水質(zhì)風險評價在跨界水污染預警體系中的應用

李二平，侯 嵩，孫勝杰，敖紅光，尤 宏，馮玉杰

(1.哈爾濱工業(yè)大學城市水資源與水環(huán)境國家重點實驗室，哈爾濱150090，youhong@hit.edu.cn; 2.東北林業(yè)大學生物質(zhì)能工程技術(shù)中心，哈爾濱150040)

水質(zhì)健康風險評價模型在上世紀80年代興起，最初用于評價飲用水水源地的人體健康風險. 1986年，美國華盛頓環(huán)境保護飲用水中心的C. R.Cothern［1］等以飲用水中的TCE(Trichloroethylene)為例，進行了致癌風險評估，并給出TCE濃度和影響壽命之間的關(guān)系.1988年，Donald G. Barnes等聯(lián)合美國EPA研究組［2］，共同針對RfD參考暴露劑量(Reference Dose)在健康風險評價中的應用做了相關(guān)研究，用RfD對污染物的持久性和毒性進行了新的描述，并給出RfD的計算方法.美國的Dennis J.Paustenbach［3］運用水質(zhì)健康風險模型對農(nóng)藥使用對農(nóng)業(yè)的影響進行了評價，并給出多種農(nóng)藥的使用上限.1996年，Michael L. Dourson［4］針對非致癌性污染物進行風險評價，對如何減小由參數(shù)RfD、RfC導致的不確定性的影響進行了相關(guān)研究.1999年，M.V.Ruby等［5］，運用該模型對重金屬鉛、鎘等進行計算，并給出了幾種重金屬的口服劑量標準.隨著水質(zhì)風險評價的日臻成熟，M.F.Dahab［6］，Ronald E.Giachetti［7］，E.Kentel［8］等針對評價中濃度、飲水量、體重等的不確定性，采用高斯正態(tài)分布模型和三角模糊函數(shù)，對傳統(tǒng)水質(zhì)健康風險評價模型進行修正，使評價結(jié)果更具可靠性.

我國從上個世紀90年代起，就有了應用水質(zhì)健康風險評價模型的先例.曾光明等應用該模型對河北保定飲用水源進行了評價［9］，嘗試性地將其應用在突發(fā)性水環(huán)境風險評價模型事故泄漏行為的模擬分析中［10］.近幾年，我國學者［11］對水質(zhì)健康風險評價中的不確定因素進行研究，以三角模糊函數(shù)完善傳統(tǒng)水質(zhì)健康風險評價模型，對真實情況中濃度隨時間和空間不斷變化的水質(zhì)進行風險評價，使水質(zhì)健康風險評價模型在我國的應用取得較大進展.

本文針對跨界突發(fā)性水污染事故的特點，利用PSR模型初步構(gòu)建跨界水污染事故預警指標體系.重點考慮對跨界區(qū)域可能遭受污染的水源地的保護，對EPA推薦的水質(zhì)健康風險評價模型進行修正，將水質(zhì)健康風險作為跨界污染事故預警指標之一，用于事故危害等級的判定.此外，利用松花江硝基苯和北江鎘兩組近年典型跨界水污染事件的歷史數(shù)據(jù)，分別對特征污染物進行水質(zhì)健康風險表征，以驗證其作為跨界水污染事故的一個預警指標的必要性和科學性.

1 跨界突發(fā)性水污染事故預警指標體系的建立

1.1 跨界突發(fā)性水污染事故的定義及特點

跨界突發(fā)性水污染事故［12］是指一個地區(qū)A的水環(huán)境受到另一個地區(qū)B所實施的行為(如自然災害、機械故障、人為因素及其他不確定因素所引發(fā)的突然排放污染物)的直接影響而造成的水環(huán)境污染事故.這種跨界污染是一種物理外部性，不包括通過價格或收入等間接效應對A產(chǎn)生的影響.這里所說的“界”，既包括國與國的分界，也包括一個國家境內(nèi)具有一定自治權(quán)的省或市或縣之間.

與常規(guī)水污染事故不同，跨界突發(fā)性水污染事故具有以下3個特點:1)事故發(fā)生、發(fā)展、危害不確定性，應急主體不明確;2)污染往往發(fā)生在行政轄區(qū)的邊界地帶，關(guān)系到不同行政轄區(qū)的利益，影響范圍常常涉及相鄰國、省、市.3)事故環(huán)境風險波及范圍廣，風險表征涉及的因素復雜.

1.2 跨界突發(fā)性水污染事故預警指標體系

對跨界突發(fā)性水污染事故進行評估與預警，可以有效地界定事故可能對流域下游跨界行政區(qū)域帶來的危害大小，從而啟動相應的預案，將損失減少到最小.

PSR模型最初由Tony Friend和David Rapport提出，用于分析環(huán)境壓力、狀態(tài)與響應之間的關(guān)系，是目前國內(nèi)外在生態(tài)評價、環(huán)境質(zhì)量評價和水資源承載力評價應用最廣泛的指標體系之一［13］.對于突發(fā)性水污染事故，人為因素導致污染物進入水體帶來環(huán)境壓力激增，環(huán)境狀態(tài)劇烈改變，引起人類做出應急響應，除了演進速度的差異，它與生態(tài)評價中的PSR模型有著一致的內(nèi)在邏輯.本文基于PSR模型，從事故壓力，事故狀態(tài)和事故響應3方面選取了9個指標，構(gòu)建了跨界突發(fā)性水污染事故預警指標體系(見圖1).

圖1 跨界突發(fā)性水污染事故預警指標體系PSR結(jié)構(gòu)圖

1)壓力指標.選取污染危害因子，即跨界區(qū)域特征污染物的超標倍數(shù)作為壓力指標.

2)狀態(tài)指標.描述污染對需要保護的環(huán)境目標所帶來的不良影響.選取生態(tài)風險因子和環(huán)境敏感因子，以及人體健康風險(致癌風險和非致癌風險)因子作為狀態(tài)指標.

3)響應指標.跨界突發(fā)水污染事故引起人類響應的方式包括停止城鎮(zhèn)供水，停止?jié)O業(yè)，跨界污染事故應急處置等，因此，選取綜合損失因子和事故應急處置作為響應指標.

在跨界突發(fā)性水污染事故預警指標體系中，各個指標對事故綜合警情的影響程度不同.通過專家咨詢和層次分析，發(fā)現(xiàn)準則層的狀態(tài)指標權(quán)重遠遠大于響應與壓力指標，在狀態(tài)層中的水質(zhì)健康風險指標(即致癌風險因和非致癌風險因子)權(quán)重最大，需要重點考慮.

2 跨界污染水質(zhì)健康風險評價方法的建立

2.1 水質(zhì)健康風險評價的基本模型

進行水質(zhì)健康風險評價通常將污染物分為致癌和非致癌兩類分別進行評價，據(jù)2001年美國環(huán)保局［14］的推薦，致癌風險的風險值(Arisk)以及非致癌風險的風險值(Bhi)分別由下式計算:

式中:Csf為污染物的致癌斜率因子(mg－1·kg·d)，Wrfd為污染物的參考劑量(mg·kg－1·d－1).均可參考美國IRIS數(shù)據(jù)庫［15］獲取.

Wcdi為長期日攝入劑量(mg·kg－1·d－1)，經(jīng)由飲水途徑暴露的長期日攝入劑量Wcdi為

其中:c為介質(zhì)中致癌物質(zhì)的質(zhì)量濃度(mg/L)，Wir為成人每日飲用水量(L/d)，fef為暴露頻率(d/a)，ted為暴露延時(a)為人均體重(kg)，ˉt為平均暴露時間(d).

2.2 水質(zhì)健康風險評價模型修正

跨界突發(fā)性水污染事故發(fā)生后，污染物的濃度不斷地隨著時間、空間的變化而變化.針對這一特性，許多學者曾采用高斯分布模型和三角模糊函數(shù)等方法對濃度進行數(shù)值模擬.由于三角模糊函數(shù)法可操作性較強，計算結(jié)果可靠性高，故本文采用三角模糊函數(shù)法對特征污染物的濃度進行修正，以得到特征污染物濃度的遠程變化規(guī)律.

取污染事故發(fā)生后特征污染物濃度c的三角模糊函數(shù)，令c=(c1，c2，c3)(其中c1，c2，c3均大于0)，其對應的α－截集為這里借助α－截集技術(shù)，將三角模糊數(shù)轉(zhuǎn)化為與同一可信度水平α(α∈［0，1］)相對應的區(qū)間數(shù)，此時Wcdi計算公式轉(zhuǎn)化為

則致癌風險(式(1))修正后為

非致癌風險(式(2))修正后為

根據(jù)三角模糊函數(shù)法修正后得到的公式(3)，(4)進行污染物健康風險計算，可得到特征污染物在最大可信度時的健康風險值，其結(jié)果更接近真實值，更具有科學性.

3 跨界污染事故水質(zhì)健康風險評價應用實例

應用水質(zhì)健康風險模糊評價模型，針對松花江硝基苯污染和北江鎘污染這兩個近年來典型跨界突發(fā)性水污染事故的歷史數(shù)據(jù)進行了實證分析.

3.1 松花江硝基苯污染事件

以肇源地區(qū)為黑龍江與吉林的省分界線，利用表1的監(jiān)測數(shù)據(jù)［16］分別計算出硝基苯濃度平均值和標準差.以平均值c作相對最可能值，c－2α和c+2α做的下限和上限，則c=(0，0.14，0.52)，=［0.14α，－0.38α+0.52］.將 c～α帶入式(4)得

表1 肇源地區(qū)水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)

3.2 北江鎘污染事件

利用2006年12月15日起北江內(nèi)鎘污染帶的監(jiān)測數(shù)據(jù)［17］(表2)，進行三角模糊處理后，按照式(3)進行計算，得到鎘的致癌風險值 Arisk= 1.8×10－8.

表2 2006年1月1日起北江鎘污染帶水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)

由計算結(jié)果可知，在硝基苯污染事件中，盡管硝基苯為非致癌污染物，但由于其暴露濃度高，暴露時間長，其風險值仍然高達2.7×10－4a－1，遠超過國際輻射防護委員會推薦的最大可接受限值10－6a－1，因此，硝基苯污染對肇源周邊人口的人體健康構(gòu)成很大風險.而在北江鎘污染事件中，鎘為致癌污染物，但其暴露時間較短，初始濃度較小，故其風險值為1.8×10－8a－1，小于10－6a－1，故對周圍人口的健康影響較小.

4 結(jié)論

1)提出了跨界突發(fā)性水污染事故預警指標體系的概念，并構(gòu)建了指標體系框架，水質(zhì)健康風險評價為預警指標體系計算中的一項重要指標，對評估污染事故級別十分關(guān)鍵.

2)針對跨界突發(fā)性污染事故中污染物隨時間和空間的變化而變化的特點，對傳統(tǒng)的水質(zhì)健康風險評價利用三角模糊函數(shù)法進行修正.根據(jù)修正后的公式進行兩個實例計算，結(jié)果表明，硝基苯的非致癌風險值遠遠超過國際接受的限值，從而提升了污染事故危害級別.重金屬鎘為致癌污染物，但污染事故中致癌風險值在可接受限制內(nèi)，對本次污染事故危害級別的提升貢獻不大.由此表明健康風險評價的結(jié)果對事故危害級別的判定有著不可忽視的影響.

3)對水質(zhì)健康風險進行評價，可定量地描述環(huán)境污染對公眾健康危害的程度.評價的結(jié)果為跨界突發(fā)性水污染事故應急處置與科學決策提供了依據(jù).

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