朱菲菲,秦普豐,張娟,顏增光,侯紅*,李發生
1.湖南農業大學資源與環境學院,湖南 長沙 410128
2.中國環境科學研究院,環境基準與風險評估國家重點實驗室,北京 100012
我國地下水環境優先控制有機污染物的篩選
朱菲菲1,2,秦普豐1,張娟2,顏增光2,侯紅2*,李發生2
1.湖南農業大學資源與環境學院,湖南 長沙 410128
2.中國環境科學研究院,環境基準與風險評估國家重點實驗室,北京 100012
針對當前我國地下水有機污染現狀和監測評價的需求,借鑒國內外研究經驗,以污染物的急性毒性、生殖毒性、致癌性、內分泌干擾性、環境持久性、生物累積性、遷移性和出現頻率為評價指標,采用層次分析法(AHP)結合加權評分法,對地下水優先有機污染物進行了定量篩選。提出了地下水環境優先控制的共16類85種有機污染物名單,包括鹵代烴類16種、多環芳烴類13種、農藥類20種、酚類7種、氯代苯6種、苯系物6種、硝基苯類3種、酯類3種、醛類2種、苯胺類2種、亞硝胺2種以及二氯乙酸、丙烯腈、多氯聯苯、甲基叔丁基醚和丙烯酰胺等。根據有機污染物對環境的危害,篩選著重考慮環境分布廣、濃度高及危害較大的物質。
地下水;有機污染物;優先污染物;層次分析法;定量篩選
隨著工業化和城市化的發展,地下水遭到嚴重污染。研究表明,地下水中檢出的危害人體健康的有機污染物的種類及污染程度已不容忽視[1-2]。我國的地下水有機污染研究尚處于起步階段,但近年來,已逐步引起了國家相關部門的重視。2005年中國地質調查局開展了全國地下水污染調查評價工作,在珠江三角洲和華北平原等地區重點針對有機污染開展了調查,對地下水有機污染物的分布特征、來源、污染程度等有一定了解[3-4],該調查工作也將作為今后長期的重要任務。對于大多數有機污染物而言,我國現行的地下水質量標準[5]和生活飲用水水源水質標準[6]均未將其包含在內。由于污染物種類繁多,無法對每種污染物逐一調查和監測,而只能選出潛在風險大的污染物予以重點控制,這些優先選擇的有毒物質稱為優先污染物(priority pollutants)。
很多國家都開展了環境優先污染物的篩選和控制名單的制定[7-9]。美國是最早開展污染物優先監測和篩選的國家,在對有毒有害污染物進行了大量研究的基礎上,以污染物毒性為基礎,結合污染物的產生量、檢出頻率等因素進行綜合評價,最終得到65類129種重點控制的優先污染物名單。歐盟依據大量監測數據,由數據和模型的污染物暴露得分與毒性效應得分組合計算總得分,最終基于風險排序和專家評判篩選水環境優先污染物[8,10-11]。我國也于1990年提出了符合我國國情的水中優先控制污染物黑名單68種[12],以污染物排放調查和環境監測數據為基礎,結合污染物的毒性和排放量,并通過專家評審的方式,綜合檢測技術和經濟發展水平等因素得出,為優先污染物的控制和監測提供了依據。但在地下水環境優先污染物的篩選方面,尚未建立完整的方法。因此,亟需建立地下水環境中優先有機污染物的篩選方法體系,確立地下水環境中優先控制有機污染物名錄,以強化地下水有機污染物監測與評價的針對性。此外,優先污染物篩選是環境綜合信息處理的典型應用領域,隨著信息獲取技術手段的進步,環境信息的豐富,多指標、定量化是污染物篩選方法的發展方向。層次分析法[13](analytic hierarchy process,AHP)是20世紀70年代發展起來的一種定性和定量相結合,系統化、層次化的決策分析方法,由于其實用性和有效性,在決策目標的篩選和排序方面也有較科學和系統的應用。筆者借鑒國內外研究成果,以污染物的毒性效應和環境效應為評價指標,采用層次分析法與評價因子賦值并結合加權評分法,對我國地下水中有機污染物進行定量篩選,初步確定地下水環境優先控制有機污染物清單,以期為地下水中應重點控制的有機污染物篩選和開展有機污染調查和監測管理提供一定理論參考。
1.1 潛在優先有機污染物的初選
通過調研國內外優先污染物名單和國內相關的標準及文獻得到污染物的初始名單,再根據所有污染物的出現頻率進行篩選。污染物初始名單是以國內外優先污染物名單、國內相應標準和地下水污染事故中出現的污染物等為依據而得到,主要包括:1)國外優先污染物名單〔美國國家環境保護局(US EPA)、歐盟、日本、加拿大和荷蘭等10個優先污染物名單[8,14]〕;2)我國水環境優先控制污染物黑名單和水中優先監測有機污染物推薦名單等國內優先控制名單;3)我國《地下水質量標準》(GBT 14848—93)[5]、《生活飲用水衛生標準》(GB 5749—2006)[15]、《城市用水水質標準》(CJT 206—2005)[16]、《土壤環境質量標準》(GB 15618—1995)[17]和地質調查局頒發的《地下水調查評價規范》(DD 2008—01)[18];4)國內文獻資料中監測出現的地下水污染物及國內地下水和飲用水污染事故[1-4,19-23];5)文獻資料中專家推薦的應列入優先考慮的地下水污染物[24]。
以污染物在初始名單中總的出現頻率為主要篩選依據,經初步篩選,共得到有機污染物351種,其中在國內名單或調研中和國外優先名單中同時出現的有機污染物為133種,只在國內標準或調研中出現或只在國外優控名單出現的物質為218種。參考國內外經驗,保留國內外優先污染物名單和國內相關的標準及文獻中污染物出現頻率為20%以上的污染物,最終得到121種有機污染物。
1.2 初選物質的定量篩選排序方法
1.2.1 評價因子
評價因子包含污染物的毒性效應和環境效應2個方面,分別從污染物對人體健康的危害性和環境中污染物的暴露對人體潛在暴露的風險性,以及在環境介質中的遷移性進行考慮。毒性效應包括急性毒性、致癌性、致突變性、生殖毒性、內分泌干擾性;環境效應包括遷移性、環境持久性、生物累積性和出現頻率。其中環境持久性、生物累積性和毒性是判斷PBT物質的指標[25],由于地下水污染對水生生物無顯著影響,因此沒有考慮水生生物毒性。而污染物從土壤進入地下水的淋溶遷移性,是對污染物對環境及人體健康的潛在危險性的考慮。由于國內信息和監測數據的缺乏,篩選過程中未考慮污染物的生產量與排放量。其他指標有:1)急性毒性,包括哺乳動物一般急性毒性LD50(經口攝入或經皮吸收);2)致癌性,參考國際致癌研究中心(IARC)的致癌物分類;3)致突變性,指其改變生物(特別是針對人)細胞染色體堿基序列的能力;4)生殖毒性,包括對成人生殖或生育能力的有害效應和對子代發育的有害效應;5)內分泌干擾性,是否為環境內分泌干擾物質[23];6)遷移性,根據污染物的土壤有機碳吸附系數(Koc)和半衰期(DT50)計算地下水污染指數(GUS,groundwater ubiquity score),來表示有機污染物淋溶遷移性[26-27],GUS=lgDT50·(4-lgKoc);7)環境持久性,在水中的半衰期(T)表示有機物在水環境中的持久性;8)出現頻率,即調研國內外優先污染物名單和國內相關的標準及文獻中污染物出現的頻率;9)生物累積性,采用生物富集系數(BCF)評價,且化合物辛醇-水分配系數(Kow)與其有一定的相關性。
1.2.2 參數的分級和賦值
污染物危害等級的劃分參考國內外化學物質危害分級和篩選方法等文獻資料[19-37]。每個參數分成2~5級,分別賦值1~4分,危害性越大分值越高;對于數據不足的物質,無相應參數的數據時則賦中間分值2分;對于內分泌干擾性,只分為“具有內分泌干擾性”和“無顯著證據或無數據”2個級別,分別賦值4分和2分(表1)。

表1 評價因子的分級和賦值
1.2.3評價因子權重計算——層次分析法的運用[13]
運用層次分析法建模,可分為4個步驟:建立層次結構模型;構造判斷矩陣;層次單排序及一致性檢驗;層次總排序及一致性檢驗。
1.2.3.1建立層次結構模型
建立地下水優先有機污染物篩選的遞階層次結構,確立各層次因素,根據要求設定3級(圖1)。
1.2.3.2構造判斷矩陣
運用1~9標度法進行各層次因素的兩兩比較,確定各因素間的相對重要性,構造各層次的判斷矩陣。矩陣參數λmax為矩陣的最大特征根;CI為矩陣一致性指標,定義為CI=(λmax-n)(n-1),其中,n為矩陣的階數。CR為隨機一致性比率,定義為CR=CIRI,其中,RI為平均隨機一致性指標。

圖1 地下水優先有機污染物篩選指標的層次結構模型Fig.1 Screening index hierarchy model of groundwater prior organic pollutants
層次A與層次B構成的判斷矩陣J1:

AB1B2權重(Wbi)B1120 6667B21∕210 3333
B1與層次C構成的判斷矩陣J2:

B1C1C2C3C4C5權重(Wci)C111∕21∕21∕220 1336C2212240 3525C321∕21130 2195C421∕21130 2195C51∕21∕41∕31∕310 0749
B2與層次C構成的判斷矩陣J3:

B2C6C7C8C9權重(Wci)C612320 4231C71∕21210 2274C81∕31∕211∕20 1222C91∕21210 2274
1.2.3.3層次單排序及一致性檢驗
當矩陣階數n>2時,以隨機一致性比率(CR)來檢驗判斷矩陣是否有滿意的一致性。當CR<0.1時,即認為判斷矩陣具有滿意的一致性。因此,可知矩陣J1,J2,J3都有較好的一致性。
1.2.3.4層次總排序及一致性檢驗
若層次C某因素對于Bi單排序的一致性指標為CIj,相應的平均隨機一致性指標為RIj,則層次C總排序一致性比率為:

因此,層次C總排序結果具有滿意的一致性。而層次C的目標權重W(Ci)=Wbi·Wci,篩選評價指標急性毒性、致癌性、致突變性、生殖毒性、內分泌干擾性、遷移性、環境持久性、出現頻率和生物累積性的目標權重〔W(C1)~W(C9)〕見表2。

表2 層次C總排序權值計算方式
1.2.4 污染物篩選與排序
有機污染物的定量篩選根據污染物的各指標得分與其權重的乘積加和計算該污染物的綜合評分,污染物總得分=∑W(Ci)×Ci得分(表2)。文中有機污染物的理化性質及毒理學數據主要來源于美國有毒物質與疾病登記署(ATSDR)、世界衛生組織的化學品安全數據庫(IPCS)、美國有機化學品理化性質和環境遷移手冊(第2版)、化學品安全技術說明書(MSDS)、國內突發性污染事故中危險品檔案庫和我國嚴格限制進出口有毒化學品信息表等其他相關手冊和文獻的調研[38-47]。鑒于我國缺乏較完善和系統性的污染物理化性質及毒理學信息數據庫,優先采用國外較全面數據庫信息結合國內已有的數據。表3為部分篩選物質的指標得分與總分計算(Excel計算)。以二氯甲烷為例:
二氯甲烷總分=0.089 0×1+0.235 0×3+0.146 4×4+0.146 4×4+0.049 9×2+0.141 0×3+0.075 8×3+0.040 7×4+0.075 8×1 = 2.954 0。

表3 部分篩選污染物各項指標評分及總得分
根據1.2.2節和1.2.3節的定量篩選,結合我國實際對污染物優先控制和污染物毒性及環境效應分值的考慮,在初選結果中的121種污染物中選取總分大于1.900 0的物質作為最終篩選的地下水優先有機污染物,共85種(表4)。
與國內外其他名單比較,由該方法篩選得到的地下水環境中優先控制有機污染物名單(以下簡稱“名單”)中有47種為我國環境優先控制污染物黑名單(含有機污染物58種,其中農藥類僅8種)中的物質。名單中主要包括3類污染物:鹵代烴類16種,多環芳烴類13種,農藥類20種。農藥類數量與黑名單中有很大區別,這與黑名單的篩選過程中考慮化學品產生量并結合經濟條件最為成熟的目標顯著相關。此外,名單中有61種均為US EPA制定的水環境優先污染物(含有機污染物114種)中的物質[14],包括鹵代烴類的1,2-二氯乙烯(反式)、六氯丁二烯、二溴氯甲烷;多環芳烴類的蒽、芴、苯并(a)蒽、苯并(a,h)蒽;農藥類的七氯、七氯環氧、毒殺芬、異狄氏劑、氯丹和丙烯醛等有機污染物。同時,名單中主要污染物也多為《地下水污染調查評價規范》中重點區域有機組分測試指標,并且在國內地下水污染監測中檢出頻率較高,分布較廣,檢出濃度均超過常用水質標準[5-6,15-16]。該名單與其他名單及相關標準的一致性也在一定程度上體現該篩選方法的相對合理性。
篩選結果中有機氯化合物約占50%,其突出特點是“三致”作用和在環境中的難降解性。名單中有9種為POPs公約禁止或限制使用的持久性有機污染物,其中有7種屬有機氯農藥類。當前持久性有機污染物污染日益嚴峻,將有機氯農藥類等持久性污染物作為優先控制的污染物基本符合我國持久性有機污染物環境管理的需要。并且部分高毒持久性污染物如艾氏劑、除草醚和甲拌磷等農用殺蟲劑和除草劑在國外已屬禁用化學毒物,但我國還在生產且使用量較大[48];而六六六、滴滴涕、毒殺芬和對硫磷等也是農業部明令禁止使用的農藥,但部分仍被使用并且其毒害作用和潛在威脅仍然存在,這也與我國是農業生產大國密不可分。

表4 地下水優先污染物篩選排序結果
大量研究表明[4,20-21],我國地下水普遍受到了鹵代烴、多環芳烴和有機氯農藥的不同程度污染。在全國31個省69個城市開展的地下水有機污染樣品調查檢測中,由791個樣品分析得知,檢出率較高的組分主要為揮發性鹵代烴、單環芳烴、半揮發性有機氯農藥及多環芳烴。檢出率由高到低的組分依次為:氯仿(20.2%)、苯并(a)芘(16.2%)、總六六六(6.03%)、四氯乙烯(5.03%)、1,2-二氯乙烷(4.40%)、四氯化碳(3.89%)、三氯乙烯(3.77%)、苯(2.01%);并且在其中406組樣品至少檢出有1種揮發性鹵代烴組分,檢出率為51.3%,單種物質超標率較高的有四氯化碳、氯仿、1,2-二氯乙烷、三氯乙烯等[20]。而根據華北平原地下水調查研究,在《地下水污染調查評價規范》中的38種有機組分測試指標的檢測中,檢出的有機污染物有32種[4],檢出率較高(大于4.5%)的有氯仿、甲苯、四氯乙烯、苯并(a)芘和苯等,檢出率偏高的有溴二氯甲烷、對二氯苯、滴滴涕(總量)等。單種物質超標率較高的四氯化碳和苯并(a)芘、揮發酚的超標率分別達到1.22%、2.45%和1.90%。這些監測結果與筆者的研究結果有較好的一致性,同時也反映了我國地下水應優先控制鹵代烴、多環芳烴和有機氯農藥的必要性。因此,筆者篩選得出的地下水環境優先有機污染物也在一定程度上符合地下水污染物的實際檢出情況。
(1)篩選得到85種地下水優先有機污染物,包括鹵代烴類16種、多環芳烴類13種、農藥類20種、酚類7種、氯代苯6種、苯系物6種、硝基苯類3種、酯類3種、醛類2種、苯胺類2種、亞硝胺2種以及二氯乙酸、丙烯腈、多氯聯苯、甲基叔丁基醚和丙烯酰胺等。
(2)根據有機污染物對環境的危害,需優先控制的有機污染物種類著重考慮環境分布廣、濃度高及危害較大的物質。篩選名單中有47種為“我國環境優先控制污染物黑名單”中的物質,有61種物質與US EPA制定的“水環境優先污染物”相同,9種為POPs公約禁止或限制使用的持久性有機污染物,7種屬有機氯農藥類。篩選得到的污染物與其他名單和相關標準的相似性也在一定程度上說明該篩選方法的合理性。
(3)由于環境管理措施的制定與實施受到監測技術水平、生產需要、社會和經濟發展等多方面因素的影響,對優先控制的可行性需作進一步的綜合分析,并不斷完善和修正篩選方法,方可制定出符合國情、因地制宜的優先控制污染物名單。另外,對于未列在優先控制名單中的其他有機污染物,則應跟蹤國內外最新研究進展,開展相關監測和評價工作,補充現有環境數據和毒理學數據,對名單進行動態更新。
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ScreeningofPriorityOrganicPollutantsinGroundwaterofChina
ZHU Fei-fei1,2, QIN Pu-feng1, ZHANG Juan2, YAN Zeng-guang2, HOU Hong2, LI Fa-sheng2
1.College of Resources and Environment, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China
2.State Key Laboratory of Environmental Criteria and Risk Assessment, Chinese Research Academy of Environmental Sciences,
Beijing 100012, China
The priority organic pollutants in groundwater were screened based on foreign and domestic research experience to meet the demand of monitoring and assessment in groundwater pollution of China. Acute toxicity, reproductive toxicity, carcinogenicity, endocrine disrupting activity, persistence, bioaccumulation, migration and occurrence frequency of pollutants were selected as assessment indicators. Analytic Hierarchy Process combined with Weighted Mark Method was used in quantitative screening of priority organic pollutants in groundwater. Sixteen categories including 85 organic pollutants were tentatively selected on the priority pollutants list, which contains 16 kinds of halogenated hydrocarbons, 13 kinds of polycyclic aromatic hydrocarbons, 20 kinds of pesticides and herbicide, 7 kinds of phenols, 6 kinds of chlorinated benzene, 6 kinds of BTEX, 3 kinds of nitrobenzene, 3 kinds of esters, 2 kinds of aldehydes, 2 kinds of anilines, 2 kinds of nitrosamines and dichloroacetic acid, acrylonitrile, PCBs, MTBE and acrylamide. The screening focused on considering the organic substances that widely distributed in the environment with high concentration and harmfulness to the environment.
groundwater; organic contaminant; priority pollutant; Analytic Hierarchy Process; quantitative screening
1674-991X(2013)05-0443-08
2013-04-07
收稿日期:國家環境保護公益性行業科研專項(201009032);中央級公益性科研院所基本科研業務專項(2007KYYW03)
朱菲菲(1988—),女,碩士,主要從事土壤污染與控制研究,zhufeifei703@163.com
*責任作者:侯紅(1963—),女,研究員,博士,主要研究方向為土壤環境化學,houhong@craes.org.cn
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A 10.3969j.issn.1674-991X.2013.05.069