廣元市2012 ～ 2014年城市飲用水源地中重金屬健康風(fēng)險(xiǎn)初步評(píng)估

鄭 清，唐春梅，廖詠梅，權(quán)秋梅，黎云祥

(1.西華師范大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，四川 南充 637002；2.西華師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，四川 南充 637002)

引 言

水在我們的生活中是必不可少的，飲用水在日常生活中是我們喝與用時(shí)所需的水[1]，隨著時(shí)間的推移和社會(huì)的不斷發(fā)展，健康的飲用水是人類進(jìn)行生產(chǎn)和生活的關(guān)鍵所在，而人類在生活以及生產(chǎn)的過程中產(chǎn)生了大量的污染物，而這樣的污染物會(huì)經(jīng)過不同的渠道進(jìn)入到不同的環(huán)境中，其中重金屬污染物進(jìn)入水環(huán)境并污染水源的問題尤為突出并引起了世界各國的廣泛關(guān)注[2～4]。重金屬元素具有不易降解、毒性較大、隱蔽性強(qiáng)和易在生物體內(nèi)發(fā)生生物富集作用等多種特征，這些重金屬物質(zhì)可通過3種暴露途徑即消化道進(jìn)入、呼吸道進(jìn)入和皮膚進(jìn)入人體內(nèi)，其中飲水途徑屬于最為重要的暴露途徑[5-6]。這些重金屬物質(zhì)在水中并不能被降解，還能和水里已經(jīng)存在的其它物質(zhì)發(fā)生各種反應(yīng)并產(chǎn)生毒性更大的有機(jī)物[7]。截至現(xiàn)在，能確定的以及能對(duì)人體產(chǎn)生較大危害的有5種重金屬元素：Hg、As、Cd、Pb、Cr等，其中，Hg和Hg的化合物均有毒，能妨礙甲狀腺的分泌和發(fā)育以及影響人體生殖系統(tǒng)的功能[8]；Cd是致癌性重金屬物質(zhì)，常蓄積于人體的腎以及肝臟等器官中并影響其功能，于此同時(shí)，Cd還能影響和干擾人體雌激素的分泌[9]；As是公認(rèn)的致癌性物質(zhì)，是環(huán)境中最具有危害性和具有普遍性的毒害性物質(zhì)，若長時(shí)間處在As污染的環(huán)境中會(huì)導(dǎo)致慢性As中毒以及皮膚癌等[10-11]。綜上所述，水體重金屬污染會(huì)對(duì)自然環(huán)境和人體健康造成不可逆的危害，因此對(duì)水源地中的重金屬進(jìn)行評(píng)估變得至關(guān)重要。

健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)(health risk assessment，HRA)是指評(píng)定個(gè)體的健康受到某有害因子影響的風(fēng)險(xiǎn)概率，將個(gè)體暴露于該有害因子存在時(shí)估算其會(huì)發(fā)生的概率[12]。目前我國場地風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估飲用水途徑健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法采用美國環(huán)保署(USBHEPA)推薦的健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型進(jìn)行健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，與孫超[9]、高繼軍[13]、孟曉琦[14]等大量研究者分別探究各省和市的飲用水源地中重金屬的健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型均一致。本研究通過對(duì)廣元市2012 ～ 2014年主要飲用水源地水中的Hg、Cd、Pb、As、Cu、Zn、Cr、Fe、Mn等重金屬進(jìn)行調(diào)查，旨在掌握廣元市主要飲用水源地水體的健康風(fēng)險(xiǎn)狀況，為環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 區(qū)域狀況

廣元市是四川省的北大門，位于四川省北部邊緣，交通發(fā)達(dá)，人口密集，水資源豐富，自古便是入川的重要通道。廣元市具有豐富深厚的文化底蘊(yùn)，處于嘉陵江的上游，廣元市主要通航河流有嘉陵江、白龍江、東河等，這些河流均匯集到嘉陵江至重慶注入長江，境內(nèi)河流屬于長江水系。廣元市近年的發(fā)展歷程也是水生態(tài)文明的建設(shè)歷程，因此，研究廣元市飲用水源地中重金屬對(duì)人體的健康風(fēng)險(xiǎn)具有重要的代表性。

1.2 樣品的采集與處理

對(duì)廣元市主要飲用水源地-南河和嘉陵江水體進(jìn)行采樣，共布設(shè)4個(gè)斷面。其中，南河設(shè)2個(gè)斷面(東壩水廠、南河水廠2個(gè)采樣點(diǎn))，嘉陵江設(shè)2個(gè)斷面(城北水廠、西灣水廠2個(gè)采樣點(diǎn))。采樣時(shí)間為2012年1月～2014年12月，每個(gè)月初采集水樣1次，主要采集的是地表水，共采集120個(gè)樣品，使用便攜式水質(zhì)分析儀對(duì)水樣的溫度、pH值、電導(dǎo)率、溶解氧、化學(xué)耗氧量(COD)等水質(zhì)基本指標(biāo)進(jìn)行現(xiàn)場分析檢測。使用潔凈的棕色玻璃瓶進(jìn)行水樣采集，避光儲(chǔ)存在2～5℃的冰箱中。

1.3 樣品的測定

將重金屬待測水樣置于PET塑料容器中保存，經(jīng)0.45um濾膜過濾；配置鐵、銅、錳、鋅、砷、鎘、鉻、汞、鉛標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)混合溶液配制濃度梯度為1、10、20、50、100μg/L的標(biāo)準(zhǔn)曲線，使用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS)上機(jī)分析。

1.4 評(píng)價(jià)模型

1.4.1 環(huán)境健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)是為了評(píng)估特定時(shí)間以及環(huán)境下的生物、化學(xué)、物理以及社會(huì)因子對(duì)人體、動(dòng)物甚至生態(tài)系統(tǒng)可能引起的潛在危害的風(fēng)險(xiǎn)[15-16]。國內(nèi)的廣州市、天津市、青島市，國外的巴基斯坦、泰國等國家和地區(qū)均對(duì)水環(huán)境進(jìn)行了健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[17]。

1.4.2 水環(huán)境健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型

針對(duì)水環(huán)境中影響人體健康的污染物質(zhì)[15]，水中污染物包括兩類。軀體毒物質(zhì)即非化學(xué)致癌物和基因毒物質(zhì)包括放射性污染物和化學(xué)致癌物[18-19]兩類。水環(huán)境中飲水途徑所致的總個(gè)人健康風(fēng)險(xiǎn)R =化學(xué)致癌物總風(fēng)險(xiǎn)值Rc+非致癌物總風(fēng)險(xiǎn)值Rn [20～23]，公式為R=Rn+Rc。

其中，化學(xué)致癌物通過飲水途徑導(dǎo)致的健康風(fēng)險(xiǎn)值計(jì)算模型為：

(1)

(2)

非致癌物通過飲水途徑的風(fēng)險(xiǎn)度模型為：

(3)

(4)

(5)

公式(3)中：θ為日平均飲水量，單位L；Ci為致癌物i濃度，單位mg/L；BW為人體平均體重，單位kg。公式(4)中Di為非致癌物i的日均暴露劑量，單位mg/(kg·d)； RfDi為非致癌物

表1 模型中L、θ、BW參數(shù)的值Tab.1 Values of L、θ、BW parameters in the model

2 評(píng)價(jià)結(jié)果與分析

2.1 水質(zhì)評(píng)價(jià)

本次評(píng)價(jià)采用2012 ～ 2014年廣元市的4個(gè)水源地取水樣的監(jiān)測結(jié)果，研究區(qū)域四個(gè)斷面分別為南河?xùn)|壩水廠斷面(A)、嘉陵城北水廠斷面(B)、南河南河水廠斷面(C)和嘉陵西灣水廠斷面(D)，其中前3個(gè)斷面水質(zhì)為地下水，嘉陵西灣水廠斷面為地表水。取每個(gè)水源地每月數(shù)據(jù)的平均值作為年均值。由于南河南河水廠斷面(C)水廠供水量不大，考慮到運(yùn)營情況與資金問題從2013年開始停止運(yùn)營，因此本文數(shù)據(jù)中只使用2012年的數(shù)據(jù)作為平均值。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，廣元地區(qū)總體水質(zhì)良好，主要污染物為總磷、總氮。2012 ～ 2014年的重金屬水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)如表2所示，地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB3838-2002)基本項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)限值如表3所示。

表2 廣元市2012 ～ 2014年主要水源地水體中重金屬濃度Tab.2 Heavy metal concentrations in main water sources in Guangyuan City in 2012～2014 (μg/L)

表3 地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB3838-2002)基本項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)限值Tab.3 Environmental quality standard for surface water (GB3838-2002) standard limit for basic items

廣元市2012 ～ 2014年主要飲用水源地水體中重金屬狀況見表2，由表2、表3可知，南河?xùn)|壩水廠斷面、嘉陵城北水廠斷面和南河南河水廠斷面的水體中除了Cd的平均濃度達(dá)到Ⅱ類地下水標(biāo)準(zhǔn) (GB14848-93) 外，As、Cr、Hg、Pb、Cu、Zn、Fe、Mn的平均濃度分別為Cd 0.35μg/L，As 0.5μg/L，Cr 4μg/L，Hg 0.02μg/L，Pb 1.9 ～ 2.58μg/L，Cu 1.8 ～ 2.4μg/L，Zn 19.3 ～ 38μg/L，F(xiàn)e 30 ～ 116.6μg/L，Mn 13.8 ～ 36.4μg/L均達(dá)到Ⅰ類地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB14848-93)；嘉陵西灣水廠斷面的水體中Cd、As、Cr、Hg、Pb、Cu、Zn、Fe、Mn的平均濃度均達(dá)到Ⅰ類地表水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB3838-2002)。各個(gè)時(shí)段的監(jiān)測值沒有較大的起伏變動(dòng)，均在達(dá)標(biāo)范圍內(nèi)。

2.2 重金屬污染物飲水途徑健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果

通過計(jì)算得出廣元市2012 ～ 2014年的老年人、成年人、幼兒和青少年四個(gè)不同時(shí)期的風(fēng)險(xiǎn)值，該時(shí)期水源地重金屬污染物飲水途徑健康危害風(fēng)險(xiǎn)值如表4 ～ 表7所示。

表4 廣元市2012 ～ 2014年的幼兒健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果Tab.4 Early childhood health risk assessment results of Guangyuan City in 2012～2014

由表4可知，廣元市2012 ～ 2014年水體中的重金屬對(duì)幼兒時(shí)期健康影響的風(fēng)險(xiǎn)值普遍偏大，最大總健康風(fēng)險(xiǎn)值出現(xiàn)在嘉陵西灣水廠斷面，達(dá)到了2.35×10-8a-1，其中Fe和Mn占的比例比較大，分別為9.75×10-9a-1和1.1×10-8a-1。4個(gè)斷面的總健康風(fēng)險(xiǎn)平均值大小依次為嘉陵西灣水廠斷面、南河?xùn)|壩水廠斷面、南河南河水廠斷面，最低是嘉陵城北水廠斷面。而4個(gè)斷面的總致癌風(fēng)險(xiǎn)幾乎相同，在1.2×10-4a-1左右，其中Cr和As在幼兒時(shí)期所引起的致癌風(fēng)險(xiǎn)最大，分別為114.04×10-6a-1和5.24×10-6a-1，部分時(shí)段指標(biāo)已高于國際輻射防護(hù)委員會(huì)(ICRP)和美國環(huán)境保護(hù)局(US EPA)推薦的通過飲用水途徑最大可接受風(fēng)險(xiǎn)水平(分別為5.0×10-5a-1和1.0×10-4a-1)。

表5 廣元市2012 ～ 2014年的青少年健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果Tab.5 Evaluation results of adolescent health risk in Guangyuan City in 2012 ～ 2014

從表5中可以看出，4個(gè)斷面中對(duì)廣元市2012 ～ 2014年青少年時(shí)期的健康影響的風(fēng)險(xiǎn)值的最大值在嘉陵西灣水廠的水質(zhì)，最大值達(dá)到2.1×10-8a-1，其中Fe和Mn的影響較大，分別為9.34×10-9a-1和9.39×10-9a-1，遠(yuǎn)超其他元素對(duì)其的影響，四個(gè)斷面的總健康風(fēng)險(xiǎn)平均值大小依次為嘉陵西灣水廠斷面、南河?xùn)|壩水廠斷面、嘉陵城北水廠斷面，最低是南河南河水廠斷面。而在總致癌風(fēng)險(xiǎn)中4個(gè)斷面對(duì)青少年的致癌風(fēng)險(xiǎn)度均相差不大，在1.02×10-8a-1～ 1.03×10-8a-1之間變動(dòng)，其中影響總致癌風(fēng)險(xiǎn)占比較大的也是Cr和As元素。

表6 廣元市2012 ～ 2014年的成年人健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果Tab.6 Adult health risk assessment results of Guangyuan City in 2012 ～ 2014

從表6中可以看出，4個(gè)斷面中對(duì)廣元市2012 ～ 2014年的成年人健康影響的風(fēng)險(xiǎn)值最大的是嘉陵西灣水廠，非致癌風(fēng)險(xiǎn)度平均值最高為1.67×10-8a-1，其中最大值出現(xiàn)在嘉陵西灣水廠，達(dá)到2.25×10-8a-1，而這個(gè)點(diǎn)位Fe、Mn的影響又遠(yuǎn)超于其他點(diǎn)位Fe、Mn的影響，分別為9.34×10-9a-1、10.57×10-9a-1，4個(gè)斷面的總健康風(fēng)險(xiǎn)平均值大小排名與青少年時(shí)期的相同也是依次為嘉陵西灣水廠斷面、南河?xùn)|壩水廠斷面、嘉陵城北水廠斷面，最低是南河南河水廠斷面。然而致癌風(fēng)險(xiǎn)度的變化幅度在這4個(gè)點(diǎn)位中都不大，在1.15×10-8a-1～ 1.16×10-8a-1之間變化，占比較大的同樣也是Cr和As元素。

表7 廣元市2012 ～ 2014年的老年人健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果表Tab.7 Health risk assessment results for the elderly in Guangyuan City in 2012 ～ 2014

從表7中可以看出，4個(gè)點(diǎn)位的水質(zhì)對(duì)廣元市2012 ～ 2014年的老年人總健康影響的風(fēng)險(xiǎn)值平均值最大的是嘉陵西灣水廠，其次是南河?xùn)|壩水廠，分別為1.43×10-8a-1，1.24×10-8a-1，其次是嘉陵城北水廠斷面，最低也是南河南河水廠斷面；而嘉陵西灣水廠中影響最大的因素是Fe、Mn，分別為7.77×10-9a-1，5.35×10-9a-1；南河?xùn)|壩水質(zhì)中影響最主要的因素是Mn，為9.48×10-9a-1，基本上是其他點(diǎn)位的同種元素的兩倍值。而致癌風(fēng)險(xiǎn)度普遍偏小且相差不大，是幼兒、青少年、成年人、老年人4個(gè)人群中值最小的人群，在9.81×10-9a-1～ 9.97×10-9a-1之間變化。

2.3 不同時(shí)期重金屬污染物飲水途徑健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)比較

上述表4 ～ 表7分別闡述了廣元市2012 ～ 2014年四個(gè)斷面的幼兒時(shí)期、青少年時(shí)期、成年時(shí)期和老年時(shí)期的總致癌風(fēng)險(xiǎn)和總健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，其中4個(gè)斷面重金屬致癌物(Cd、As、Cr)的總致癌風(fēng)險(xiǎn)分別在不同時(shí)期人群中相差不大。非致癌風(fēng)險(xiǎn)度在4個(gè)斷面中的最高值均出現(xiàn)在嘉陵西灣水廠斷面。而其中影響最大的是Fe、Mn兩種元素，這兩種元素在這個(gè)斷面的影響均遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他斷面這兩個(gè)元素的影響，甚至達(dá)到其他斷面的兩倍值。為探究通過飲水途徑的致癌風(fēng)險(xiǎn)在不同人群中的大小，將四個(gè)不同時(shí)期人群通過飲水途徑的的重金屬污染物健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)進(jìn)行綜合比較，結(jié)果如下圖。通過下圖可以明顯看出致癌風(fēng)險(xiǎn)最高的時(shí)期是幼兒時(shí)期，其次是青少年時(shí)期、老年時(shí)期，最低的是老年時(shí)期。我們可以看出水質(zhì)中重金屬對(duì)人體的致癌風(fēng)險(xiǎn)呈現(xiàn)一個(gè)規(guī)律性：在人的一生中，水中重金屬對(duì)人的致癌風(fēng)險(xiǎn)在幼兒時(shí)期最大，隨著人體的成長對(duì)其的影響在慢慢變?nèi)酢?duì)水源地中的重金屬進(jìn)行監(jiān)測和對(duì)水資源進(jìn)行保護(hù)任重道遠(yuǎn)卻也越發(fā)重要。

圖 不同時(shí)期重金屬污染物飲水途徑健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)比較Fig. Comparison of health risk assessment of drinking water route of heavy metal pollutants in different periods

3 結(jié) 論

3.1 廣元市2012 ～ 2014年主要飲用水源地中，南河?xùn)|壩水廠、嘉陵城北水廠、南河南河水廠、嘉陵西灣水廠的水質(zhì)能達(dá)到國家地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB3838-2002)和國家地下水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB/T14848-2017)，除了4個(gè)監(jiān)測斷面的Cd的監(jiān)測值超過Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)屬于Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)以外，其他的重金屬元素的監(jiān)測濃平均值均達(dá)到Ⅰ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。4個(gè)不同時(shí)期人群中重金屬(Cd、As、Cr)引起的總致癌風(fēng)險(xiǎn)大小四個(gè)斷面幾乎相等。

3.2 4個(gè)不同時(shí)期人群中致癌物(Cd、As、Cr)引起的總致癌風(fēng)險(xiǎn)大小在4個(gè)斷面中分別相差不大。其中Cr元素的影響最大，其次為As和Cd。

3.3 非致癌物(Fe、Mn、Zn、Hg、Pb、Cu)重金屬引起的總健康風(fēng)險(xiǎn)值在四個(gè)不同時(shí)期人群中最高的均為嘉陵西灣水廠斷面，最低的除幼兒時(shí)期外均為南河南河水廠斷面，其中Fe和Mn元素均為不同斷面的主要影響因素。嘉陵西灣水廠的水質(zhì)中Fe、Mn的平均值是其他水廠的水質(zhì)中Fe、Mn的平均值的2倍，但沒有超過國家地表水質(zhì)量環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)Ⅰ類標(biāo)準(zhǔn)限值。因此，西灣水廠的水質(zhì)中Fe、Mn應(yīng)長期重點(diǎn)關(guān)注，防止污染速度加快、污染的分布范圍擴(kuò)大。

3.4 4個(gè)不同時(shí)期人群通過飲水途徑的的重金屬污染物健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)致癌風(fēng)險(xiǎn)呈現(xiàn)幼兒時(shí)期>成年人>青少年>老年人，可以得出水質(zhì)中重金屬對(duì)人體的致癌風(fēng)險(xiǎn)呈現(xiàn)一個(gè)規(guī)律性：在人的一生中，水中重金屬對(duì)人的致癌風(fēng)險(xiǎn)在幼兒時(shí)期最大，隨著人體的成長對(duì)其的影響在慢慢變?nèi)酢?/p>