渭河西安段水體重金屬污染現狀及其健康風險評價

楊學福，關建玲，段晉明，王 蕾，裴曉龍，羅儀寧，李 偉

（1.西安建筑科技大學 環境與市政工程學院，陜西 西安710055；2.西安工業大學 建筑工程學院，陜西 西安710032；3.陜西省環境監測中心站，陜西 西安710054）

重金屬可經生活污水和工業廢水排放、采礦及農業面源污染、大氣干濕沉降等途徑進入河流水體并造成污染。即使水體中的重金屬微量存在也可對生物產生毒性效應；又因重金屬具有難降解，可在生物體內富集和放大等特點，最終通過飲水、食物鏈等途徑直接或間接地進入人體，對人體健康造成嚴重威脅［1］。因此，監測和評價河流水體中的重金屬元素對于河流流域的水質安全控制、當地人民生活質量和流域社會經濟的可持續發展具有深遠的意義［2］。渭河是黃河的最大支流，也是陜西省的主要河流，其在西安市境內蜿蜒150km，使該市深受其益。然而西安市人口密集，又是重要的工業基地，西安市依靠渭河水系發展的同時，大量的生產、生活廢水排入境內受納水體并最終匯入渭河，使之一度成為重度污染的河流和黃河最主要的污染源［3］。國務院2008年批復的《關中—天水經濟區發展規劃》對西安市提出了“打造國際化大都市”的新定位，要求區域發展的同時應更加注重生態建設和環境保護。目前對于渭河流域西安段水體的研究主要集中在水質狀況、水資源綜合評價與利用、水質污染優化控制等方面，而針對渭河流域尤其是西安段水體中重金屬的污染研究非常有限［4－5］，對其重金屬的健康風險評價尚屬空白。本研究以渭河西安段為主要研究區域，以其干流和支流水體中重金屬的常規監測數據為基礎，分析渭河流域西安段水體中重金屬的污染現狀，并對其進行健康風險評價，以期為渭河流域西安段水體的水質安全控制提供基礎數據和技術支持。

1 數據來源及研究方法

1.1 數據來源

采用西安市環境監測站2012年渭河西安段水體10個監測斷面的重金屬常規水質監測數據，其中干流沿程監測斷面4個，6條主要支流入渭監測斷面各1個。監測指標包括重金屬汞（Hg）、鎘（Cd）、鉻（Cr）、鉛（Pb）、銅（Cu）、鋅（Zn）和類金屬砷（As）、硒（Se）共8項。監測頻次為每月1次。

1.2 評價方法

1.2.1 污染現狀評價方法

（1）單因子水質標準比較法。選用監測濃度值或濃度年均值，參照《地表水環境質量標準（GB3838—2002）》進行評價，低于或等于該類標準限值時稱為達到該類標準；以Ⅲ類標準限值作為臨界值，當濃度超過Ⅲ類標準限值時即為超標。

（2）重金屬污染指數法（HPI）。以加權算術平均值為基礎，對水體中各個重金屬產生的水質污染影響進行綜合評價［6］。目前在國外應用較多，在國內的應用鮮見報道。通常按分為3步計算：

① 計算第i個重金屬指標的權重：

② 計算第i個重金屬指標的質量等級指數：

③ 加權計算重金屬污染指數：

式中：Si——水域功能允許的最高濃度值（μg／L）〔《地表水環境質量標準（GB3838—2002）》的Ⅲ類標準限值〕；k——由條件決定的比例常數，為計算簡便通常取1；Ci——水體中重金屬的監測濃度值（μg／L）；n——評價指標的個數。根據研究文獻［6］，通常污染臨界指數HPIc＝100，當HPI＞100時，認為該水體的重金屬污染程度已超過其最高可接受水平。

1.2.2 健康風險評價方法 健康風險評價是20世紀80年代興起的，該方法是以風險度作為評價指標，將環境污染與人體健康聯系起來，定量描述污染對人體產生的健康危害風險［7］。本文選用目前國際上廣泛采用的USEPA健康風險評價模型［8］計算健康風險，并考慮研究區域內人群狀況，對模型中的參數取值進行適當調整。分兩步進行計算：

（1）計算長期日均攝入劑量（CDI）。飲水消化吸收和皮膚接觸吸收是水環境中的重金屬對人體產生健康風險的兩種主要途徑［9］。分別通過公式（4）—（5）計算經飲水和經皮膚接觸兩種途徑所致的長期日均攝入劑量

式中：CW——水體中重金屬的平均濃度（μg／L）；IR——攝入頻率，取2.2L／d；ABSg——腸胃消化吸收因子，無量綱；EF——暴露頻率，取365d／a；ED——暴露持續時間，取70a；BW——平均體重，取60kg；AT——終身暴露時間，取 25 550d；SA——皮膚接觸面積，取18 000cm2；Kp——皮膚滲透系數（cm／h）；ABSd——皮膚接觸吸收因子，無量綱；ET——洗浴暴露時間，取0.6h／d；CF——單位換算系數，取10－3L／cm3。各重金屬的 ABSd，ABSg和Kp選自 USEPA［10－11］。

（2）計算健康風險值。依據國際癌癥研究所（IARC）的分類標準，將重金屬按照其潛在致癌風險進行分組，依據USEPA健康風險評價模型進行致癌與非致癌風險評價。

① 非致癌風險：一般認為，生物體對非致癌性物質的反應有劑量閾值，低于特定的閾值可認為不會產生健康風險［12］。非致癌風險通常用健康風險系數（HQ）表示，按公式（6）計算：

②致癌風險：對于致癌性物質，一般認為沒有劑量閾值，只要有微量存在，即會對人體產生不利影響［9］。化學致癌物的致癌風險通常用致癌風險值（CR）表示，當CDI·SF＜0.01時，按公式（7）計算；否則，按公式（8）計算：

式中：CDI——長期日均攝入劑量〔μg／（kg·d）〕；RfD——重金屬在特定暴露途徑下的參考劑量〔μg／（kg·d）〕，經飲水途徑的參考劑量均選自 USEPA［11，13］，經皮膚接觸途徑的參考劑量［8］：RfDd＝RfDin·ABSg；SF——致癌斜率因子〔（kg·d）／μg〕，經飲水途徑致癌斜率因子選自 USEPA［11，13］，經皮膚接觸途徑致癌斜率因子［8］：SFd＝SFin·（ABSg）－1。

2 結果與討論

2.1 渭河西安段水體中重金屬污染特征分析

2.1.1 渭河西安段水體中8種重金屬的含量特征統計分析結果顯示（表1），2012年渭河流域西安段干支流各斷面中，Pb和Cd全年未檢出，Hg，Cr6＋，As，Cu，Zn和Se均有檢出，除Hg外其含量水平均在《地表水環境質量標準（GB3838—2002）》的Ⅰ—Ⅱ類水質標準范圍內。

渭河流域西安段水體2012年全年監測Hg樣品120個，其中87.12%達到Ⅰ—Ⅱ類水質標準，12.12%達到Ⅲ類水質標準，0.76%超標（支流灞河入渭斷面三郎村于11月份超標1次），這說明依據現行地表水環境質量標準渭河流域西安段水體中存在一定的Hg污染，但對比胡月紅等［5］的研究結果發現其污染程度近年來呈明顯下降趨勢。將渭河西安段2012年逐月Hg監測濃度值與2012年西安段的降水監測數據對比分析發現，Hg為Ⅲ類或Hg超標的月份多為降雨量小的秋冬季，說明降雨量對渭河西安段的Hg含量水平有一定影響。另外，值得注意的是依據《地表水環境質量（GB3838—2002）》評價，渭河流域西安段水體中的Hg含量有個別樣品超過Ⅲ類標準限值，但依據《生活飲用水衛生標準（GB5749—2006）》和WHO《飲用水水質準則》評價，該樣品中的Hg含量水平并未超過標準限值。

渭河流域西安段水體中6種檢出的重金屬年平均含量由大到小依次為：Zn＞As＞Cr6＋＞Cu＞Se＞Hg（表1），與國內其它同類河流如漢江上游、淮河、東江、拉薩河相比［14－17，2］，渭河流域西安段水體中 Hg含量水平高于淮河和東江；Cr6＋含量水平低于漢江上游，但高于淮河；As含量水平低于漢江上游和拉薩河，但高于東江；Cu，Zn含量水平低于淮河和拉薩河；Se含量水平低于漢江上游。

表1 2012年渭河流域西安段水體中8種重金屬的含量狀況 μg／L

2.1.2 渭河西安段水體中重金屬的總量和HPI評價比較 渭河西安段水體干流斷面的重金屬總量評價結果顯示，上游咸陽鐵橋斷面的重金屬總量最大，下游新豐橋斷面重金屬總量最小，沿渭各段面重金屬總量有明顯的下降趨勢（圖1）。渭河西安段干流斷面的HPI指數評價結果顯示：下游斷面新豐橋HPI指數最大，污染程度相對最嚴重；咸陽鐵橋、天江人渡、耿鎮橋HPI指數有逐漸下降趨勢，但總體來說相差不大（圖1）。渭河西安段沿渭支流各入渭斷面重金屬總量和HPI評價結果顯示，重金屬總量在農村西站（皂河）最大，但HPI指數在三郎村（灞河）最高，按各斷面HPI指數大小順序依次為：三郎村＞臨河入渭＞農場西站＞澇河入渭＞三里橋＞黑河入渭（圖2）。這說明同一河流重金屬的總量評價結果和HPI指數評價結果不盡一致，結合各斷面8種重金屬的分含量分析發現總量低、HPI指數高的斷面含毒性重金屬如Hg的含量相對較多。對照HPI指數評價的定義和計算方法可以看出，HPI指數考慮各個重金屬對環境產生危害的權重，更能客觀反應水體中各個重金屬對水質產生的綜合污染影響程度。根據上述方法，計算得到渭河流域西安段水體中8種重金屬的HPI為32.74，低于污染臨界值100，說明渭河西安段水體的重金屬污染程度低于該段水域功能的國家標準要求限值，處于可接受水平。

圖1 渭河流域（西安段）干流各斷面重金屬總量與HPI指數比較

圖2 渭河流域（西安段）支流各入渭斷面重金屬總量與HPI指數比較

2.2 渭河流域西安段水體中重金屬的健康風險評價

2012年渭河流域西安段水體各研究斷面Pb和Cd全年未檢出，不參與定量健康風險評價。根據1.2.2中的方法，對As和Cr6＋同時參與致癌風險評價和非致癌風險評價，Hg，Se，Cu和Zn僅參與非致癌風險評價。

根據1.2.2中的健康風險評價模型和評價參數可以計算出2012年渭河流域西安段水體中Hg，Se，Cu，Zn，As和Cr6＋通過飲水和皮膚接觸兩種途徑暴露所致的非致癌健康風險值（表2）和致癌健康風險值（表3）。由表2可以看出，本研究涉及的幾種重金屬通過皮膚接觸途徑對人體健康所造成的危害遠小于通過飲水途徑所造成的危害，這與許多學者［18］的研究結論一致。渭河流域西安段水體中各重金屬的非致癌健康風險值介于3.76×10－5～1.89×10－1之間，其中As產生的非致癌健康風險值最大，Hg產生的非致癌健康風險最小，各重金屬產生的非致癌健康風險由大到小依次為：As＞Se＞Cr6＋＞Cu＞Zn＞Hg（表2）。一般認為，重金屬產生的非致癌健康風險值超過1時會對人體產生健康風險［18］，因此渭河流域西安段水體中檢出的6種重金屬通過飲水消化和皮膚接觸暴露對人體產生的非致癌健康風險很小或者不會產生非致癌健康風險。渭河流域西安段水體中As和Cr6＋對周圍居民產生的致癌健康風險分別為8.50×10－5和1.70×10－6（表3）。大多數研究認為化學致癌物的致癌健康風險值介于10－6～10－4時可能對人體產生潛在致癌風險，但仍處于可以接受的范圍［16－17］，依據此范圍評價，渭河流域西安段水體中 As和Cr6＋對于人體所產生的致癌健康風險值處于可接受水平。但值得注意的是，渭河流域西安段水體中As所引起的致癌健康風險接近可接受范圍的上限10－4，考慮到本研究僅計算了飲水和皮膚接觸兩種致癌途徑，而As還有可能通過食物攝入等其它暴露途徑危害人體健康，本研究評價的健康風險可能比實際對人體產生的健康風險小。同理，與其它重金屬相比，計算得到的渭河流域西安段水體中As產生的非致癌健康風險值最大，其值最接近1，因此渭河流域西安段水體中的As對人體可能會產生一定的健康風險。綜上所述，考慮到流域內居民的人體健康安全，渭河流域西安段水體中的As應作為優先控制的重金屬污染物引起環境管理部門的特別關注。

表2 渭河流域西安段水體中重金屬的非致癌健康風險值

表3 渭河流域西安段水體中重金屬的致癌健康風險值

3 結論

（1）2012年渭河流域西安段水體中Pb和Cd全年未檢出，檢出的6種重金屬年平均含量由大到小依次為：Zn＞As＞Cr6＋＞Cu＞Se＞Hg。依據現行的《地表水環境質量標準（GB3838—2002）》，針對渭河水質中研究涉及的8種重金屬指標進行評價發現，除Hg外其它重金屬含量水平均在《地表水環境質量標準（GB3838—2002）》的Ⅰ—Ⅱ類水質標準范圍內；渭河流域西安段水體中重金屬存在一定的Hg污染，但其污染程度近年來呈明顯下降趨勢，降雨量對渭河西安段水體中的Hg含量水平有一定影響。

（2）渭河西安段水體中重金屬的總量評價結果和HPI指數評價結果不盡一致，在描述多種重金屬對水質產生的影響時HPI指數更能客觀反映水體中各個重金屬對水質產生的綜合污染影響程度。2012年渭河流域西安段水體中8種重金屬的HPI為32.74，低于污染臨界值100，說明渭河西安段水體的重金屬污染相對于水域功能要求，尚處于可接受水平。渭河西安段干流由上游至下游重金屬總量逐漸減小，但下游斷面新豐橋HPI指數最大，污染相對最嚴重；渭河西安段沿渭支流中農村西站（皂河）重金屬總量最大，但HPI指數在三郎村（灞河）最高，按斷面HPI指數大小順序依次為：三郎村＞臨河入渭＞農場西站＞澇河入渭＞三里橋＞黑河入渭。

（3）本研究顯示渭河西安段水體中重金屬通過皮膚接觸途徑對人體健康所造成的危害遠小于通過飲水途徑所造成的危害，與許多學者對其它河流的重金屬健康風險評價研究結論一致。渭河流域西安段水體中重金屬通過飲水消化和皮膚接觸暴露兩種途徑對人體產生的非致癌健康風險值介于3.76×10－5～1.89×10－1之間，按由大到小順序依次為：As＞Se＞Cr6＋＞Cu＞Zn＞Hg；渭河流域西安段水體中As和Cr6＋對周圍居民產生的致癌健康風險分別為8.5×10－5和1.70×10－6。根據相關文獻［16－17］，本研究所涉及的重金屬的非致癌和致癌健康風險值均處于可接受的范圍，但As所引起的健康風險最大，特別是其致癌健康風險值接近可接受范圍的上限10－4，因此渭河流域西安段水體中的As應作為優先控制的重金屬污染物引起環境管理部門的特別關注。

（4）需要指出的是，本研究采用USEPA健康風險評價模型，但考慮到研究區域不同年齡人群在不同暴露環境下產生的健康風險不同，同時模型中一些參數取值選自USEPA，所述結果是對渭河流域西安段水體中重金屬所做的初步健康風險評價。在今后的研究中，應當根據具體研究區域的實際狀況選取更為合適的模型參數，得出更準確的健康風險值，為當地政府的水質安全管理提供更為科學的參考。

［1］孫超，陳振樓，張翠，等.上海市主要飲用水源地水重金屬健康風險初步評價［J］.環境科學研究，2009，22（1）：60－65.

［2］劉鳳，李梅，張榮飛，等.拉薩河流域重金屬污染及健康風險評價［J］.環境化學，2012，31（5）：580－585.

［3］王東琦，賀延齡，高榕，等.渭河西安市段鋁污染狀況及其來源分析［J］.環境科學學報，2009，29（10）：2203－2208.

［4］雷凱.渭河西安段水體及水系沉積物重金屬環境地球化學研究［D］.陜西 西安：陜西師范大學，2008.

［5］胡月紅，宋文斌，宋濤，等.渭河流域西安段汞污染狀況及其來源調查思路分析［C］∥中國環境科學學會學術年會論文集：第1卷.北京：中國環境科學出版社，2011：547－551.

［6］Reza R，Singh G.Assessment of heavy metal contamination and its indexing approach for river water［J］.International Journal of Environment Science and Technology，2010，7（4）：785－792.

［7］黃奕龍，王仰麟，譚啟宇，等.城市飲用水源地水環境健康風險評價及風險管理［J］.地學前緣，2006，13（3）：162－167.

［8］USEPA（US Environmental Protection Agency）.Risk Assessment Guidance for Superfund Volume I：Human Health Evaluation Manual（Part A）［OL］.（2012－02－06）［2013－04－02］.http：∥www.epa.gov／oswer／riskassessment／ragsa／.

［9］Kim E Y，Little J C，Chiu N.Estimating exposure to chemical contaminants in drinking water［J］.Department of Civil and Environmental Engineering，2004，38（6）：1799－1806.

［10］USEPA（US Environmental Protection Agency）.Risk Assessment Guidance for Superfund Volume I：Human Health Evaluation Manual（Part E）［OL］.（2012－05－06）［2013－04－02］.http：∥ www.epa.gov／oswer／riskassessment／ragsa／.

［11］USEPA（US Environmental Protection Agency）.Risk－Based Screening Table［OL］.（2012－05－04）［2013－04－03］.http：∥www.epa.gov／reg3hwmd／risk／human／rb－concentration＿table／Generic＿Tables／index.htm.

［12］Miguel E D，Iribarren I，Chacon E，et al.Risk－based evaluation of the exposure of children to trace elements in playgrounds in Madrid（Spain）［J］.Chemosphere，2007，66（3）：505－513.

［13］USEPA（US Environmental Protection Agency）.Integrated Risk Information System （IRIS）［OL］.（2012－03－03）［2013－04－05］.http：∥www.epa.gov／iris／.

［14］WHO（World Health Organization）.Guidelines for drinking－water quality，fourth edition［OL］.（2012－08－09）［2013－04－05］.http：∥www.who.int／water＿sanitation＿health／dwq／gdwq3rev／zh／index.html.

［15］Li Siyue，Zhang Quanfa.Risk assessment and seasonal variations of dissolved trace elements and heavy metals in the Upper Han River，China［J］.Journal of Haz－ardous Materials，2010，18（1／3）：1051－1058.

［16］Wang Zhifeng，Guo Zhongxing.Preliminary Risk Assessment of Metal Pollution in Source Water of Huaihe River［M］∥Measuring Technology and Mechatronics Automation in Electrical Engineering.Springer US，2012：385－392.

［17］王若師，許秋瑾，張嫻，等.東江流域典型鄉鎮飲用水源地重金屬污染健康風險評價［J］.環境科學，2012，33（9）：3083－3088.

［18］Wu Bing，Zhao Dayong，Jia Haiying，et al.Preliminary risk assessment of trace metal pollution in surface water from Yangtze River in Nanjing Section，China［J］.Bulletin of Environmental Contamination and Toxicology，2009，82（4）：405－409.