冶煉廠及周邊農(nóng)村地下水健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)*

遼寧工程技術(shù)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 徐穎，彭健，譚婷，毛俊楠，姚鑫毅

工業(yè)農(nóng)業(yè)發(fā)展進(jìn)程的急速推進(jìn)，在我國(guó)許多農(nóng)村地區(qū)建設(shè)企業(yè)。由于企業(yè)產(chǎn)生廢水和廢渣沒有有效處理，對(duì)周邊的土壤和地下水造成了嚴(yán)重污染。地下水作為我國(guó)北方農(nóng)村地區(qū)的主要飲用水源之一[1-2]，安全問題也日益突出。

本文主要以喀左農(nóng)村地區(qū)為研究對(duì)象，研究區(qū)域內(nèi)有煉鐵廠、養(yǎng)殖場(chǎng)和村莊。煉鐵廠的選礦污水以及廢棄的礦渣直接排放到周邊環(huán)境，存在重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)。重金屬可以通過消化道、呼吸道以及皮膚接觸，造成肝、肺、腎和神經(jīng)系統(tǒng)病變。因此，本文研究該地區(qū)地下水的重金屬污染狀況，采用US EPA的健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型評(píng)價(jià)該地區(qū)重金屬對(duì)人類健康風(fēng)險(xiǎn)，為農(nóng)村的地下水管理及后期地下水的治理提供決策依據(jù)。[3-5]

一、模型與方法

（一）研究區(qū)域概況

研究區(qū)域位于遼寧省朝陽市喀左縣羊角溝鎮(zhèn)鎮(zhèn)政府北約0.5km，包含燒鍋杖子村、萬盛浩村、大黃杖子村、西杖子村、腰杖子村、北杖子村、小梁前。其中大黃杖子、腰杖子、西杖子、北杖子、小梁前均位于山地的溝谷地區(qū)，所謂“兩山夾一溝”地區(qū)。村莊坐落于鐵溝川的兩側(cè)，距離河壩直線距離不超過八十米，居民所飲用的井水跟河流有著直接聯(lián)系。該河流的補(bǔ)給，主要是地下水和降雨。

研究區(qū)域的氣候類型為北溫帶大陸性季風(fēng)氣候。雖受東南部海洋暖濕氣影響，但北部蒙古高原的干燥冷空氣經(jīng)常侵入，形成了半干燥、半濕潤(rùn)、易干燥地區(qū)，四季分明，雨熱同季，日照充足，日溫差較大，降水偏少。全年平均氣溫5.4℃～8.7℃，年降水量為450～580mm。7-9月為豐水期，5、6、10月為平水期，11月到次年4月為枯水期。研究區(qū)域存在兩種類型地下水，分別是第四系松散巖[6]類孔隙水和基巖（層狀、塊狀巖類）裂隙水，位于溝口及下游山前平原區(qū)。含水層巖性為砂礫、卵漂石為主的松散堆積層，含水層厚度小，水量中等。受上游孔隙潛水、側(cè)向徑流、降水補(bǔ)給，枯水期水位下降較大。

（二）樣品采集與分析

考慮該地區(qū)的氣候、地質(zhì)、水文等綜合因素，以及《環(huán)境影響評(píng)價(jià)導(dǎo)則-地下水環(huán)境》對(duì)采樣地點(diǎn)、時(shí)間和方法的要求，設(shè)置8個(gè)地下水監(jiān)測(cè)點(diǎn)，有效地覆蓋整個(gè)研究區(qū)域。采樣點(diǎn)信息（見表1）。根據(jù)當(dāng)?shù)氐慕邓闆r，分別在12月（枯水期）、5月（平水期）、7月（豐水期）進(jìn)行采樣檢測(cè)。用去離子水清洗三次聚乙烯塑料瓶，然后用原水潤(rùn)洗三次。地下水水樣取自水面下0.5m處，加硝酸酸化，進(jìn)行避光密封低溫保存。利用PerkinElmer NexION 350 ICP-MS電感耦合等離子體質(zhì)譜儀，檢測(cè)地下水中的Al、As、Cd、Cr、Cu、Hg、Mn、Ni、Pb和Zn濃度。根據(jù)以上金屬元素濃度和分布特征，對(duì)地下水中的金屬物進(jìn)行分析。

表1 采樣點(diǎn)信息

（三）US EPA健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型

地下水健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[7]，是以地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的健康為基準(zhǔn)，為人的健康考慮而進(jìn)行評(píng)價(jià)地下水的一種方法[8]。20世紀(jì)80年代，歐美的一些科學(xué)家首先提出健康風(fēng)險(xiǎn)這一名詞[9]。1972年，美國(guó)環(huán)保局（USE PA）先后對(duì)其進(jìn)行完善并制定了法律、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指南和技術(shù)細(xì)則。應(yīng)用USEPA推薦的健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型，根據(jù)國(guó)家環(huán)保部頒布的地下水健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估手冊(cè)的要求，按照土地的利用方式，地下水的暴露情景分為敏感用地（農(nóng)業(yè)用地等）和非敏感用地（工業(yè)用地等）。不同的暴露情景具有不同的評(píng)價(jià)模型。地下水中污染物可以通過飲水?dāng)z入、皮膚接觸和呼吸等方式進(jìn)入人體，需要用不同的評(píng)價(jià)模型進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)世界衛(wèi)生組織和國(guó)際癌癥研究機(jī)構(gòu)的研究污染因子分為致癌性評(píng)價(jià)和非致癌性評(píng)價(jià)。其中As、Cd、Cr為化學(xué)致癌性金屬，其余的為化學(xué)非致癌性金屬。

本文研究的區(qū)域?yàn)閺S區(qū)和居民住宅，以“敏感用地”和“非敏感用地”的方式進(jìn)行評(píng)價(jià)。根據(jù)US EPA的健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型，相同環(huán)境下的致癌風(fēng)險(xiǎn)和非致癌風(fēng)險(xiǎn)不同，同一元素在不同暴露途徑下的模型參數(shù)也不同。風(fēng)險(xiǎn)被量化以后，可對(duì)風(fēng)險(xiǎn)程度和類型進(jìn)行分析，得到致癌風(fēng)險(xiǎn)程度。一般按照人體健康可接受的最大風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行衡量。國(guó)際上目前沒有明確的標(biāo)準(zhǔn)，但最大的可接受范圍在10-6—10-4之間，可忽略的風(fēng)險(xiǎn)在10-8—10-7之間。本文根據(jù)已有的研究，將風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分為6個(gè)，具體見表2。

表2 健康風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)

二、結(jié)果與討論

（一）地下水金屬離子污染特征分析

依據(jù)研究區(qū)域周邊地下水中10種金屬元素的濃度和《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T14848-2017）規(guī)定的Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn)，其中As、Cd、Cr、Cu、Pb、Zn、Al 在平水期、枯水期、豐水期濃度的平均值都超過Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，Hg的平均值分別是Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn)權(quán)限值的 12.8倍、9.9倍、10.5倍。對(duì)于不同時(shí)期各點(diǎn)的金屬濃度，Al、Cd、Cu、Mn、Zn均 滿足Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)，平水期金屬（As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn、Al、Hg）濃度分別為0-12.47ug·L-1、1.08-2.57ug·L-1、8.33-18.18ug·L-1、1.35-46.59ug·L-1、7.70-33.96ug·L-1、10.98-44.90ug·L-1、3.04-17.96ug·L-1、17.58-32.19ug·L-1、0.53-26.00ug·L-1， 其 中 As、Hg、Ni、Pb最大值分別為Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn)權(quán)限值的12.5、26.0、2.3、1.8倍。平水期金屬（As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn、Al、Hg） 濃度分別為 0-9.83ug·L-1、0.87-3.45ug·L-1、1.20-10.95ug·L-1、4.83-23.14ug·L-1、9.20-29.64ug·L-1、1.60-6.32ug·L-1、2.33-14.13ug·L-1、2.04-29.13ug·L-1、0.76-22.41ug·L-1，其中只有Hg、Ni的最大值為Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn)權(quán)限值的22.4、1.5倍。豐水期金屬（As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn、Al、Hg） 濃 度分別為2.39-5.99ug·L-1、0.20-1.93ug·L-1、4.78-15.92ug·L-1、6.78-26.02ug·L-1、1.60-26.68ug·L-1、0.65-5.12ug·L-1、2.30-12.45ug·L-1、2.52-19.79ug·L-1、0.61-25.34ug·L-1，其中Hg、Ni的最大值為Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn)權(quán)限值的25.3、1.1倍。地下水污染主要由于冶煉廠冶煉鎳鐵、鉬礦、錳礦等金屬，其礦石中含有大量的Hg、Ni、Pb、As等金屬元素。冶煉過程大量原材料的露天堆放，尾礦渣沒有及時(shí)清理，經(jīng)河流的沖刷和降雨雪淋溶進(jìn)入地下水中，造成該地區(qū)地下水污染物濃度居高不下。

在研究區(qū)域內(nèi)的8個(gè)采樣點(diǎn)中，1號(hào)、2號(hào) 采樣點(diǎn)位于冶煉廠廠區(qū)內(nèi)，金屬污染物濃度相對(duì)較大，分別為172.20ug·L-1和251.61ug·L-1；3號(hào)采樣點(diǎn)位于萬盛好村，金屬總濃度167.35ug·L-1；4號(hào)采樣點(diǎn)位于大黃杖子村，金屬總濃度為 148.43ug·L-1；5號(hào)采樣點(diǎn)位于腰杖子村，金屬總濃 度 為 126.68ug·L-1；6號(hào) 采樣點(diǎn)位于西杖子村，金屬總濃度 為 115.29ug·L-1；7號(hào) 采 樣點(diǎn)位于北杖子村，金屬總濃度為 117.35ug·L-1；8號(hào) 采樣點(diǎn)位于小梁前村，金屬總濃度為114.30ug·L-1。隨著離廠區(qū)距離的逐漸增大，金屬離子總濃度在逐漸減小。

（二）健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

根據(jù)健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型、模型參數(shù)、地下水金屬元素濃度，分別計(jì)算出地下水中金屬元素經(jīng)飲水個(gè)人年健康風(fēng)險(xiǎn)、皮膚接觸健康風(fēng)險(xiǎn)、總健康風(fēng)險(xiǎn)。金屬離子通過飲水引起的健康風(fēng)險(xiǎn)，大于皮膚接觸引起的健康風(fēng)險(xiǎn)。由表3可知，總致癌風(fēng)險(xiǎn)數(shù)量級(jí)在10-5-10-4之間，處于Ⅱ級(jí)和Ⅴ級(jí)評(píng)價(jià)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)間之間。地下水致癌風(fēng)險(xiǎn)較高，地下水中As、Cr、Cd會(huì)對(duì)當(dāng)?shù)鼐用裨斐芍掳╋L(fēng)險(xiǎn)。敏感用地的總風(fēng)險(xiǎn)大于非敏感用地總風(fēng)險(xiǎn)。

表3 地下水綜合健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果

對(duì)于敏感用地致癌風(fēng)險(xiǎn)采樣點(diǎn)4號(hào)>3號(hào)>8號(hào)>7號(hào)>5號(hào)>6號(hào)>1號(hào)。敏感用地采用兒童期和成人期總暴露來評(píng)價(jià)，而非敏感用地采用成人期暴露來進(jìn)行致癌風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。Cr通過飲水的致癌風(fēng)險(xiǎn)為4.30×10-4-7.07×10-4之間，處于Ⅳ、Ⅴ級(jí)致癌風(fēng)險(xiǎn)之間，Cd通過飲水引起的致癌風(fēng)險(xiǎn)介于8.83×10-5-1.54×10-4之間。處于Ⅲ、Ⅳ級(jí)風(fēng)險(xiǎn)，As通過飲水引起的致癌風(fēng)險(xiǎn)為2.07×10-6-1.13×10-4之間， 處 于 Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級(jí)風(fēng)險(xiǎn)。在敏感地區(qū)，Cr、Cd、As的質(zhì)量濃度都超過《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T14848-2017)中的Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn)，其致癌風(fēng)險(xiǎn)值卻較高。對(duì)于As、Cd、Cr皮膚接觸引起的致癌風(fēng)險(xiǎn)分別為：2.02×10-8-1.22×10-6、3.05×10-7-7.80×10-7、1.92×10-5-3.15×10-5， 經(jīng) 皮膚接觸途徑引起的致癌風(fēng)險(xiǎn)Cr>Cd>As。

對(duì)于各金屬離子而言，通過飲水?dāng)z入及皮膚接觸兩種途徑引起的總非致癌風(fēng)險(xiǎn)商均大于1。人群暴露于此環(huán)境的地下水會(huì)引起非致癌風(fēng)險(xiǎn)，Hg在1號(hào)、3號(hào)、4號(hào)、5號(hào)、6號(hào)、7號(hào)和8號(hào)危害商均大于1，在6號(hào)采樣點(diǎn)值最大。Mn在2號(hào)采樣點(diǎn)的危害商大于1，其余各點(diǎn)沒有超過1，認(rèn)為無非致癌風(fēng)險(xiǎn)。Pb在1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)和7號(hào)點(diǎn)的危害商均大于1，表明Hg、Mn、Pb對(duì)于暴露此環(huán)境下會(huì)引發(fā)非致癌風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于皮膚接觸途徑引起的非致癌風(fēng)險(xiǎn)危害商均小于1，可以忽略不計(jì)。由此可以說明，飲水?dāng)z入是引起非致癌風(fēng)險(xiǎn)的主要途徑。

三、結(jié)論與展望

研究區(qū)域農(nóng)村地下水重金屬平均濃度Al>Ni>Cu>Hg>Cr>Mn>Pb>Zn>As>Cd，Hg、As、Ni、Pb均有超過Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn)的權(quán)限值，濃度分別為標(biāo)準(zhǔn)值的26.0、12.5、2.3、1.8倍。金屬離子濃度在平水期>枯水期>豐水期、地下水受到污染，已經(jīng)不能飲用。研究區(qū)域致癌風(fēng)險(xiǎn)偏高，大于可接受風(fēng)險(xiǎn)10-6。總風(fēng)險(xiǎn)順序：冶煉廠>西杖子>腰杖子>北杖子>大黃杖子>萬盛好>燒鍋杖子>小梁前。飲水?dāng)z入引起的非致癌風(fēng)險(xiǎn)大于皮膚接觸3-4個(gè)數(shù)量級(jí)，致癌風(fēng)險(xiǎn)較皮膚接觸高1個(gè)數(shù)量級(jí)，以飲水?dāng)z入為主。

該地區(qū)應(yīng)長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行地下水監(jiān)測(cè)，更好地掌握地下水水質(zhì)情況，并對(duì)冶煉廠的固體廢棄物進(jìn)行有效處理，從源頭上減少污染。更要確保自來水和其他飲用水供應(yīng)，以免危險(xiǎn)出現(xiàn)。在水資源生態(tài)保護(hù)方面，要進(jìn)一步加強(qiáng)管理，完善管理?xiàng)l例和法規(guī)，設(shè)置專門的部門和機(jī)構(gòu)進(jìn)行管理，最大限度保護(hù)農(nóng)村地區(qū)地下水質(zhì)量。