城市飲用水源特征污染物篩查及風險評價方法

李治國，羅 毅，洪 綱，周靜博，靳 偉

(石家莊市環境監測中心，河北石家莊 050022)

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城市飲用水源特征污染物篩查及風險評價方法

李治國，羅 毅，洪 綱，周靜博，靳 偉

(石家莊市環境監測中心，河北石家莊 050022)

為了保護飲用水源、保障飲用安全，通過綜述城市飲用水源特征污染物的篩查方法，介紹了基于環境風險框架下污染物的篩查體系(建立污染物數據庫→根據評價目的確定測試終點和篩查標準→賦值計算→進行優先排序)及健康風險評價管理技術在飲用水源風險評價中的應用，以期對本地區環境決策提供有價值的科學依據。

水體環境學；飲用水源；優先控制污染物；特征污染物篩查；健康風險評價

城市飲用水的水質安全與人體健康密切相關[1-2]。目前，區域面源和點源大范圍受到污染，使得城市飲用水源地的水質和生態環境遭到較大程度的破壞，嚴重影響居民的生活和生命安全。

文獻資料顯示，在中國多地飲用水源地的水體中檢出了微量有毒有害化合物[3-4]。傳統凈水處理方法對微量有毒、有害污染物和重金屬幾乎沒有很好的去除效果，導致城市以及農村居民飲用水源的水質較難獲得良好的保證，水體中少量存在的污染物可能會對飲用者的身體健康造成不可估量的影響。目前，世界各國環保部門都將關注的焦點放在采取何種有效的措施來加強飲用水源地及其上游區域的環境保護上[5-6]。

城市用水中有成千上萬種有機污染物，其中絕大多數的有機物具有致畸、致突變、致癌、易生物蓄積、難降解且可以通過食物鏈進行富集的特點[7]。例如：國際上的癌癥研究機構(International Agency for Research on Cancer，IARC)確認的苯系物是一級致癌物質。有些化合物對人體不一定構成健康方面的危害，但是這些物質產生的惡臭氣味會嚴重影響到水質的感官指標，如土臭素和2-甲基異莰醇[8]。醛類有機污染物對人體皮膚、眼睛以及呼吸道會產生強烈刺激，個別醛類有機化合物(如甲醛和乙醛)被確定為致癌物質或疑似致癌物質[9]。還有更多潛在危害健康的有機或無機化學物質正在源源不斷地進入水體環境中。因此，做好城市飲用水源地特征污染物的篩查工作，同時評價污染物對人體健康造成的風險尤為重要[10]。

目前，中國對于城市飲用水源地及其上游河流/水廠等水質的業務化檢驗要求，是依照國家出臺的水質標準中要求檢測的化合物種類開展定性和定量分析的。國家要求的一般水質標準中主要針對5種化合物，有毒有害以及有機化學污染物的種類非常有限。然而當前環境水體中存在著一定的潛在有毒有害污染物，其對生態環境和人體健康均構成一定程度上的威脅，需要明確當地飲用水源環境中特征污染物的種類和濃度，將潛在的毒性污染物列入水質標準中加以監測監管。本文通過綜述城市飲用水源特征污染物的篩查方法以及健康風險評價方法，以期為城市水源地管理和保護提供理論依據。

1 優先控制污染物篩查方法

最早使用優先控制污染物這個專業詞匯的國家是美國。美國在20世紀70年代中期開始對環境中優先控制污染物展開監測，同時相繼公布了不同種類污染物優先控制的排序名單。1977年，美國頒布的《清潔水法》中非常清楚地規定了129種環境優先控制污染物。歐洲經濟共同體于1975年提出了該區域內環境中優先控制污染物的“灰名單”和“黑名單”[10]。前蘇聯是世界上制定有毒有害污染物質控制標準最多、規定濃度標準限值最低的國家，早在1976年就規定了500余種有機優先控制污染物在水中的最大允許濃度，修訂后又連續公布了561種環境最大允許濃度的優先控制污染物的名單。

中國雖然在環境優先控制污染物篩查方面開展工作的時間比較晚，但是進展卻相當快。目前，中國在環境污染物篩查方面主要的關注點是在檢驗方法和甄別方法的比較研究上，對于區域的環境特點以及目標化合物的毒性作用很少加以綜合考慮。陳錫超等[11]采用GC-MS方法對北京官廳水庫的特征污染物進行了篩查，針對70余種有機化合物進行了監測篩選以及定量分析，同時采用非目標化合物篩查研究方法對1 600余種有機化合物進行了定性方面的篩查。BU等[12]也總結了近幾十年來世界各國政府及科研團隊研究開發的30余種優先控制污染物的篩查體系和方法，按照應用方向將污染物的篩查方法分為3類：第1類是根據不同條件和目標篩查體系對化學品進行篩選，以開展下一步工作，如KOOL等研究團隊開發的篩查系統(基于環境風險的歐洲獸藥排名)、SNYDER等開發的篩選和排名模型，都是為風險評價篩選優先控制化學品而開發的系統；第2類是通過篩查體系，得到優先控制污染物的排序名單，如歐盟風險分級方法，其作為政府管理條例，篩查對環境或人類有潛在風險的化學污染物，得出亟需控制的化學品優先排序名單；第3類篩查體系用于評價化學品釋放對環境的影響，也用于指導生命周期評價分析，如美國環保局(USEPA)開發的環境指示物風險篩查軟件(risk-screening environmental indicator，RSEI)。

近幾十年來，有關環境中有毒有害化合物的分析以及監測結果的表征方法、基于健康風險評價的環境行為監測和分析方法等，均得到了較好的應用和發展。但是從目前來看，國內外還未建立起一套基于健康風險評估分析開展優先控制污染物篩查，且大眾認可并廣泛應用的篩查方法。這一篩查方法首先要對飲用水源地環境周邊的污染源進行調查，排查可能的污染物，然后對環境受體進行采樣分析，并將檢測出的目標污染物根據濃度進行排序，篩選出需要優先控制的污染物，再根據監測的污染物濃度排序名單，篩選出危害和毒性比較大的污染物作為優先控制污染物。其次，通過評價目標污染物對人體健康的危害風險指數大小，對目標化合物進行優先排序。這種技術思路的污染物篩查方法不僅優先考慮到了化合物的危害和毒性，同時充分考慮到了化合物的最大暴露劑量及其暴露途徑，此外還將周圍環境要素、經濟因素以及社會因素考慮進來。所以近幾年來基于環境健康風險評估的污染物優先排序方法普遍受到廣大研究者的喜愛和應用。WATERS等[13]描述了17種排序評分系統，其中包括9種風險源排序系統和8種化學品排序方法；FORAN等[14]綜合分析了8種“現存化學品評分系統”，對效應標準、終點和評分標準進行了概述。由于評價目的和篩查標準不同，各篩查體系之間區別較大，但篩查體系框架大致相同。污染物篩查體系主要包括：建立污染物數據庫→根據評價目的確定測試終點和篩查標準→賦值計算→進行優先排序。

優先控制污染物篩查主要考慮其持久存在性、環境濃度和生態毒性。

1)持久存在性

污染物持久存在性主要包括3個方面的定量指標：污染物的轉化特性(如半衰期、自然降解能力)，污染物分配情況(如生物富集系數/生物累積系數、辛醇-水分配系數)，水體受污染情況(如排放量、使用量/使用頻率、預測濃度/計算濃度)。

2)環境濃度

提倡優先使用實測數據，當缺乏實測數據時，可使用模型推測方法計算污染物的暴露濃度。模型推測方法有利于對水體中尚未檢測到的化學品進行控制，在大規模環境監測項目中，模型推導方法有利于節省人力和物力。王朋華等[15]根據藥物產量、排泄率和去除率預測了藥物在水環境中的含量。然而，模型推導方法存在不確定性，并缺少可靠的輸入數據。隨著檢測技術的提高，實測數據的獲取越來越容易。以多組分檢測方法為基礎，ZHONG等[16]建立了酚類化合物篩選方法，并成功應用于太湖水環境檢測。加拿大環保局研發的GENECC模型考慮了受污染水體的徑流量和污染物漂移濃度，對220種殺蟲劑主要成分對地表水中水生物種的潛在危害性進行了綜合排名。結果表明，該模型可以更現實地表示殺蟲劑潛在的毒理效應，是一種更為高級的水環境風險排序方法。

3)生態毒性

污染物毒性表現在致死、致癌、致突變、生殖毒性、發育毒性、內分泌干擾性等方面。常用的毒性指標有半效應濃度(EC50)、半致死濃度(LC50)、最低觀察效應水平(lowest observed effect level，LOEL)、無觀察效應濃度(no observed effect concentration，NOEC)、預測無觀察效應濃度(predicted no-effect concentration，PNEC)。

篩選體系給出某一參數的等級范圍后，即可將其與實際數據進行比較，然后對實際數據進行分級或者賦分，根據該參數的重要性確定其權重，最重要的因子要指定最大的權，使之在確定最后分數時能產生最大的影響，根據總分值排序，建立優先控制名單，從而確定“優先控制污染物”。

2 健康風險評價方法

健康風險評價方法起源于20世紀工業比較發達的西方國家，其中以美國在環境風險評價方面的研究成果最為顯著。一般認為，健康風險評價經歷了3個發展階段。第1個階段是20世紀70年代，環境風險評估和生態風險評價的研究理論及概念逐漸被提出并開始研究，然而剛開始的時候健康風險評價的概念并不是非常明確的，主要研究毒性鑒定的方法理論。第2個階段是到了20世紀80年代，關于健康風險評價技術的研究獲得了較大進步，這個發展時期是健康風險評價技術方法建立的基礎準備階段。在這一階段，生態和生物理論學的發展，尤其是腫瘤模型的提出和離體培養技術的發展對健康風險評價起到了巨大的推動作用。第3個階段是健康風險評價技術完善階段，其標志就是美國環保局(EPA)一系列健康風險評價技術文件的頒布。1986年，美國環保局頒布了“健康風險評價指導方針”，涉及致癌物、致突變物、化學混合物、可疑發育毒物以及暴露評價5個方面。1989年，美國環保局對1986年的指導方針進行了修改，以后又對健康風險評價作了多次修改和補充。自20世紀90年代開始，健康風險評價的方法體系基本上建立起來，隨之又得到了不斷完善和發展。健康風險評價技術應用的最主要問題在于需要相關專業的判斷和科學的技術基礎，環境健康風險評價研究其實就是一個不斷發展的過程。目前，環境健康風險評價方法已經被中國、荷蘭、法國、日本等眾多國家以及國際上一些組織團體(如經濟發展與合作組織、歐洲經濟共同體)等采用。

國際上一般按照化合物是否具有致癌毒性，將環境健康風險評價技術劃分為致癌風險評價和非致癌風險評價2類[17]。需要特別說明的問題是，確認對于人體致癌的污染物同樣對人體具有非致癌的可能性存在。所以一般來說，針對可致癌的化合物要同時進行致癌和非致癌風險評估。通常來說，一套較為科學理想的環境健康風險評價涵蓋4個方面的研究內容：危害鑒定、劑量-效應關系、暴露評價和風險評價與管理[18]。

化合物的致癌風險值是指人體暴露在致癌化合物中，導致人體內蓄積的化合物劑量超過人體正常水平的癌癥發病率。

低劑量暴露時風險值的計算公式為

風險值=Y(CDI)×Y(SF)；

(1)

高劑量暴露時風險值的計算公式為

風險值= 1-exp(-Y(CDI)×Y(SF))。

(2)

式中：Y(CDI)為人體日均暴露量；Y(SF)為污染物的致癌斜率因子。

通常情況下，非致癌風險值以參考劑量作為計量標準，當健康風險值高于參考劑量時，環境中可能存在著風險；當健康風險值小于或等于參考劑量時，此時的環境健康風險是可以被接受的。可被接受的環境健康風險常用危害指數來表示，公式如下：

危害指數=Y(CDI)/Y(RFD)。

(3)

式中：Y(CDI)為人體日均暴露量；Y(RFD)為污染物的非致癌參考劑量。

通常情況下人體對于水體中有機化合物的暴露主要包括直接飲用和皮膚接觸2類。一般認為通過直接接觸人體皮膚帶來的健康風險值遠遠小于飲水過程中所帶來的健康風險值[7]，所以研究中一般只考慮飲水過程中對于人體帶來的健康風險評價。

通過飲水途徑計算人體日均暴露量的公式為

Y(CDI)= (ρ ×U ×Y(EF)×Y(ED))/

( Y(BW)×Y(AT))。

(4)

式中：ρ為水中化學物質的質量濃度；U為日飲水量；Y(EF)為暴露頻率；Y(ED)為暴露延時；Y(BW)為平均體重；Y(AT)為平均暴露時間。

目前，健康風險評價技術及方法建立的時間并不長，很多方面也并不成熟，科學家正著力進行研究。在中國，健康風險評價剛剛起步，技術還未普及，管理部門也沒有建立相應的準則。綜合分析來看，目前的主要任務應該是結合中國的國情，同時吸取西方發達國家先進和豐富的環境健康風險評價領域的經驗，建立科學完整的環境健康風險評價方法和管理體系。環境健康風險評價技術的研究需要篩選出目標化合物毒理學方面的充足數據，以及由暴露人群所計算出的暴露劑量。許多國家現在已經針對很多的有毒化合物構建了毒理學數據庫，并將其應用于區域環境健康風險評價研究，積累了大量可用的有效風險評價數據。對于目標化合物所暴露人群的暴露劑量問題，目前仍是環境健康風險評價研究工作中的重點[19]。

3 健康風險評價技術在飲用水源地風險評價中的應用

王秋蓮等[20]對天津市于橋水庫進行了風險評價研究。該團隊采用健康風險評價模型，針對飲水途徑由化學致癌物和非化學致癌物導致的健康危害個人風險進行了評價。數據顯示，天津市于橋水庫中各類化合物導致的個人總體健康年風險水平為 9.2×10-6。這一數據表明，該區域個人年風險較低，飲用水比較安全。

馬海濤等[21]對南寧市2008年—2013年邕江水源地進行了風險評價，采用健康風險評估模型得到了該地區水環境健康的年平均風險水平。研究表明，該地區飲用水源地致癌化合物環境健康風險值較高，提出了水源地飲用水源需優先治理的污染物是化學致癌物As，應加強對水源地的監測和管理，以降低環境健康風險。

李祥平等[22]評價了廣州市主要飲用水源地水體中重金屬引起的健康風險，通過研究得到了各主要飲用水源水體中的致癌和非致癌污染因子，同時提出將優先控制污染因子作為風險管理的重點對象。

4 展 望

隨著工業經濟的快速發展，化學產品的制造和銷售應用必然給社會帶來難以估量的價值，也為地方經濟做出了不可磨滅的貢獻。然而與此同時，部分有毒有害化學制品的排放不僅對環境造成了嚴重損害，更重要的是給同樣在環境中生存的人類健康帶來了威脅[23]。針對這類問題，國家出臺了相應的控制標準。然而由于環境中排放的化學物質種類過于繁多，如果要對每類物質都制定一套相應的標準進行實時監控的話，幾乎是一個不可能完成的任務。因此，比較有效的方法就是篩查出危害相對較大的物質進行優先控制。

對監測出的目標化合物進行優先排序是目前應用較為廣泛的篩查方法，優先排序后將排名靠前的物質作為優先控制的污染物。目前化合物的篩查排序方法較多，但普遍存在兩方面的局限性：一是環境中存在的化學污染物范圍過大，監測篩查難度較大；二是化學污染物在環境中的實際暴露水平難以準確獲得。如果想要在環境健康風險評價的基礎上開展篩查從而確定優先控制污染物，首先要做的便是篩查出環境中主要的致癌和非致癌風險因子。目前常用的排序方法大多是依據模型模擬實際污染物的擴散情況，從而預測污染物的環境濃度。此外，還有一些方法是對已有數據進行分析，依賴收集已有的相關實驗數據進行模擬和預測分析。在實際工作中開展飲用水源地優先控制污染物篩選時，要在借鑒國外經驗的同時，結合中國當前生產狀況、技術水平等諸多因素進行綜合分析，篩選出適合中國的優先控制污染物種類。對于地方而言，首先應針對飲用水源流域內典型區域和重點行業進行分析和調研，匯總出該范圍內潛在污染物的名單，再通過文獻檢索、資料收集等基礎性工作，對匯總出的名單進行初步篩選，剔除不易對水環境產生影響的各形態污染物，然后根據篩選原則， 篩選出優先控制污染物，最終建立起優先控制污染物的名錄。

隨著地方工業結構和產業布局的調整變化，還需要對優先控制污染物名錄進行動態更新，進而對環境管理的目標和措施作出相應調整，這樣才能真正做到為本地區環境管理提供有價值的科學依據。

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Methodologies for screening and risk assessment of specific pollutants in urban source of drinking water

LI Zhiguo， LUO Yi， HONG Gang， ZHOU Jingbo， JIN Wei

(Shijiazhuang Environmental Monitoring Center, Shijiazhuang, Hebei 050022，China)

In order to protect the drinking water sources and ensuring safe drinking water, based on the summarization of the existing methodologies for screening of pollutant of the drinking water features in urban, the pollutant screening system under environmental risk framework is introduced, including establishing pollutant database→ determining the endpoint and the screening criteria according to testing purpose→assignment calculation→priority ordering. The use of health risk assessment management and technology in risk assement of the drinking water source is also introduced, providing valuable scientific basis for the local environmental management.

water environment science; source of drinking water; precedence-controlled pollutant; screening of specific pollutant; health risk assessment

1008-1534(2016)04-0348-05

2015-05-16;

2016-03-29；責任編輯：張士瑩

河北省科技計劃項目(15273604D)

李治國(1984—)，男，河北井陘人，工程師，主要從事環境監測方面的工作。

靳 偉。 E-mail: jiwei65815@126.com

X824

A

10.7535/hbgykj.2016yx04016

李治國，羅 毅，洪 綱，等.城市飲用水源特征污染物篩查及風險評價方法[J].河北工業科技,2016,33(4):348-352. LI Zhiguo，LUO Yi，HONG Gang，et al.Methodologies for screening and risk assessment of specific pollutants in urban source of drinking water[J].Hebei Journal of Industrial Science and Technology,2016,33(4):348-352.