基于蒙特卡羅模擬的巖溶地下水健康風險評價

賈方建

（河南理工大學 資源環境學院，河南 焦作 454000）

北方地區包含100多個巖溶水系統，巖溶水資源總量為108×108m3/a，因具有高度集中和水質良好等特點成為重要的生活和工業水源[1]。北方119個巖溶水系統中，有83個具有“煤在樓上，水在樓下”的水煤共生結構特點，受到氣候變化和煤礦開采的影響，巖溶地下水極易遭到污染，水質性缺水已成為現階段北方巖溶泉域面臨的嚴峻問題[2-3]。目前，對地下水質量的評價一般在參考《地下水質量標準》（GB/T 14848——2017）的基礎上，采用單因子評價和內梅羅指數法評價區域地下水水質狀況和污染情況。此評價體系忽略了有毒有害金屬元素對水環境的影響，無法解釋飲用地下水時，是否會產生近期或者長期金屬元素造成的健康危害[4]。另外，國內外采用的健康風險評價方法多基于美國國家環境保護局（USEPA）推薦的健康風險模型，此方法適用性較強，但為確定性評價模型，評價結果為單一數值。在取樣點較少的情況下，評價區域地下水健康風險存在較大偏差。針對上述問題，本研究將蒙特卡羅模擬技術引入健康風險評價體系中，針對北方典型泉域——許家溝泉域，估算巖溶地下水中金屬元素對人體健康造成的潛在危害，并通過敏感性分析判斷各微量元素質量濃度和暴露參數對健康風險評估結果的影響程度，為加強泉域巖溶地下水環境保護提供科學依據。

1 研究區概況

本研究以鶴壁市許家溝泉域為研究對象，研究區位于太行山與華北平原過渡帶，泉域內存在多個生產或已關閉煤礦，造成地下水污染，給當地居民帶來了健康風險。泉域地勢大致為西北及西南略高、向東傾斜，屬北溫帶大陸性季風氣候區，泉域補給以大氣降水和河流側向滲漏補給為主，受地形和地質構造影響，巖溶地下水向東徑流，在巨厚層頁巖和砂巖層的阻擋下，轉向南徑流；受河流切割影響，在淇河北岸許家溝處以泉群形式集中排泄。全年7～9月為豐水期， 12月至次年4月為枯水期。本研究在2018年11月采集巖溶水地下水水樣，所取水樣均為奧陶系灰巖水。取樣前，用待測水樣潤洗600 mL取樣瓶3次，取樣后用0.45 μm微孔濾膜過濾，并在水樣中加入適量優質HNO3酸化至pH小于2，再進行密封處理，使用ICP-MS測定所有水樣中Ba、Ni、Cr、Cu、Pb和Zn 6種金屬元素的質量濃度。檢測結果如表1所示。

表1 巖溶水金屬元素質量濃度

2 基于蒙特卡羅模擬的健康風險評價

2.1 健康風險評價

健康風險評價是用來評估有毒有害物質對人體構成的危害的一種模型，包括危害識別、暴露評估、毒性評估和風險表征。根據世界衛生組織（WHO）和國際癌癥研究機構（IARC）的金屬元素分析數據，確定Cr為致癌性微量元素，Ba、Ni、Cu、Pb和Zn為非致癌性微量元素[5]。地下水中的金屬元素主要通過飲水方式進入人體，故選擇飲水途徑評估成人及兒童的日均暴露劑量、致癌和非致癌金屬元素造成的健康風險[6]。日均暴露劑量計算參照式（1），致癌性和非致癌性金屬元素健康風險評價模型參照式（2）和式（3），致癌性金屬元素健康風險評價模型參數如表2所示，致癌強度系數和非致癌參考劑量如表3所示。致癌健康風險可接受程度在1×10-4～1×10-6a-1，本研究選用5×10-5a-1作為最大可接受風險水平，選用1×10-8a-1作為可忽略風險水平。

表2 致癌性金屬元素健康風險評價模型參數

表3 金屬元素致癌強度系數和非致癌參考劑量

飲水攝入的日均暴露劑量：

致癌性金屬元素健康風險評價模型：

非致癌性金屬元素健康風險評價模型：

總健康風險：

2.2 蒙特卡羅模擬

蒙特卡羅模擬是將所求解的問題同一定概率模型相聯系，將自變量轉換為概率分布函數，通過隨機模擬迭代計算，獲得累計概率分布圖。具體分析步驟：（1）利用Crystal Ball軟件的批次擬合功能，確定各金屬元素服從的概率分布。（2）通過分析前人研究成果，確定模型參數中各參數服從的概率分布。（3）根據式（1）～（3）建立評價模型，模擬計算成人、兒童日均暴露劑量以及致癌和非致癌風險評價的概率分布。其中，將隨機迭代次數設置為10 000次，置信區間設定為5.00%～95.00%。（4）利用Crystal Ball軟件的靈敏度分析功能，分析各微量元素質量濃度及各參數對健康風險水平影響的靈敏度。

3 評價結果與討論

3.1 致癌健康風險

平水期巖溶地下水致癌健康危害風險值概率分布如圖1所示。由圖1可知，在[5.00%，95.00%]置信區間，平水期成人和兒童經飲水途徑受到致癌性微量元素Cr的健康風險范圍為2.28×10-5～1.43×10-4a-1、3.12×10-5～1.53×10-4a-1，均值分別為6.90×10-5a-1、7.84×10-5a-1，超過了最大可接受風險水平5.00×10-5a-1，會對人體健康造成損害；因兒童飲水量和體重等各方面因素，兒童的致癌風險總大于成人，兒童成為更加敏感的風險受體，故在對該區域地下水中的Cr進行優先監測和控制的同時，應對兒童飲用地下水進行更為嚴格的控制和管理。針對泉域巖溶水，趙慶令等[12]在調查魯中南雙溪村巖溶水時發現，致癌微量元素Cr的個人年風險均值為 7.19×10-5a-1，為區域內首要污染物；在省內其他城市的地下水健康風險評價中，王凡等[13]對商丘市虞城縣惠樓村地下水重金屬進行了測定和評價，結果表明：所有測試樣點化學致癌物Cr和Cd的個人年風險都在1.00×10-4a-1以上，且Cr對總風險的貢獻率達到了96.73%，是主要致癌物；劉洋等[14]對鄭州市地下飲用水源進行環境健康風險評價指出，由化學致癌性金屬元素產生的健康風險在10-6～10-5a-1，且Cr的風險值最高，與本研究結果一致。

圖1 平水期巖溶地下水致癌健康危害風險值概率分布

3.2 非致癌健康風險

研究區巖溶地下水中非致癌微量元素的健康危害風險值概率分布如圖2所示。由圖2可知，成人及兒童經飲水途徑受到非致癌性微量元素Ba、Ni、Cu、Pb、Zn的平均年健康風險數量級在10-11～10-9a-1，對數變換后為-12.0～-8.5。即每千萬人口中因飲用地下水受到非致癌健康危害（死亡）的不到1人，且最大值遠低于可忽略水平10-8a-1（對數變換后為-8.0），不會對暴露人群產生健康危害。

圖2 非致癌性金屬元素健康風險分布

3.3 敏感性分析

通過敏感性分析判定各微量元素及暴露參數對健康風險評估結果的影響程度。敏感性分析所得敏感度的絕對值越大，表示該參數對風險評估的影響也越大，正值和負值分別代表與最終健康風險的結果呈正相關和負相關。利用Crystal Ball 11.1軟件對巖溶水進行敏感性分析，結果如圖3所示。對于成人總健康風險，日平均飲水量的敏感度最高，為50.2%，其次為Cr元素質量分數、暴露頻率、成人人均體重，分別為21.4%、16.6%和-10.1%；對于兒童總健康風險， Cr元素質量分數敏感度最高，為27.6%，其次為暴露頻率、兒童人均體重和日均飲水量，分別為24.9%、-23.5%和22.1%。總健康風險與日平均飲水量（IR）、Cr質量分數和暴露頻率（EF）呈正相關，與人均體重（BW）呈負相關。人均體重越小，總健康風險越高。因此，應降低成人和兒童對地下水的暴露頻率，適當減少成人飲水量，并將Cr元素作為風險決策管理的重點。

圖3 風險模型中的敏感性分析

蒙特卡羅模擬與傳統基于質量濃度平均值確定性評價相比，在一定程度上對健康風險模型進行了量化分析，降低了風險評價中的不確定性。但是，本研究仍存在一定不足。首先，在暴露途徑上，本研究僅針對金屬元素通過飲水攝入途徑產生的健康風險，而未完整地評價食入、呼吸和皮膚接觸3種方式通過大氣、土壤、水和食物鏈4種途徑進入人體的危害；其次，未對全年各個時期進行評價；最后，對于模型參數，僅考慮到暴露參數的不確定性，而毒性閾值（SF和RfD）借鑒了國外現有的研究成果，未考慮誤差對計算健康風險的影響。在評價的各個環境均會產生一定的誤差和不確定性，而降低風險評價中的不確定性將成為今后工作的重中之重。

4 結論

（1）將蒙特卡羅模擬引入巖溶地下水健康風險評價中，可計算致癌、非致癌風險水平的概率分布，降低結果的不確定性。

（2）成人和兒童受到致癌物Cr的健康風險均值分別達到了6.90×10-5a-1和7.84×10-5a-1，超過了最大可接受風險5×10-5a-1，有較大的健康風險。非致癌性金屬元素不會對人體產生健康危害。

（3）敏感性結果分析表明：暴露參數中暴露頻率和飲水量對結果的影響較大，金屬元素Cr對評價結果的影響最大。因此，將巖溶地下水中的Cr作為風險決策管理重點，適量減少成人飲水量、降低暴露頻率，并且重點關注兒童的飲水風險。