廣西容縣地下水水質(zhì)調(diào)查與健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

劉圣鋒，黃軍，周媛，姚越，趙華榮，金鑫

(桂林理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，廣西桂林541004)

近年來(lái)，水資源安全問(wèn)題越來(lái)越受到社會(huì)的關(guān)注。2015年，國(guó)務(wù)院頒布的《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》中，已經(jīng)明確要求，到2020年飲用水安全保障水平持續(xù)提升；到2030年力爭(zhēng)全國(guó)水環(huán)境質(zhì)量總體改善。由此可見(jiàn)國(guó)家對(duì)飲水安全的重視，因此對(duì)地下水水質(zhì)狀況調(diào)查及其健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)顯得尤為重要。

地下水是中國(guó)水資源的重要組成部分，占全國(guó)水資源總量的1/3，全國(guó)有近70%的人口飲用地下水，因此，地下水是重要的飲用水水源[1]。但是隨著工業(yè)的發(fā)展，使得當(dāng)前農(nóng)村水污染問(wèn)題愈演愈烈，水污染不僅破壞生態(tài)環(huán)境,而且影響著飲水者的健康[2]。目前對(duì)地下水污染及其風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)也受到了研究人員的關(guān)注，林曼利等[3]、陳曉輝等[4]、王曜等[5]和魯廣秋等[6]分別對(duì)宿州市農(nóng)村地下水重金屬含量與健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)、廣東省粵東地區(qū)農(nóng)村地下水飲用水源水質(zhì)評(píng)價(jià)及保護(hù)對(duì)策研究、安徽北部農(nóng)村地區(qū)地下水重金屬健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)和昆明市農(nóng)村地下水中金屬污染分析與評(píng)價(jià)。在廣西地區(qū)，黎勇等[7]在調(diào)查中發(fā)現(xiàn)廣西農(nóng)村飲用水pH合格率低于全國(guó)平均水平。鐘格梅等[8]經(jīng)過(guò)調(diào)查發(fā)現(xiàn)廣西農(nóng)村地區(qū)地下水飲用水源的合格率為18.03%。綜上，地下水水質(zhì)問(wèn)題越來(lái)越受到大家的關(guān)注。

1 研究區(qū)概況

容縣地處廣西壯族自治區(qū)東南部，東經(jīng)110°15′～110°53′、北緯22°27′～23°07′，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫21.3℃，年平均雨量1 698.9 mm，降雨量多集中在4—9月。全縣面積2 257 km2，其中陸地占97.51%，水域占2.49%。容縣地下水類型屬于孔隙水，含水層是紅層碎屑巖類，巖性主要為砂巖、頁(yè)巖和礫巖[11]。

近幾年來(lái)，該地區(qū)隨著工業(yè)、農(nóng)業(yè)以及城市的發(fā)展，水資源逐漸出現(xiàn)了污染問(wèn)題，從而對(duì)居民的用水安全造成了一定的影響。雖然大部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)都安裝了自來(lái)水，但是大部分居民還在使用自家的水井。

2 樣品采集和分析

為了更好地研究容縣地下水水質(zhì)對(duì)人體健康的影響，本次研究于2018年10月3日在容縣縣城周邊的容州鎮(zhèn)、十里鎮(zhèn)和容西鎮(zhèn)選擇10個(gè)常年使用、井水位相對(duì)穩(wěn)定、井深為6～15 m、相鄰兩井間距大于1 km的民用井作為取樣點(diǎn)，取樣點(diǎn)分布見(jiàn)圖1。用聚乙烯取樣瓶采集2 L水樣，聚乙烯瓶在取樣前先用超純水洗凈，再用采集的水樣潤(rùn)洗3次，所采集的水樣用0.45 μm濾膜過(guò)濾后裝入樣品瓶中。用于檢測(cè)陽(yáng)離子和重金屬的水樣加入硝酸(優(yōu)級(jí)純)酸化，使水樣pH<2；用于檢測(cè)陰離子的水樣在取樣時(shí)僅作過(guò)濾處理。所有水樣在24 h內(nèi)送回實(shí)驗(yàn)室放入4℃冰箱里密封保存。

水樣檢測(cè)采用便攜式儀器現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定和實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)相結(jié)合的方法。

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定使用DENVER UB-7多功能酸度計(jì)測(cè)定各取樣點(diǎn)pH和ORP，測(cè)試精度分別為0.01個(gè)pH單位和0.1 mV；使用測(cè)試精度為0.01 mg/L 的Multi 3410 SET4溶解氧測(cè)定儀和測(cè)試精度為0.1 μS/cm 的JENCO 3250電導(dǎo)率儀分別測(cè)定各取樣點(diǎn)的溶解氧和電導(dǎo)率指標(biāo)。

3 結(jié)果與討論

3.1 水質(zhì)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)分析

利用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法，對(duì)各水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果見(jiàn)表1。水溫在23.1～26.5℃之間，離勢(shì)系數(shù)為4.34%，說(shuō)明研究區(qū)水溫比較穩(wěn)定。研究區(qū)pH的范圍為4.55～7.56，平均值為6.01，表明該區(qū)域的水質(zhì)總體偏酸性，這與該地區(qū)土壤呈酸性的紅壤或磚紅壤有一定的關(guān)系，根據(jù)GB/T 14848—2017《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》，研究區(qū)的pH平均值屬于IV類水標(biāo)準(zhǔn)。長(zhǎng)期使用酸性水會(huì)對(duì)人體循環(huán)系統(tǒng)和免疫系統(tǒng)有一定的影響，同時(shí)也會(huì)引起骨骼、牙齒等方面的問(wèn)題。ORP的范圍為241.7～376.5 mV。溶解氧含量0.45～7.99 mg/L,部分取樣點(diǎn)溶解氧含量較低。電導(dǎo)率的最大值和最小值相差491.2 μS/cm，表明部分取樣點(diǎn)地下水純凈度相差較大。

表1 廣西容縣地下水水質(zhì)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)

Mg2+、Ca2+、Na+、K+的離勢(shì)系數(shù)在100%以內(nèi)，濃度變化相對(duì)穩(wěn)定，其中Ca2+的濃度大于另外3個(gè)金屬離子。Cu2+、Zn2+、Cd2+和Pb2+的濃度都符合I類水的標(biāo)準(zhǔn)，說(shuō)明該地區(qū)未受到這4種重金屬的污染。

3.2 水質(zhì)指標(biāo)的相關(guān)性分析

表2 廣西容縣地下水水質(zhì)參數(shù)相關(guān)系數(shù)

注：**表示在置信度(雙測(cè))為 0.01 時(shí)，相關(guān)性是顯著的；*表示在置信度(雙測(cè))為 0.05 時(shí)，相關(guān)性是顯著的。

3.3 水化學(xué)類型分析

運(yùn)用前蘇聯(lián)學(xué)者舒卡列夫分類方法對(duì)水樣進(jìn)行分類，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 廣西容縣水下水各取樣點(diǎn)水質(zhì)類型

研究區(qū)的地下水水質(zhì)類型較多，主要有HCO3-Ca型水、HCO3·Cl-Ca·Na型水、Cl-Na型水、Cl-Na·Ca型水、HCO3·Cl-Na型水、HCO3-Ca·Mg型水和Cl-Na·Ca·Mg型水。其中1、7和8號(hào)取樣點(diǎn)為HCO3-Ca型水，2、4號(hào)點(diǎn)為HCO3·Cl-Na·Ca型水。地下水的TDS范圍為48.679～396.09 mg/L，平均值為166.842 mg/L小于1.5 g/L，是A型水，因此，該地區(qū)的地下水都屬于低礦化水。

就舒卡列夫分類法而言，它只能表示1種大于25%毫克當(dāng)量百分?jǐn)?shù)的離子，而對(duì)于2種或2種以上大于25%毫克當(dāng)量百分?jǐn)?shù)離子之間的關(guān)系，則沒(méi)有明確地表示出來(lái)[13]。

為了進(jìn)一步分析取樣點(diǎn)的水化學(xué)類型，采用AquaChem軟件繪制了該地區(qū)地下水的Piper(圖2)。研究區(qū)域的地下水水質(zhì)類型共有3種，分別為：碳酸鹽硬度>50%、非碳酸鹽堿>50%和非碳酸鹽硬度>50%。1、2、7、8和9號(hào)取樣點(diǎn)屬于碳酸鹽硬度>50%的水化學(xué)類型。3、4、5和6號(hào)取樣點(diǎn)屬于非碳酸鹽堿>50%的水化學(xué)類型。10號(hào)取樣點(diǎn)屬于非碳酸鹽硬度>50%的水化學(xué)類型。

本次取樣點(diǎn)所在的地層都屬于早第三紀(jì)，水質(zhì)類型與地層有一定的相關(guān)性。其中2、4取樣點(diǎn)的水質(zhì)類型都屬于HCO3·Cl-Ca·Na型，而且這2個(gè)取樣點(diǎn)都位于容州鎮(zhèn)城區(qū)內(nèi)，所以該水質(zhì)類型與地理位置有一定關(guān)系。1、7號(hào)取樣點(diǎn)都位于山坡的中下部，且山上植被主要以果樹(shù)和松樹(shù)為主，由于2個(gè)取樣點(diǎn)周圍環(huán)境較相似，這可能是水質(zhì)類型相同的原因。10號(hào)取樣點(diǎn)處于一個(gè)小山坡下，坡上主要種植甘蔗、蔬菜等作物，這可能是與其他取樣點(diǎn)水質(zhì)類型不同的原因。綜上，研究區(qū)水質(zhì)類型不同的原因主要是由于周圍的環(huán)境影響。

3.4 健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

地下水重金屬風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)采用美國(guó)EPA推薦的健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型。其中，化學(xué)致癌物通過(guò)飲水的方式進(jìn)入人體的健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)計(jì)算模型為：

(1)

當(dāng)結(jié)果大于0.01時(shí)，則按高劑量暴露計(jì)算：

(2)

非致癌物質(zhì)通過(guò)飲水途徑進(jìn)入人體造成健康危害的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)計(jì)算模型為：

(3)

通過(guò)飲水途徑的單位體重日均暴露劑量按以下公式,成人與兒童分開(kāi)計(jì)算：

成人：Di=2.2ci/64.3

(4)

兒童：Di=1.0ci/22.9

(5)

式中 2.2——成人每天的平均飲水量，L；1.0——兒童每天的平均飲水量，L；ci——化學(xué)致癌物質(zhì)或非致癌物質(zhì)的濃度，mg/L；64.3 kg——成人平均體重；22.9 kg——兒童平均體重[15-16]。

各有毒的化學(xué)物質(zhì)對(duì)人體健康造成危害不相同，但累積效應(yīng)有協(xié)同關(guān)系、相加關(guān)系和拮抗關(guān)系。在一般的水中，各有毒化學(xué)物質(zhì)濃度都比較低，所以，可以假定每種有毒化學(xué)物質(zhì)對(duì)人體健康的危害作用相互獨(dú)立，危害的累積效應(yīng)呈相加關(guān)系，即水環(huán)境的總體健康風(fēng)險(xiǎn)程度R可以表示為：

(6)

根據(jù)世界衛(wèi)生組織(WHO)和國(guó)際癌癥研究機(jī)構(gòu)(IARC)編制的分類系統(tǒng)，以及美國(guó) EPA 推薦值，此次測(cè)定的重金屬中，化學(xué)致癌物為 Cd，非化學(xué)致癌物為Pb、Zn和Cu，其致癌物質(zhì)的致癌強(qiáng)度系數(shù)和非致癌物質(zhì)參考劑量詳見(jiàn)表4[17]。

表4 致癌物質(zhì)的致癌強(qiáng)度系數(shù)和非致癌物質(zhì)參考劑量

根據(jù)健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型，結(jié)合實(shí)測(cè)重金屬濃度數(shù)據(jù)，計(jì)算出致癌物質(zhì)和非致癌物質(zhì)經(jīng)飲水途徑所致健康危害的個(gè)人年風(fēng)險(xiǎn)見(jiàn)表5。對(duì)于成人，致癌物質(zhì)Cd經(jīng)飲水途徑所致健康危害的個(gè)人年風(fēng)險(xiǎn)最高，為5.139×10-7/a，遠(yuǎn)大于非致癌物Pb、Zn和Cu經(jīng)飲水途徑所致健康危害的個(gè)人年風(fēng)險(xiǎn)，3種非致癌物所致健康危害風(fēng)險(xiǎn)均較低，4種重金屬個(gè)人年總風(fēng)險(xiǎn)為5.14×10-7/a，低于美國(guó)環(huán)境保護(hù)署(1×10-4/a )和國(guó)際輻射防護(hù)委員會(huì)(ICRP)最大可接受風(fēng)險(xiǎn)(5×10-5/a)[18]，所引起的健康風(fēng)險(xiǎn)較小，不會(huì)對(duì)成人造成明顯危害。

表5 經(jīng)飲水途徑所致健康危害的個(gè)人年風(fēng)險(xiǎn) 單位：a-1

對(duì)于兒童，4種重金屬所致健康風(fēng)險(xiǎn)在7.147×10-11～6.559×10-7/a，每一種金屬經(jīng)飲水途徑所致健康危害的個(gè)人年風(fēng)險(xiǎn)均比成人高，可見(jiàn)兒童比成人受到的健康風(fēng)險(xiǎn)更大，兒童總風(fēng)險(xiǎn)為6.564×10-7/a，是國(guó)際輻射防護(hù)委員會(huì)(ICRP)最大可接受風(fēng)險(xiǎn)的1.31%，但僅為美國(guó)環(huán)境保護(hù)署最大可接受風(fēng)險(xiǎn)的0.66%，由此可見(jiàn)，在調(diào)查區(qū)內(nèi)，兒童經(jīng)飲水途徑所致健康危害的個(gè)人年風(fēng)險(xiǎn)較小，對(duì)兒童健康的危害不明顯。

通過(guò)健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型，可知成人和兒童的健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果為Cd>Pb>Cu>Zn，兩類群體的健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)都沒(méi)有超出國(guó)際輻射防護(hù)委員會(huì)和美國(guó)環(huán)境保護(hù)署標(biāo)準(zhǔn)，因此研究區(qū)的地下水4種金屬濃度符合居民的生活用水標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)人體健康危害較小。

4 結(jié)論

a) 從Piper圖分析，研究區(qū)地下水類型有3種，分別為：碳酸鹽硬度>50%、非碳酸鹽堿>50%和非碳酸鹽硬度>50%。通過(guò)舒卡列夫分類方法可知研究區(qū)地下水類型多樣，主要有：HCO3-Ca型水、HCO3·Cl-Ca·Na型水、Cl-Na型水、Cl-Na·Ca型水、HCO3·Cl-Na型水、HCO3-Ca·Mg型水和Cl-Na·Ca·Mg型水共7種。TDS范圍為48.679～396.09 mg/L，都屬于低礦化水。

c) 成人和兒童的健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果均為Cd>Pb>Cu>Zn，4種重金屬經(jīng)飲水途徑造成的健康風(fēng)險(xiǎn)兒童比成人高，但這兩類人群受到的健康風(fēng)險(xiǎn)均低于ICRP和美國(guó)環(huán)境保護(hù)署推薦的最大可接受風(fēng)險(xiǎn)。由此可見(jiàn)，研究區(qū)地下水中的4種重金屬不會(huì)對(duì)人體造成明顯危害。