南丹縣礦區地下水水質及環境健康風險評價

班美玲 郭詩琪 謝 洲 蘇相琴

(廣西壯族自治區環境保護科學研究院，南寧 530022)

1 南丹縣礦區環境水文地質概況

南丹縣位于廣西壯族自治區西北部邊陲，云貴高原南麓，地處東經 107°1'～ 107°55'、北緯 22°12'～23°32'之間，屬于典型巖溶區，地下水豐富，以碳酸鹽巖(石灰石)類巖溶水為主，其次是基巖裂隙水和松散巖類孔隙水。據南丹縣普查勘測資料統計，縣境內地下河10條，泉水露出343處，枯水流量4.106 m3/s，年平均流量18.209 m3/s，多年平均徑流總量 5.75 億 m3［1］。

南丹縣富藏礦產資源，主要集中分布在大廠礦田，面積約66 km2。目前已探明30多種礦，品位高、儲量大，其中銦金屬儲量在世界獨占鰲頭，錫、銻、鋅、銀金屬儲量分別為132 萬 t、90 萬 t、475 萬 t、193 萬 t。

大廠礦田因受區內溫濕亞熱帶氣候和構造上升運動的影響，形成遠遠高出于礦區最低侵蝕基準面以上的地形—山間侵蝕洼地和石灰巖區喀斯特低地，出露地層主要為泥盆系下統至三疊系上統碎屑巖、碳酸鹽巖、硅質巖及生物礁灰巖建造。泥盆系地層沉積厚度大，硫和有機碳含量高，地層成礦元素錫、鉛、鋅、銻、銀等含量高，是成礦帶一個最重要的賦礦層位［2］。

大廠礦田的礦產開采歷史較長，以地下開采方式為主，除國有企業開采外，早期還分布較多規模小的企業，歷史遺留問題較多，主要是尾礦或礦渣無防滲隨意露天堆放，污水外排不達標，廢棄礦山尾渣堆場(庫)、搬遷后遺留的渣場等重大潛在污染源將威脅著該區域地下水安全。礦區地下水以基巖裂隙水為主，大氣降水補給通過地表裂縫、落水洞、地下河天窗等滲入地下形成巖溶地下水，再分散補給地下河主管道，并最終從地下河出口排泄。地下水徑流方向大致與地形坡向一致，大多以分散流方式或泉水的形式排泄于溪溝，在碳酸鹽巖與碎屑巖交界地帶部分地下水以潛流形式匯入巖溶管道中。

南丹縣的有色金屬開發和利用對國民經濟社會發展起到了重要的作用，但對位于典型巖溶地質的南丹縣環境卻造成較大影響，尤其是地下水資源受到了人為的擾動破壞和污染，使該區域的地下飲用水源受到威脅。為了解南丹縣礦區地下水的水質狀況及地下水污染對人體健康產生的危害風險，通過調查與監測，分別應用模糊數學綜合評判法［3］及美國環境保護署(U.S.EPA)推薦的水環境健康風險評價模型對南丹縣礦區地下水監測數據進行水質及地下水環境風險評價，并提出幾點建議。

2 南丹縣礦區地下水水質評價

由于水質評價中的污染程度及水質類別都客觀存在的模糊概念，模糊數學綜合評判法能較好的客觀反映水質實際狀況，評判過程一般歸納為5個步驟［3－5］:建立評判因素集及評價標準集 －確定隸屬矩陣－確定隸屬函數－權重計算－計算評價結果。

2.1 建立評價因子集及評價標準集

根據南丹縣巖溶地質、地下水及礦區分布特征，選取8個監測點的水質進行綜合評價;選取水體中14項主要污染因子組成評價因子集合，即U={硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮、總硬度、溶解性總固體、氨氮、揮發酚、氟化物、鉛、硒、砷、鐵、錳、鋅、銅};各監測點水質因子濃度范圍及均值詳見表1。根據GB/T 14848—1993《地下水質量標準》建立評價標準集V={Ⅰ級，Ⅱ級，Ⅲ級，Ⅳ級，Ⅴ級}，詳見表2。

表1 南丹縣礦區地下水水質監測結果 mg/L

表2 地下水水質分級標準

2.2 單因子評價，確定隸屬矩陣R

水質具有精確與模糊、確定與不確定的特征，是一個多因素耦合的復雜動態系統，因而用隸屬度來描述污染因素的分級界限，必須先確定每個因子對各級標準的隸屬度，然后構造隸屬矩陣R。

以1號監測點水樣數據為例，計算隸屬度進行單因子評價，按分類組成隸屬度模糊評價矩陣R1:

同理計算求出其他7個監測點水樣水質各項指標的隸屬度模糊評價矩陣。

2.3 建立權重模糊矩陣A

計算各參評因子對總體污染影響強度的貢獻。合理的權數應能反映:①參評因子對環境污染的實際要求;②多因子共同影響環境時，應能反映出因子間的協同、拮抗作用。

采用“污染物濃度超標加權法”計算1號監測點水樣數據組成權重模糊行矩陣A1如下:

同理計算求出其他7個監測點水樣水質各項指標的權重模糊行矩陣。

2.4 水質綜合評價結果

利用取大取小法復合運算，行矩陣A1的元素分別與矩陣R1的各列中對應的元素按先取小再取大的辦法取得結果為矩陣B1。

對上述結果進行歸一化處理得:

按隸屬擇近原則進行分類，1號監測點水質對Ⅱ類水質的隸屬度最大，則該監測點的水為Ⅱ類水質。

同理計算求出其他7個監測點水樣水質分別隸屬水質類型。

同理，按隸屬擇近原則進行分類，3號和5號監測點水質對Ⅰ類水質的隸屬度最大;4號、6號和8號監測點水質對Ⅱ類水質的隸屬度最大;2號監測點水質對Ⅲ類水質的隸屬度最大;7號監測點水質對Ⅴ類水質的隸屬度最大。

南丹縣礦區所選8個地下水監測點的14個水質因子經模糊數學綜合評價結果為:3號和5號水質歸屬Ⅰ類，1、4、6和8號4個監測點水質歸屬Ⅱ類，2號水質歸屬Ⅲ類，7號水質歸屬Ⅴ類。地下水總體上水質較好，但個別監測點的部分因子已經超標。7號監測點水質較差主要是總硬度、溶解性總固體兩個指標監測結果分別超過 GB/T 14848—1993《地下水質量標準》中的Ⅴ、Ⅲ類標準，超標原因主要與巖溶地區地質背景特征有直接關系，由于具有溶蝕力的水對可溶性巖石進行溶蝕等作用，當雨水或者地下水與地面碳酸鹽類巖石接觸時，就會有大量離子溶于水中，經過長期的地下水遷移(垂向和橫向)過程中的溶解侵蝕，因而形成了總硬度、溶解性總固體等指標超標。

3 南丹縣礦區地下水環境健康風險評價

3.1 健康風險評價模型

完整的健康風險模型包括食入、吸入和皮膚接觸3種暴露途徑進入人體對人體健康產生危害的評價［6－7］。本文主要應用 U.S.EPA 推薦的健康風險模型對南丹縣礦區通過飲用水途徑攝入的多種化學物質對人體產生的健康風險進行定量評價。

污染物質通過飲用水進入人體后，其引起的健康風險主要包括基因毒性物質(包括放射性污染物質和化學致癌物質)健康風險和驅干毒性物質(非致癌物質)健康風險，由于在一般水體中放射性污染物質污染程度很輕，因此基因毒性物質僅考慮化學致癌物質。

化學致癌物質健康風險計算公式:

非致癌物質健康風險計算公式:

式中:Rc—化學致癌物質的綜合健康風險度(a－1);

Rn—非致癌物質的綜合健康風險度(a);Rci—化學致癌物質i通過飲用水途徑產生的年平均個人健康風險(a－1);

Rni—非致癌物質i通過飲用水途徑產生的年平均個人健康風險(a－1);

Qi—化學致癌物質i通過飲用水途徑產生的致癌強度系數((kg·d)/mg)

RFDi—非致癌物質i通過飲用水途徑攝入的參考劑量(mg/(kg·d));

70—人類平均壽命(a);

Di—毒性物質i的單位體重日均暴露劑量(mg/(kg·d));

Ci—飲用水體中各污染物質的實測濃度(mg/L);

70—人均體重(kg)。

假定各污染物質對人體健康危害的毒性作用不存在拮抗或協同關系，則污染物質通過飲用水途徑對人體產生的總健康風險Rt=Rc+Rn。

3.2 評價因子及模型參數的選擇

根據國際癌癥研究中心(IARC)對化學物的分類，南丹縣礦區地下水水質中危害人體健康的毒性物質主要有化學致癌物質砷(As)和非致癌物質硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮、氨氮、揮發酚、氟化物、鉛、硒、鐵、錳、鋅、銅共12項，詳見表1。

化學致癌物質砷(As)的致癌強度系數為15mg/(kg·d);非致癌物質飲水暴露的參考劑量詳見表3。

表3 非致癌物質飲水暴露的參考劑量 mg/(kg·d)

3.3 評價標準的確定

通過地下水環境健康風險評價，建立人體健康與環境污染的關系，定量描述各種環境污染物對人體健康造成的危害及其發生概率。目前，部分國際機構推薦的社會公眾最大可接受風險水平為1 ×10－6a－1～1 ×10－4a－1之間［7］，本文將地下水環境健康風險劃分為極小健康風險、較低健康風險、中等健康風險、較高健康風險4個等級。各風險等級的具體劃分見表 4［8］。

表4 環境健康風險等級劃分 a－1

3.4 健康風險度的計算及評價

應用上述模型及選擇的參數與水質監測數據計算南丹縣礦區地下水水質受化學致癌物質和非致癌物質所致的健康風險度，即平均個人年風險及總風險，結果詳見表5。

從表5可以看出，南丹縣礦區8個地下水水質中化學致癌物質砷(As)通過飲用水途徑產生的健康風險Rc在 6.73 ×10－7～1.87 ×10－4a－1間，平均為 4.76 ×10－5a－1，以8 號監測點為最大，健康風險排序為:5號＜3號＜1號＜7號＜2號＜6號＜4號＜8號;地下水質中11項非致癌物質所致的健康風險 (Rn)在7.07 ×10－10～1.71 ×10－9a－1間，平均為 1.04 ×10－9a－1，以6 號監測點為最大，健康風險排序為:1號＜5號＜7號＜3號＜2號＜8號＜4號＜6號;非致癌物質所致的健康風險以氟化物、硝酸鹽氮為主，分別占非致癌物質所致的健康風險1.04 ×10－9的51.38%和 37.01%。

表5 南丹縣礦區地下水環境健康風險

毒性物質通過飲用水產生的總健康風險(R總)在6.74 ×10－7～1.87 ×10－4a－1間，以 8 號風險最大，健康風險排序為:5號＜3號＜1號＜7號＜2號＜6號＜4號＜8號;總健康風險平均為4.76×10－5a－1，低于國際輻射防護委員會(ICRP)推薦的最大可接受風險水平 5 × 10－5a－1［9－10］。毒性物質通過飲用水途徑產生的健康風險主要來自化學致癌物質砷(As)，占平均總健康風險(R總)的99.998%，非致癌物質所致的健康風險僅占總健康風險的0.002%，幾乎可以忽略不計。

以毒性物質總健康風險結果與評價標準表4對照，5號監測點水質健康風險屬于極小等級;1號、2號、3號和7號4個監測點屬于較低風險;4號和6號屬于中等風險;8號屬于較高風險。

4 討論與建議

4.1 討論

(1)從表5可知，本次地下水水質評價結果與環境健康風險評價結果不存在一一對應關系，即水質好并不能說明水環境風險就小;3號和5號監測點水質歸屬Ⅰ類，但風險評價結果3號監測點為較低風險而5號為極小風險;1號、4號、6號和8號4個監測點水質歸屬Ⅱ類，但1號健康風險評價為較低、4號和6號均為中等風險、8號為較高風險，主要是8號監測點納入風險評價的化學致癌物質As濃度值雖然達標，但在風險評價中占的比例大，產生的健康風險較高;2號監測點水質歸屬Ⅲ類，但健康風險為較低;7號監測點歸屬Ⅴ類水質，但健康風險為較低，7號監測點水質較差主要是總硬度、溶解性總固體兩個指標監測結果超標，而風險評價中未將該兩個指標納入評價，因而健康風險評價為較低。

(2)本研究未考慮除飲用水途徑以外的其它暴露途徑，如吸入、皮膚接觸等暴露的風險，僅考慮飲用水暴露途徑產生的健康風險，實際上低估了地下水污染物暴露的風險。此外，通過飲用水暴露途徑的健康風險還與人們的生活方式、生活習慣以及職業類型密切相關 。

(3)環境健康風險評價是一種新的評價方法，評價本身存在較大的不確定性［10］，如評價標準級別的確定、非致癌物質參考劑量及致癌強度系數的選取、各有毒物質對人體健康危害的累積效應分析等，許多方面尚待深入研究。

(4)本研究對地下水污染狀況調查屬普查性質，對于南丹縣礦區典型的巖溶地質而言，地下水監測點位的分布、監測頻次及監測指標有限，未能按地下水文地質單元進行布點，未能考慮地下水污染狀況的豐、枯水期變化及地下水飲用水全指標進行監測，相關研究尚需在今后進一步提高與完善。

4.2 建議

鑒于巖溶環境的脆弱性，巖溶地下水易受人類活動影響，且地下水受污染往往不易被發現，存在一定的隱蔽性，同時治理難度也較大。南丹縣屬于典型的巖溶地質，并具有較豐富的有色金屬礦，礦產資源的開采將使該縣的巖溶地下水面臨污染威脅，本著預防為主的原則，提出幾點防治建議:

(1)完善地下水環境監測網絡建設，實施信息化動態管理。目前南丹縣地下水環境監測網絡及信息化管理平臺尚未健全，建議環保、國土、水利等多部門聯合共建地下水監測網絡，提升地下水環境監測能力，全面掌握地下水水質情況;建立集自動控制、計算機技術及遠程通訊技術于一體的地下水基礎環境信息管理系統，實現地下水調查與評估數據的查詢、統計匯總等功能，形成地下水長期、系統的監測評價、風險評估、應急預警體系。為今后地下水監測、監督、防止地下水污染、保護地下水環境提供技術支持。

(2)加強采礦管理，完善開采體制，提高資源利用率。南丹縣礦山開采歷史遺留問題較多，如工礦企業尾礦或礦渣露天堆放、搬遷后遺留的冶煉廠渣場等重大潛在污染源的存在威脅著這類地區的地下水安全。建議做好閉礦后的生態恢復規劃、實施及跟蹤監測工作。

(3)優化布局，推行清潔生產。大力提倡及推行清潔生產，淘汰落后的工藝技術、關停礦坑排水量大、回采率低的小型礦 。以保護區域地下水環境為出發點，優化產業結構，合理調整工業布局，提高資源利用率［12］。

(4)落實企業對地下水污染防治責任，開展地下水污染防治示范。盡快明確產生污染源的礦山開采區、選冶礦企業對地下水監測井建設、定期監測和污染防治等責任，同時應責成責任主體盡快開展詳細調查評估和污染治理，嚴格做到“誰污染，誰治理”，強化責任主體責任意識和環保意識，做到從源頭上控制污染。

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