石河子地區地下水重（類）金屬污染及健康風險評價

王楠 侯珺 周金龍 范薇

摘 要：為了解新疆石河子地區地下水重（類）金屬污染狀況及對人體健康的潛在危害，以22組地下水樣品中Fe、Cu、Pb、Zn、Cd、Mn、As、Hg、Cr6+共9種重（類）金屬元素為研究對象，通過對比《地下水質量標準》（GB/T 14848—2017），運用內梅羅綜合污染指數法和基于三角模糊數理論的健康風險評價模型對重（類）金屬污染狀況進行了評價。結果表明：Fe、Mn、As為石河子地區地下水中主要超標重（類）金屬元素;潛水、淺層承壓水、深層承壓水均存在不同程度的重（類）金屬污染;重（類）金屬化學非致癌總風險在允許限度內，重（類）金屬化學致癌總風險超過了最大可接受水平;地下水中致癌物質As通過飲水途徑對人體健康產生的危害不容忽視。

關鍵詞：地下水;重（類）金屬污染;綜合污染指數;三角模糊數;健康風險評價

中圖分類號：X824;TV211.1+2

文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2022.02.019

引用格式：王楠，侯珺，周金龍，等.石河子地區地下水重（類）金屬污染及健康風險評價[J].人民黃河，2022，44（2）：94-99.

Abstract： In order to understand the pollution status of heavy metals（metalloid） in groundwater and its potential harm to human health in Shihezi area of Xinjiang， nine heavy metals （metalloid） elements（Fe， Cu， Pb， Zn， Cd， Mn， As， Hg， Cr6+） in 22 groups of groundwater samples were selected as the research objects. By comparing the Standard for Groundwater Quality （GB/T 14848-2017）， the comprehensive pollution index method and a health risk assessment model based on triangular fuzzy number theory were used to evaluate the pollution status and its potential harm to human health. The results show that Fe， Mn and As are the main heavy metal（metalloid） elements exceeding the standard in groundwater in the study area. There are different degrees of heavy metal pollution in phreatic， shallow confined water and deep confined water. The total non-carcinogenic risk is within the acceptable range. The total carcinogenic risk has exceeded the maximum acceptable level. This study indicates that the carcinogenic substance As in groundwater is harmful to human health through drinking water.

Key words： groundwater;pollution of heavy metal（metalloid）;comprehensive pollution index;triangular fuzzy number;health risk assessment

地下水是我國重要的水資源，隨著社會經濟的快速發展，地下水污染日趨嚴重，特別是重（類）金屬引起的地下水污染，給生態環境和人體健康造成了很大威脅[1-2]。重（類）金屬通過日益頻繁的工農業活動，以及生產生活污水排放、垃圾滲濾液下滲、大氣沉降等途徑進入自然水體[3-5]。重（類）金屬具有生物富集性和持久性，是一種難以降解的有毒物質，其污染問題解決的難度較大[6-7]，因此地下水重（類）金屬污染越來越受到國內外學者和研究人員的關注。

目前，國內外學者采用不同方法對地下水重（類）金屬來源、空間分布特征及污染評價等進行了大量研究[8-13]。Jalali等[8]研究得出，伊朗哈梅丹的阿薩德阿巴德地下水中Cd對人體構成非致癌健康風險;李華棟等[9]研究得出，黃河山東段水體中Hg呈重污染狀態，具有很高的潛在生態風險;周偉立等[10]研究認為，三門峽水庫水體中As對人體健康構成潛在威脅;曾妍妍等[11]研究新疆南部葉爾羌河流域、焉耆盆地和若羌—且末典型區發現，地下水中超標的Fe、Mn和As主要分布于承壓水區，且淺層承壓水的超標率高于深層承壓水;林麗等[12]認為，喀什地區地下水中As、Cd存在健康風險;侯珺等[13]研究得出，新疆石河子地區地下水受As、Fe、Mn含量超標影響，承壓水未達到Ⅲ類水標準。石河子地區位于內陸干旱區，地下水資源是石河子地區主要供水水源，因此對當地地下水重（類）金屬污染及健康風險進行研究，以期為當地地下水環境保護提供依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于天山北麓中段的石河子地區，其北部與古爾班通古特沙漠相鄰，屬于典型的大陸性干旱氣候區，年均蒸發能力為1 000～1 500 mm，年均降水量為180～270 mm。研究區地勢南高北低，地形整體由南向北傾斜，其平均海拔為450.8 m，單一結構潛水含水層位于山前帶，埋藏深度為15～150 m，多層結構承壓含水層位于單一結構潛水含水層北部，含水層上部分布著卵礫石層，下部分布著礫石、砂礫石或砂層[14-15]。降水入滲、河道水等地表水滲漏、田地灌溉入滲等為研究區地下水的主要補給來源，側向流出、蒸發蒸騰和人工開采等為地下水的主要排泄方式。受巖性影響，由南向北含水層介質顆粒變小，透水性變弱，地下水徑流條件變差[16]，研究區水文地質剖面見圖1[17]。

1.2 樣品采集與測試

依據《地下水環境監測技術規范》（HJ 164—2020）、《生活飲用水衛生標準》（GB 5749—2006）和《地下水水質標準》（DZ/T 0290—2015），以及《全國水資源綜合規劃技術細則》等，2017年6月在研究區1 803 km2范圍內，以1.22眼井/100 km2的采樣密度對研究區進行采樣，在井深8～300 m共采集了22組地下水水樣，其中潛水水樣10組、淺層承壓水水樣5組、深層承壓水水樣7組。地下水水樣采集、保存及送樣時嚴格依據上述技術規范進行操作，以保證樣品檢測結果的準確性。水樣檢測在新疆地質礦產局第二水文地質工程地質大隊化驗室進行，研究選擇的檢測指標為Fe、Cu、Pb、Zn、Cd、Mn、Hg、Cr6+、As共9種重（類）金屬。采樣點分布見圖2。

重（類）金屬元素Cu、Zn、Fe、Mn和Cd采用TAS-986原子吸收分光光度計檢測，As、Pb、Hg采用AFS-922原子熒光分光光度計檢測，Cr6+采用T6新悅可見分光光度計檢測。其中：Cr6+的檢測下限為0.004 mg/L，Fe、Mn的檢測下限為0.025 mg/L，Pb、Zn和Cd的檢測下限為0.002 5 mg/L，Hg的檢測下限為0.000 1 mg/L，Cu的檢測下限為0.05 mg/L，As的檢測下限為0.001 mg/L。經檢驗，指標檢測值的相對標準偏差（RSD）均小于5%，既符合我國地下水水質標準，又符合美國國家環保局（USEPA）的要求（RSD<30%）。

1.3 污染評價

內梅羅綜合污染指數法對區域內重（類）金屬的整體污染狀況有較好反映，在地下水重（類）金屬污染評價中被廣泛應用[18]，因此石河子地區地下水重（類）金屬污染評價采用內梅羅綜合污染指數法。單因子污染指數I：

式中：C為重（類）金屬元素含量的實測值;C0為重（類）金屬元素含量的背景值[19]（見表1）。

綜合污染指數P：

式中：為各重（類）金屬元素單因子污染指數的平均值;Imax為各重（類）金屬元素單因子污染指數的最大值。

單因子污染指數I的分級標準：I≤1為未污染;110為重度污染。綜合污染指數P的分級標準：P≤1為未污染;1

5為重度污染[20]。

1.4 健康風險評價

1.4.1 三角模糊數理論

受評價參數模糊性限制，為使其危害性評價更加精確直觀，進行健康風險評價前，在三角模糊數理論基礎上將參數轉化為特定區域內的數值[12]。三角模糊數概念由Zadeh提出，即在給定區域X內，對任何x∈X，模糊集A可定義為[21]

若a1=a2=a3，則模糊數A～為實數。由于地下水環境中各重（類）金屬元素均存在非負性，因此模糊數A～為正值，即a1>0。由數理統計原理可知，若數列近似于正態分布或為正態分布，則落入x-±2σ（其中x-為平均值，σ為標準差）之間的數據約在95%以上，即可將a1表示為x--2σ、a2表示為x-、a3表示為x-+2σ。采用最大、最小可能值范圍內各數值對應的置信度水平來表示三角模糊數的隸屬度。風險管理中用α表示置信度水平，0≤α≤1，若α不同，所指代的三角模糊數區間不同。為簡化運算，一般用α-的截集簡化三角模糊數。α表示的值越大越近似于x-，表現為數據出現的頻率與數據區間呈負相關性，即頻率越大，范圍越小。當α低于置信度水平時，模糊數A～α區間范圍為

1.4.2 基于三角模糊數理論的健康風險評價模型

根據污染物的特性，地下水環境健康風險評價模型可分為化學致癌物質評價模型和化學非致癌物質評價模型。筆者采用基于三角模糊數理論的健康風險評價模型，對地下水重（類）金屬對人體健康產生的危害進行評價。地下水對人體健康造成威脅的主要暴露途徑通常只考慮飲水攝入暴露風險，暴露劑量的計算公式為[23]

D=CIR/BW（6）

式中：D為人體經飲水暴露途徑產生的日均暴露劑量，mg/（kg·d）;C為地下水中各重（類）金屬元素的平均污染物濃度，mg/L;IR為人均日飲用水量，L/d;BW為人體質量，kg。

化學致癌物質和化學非致癌物質通過飲水途徑產生健康風險的評價模型分別為

式中：Ri為化學致癌健康風險值;HQj為化學非致癌健康風險值;Di和Dj分別為化學致癌物質i和化學非致癌物質j單位質量借助飲水途徑產生的日均暴露劑量，mg/（kg·d）;RfDj為化學非致癌物質j的飲水途徑參考劑量，mg/（kg·d）;qi為化學致癌物質i借助飲水途徑產生的致癌強度系數，mg/（kg·d）。

不同置信度水平α（0≤α≤1）的地下水健康風險評價模糊模型為

有多種污染物存在時，健康風險可通過累加計算得到。化學致癌物質As借助飲水途徑產生的致癌強度系數為15 mg/（kg·d），化學非致癌物質Mn、Fe的飲水途徑參考劑量分別為0.14、0.30 mg/（kg·d）[24]。

2 結果與討論

2.1 重（類）金屬含量

研究區地下水樣品中9種重（類）金屬元素含量統計見表2。由表2可知：研究區地下水9種重（類）金屬元素中檢出的是Fe、Mn、As，檢出率分別為45.5%、18.2%、9.1%;Fe、Mn、As的最大值分別為0.740、0.350、0.017 mg/L，與《地下水質量標準》（GB/T 14848—2017）中Ⅲ類水標準限值對比，分別為標準限值的2.47、3.50、1.70倍，Fe、Mn、As的平均值分別為0.160、0.120、0.010 mg/L，分別為Ⅲ類水標準值的0.53、1.2、1.0倍;地下水重（類）金屬Fe、Mn的超標率均為18.2%，As的超標率為9.1%。由此可知，Fe、Mn、As為研究區地下水重（類）金屬超標的主要元素。

2.2 重（類）金屬污染評價

根據表1及各采樣點重（類）金屬實測值，利用式（1）、式（2），計算得出重（類）金屬綜合污染指數，并進行污染等級判定，結果見表3。由表3可知，10組潛水水樣均受到重（類）金屬污染，70%為輕度污染，20%為中度污染，10%為重度污染，中度污染的采樣點為T1、T8，均位于總場一分場，即研究區東北部;5組淺層承壓水水樣均受到重（類）金屬污染，80%為輕度污染，20%為重度污染，其中重度污染的采樣點為X12，位于清泉集，即研究區中部;7組深層承壓水水樣均受到重（類）金屬污染，均為輕度污染。綜上，潛水、淺層承壓水、深層承壓水均存在不同程度的重（類）金屬污染;潛水、淺層承壓水的重（類）金屬污染指標均為Mn，深層承壓水重（類）金屬綜合污染指數較高的是Mn，此外深層承壓水中少量采樣點存在As污染。

地下水污染等級變化（與2014年[13]相同的采樣點共6個）見表4，對比可知，采樣點W47的重（類）金屬污染等級未發生變化，采樣點W15、W61、W16D、W52均位于承壓水區，且重（類）金屬污染等級由未污染變為輕度污染，原因是，承壓水徑流條件差，含Mn化合物逐漸富集，Mn含量逐漸增加;潛水易受農業灌溉水污染，承壓水水位低于潛水水位，潛水以越流形式補給淺層承壓水，造成淺層承壓水Mn含量增大。采樣點W16S的重（類）金屬污染等級由重度污染變為輕度污染，原因是，受酸堿環境變化影響，該采樣點pH值由2014年的7.45增大到7.67，pH值越大Mn含量越小[13]，且該點井水用于澆灌菜地，日常生活污水均灑于院中，對局部地下水pH值有一定程度的影響。

2.3 健康風險評價

本次采集的地下水樣品中只檢出Fe、Mn、As，因此只對這3種重（類）金屬元素進行健康風險評價，其中As參照化學致癌物計算，Fe、Mn參照化學非致癌物計算。本研究僅對成人健康風險進行評價，以中國人口普查數據、相關資料[25-26]以及USEPA推薦的化學致癌物質和化學非致癌物質健康風險參數值為依據，得到基于三角模糊數的健康風險評價模型中三角模糊數，成人日均飲水量為（1.6 L/d，2.2 L/d，2.8 L/d）、成年人體重為（45 kg，65 kg，85 kg）。根據數理統計方法計算得到重（類）金屬元素質量濃度的三角模糊數，Fe為（0.015 mg/L，0.160 mg/L，0.570 mg/L），Mn為（0.050 mg/L，0.120 mg/L，0.258 mg/L），As為（0.005 mg/L，0.010 mg/L，0.018 mg/L）。

在不同的置信度α下，可用區間形式表示三角模糊數的參數值，各重（類）金屬元素的健康風險值可通過計算得出。α=0時接近實際風險值的最大值和最小值，α=1時最接近實際風險值。計算得到飲水暴露途徑，地下水重（類）金屬元素中化學致癌物質、化學非致癌物質對人體健康的總風險與置信度水平α的關系見圖3、圖4。當α=0時，化學致癌健康總風險為2.7×10-4～8.9×10-4，化學非致癌健康總風險為0.015～0.123;當α=1時，即最可能的化學致癌健康總風險為5.1×10-4，最可能的化學非致癌健康總風險為0.05。但在實際應用時，一般α的取值為0.8，根據式（6）～式（10）和表1參數值可計算得到研究區地下水重（類）金屬通過飲水暴露途徑引起的人體健康風險值見表5。

通過對圖3和圖4中化學致癌、化學非致癌健康總風險所涵蓋的區域面積進行比較得出：化學非致癌健康總風險區間大，即化學非致癌健康總風險的不確定性強于化學致癌健康總風險，化學非致癌健康總風險對地下水中重（類）金屬濃度變化敏感程度較高。由表5可知，研究區成人在飲水暴露途徑下地下水中化學致癌健康總風險為4.61×10-4～5.85×10-4。USEPA所設定的化學致癌物質的最大風險值為1×10-4，研究區地下水化學致癌健康總風險高于USEPA所設定的最大風險值，表明研究區重（類）金屬通過飲水暴露途徑會對人體健康產生一定的潛在危害。研究區成人在飲水暴露途徑下化學非致癌健康總風險為0.041～0.062，USEPA所設定的化學非致癌健康風險允許限值為1.0，即研究區地下水中Fe、Mn在飲水暴露途徑下對人體產生的化學非致癌總風險處于可接受水平，其中Mn風險值大于Fe的。綜上，研究區地下水中致癌物質As是通過飲水途徑對人體健康產生風險的主要重（類）金屬，它對人體健康產生的危害不容忽視。

2.4 不確定性分析

地下水樣品測試時，Fe、Cu、Pb、Zn、Cd、Mn、Hg、Cr6+、As共9中重金屬指標中只有Fe、Mn和As被檢出，不排除檢測儀器靈敏度等外界干擾對重（類）金屬指標檢出率的影響。本文僅討論了已檢出的3種重（類）金屬對人體健康產生的風險，其總的健康風險值要小于實際的健康風險值[1]。僅考慮了重（類）金屬污染物通過飲水暴露途徑對人體健康的風險，沒有考慮其他暴露途徑（如皮膚接觸、吸入和食入等），因此實際地下水環境中重（類）金屬總的暴露風險要大于本研究的風險值[27]。此外在健康風險值計算過程中采用的參數，本文除僅針對成人，未對成人和兒童進行細致劃分外，如人均壽命、日均飲水量可能與當地居民實際值有一定偏差，使得最終評價結果受到一定影響。

研究共采集了22組地下水樣品，樣品分布存在一定隨機性;對Fe、Mn和As超標率及污染程度變化趨勢的探討，需要在更長的時間序列中進行分析，進而做出更科學合理的闡釋。上述不確定因素為研究區今后地下水重（類）金屬污染評價和健康風險評價提供了方向。

3 結 論

（1）地下水樣品檢測中，重（類）金屬指標只有Fe、Mn、As被檢出，Fe、Mn、As為本次檢測的主要超標重（類）金屬。

（2）潛水、淺層承壓水、深層承壓水均存在不同程度的重（類）金屬污染;潛水、淺層承壓水的重（類）金屬污染指標均為Mn，深層承壓水中重（類）金屬綜合污染指數較高的是Mn，此外深層承壓水中少量采樣點存在As污染。

（3）研究區地下水中As的化學致癌健康風險高于USEPA所設定的最大風險值，Fe、Mn對人體的化學非致癌健康風險處于可接受水平。今后在石河子地區地下水重（類）金屬污染研究及防治時應重點關注As。

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【責任編輯 呂艷梅】