(平均到整個暴露作用期),mg/(kg·d);RFD 為參考劑量,mg/(kg·d).

表1 暴露評價參數值Table 1 Exposure assessment parameters

1.3.1.3 參數取值 本文暴露評價中各參數的計算參考值主要參照美國環保署的《暴露評價指南》[13]確定,但由于《暴露評價指南》中參數值界定是以美國當地人體皮膚面積與暴露人群的種族作為參考,若直接采用國外人體參數數據,將會對評估結果產生不利影響, 從而影響整個健康風險評價的準確性.

同時,考慮到我國的實際情況,各參數計算參考值也根據有關健康風險評價文獻[14-17]中給出的參考值以及我國《工業企業土壤環境質量風險評價基準》(HJ/T25-1999)中的暴露參考值做出了相應修正,修正過程如下,修正結果見表1.

(1) 其中土壤攝入量、單位轉換因子、暴露頻率、暴露期限、致癌平均作用時間與非致癌作用時間修正依據《工業企業土壤環境質量風險評價基準》(HJ/T25-1999)[18]、《場地風險評估技術導則》確定.

(2) 其中接觸土壤的皮膚表面積、土壤對皮膚的吸附系數、皮膚對污染物吸收系數的修正過程如下:目前由于中國人皮膚表面積的基礎數據極為匱乏,間接估算時存在一定不完整性,修正數據借鑒其他亞洲國家人體參數[14]、全國范圍內的大型調查和文獻報道數據[15]等方式,而國內文獻中得出的參數值一致性高[16-17],故進行修正.人群平均體重、空氣攝入量依據國內人口統計數據及相關中國衛生統計資料.本文風險表征中 CSF和 RFD的計算參考值主要參照《場地環境評價導則》、美國環保局頒布的《Cancer dose-response assessment and application to environmental mixtures》[19](US EPA 1996)以及有關健康風險評價文獻[18-20]中給出的參考值確定,見表2.

表2 健康風險評價模型參數CSF和RFD值Table 2 The value of CSF and RFD in health risk assessment model

1.3.1.4 風險可接受水平的確定 一般認為可接受非致癌風險閾值為 1[21],而對于可接受致癌風險則沒有統一的標準,本文參照我國污染場地風險評估技術導則中的規定,以 10-6作為最大的致癌風險可接受水平.

1.3.2 生態風險評價方法 采用潛在生態危害指數法對棕(褐)地存在的生態風險進行評價.

(1) 單個重金屬污染系數(the factor of contamination),Cif.

式中:Cif為某種金屬的污染系數;Ci實測為某種重金屬的實測值;Ci背景為某種重金屬的背景值.

本文土壤重金屬背景值的選取主要參考研究區域附近地區土壤重金屬背景值的相關研究文獻[22-24]來確定,見表3.

(2) 土壤重金屬污染度Cd,是多種重金屬污染系數之和.

(3) 重金屬毒性響應系數Tir,該系數反映了重金屬在生物相、沉積相和水相之間的響應關系,本文采用Hakanson制定的標準化重金屬毒性響應系數,見表3.

表3 土壤重金屬背景值與毒性系數Table 3 The background values and toxicity index of soil heavy metal

(4)單個重金屬的潛在生態危害系數(the potential ecological risk index),Eir.

(5)土壤重金屬潛在生態危害指數(the potential ecological risk index),RI.

重金屬污染潛在生態危害程度分級[24-25]見表4.

表4 重金屬污染潛在生態危害指標與分級關系Table 4 The potential ecological risk index and graded relationship of the heavy metal pollution

2 結果與分析

2.1 健康風險

2.1.1 致癌風險 根據式(1)～式(4)以及表1～表3中的各參數值,計算得出錫山區棕(褐)地致癌風險.由圖1可見,錫山區棕(褐)地致癌風險值總體小于致癌風險可接受水平,但已非常接近,說明致癌風險問題較嚴重.其中,兒童受到的致癌風險明顯高于成人,主要是不慎攝食土壤暴露途徑造成的,在皮膚接觸土壤與吸入污染顆粒暴露途徑產生的致癌風險中兒童明顯低于成人,因成人的皮膚表面積與呼吸量均比兒童大.在錫山區四大發展模塊中,錫東新城棕(褐)地致癌風險值最大,鵝湖新市鎮棕(褐)地致癌風險值最小,安鎮—羊尖新市鎮與東港—錫北新市鎮棕(褐)地致癌風險水平相近,這主要是因為錫東新城是錫山區工業發展的核心區域,原先的污染企業較多,污染程度最高.安鎮—羊尖新市鎮與東港—錫北新市鎮工業發展情況相類似,鵝湖新市鎮是錫山區新興產業及高科技產業集中區域,污染程度最低.

圖1 錫山區棕(褐)地對成人和兒童致癌風險值(成人與兒童)Fig.1 The brownfield cancer risk in Xishan District(adult and child)

2.1.2 非致癌風險 根據式(1)～式(3)和式(5)以及表1～表3中的各參數值,計算得出錫山區棕(褐)地非致癌風險值,見圖2.

由圖 2可以看出,錫山區棕(褐)地非致癌風險狀況與致癌風險狀況類似,其值不管是針對成人還是兒童,總體來說都小于非致癌風險可接受水平,但是已經非常接近,說明棕(褐)地產生的非致癌風險問題也已經比較嚴重,這符合錫山區的實際情況;成人和兒童相比較,成人受到的非致癌風險明顯高于兒童,但是成人在不慎攝食土壤暴露途徑中受到的非致癌風險低于兒童,這主要與兒童不慎攝食土壤的概率較大;在錫山區四大發展模塊中,錫東新城棕(褐)地非致癌風險值同樣最高,污染最為嚴重,這主要是因為錫東新城是錫山區工業發展的核心區域,原有高污染企業較多,污染程度最為嚴重;在3種不同的暴露途徑中,吸入污染顆粒途徑產生的非致癌風險水平最低,產生非致癌風險水平最高的暴露途徑是皮膚接觸土壤途徑.

從圖 3還可以得出以下結論:不管是針對成人還是兒童,重金屬Pb和Cr相對于其他3種重金屬Cd、Cu和Zn來說,產生的非致癌風險指數均較大,尤其是Pb在錫山區棕(褐)地非致癌風險中的貢獻率最大,重金屬Pb和Cr是錫山區棕(褐)地非致癌風險最主要的風險源.

2.2 生態風險

根據式(6)～式(8)和式(9)以及表4和表5中的各參數值,計算得出錫山區棕(褐)地重金屬污染物質的潛在生態危害系數Eir及潛在生態危害指數RI,具體數值見表5.

圖2 錫山區棕(褐)地非致癌風險值(成人與兒童)Fig.2 The brownfield non-cancer risk in Xishan District(adult and child)

由表 5可以看出,在總的潛在生態風險程度方面,錫山區棕(褐)地存在的潛在生態風險處于中度危害水平.在錫山區四大發展模塊中,錫東新城棕(褐)地存在的潛在生態風險水平最高,東港—錫北新市鎮與安鎮—羊尖新市鎮棕(褐)地存在的潛在生態風險水平緊接其后,均處于中度危害水平,鵝湖新市鎮棕(褐)地存在的潛在生態風險水平最低,處于輕度危害水平,這主要是因為錫東新城是錫山區工業發展的核心區域,污染企業較多,污染程度最高;安鎮—羊尖新市鎮與東港—錫北新市鎮工業發展情況相類似,污染程度相近;鵝湖新市鎮是錫山區新興產業及高科技產業集中區域,污染程度最小.在單因子污染物生態風險程度方面,就錫山區整體而言,重金屬 Cd產生的潛在生態風險水平最高,處于較強危害水平,重金屬Cr、Pb、Cu和Zn產生的潛在生態風險均處于輕度危害水平;就錫山區四大發展模塊而言,重金屬 Cd產生的潛在生態風險最嚴重,其中,在錫東新城,重金屬 Cd產生的潛在生態風險處于很強危害水平,在東港—錫北新市鎮和安鎮—羊尖新市鎮,重金屬 Cd產生的潛在生態風險均處于較強危害水平,在鵝湖新市鎮,重金屬 Cd產生的潛在生態風險處于中度危害水平,其余重金屬Cr、Pb、Cu和 Zn在錫山區四大發展模塊中產生的潛在生態風險均處于輕度危害水平.

圖3 錫山區棕(褐)地重金屬對人體非致癌風險指數Fig.3 The brownfield hazard quotients and risk for each element in Xishan District

表5 錫山區棕(褐)地重金屬潛在生態危害系數Eir及潛在生態危害指數RITable 5 The brownfield heavy metals potential ecological risk index Eir and RI in Xishan District

3 結論

3.1 錫山區棕(褐)地產生的健康風險,不論是致癌風險還是非致癌風險均已非常接近風險可接受水平;在錫山區四大發展模塊中,錫東新城發展模塊相比其他三大發展模塊,存在的致癌風險與非致癌風險都是最大的;在三大暴露途徑中,吸入污染顆粒暴露途徑與其他兩種暴露途徑相比,產生的致癌風險與非致癌風險均是最小的;重金屬Pb和Cr是錫山區棕(褐)地產生非致癌風險的主要風險源.

3.2 錫山區棕(褐)地存在的生態風險比較嚴重,其主要風險源是重金屬 Cd;與健康風險情況類似,在錫山區四大發展模塊中,錫東新城發展模塊存在的生態風險最大.

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