長江鎮江段水體重金屬動態變化特征及對沿江居民健康風險影響研究

王晨希 黃 晶 楊紫薇

(江蘇省鎮江環境監測中心，江蘇 鎮江 212000)

重金屬毒性強[1]，難降解[2]，能通過食物鏈、飲水、皮膚接觸等途徑進入人體，并隨著食物鏈富集放大，其毒性具有持久性[3]。值得關注的是，大部分重金屬都具有致癌性，當其含量超過一定濃度時會嚴重危害人體健康[4]。長江是世界第三大河流、中國第一大河流，不僅是長江沿岸重要的飲用水源，也是沿岸城市和社會經濟發展的強大動力。其水質直接影響到當地人民的生活和經濟社會發展。目前長江流域水體常規監測資料顯示長江鎮江段干流及支流水體已受到不同程度的重金屬污染，然而重金屬污染水平、分布狀況以及重金屬毒性評價方法尚不清楚。另外，由于基礎調查不足和基礎數據缺乏，我國環境與健康風險評價等方面研究明顯不足，不能為有效應對環境健康事件、開展環境與健康風險管理提供技術支撐，而長江流域的相關工作開展較少，可查資料有限[5]。因此，長江流域重金屬對周圍居民產生的健康風險評價工作亟待開展。

本研究全面分析了2015-2020年長江鎮江段水體8種重金屬(Mn、Zn、As、Cu、Pb、Cd、Hg、Fe)的濃度水平、分布特征，首次將江蘇鎮江地區人群暴露參數應用于 USEPA 健康風險評價模型[6]，研究重金屬在長江鎮江段水體產生的健康風險，識別區域優先防控的重金屬，以期為該區域水體重金屬的污染防控和水環境生態的進一步改善提供參考。

1 研究方法

1.1 研究區概況

鎮江是江蘇省十三市之一，全市共有35個鎮，18個街道，504個村民委員會，286個社區居委會，全市戶籍總人口271.4萬人，年末全市常住人口315.5萬人。長江流經鎮江市境內長103.7 km，常年水位在1.24～8.38 m，平均水位4.81 m，流速0.40～1.08 m/s，流量7 700～38 600 m3/s，屬長江流域中下游地區，擔負著長江中下游流域沿江城市生活飲用和工農業用水的供給，主要河流有長江(鎮江段)、長江夾江、長江內江等。長江鎮江段是整個鎮江市及其周邊城鎮居民日常生產生活飲用水源地之一，選擇該流域地表水研究具有較強代表性。

1.2 采樣和試驗方法

于 2015—2020年(1-12月)間采集水樣。每個采樣斷面設置監測垂線，水樣采集位置位于研究斷面水面以下0.5 m處。水樣采集后等份混合均勻，靜置30 min 后取500 mL均勻混合的水樣放入聚乙烯塑料瓶中，加酸保存，運回實驗室待測。本項目主要分析Mn、Zn、As、Cu、Pb、Cd、Hg、Fe等8項元素，分析時將水樣經0.45μm的濾膜過濾后，水體Hg濃度參照《水質汞、砷、硒、鉍和銻的測定 原子熒光法》(HJ 694-2014)測定。測定水體中Mn、Zn、As、Cu、Pb、Cd、Fe使用《水質65種元素的測定 電感耦合等離子體質譜法》(HJ700-2014)方法測定。經實地踏勘，結合流域實際情況，在長江鎮江段共布設采樣斷面8個。采樣斷面位置見圖 1。

S1:世業取水口S2:龍門口S3:征潤州取水口S4:焦山尾S5:江心洲S6:青龍山S7:引航道S8:二墩港

1.3 評價方法

依據GB3838-2002《地表水環境質量標準》中Ι類水水質標準，評價長江鎮江段水體各重金屬的含量水平。

1.3.1 金屬綜合污染指數法(HPI)

運用重金屬綜合污染指數法(HPI)評價多個重金屬對水體產生的綜合污染狀況，當HPI>100時，該水體的重金屬污染程度已超過其最高可接受水平[7]。

Wi=k/Si

(1)

Qi=100(Ci/Si)

(2)

(3)

式中，Si：水體中最高允許濃度值，μg/L，取GB3838-2002的Ι類標準限值；k：由條件決定的比例常數，為計算簡便通常取1；Ci：水體中重金屬的監測濃度值，μg/L；N：評價指標的個數。

1.3.2 水體重金屬污染變化趨勢分析方法

重金屬對水質的影響在時間上的變化趨勢采用Daniel趨勢檢驗技術進行定量分析。使用Spearman 秩相關系數法。其基本原理為：設一組水質監測時間序列為Y=[Y1,Y2,….YN]，其監測值對應的序列 C=[C1,C2,…..CN]。先將監測值序列Ci由小到大排列，并給它們編號Xi∈(1,2,…..,N)，把某個監測值在監測序列中的排列次序，稱為該監測值的秩。然后按式(2-4)計算原始序列的秩相關系數Rs：

(4)

式中，Rs：原始序列的秩相關系數；N：時間周期；di：變量Xi與Yi的差值；Xi：按監測濃度值從小到大排列對應的序號；Yi：按時間排列的序號。

1.3.3 健康風險評價模型

采用目前國際上廣泛應用的USEPA健康風險評價模型進行人體健康風險評價[8]，人體暴露參數取自《中國人群暴露參數手冊(成人卷)》中江蘇地區調查結果[9]。根據IARC的致癌性分類標準，As、Pb、Cd共3種重金屬為化學致癌性物質同時參與致癌性健康風險評價和非致癌性健康風險評價，其余5種重金屬為化學非致癌性物質僅參與非致癌性健康風險評價[10]。

水體中8種重金屬的健康危害總風險Rz可表示為:

飲水途徑健康風險評價模型[11]：

皮膚接觸途徑健康風險評價模型：

式中: SF為致癌物的致癌強度系數，Cd、As、Pb為致癌物，依次取 6.1 mg/(kg·d)、15 mg/(kg·d)、8.5×10-4mg/(kg·d);RFD為非致癌物的飲水途徑參考劑量，Cu、Fe、Mn、Zn、Hg為非致癌物，依次取0.04 mg/(kg·d)、0.7 mg/(kg·d)、0.3 mg/(kg·d)、0.14 mg/(kg·d)、3×10-4mg/(kg·d)[12]。其他參數的取值參考楊學福等[13]的研究成果；體質BW(幼兒、青少年、成年人、老年人分別為19.1 kg、46.2 kg、62.9 kg、63.3 kg)，平均壽命L為76.7歲，每天平均飲水量IR(幼兒、青少年、成年人、老年人分別為1.1L、1.6L、2.3L、1.9L)。皮膚接觸面積SA為1.6 m2，洗浴暴露時間ET為1.6 min/d;Cw為污染物的質量濃度,mg/L;EF為暴露頻率，取 365 d/a;AT：終生暴露時間，AT=EF×ED。

2 結果與討論

2.1 長江鎮江段水體理化參數分析

長江鎮江段各研究斷面水體理化參數實測數據統計結果見表1。由表1可見，長江鎮江段水溫介于3.5～28.4℃，平均水溫為14.9℃，由于各斷面采樣時間不同，早晚溫差大，因此水溫變化較大。長江鎮江段水體pH為6.77～8.33平均pH為7.83，說明長江水體的酸堿度變化不大，總體呈中性微偏堿性。長江鎮江段水體DO變化較大，介于5.6～11.74 mg/L之間，平均含量為8.91 mg/L，長江鎮江段水體電導率為26.0～156 μs/cm，平均為37 μs/cm，在各參數中變異系數最大，說明各研究斷面電導率大小差別較大。

表1 長江鎮江段各研究斷面水體理化參數統計

2.2 長江鎮江段水體重金屬的綜合污染狀況變化特征分析

2.2.1 長江鎮江段水體中各種重金屬變化趨勢分析

2015—2020年長江鎮江段水體中8種重金屬的含量水平及年際變化情況見表2。結果顯示六年來長江鎮江段水體中8種重金屬HPI指數逐年遞減，通過秩相關系數趨勢檢驗表明，As、Hg、Cu、Zn、Fe、Mn、Pb污染趨勢呈明顯下降趨勢，Cd呈無顯著變化趨勢。各元素平均檢出濃度，均低于GB3838-2002《地表水環境質量標準》Ι類水標準，表明2015—2020年該流域飲用水體質量均達標。

表2 長江鎮江段水體中8種重金屬的含量水平及年際變化情況

2.2.2 長江鎮江段水體重金屬的綜合污染時間變化特征分析

2015—2020年四個季度(1-12月份)長江鎮江段水體中As、Hg、Cu、Zn、Fe、Mn、Pb和Cd的重金屬綜合污染狀況時間變化特征見圖2。結果顯示六年來長江鎮江段水體中重金屬的綜合污染狀況時間序列曲線呈不規則振動波型變化，且波動幅度逐年減小。例如2015年HPI劇烈波動，而 2020為輕微波動變化。六年來長江鎮江段水體HPI 年內變化特征各異，沒有一致的規律性，這與學者對其它河流水體中重金屬的變化特征的研究結論一致[14-15]。

圖2 8種重金屬的綜合污染狀況時間變化特征

2.2.3 長江鎮江段水體重金屬的綜合污染空間變化特征分析

2015—2020年長江鎮江段水體中As、Hg、Cu、Zn、Fe、Mn、Pb和Cd 重金屬綜合污染狀況變化特征見圖3。結果顯示，長江鎮江段8種重金屬綜合污染狀況沿程變化具有空間差異性，呈現出明顯的區域性特征，六年來焦山尾、江心洲、青龍山、引航道、二墩港HPI保持穩定，除2015年HPI波動起伏明顯，其他年份HPI基本呈逐年降低趨勢。

圖3 8種重金屬的綜合污染狀況空間變化特征

2.3 長江鎮江段水體重金屬的濃度水平分析

長江鎮江段各研究斷面水體中8種重金屬2015—2020年實測濃度統計結果見表3。結果發現，長江鎮江段水體中8種重金屬按所有研究斷面平均濃度大小排序依次為：Zn>Fe> Cu>As>Mn>Pb>Cd>Hg。依據我國現行《地表水環境質量標準》(GB3838-2002)，8種重金屬在各研究斷面水體濃度均達標。

表3 長江鎮江段水體各研究斷面8種重金屬的實測濃度統計(n=72)

2.4 長江鎮江段水體重金屬對不同年齡段居民的健康風險分析

長江鎮江段流域不同年齡段人群健康風險值見表4。由表4可知，水體中致癌物產生的個人健康風險值依次為As>Cd>Pb，非致癌物產生的個人健康風險值依次為Fe>Zn>Mn>Hg>Cu；不同年齡段居民的致癌健康風險和非致癌健康風險依次為幼兒>青少年>老年人>成年人。As的個人健康風險等級為 10-6a-1，雖然低于國際推薦值標準(1×10-4～5×10-5a-1)，但相比較其他7種重金屬而言，As對人體的健康危害風險值最高，因此應將其作為風險管理的重點對象。

表4 長江鎮江段水體重金屬不同年齡段健康風險值 單位：a-1

2.5 長江水體重金屬對江蘇省不同區域、性別居民的健康風險分析

不同區域、不同性別人群的生活習慣存在差異，重金屬對其產生的健康風險也不同。長江鎮江段水體重金屬對流域內不同區域(城市、城鄉和農村)、不同性別(男、女)人群產生的總非致癌健康風險和總致癌健康風險值見表5。

表5 長江鎮江段水體重金屬對流域城鄉、城市和農村人群產生的健康風險值 單位：a-1

結果顯示：長江鎮江段水體重金屬對流域不同區域人群產生的總致癌健康風險值介于1.42×10-6～1.93×10-6a-1之間，遠低于國際癌癥研究機構(ICRP)和美國EPA[16]推薦的健康風險可接受水平5×10-5a-1和1×10-4a-1。說明長江鎮江段水體重金屬對流域內城市、城鄉和農村的男性及女性人群所產生的總健康風險均未超過可接受水平。

2.6 長江鎮江段水體重金屬總健康風險評價

重金屬總健康風險評價結果見表6。結果表明，從健康風險的空間分布特征來看，總健康風險較高的斷面是征潤州和二墩港，這與重金屬的濃度分布相一致。按斷面總健康風險順序依次為：征潤州>二墩港>青龍山>江心洲>世業洲>龍門口>引航道>焦山尾。總健康風險值最高為 4.39×10-6a-1，低于 USEPA 推薦的最大可接受水平 1×10-4a-1[17]。水體重金屬通過皮膚接觸途徑所產生的致癌健康風險和非致癌健康風險均遠小于通過飲水途徑所造成的危害。且低于國際推薦值(1×10-4/a)，其健康風險可以忽略。

表6 長江鎮江段水體重金屬健康風險值 單位：a-1

3 結論

(1)長江鎮江段水體中As、Cd、Cu、Fe、Mn、Pb、Zn和Hg，這8種重金屬的平均質量濃度較低，均低于《地表水環境質量標準》(GB3838-2002)Ι類水標準，這8種重金屬HPI指數逐年遞減，污染趨勢呈明顯下降趨勢，在各采樣點各重金屬沿程空間分布總體差異性較大，沒有明顯的規律性。水體重金屬濃度的這種分布特征也符合一般河流水體重金屬分布隨機性很大的特點[18]。

(2)水體中致癌物和非致癌物產生的個人健康風險值依次為As>Cd>Pb>Fe>Zn>Mn>Hg>Cu；不同年齡段居民的致癌健康風險和非致癌健康風險依次為幼兒>青少年>老年人>成年人。As的個人健康風險等級為10-6a-1，雖低于國際推薦值標準(1×10-4～5×10-5a-1)，但相比較其他7種重金屬而言，As對人體的健康危害風險值最高，因此應將其作為風險管理的重點對象。

(3)長江鎮江段水體重金屬對流域不同區域人群產生的總非致癌健康風險和總致癌健康風險分別介于和2.51×10-9～3.06×10-9a-1和1.42×10-6～1.93×10-6a-1之間，均遠低于國際癌癥研究機構(ICRP)和美國EPA[18]推薦的健康風險可接受水平5×10-5a-1和1×10-4a-1。說明長江鎮江段水體重金屬對流域內城市、城鄉和農村的男性及女性人群所產生的非致癌健康風險和致癌健康風險均未超過可接受水平。

(4)從健康風險的空間分布特征來看，總健康風險與重金屬的濃度分布相一致。斷面總健康風險順序依次為：征潤州>二墩港>青龍山>江心洲>世業洲>龍門口>引航道>焦山尾。總健康風險值最高為 4.39×10-6a-1，低于 USEPA 推薦的最大可接受水平 1×10-4a-1[13]。水體重金屬通過皮膚接觸途徑所產生的致癌健康風險和非致癌健康風險均遠小于通過飲水途徑所造成的危害，且低于國際推薦值(1×10-4a-1)，其健康風險可以忽略。