基于逸度方法的延吉市BaP多介質環境歸趨模擬

＊楊崇銘 陳昱彤 張子慕 陶然 韓雪 全紅梅 金光洙*

（1.延邊大學農學院 吉林 133002 2.延邊大學地理與海洋科學學院 吉林 133002 3.延邊大學理學院 吉林 133002）

多環芳烴（PAHs）是一類致癌性很強的環境污染物，是由兩個或兩個以上的苯環構成的碳氫化合物。美國環境保護署EPA公布了16種優先控制的PAHs污染物名單，其中苯并[a]芘（BaP）是第一個被發現的環境致癌物，在多種環境介質中都有富集，是環境污染物中重點檢測項目之一[1]。延邊州周邊的長春、吉林為我國的重工業基地，因此延吉地區PAHs污染不僅受到本地源影響，周邊城市的排放也應該引起注意。

多介質模型是在逸度模型基礎上建立的，可以描述化學品在多種環境介質中的歸趨行為，已廣泛應用于區域尺度上有機物的歸趨模擬中。本研究基于Level Ⅲ逸度模型將真實環境模型化，探究BaP在延吉市環境中的歸趨行為、跨介質遷移及環境生態風險，為今后應用逸度模型研究PAHs的環境行為和風險提供基礎，為PAHs的污染控制等提供科學依據。

1.研究區概況

延吉市位于我國東北吉林省東部，總面積1748.3km2。延吉四面環山，中間屬盆地，山地屬長白山脈東南支脈，屬溫帶季風氣候，夏季高溫多雨，冬季寒冷干燥。年平均氣溫5.7℃，降水量531.4mm。延吉市境內共有布爾哈通河、朝陽河、煙集河、依蘭河和海蘭河五條河流，總流域面積1636.57km2[2]。

2.模型與方法

(1)模型構建

本研究將延吉市區與農村地區分別劃分為5個主相，分別為氣相、水相、土壤相、沉積物相、植物相。模型所模擬的環境過程包括大氣與水的平流、各相中BaP的遷移過程以及BaP的降解過程，依據Ⅲ級逸度模型假設，建立各相的質量平衡方程，如下：

式中：A代表氣相；W代表水相；S代表土壤相；sed代表沉積物相；V代表植物相；E代表該介質中BaP的排放速率；G代表BaP平流輸入該介質的速率；C代表該介質中BaP的濃度；f代表該介質中BaP的逸度；Dij代表從介質i遷移到介質j中的遷移速率；DRi代表BaP在介質i中的降解速率；DAi代表BaP從介質i中輸出平流速率。

(2)模型參數確認

Level Ⅲ逸度模型需要輸入的參數主要包括化合物的物理化學性質及研究區的各環境參數。物化參數主要包括飽和蒸氣壓、辛醇-水分配系數等，BaP的物化參數取自參考文獻[3-4]。延吉市地區的環境參數主要來自2020年統計年鑒、模型建立的典型值及經驗值，并結合延吉市實際對參數進行了調整。

表1 BaP的物化參數

(3)ILCR終生致癌風險評價

本研究使用EPA終生致癌風險模型對多介質環境中BaP產生的終生致癌風險進行了評價。該模型包括了土壤和大氣中BaP經口、皮膚和呼吸暴露途徑產生的健康風險。暴露量取值參數來自參考文獻。

式中：CS為BaP毒性當量，mg/kg；CSF為致癌斜率因子，mg/(kg·d)；BW為體重，kg；EF為暴露頻率，d/a；AT為平均壽命，d；ED為持續暴露時間，a；SA為皮膚接觸土壤面積，cm2/d；AF為皮膚附著因子，mg/cm2；ABS為皮膚吸附因子。

3.結果與分析

(1)模型驗證

為了驗證模型模擬結果是否可行，將模型模擬值與延吉地區的實測數據進行對比，實測數據來自于延吉市已公開發表文獻。由圖1可知，研究區實測值與模擬值的差值在0.5個對數單位以內，說明模型值與實測值吻合度良好，模擬結果能夠很好的體現延吉市地區的BaP在各環境介質中的分布和相間遷移。

圖1 BaP濃度實測值與模擬值對比

(2)相間遷移通量

BaP的遷移通量如圖2所示，BaP在各相中的主要遷移方式為擴散和顆粒的干濕沉降。相間遷移的主要過程是大氣—土壤遷移、大氣—植物遷移和大氣—水遷移，占總遷移量的96.5%，而水—大氣及水—沉積物等過程較弱，遷移量也較小。

圖2 BaP的遷移通量

(3)延吉地區BaP的多介質環境歸趨模擬

延吉地區1949—2050年城市與郊區五個環境相中BaP的濃度模擬趨勢如圖3所示。從整體上來看，無論是城市還是鄉村的各個環境相中BaP的含量都隨年份增加而增加，2034年達到最大值，而后呈現下降的趨勢。在不同地區的比較中，城市中的濃度高于郊區的濃度；從不同環境相的角度來看，固相中（淡水沉積物和土壤）中BaP的濃度最高，大氣中的濃度最低。從趨勢上來看，1949—1979年呈現了緩慢的增長趨勢，1979年之后增長速度加快，2034年達到最大值，之后呈下降趨勢，但濃度仍處于較高的水平，這與排放量、人口密度和GDP等都有較好的正相關關系。

圖3 城市（1）與鄉村（2）五個環境相中BaP濃度模擬

(4)季節變化對BaP歸趨的影響

分析不同環境中PAHs的季節變化能夠進一步了解PAHs的特性，為PAHs的治理提供幫助。本研究選取2021年的模擬數據對其季節變化進行探究，BaP濃度隨季節的變化如圖4所示。

圖4 大氣（a）、土壤（b）、淡水（c）、淡水沉積物（d）、植物（e）中BaP濃度隨季節的變化

在大氣和水體中BaP的濃度呈現出了夏秋季高于春冬季的特點。BaP屬于高環PAHs，幾乎全部存在于大氣顆粒物中，隨著溫度的降低，低環PAHs向大氣顆粒物中聚集，導致冬季大氣顆粒物中高環PAHs的濃度降低。由于延吉冬季寒冷，地表徑流遠小于夏季豐水期，大氣干濕沉降和土壤流失等方式進入水體的PAHs相比于夏季減少，因此造成了夏秋季水體中BaP的濃度高于春冬季。土壤和淡水沉積物中BaP的濃度均呈現出秋冬季迅速升高的特點。延吉地位于我國東北東部，冬季取暖季較長，消耗的煤和秸稈等燃料高于夏季，而高環PAHs大多來自燃料的不完全燃燒。溫度越高PAHs從土壤及沉積物中釋放的能力越強，從而對PAHs的掩埋能力削弱。植物中BaP的濃度變化呈現出秋冬季高于夏季的趨勢。植物葉片中葉蠟的含量與植物吸附PAHs的能力呈正相關，冬季植物中葉蠟含量普遍高于夏季，因此植物在冬季能夠吸附大量PAHs，而夏季葉表上的PAHs由于太陽輻射會產生強烈的光解能力，使得植物中BaP呈現出了冬高夏低的趨勢。

(5)ILCR終生致癌風險評價

ILCR致癌風險評價結果表明，不同人群通過各種途徑暴露于環境中的致癌風險大小為經口攝入＞皮膚接觸＞呼吸攝入，其中兒童經口及皮膚攝入的致癌風險較大，不同年齡組男女之間沒有明顯差異。在本研究中，不同環境中的不同人群經不同暴露方式的風險值均低于1×10-6，說明延吉地區環境中BaP不存在致癌風險[11]。但是隨著PAHs的數量和濃度增加，致癌風險可能會升高，所以仍值得我們注意。

4.結論

（1）逸度模型較好的模擬了延吉市地區BaP的遷移和歸趨行為，濃度較高的環境相為土壤、水及沉積物相，大氣中和植物中的濃度較低；大部分BaP由大氣向土壤和水中遷移，主要以擴散和顆粒物沉降兩種方式遷移。

（2）延吉市地區模擬預測結果顯示：BaP濃度先緩慢上升，1979年后快速上升，2034年達到最大值而后下降，但仍處在很高的水平。由于各種因素的影響，隨季節的變化大氣和水體中BaP呈現出夏季高冬季低的特點，而固相環境中BaP的特點為冬季高于夏季。

（3）延吉市地區BaP不同環境中的不同人群經不同暴露方式的風險值均低于1×10-6，表明延吉地區環境中BaP不存在致癌風險。