灌區水生態環境風險評估研究進展

張 彥，李 平，梁志杰，竇 明，黃仲冬，高 蕓，齊學斌,4

(1.中國農業科學院農田灌溉研究所，河南 新鄉 453002； 2.農業農村部農產品質量安全水環境因子風險評估實驗室，河南 新鄉 453002； 3.鄭州大學水利科學與工程學院，河南 鄭州 450001；4.中國農業科學院農業水資源高效安全利用重點開放實驗室，河南 新鄉 453002)

灌區作為糧食作物和經濟作物的主要生產基地，在保障國家糧食安全方面發揮了顯著的作用。隨著經濟社會的快速發展以及生活水平的提高，灌區水安全和水生態文明建設應加大研究[1-3]，而灌區目前面臨著基礎設施老舊、水利信息化程度低、水資源匱乏且浪費嚴重以及水土環境污染嚴重等問題，嚴重制約了灌區農業高效用水和綠色發展[4]。尤其近年來由于對灌區水生態環境重視和治理力度不足，灌區水生態環境污染形勢較為嚴峻，給灌區農產品質量安全帶來潛在風險。

灌區水生態環境系統是指在一定空間區域內，由水-土-氣-作物等環境因素所構成的一種開放系統，其具有復雜性、循環性、流動性等特征，因此灌區水生態環境極易受人類活動、氣候環境變化、植被格局演變與更替等人工、自然要素的影響[5]。農業是主要的用水戶，農業用水約占全國用水總量的60%[6]。灌區水生態環境污染物來源主要有工業廢水、生活污水和養殖廢水排放，化肥農藥的施用以及地膜的利用等。據統計，目前全國面積超過 2.0萬hm2的灌區有459個，廢污水排放總量約699.66億t，化肥施用量約5 859.4萬t，農藥使用量約165.51萬t[7-8]，農田地膜覆蓋量約1 980萬hm2[9]，因此，灌區水生態環境仍面臨著巨大的挑戰。

生態環境風險評估是利用生態、環境和毒理等學科知識，定量評估污染物對人類和生物的負面效應的概率及其輕重程度的過程[10]。灌區水生態環境風險評估是評估由灌區區域內污染物引起的水生態環境發生的風險。灌區水生態環境受到污染后會增加灌區農產品質量安全風險，且污染風險具有潛在性、破壞性和長期性，故對灌區水生態環境進行風險評估是十分必要的。目前，灌區水生態環境風險評估主要包括農用水水質超標風險評估、農田土壤和農作物中污染物含量的超標風險評估，涉及灌區地下水生態環境風險評估[11]、地表水生態環境風險評估[12]、農田土壤生態環境風險評估[13]以及人體健康風險評估[14]等。本文擬梳理灌區水生態環境污染物來源及類型、污染物遷移轉化過程和風險評價方法，系統總結灌區水生態環境風險評估的研究進展，并對需進一步深入研究的內容作出展望，以期為提高灌區水生態環境污染治理水平和保障灌區農產品質量安全提供參考。

1 灌區水生態環境污染物及風險評價方法

1.1 污染物來源及類型

1.2 污染物遷移轉化過程

灌區水生態環境污染物在灌區水循環過程中進行遷移轉化，其具體的遷移轉化過程如圖1所示。由圖1可見，再生水和養殖廢水中的污染物一部分通過廢污水排放進入地表水，地表水中的污染物由于下滲作用滲入地下水，再生水、養殖廢水、地表水和地下水中的污染物通過農田灌溉進入農田土壤中并在土壤中累積。農藥和化肥使用后，積累于農田土壤中；微塑料通過地膜降解以及地表水和再生水灌溉并攜帶其他污染物進入土壤，影響了土壤結構及其他物理性質。灌區農田土壤中的污染物通過地表徑流和農田退水匯入地表水體中，借助水體在包氣帶中的遷移進入地下水中，農作物則通過根系吸收轉移土壤與水體中的污染物，并最終通過生物富集和食物鏈對人體健康產生一定威脅。總體上灌區水生態環境污染物的遷移轉化過程具有一定的復雜性，受到自然因素和人類活動的影響，并隨著陸地、土壤和地下水循環過程遷移轉化。

圖1 灌區水生態環境污染物遷移轉化過程

1.3 典型風險評價方法

針對不同的污染物類型，結合相關的研究成果，總結了幾種典型的風險評價方法，主要包括單因子污染指數法、內梅羅污染指數法、地下水脆弱性DRASTIC評價法、地質累積指數法、潛在生態風險指數法、風險商法、毒性當量因子法和人體健康風險評價等。單因子污染指數法主要是對水體或土壤中單一污染物的污染程度進行評價，評價結果單一，不能體現水體或土壤綜合污染程度[22-23]。內梅羅污染指數法是對水體或土壤中多種污染物的污染程度進行綜合評價，其結果能夠合理地反映水體或土壤所受到的污染程度[24-25]。單因子污染指數法和內梅羅污染指數法評價的污染物類型主要為無機污染物。地下水脆弱性DRASTIC評價法是以地下水位埋深、凈補給量、含水層介質類型、土壤介質類型、地形坡度、包氣帶介質類型和含水層滲透系數為評價指標，根據各個指標對地下水脆弱性影響程度進行賦權，進而進行加權求和得到地下水脆弱性指數，其值越大說明地下水越脆弱[26-27]。地質累積指數法充分考慮了自然地質和人為活動對重金屬污染的影響，廣泛地應用到土壤中重金屬積累的污染評價，其主要是按照“從劣不從優”原則來確定土壤污染綜合評價等級[28-29]。潛在生態風險指數法主要用于定量評價土壤和沉積物中的重金屬污染程度，其將重金屬含量、生態效應、環境效應和毒理學特征聯系在一起[30-31]。風險商法是一種表征生態環境風險程度的評價方法，其風險商值為污染物實際測試濃度或污染物環境預測濃度與其預測無效應濃度的比值，主要評價的污染物為重金屬和有機污染物[32-33]。毒性當量因子法主要評價水體或土壤環境中的混合物對機體健康影響的潛在風險，污染物的毒性當量因子與其質量分數的乘積表示為該污染物的毒性當量，主要評價的污染物為TCDD和PCBs[34-35]。人體健康風險評價通過健康風險評價模型評價污染物殘留給人類帶來的潛在健康風險，包括致癌物引致的致癌風險以及非致癌物引致的非致癌風險[36-37]。

2 研究進展

結合灌區污染物的來源及遷移去向，本文主要從灌區區域內地表水生態環境風險評估、地下水生態環境風險評估、土壤生態環境風險評估以及人體健康風險評估4個方面，歸納總結灌區水生態環境風險評估的研究進展。

2.1 地表水生態環境風險評估

地表水生態環境風險是自然環境和人為因素影響導致地表水水體惡化引起的水生態環境風險，地表水通過農田灌溉進入灌區將增大灌區水生態環境的風險。目前地表水生態環境風險評估方法主要有單因子評價法、綜合污染指數法、內梅羅污染指數法、主成分分析法和模糊數學法等，此外還有與新技術相結合的評估方法，如基于貝葉斯、蒙特卡羅、模擬退火(SA)+誤差反傳算法(BP)、遙感圖像處理系統(RS)+地理信息系統(GIS)、Copula函數、生態系統服務功能(INVEST)和德爾菲法的風險評估模型等。

地表水生態環境污染風險管控和預警能夠為相關管理部門提供及時的決策措施，以保障生活和工農業生產用水安全[38-39]。對于河流水質風險，徐凌云等[40]利用基于INVEST的風險評估模型對黑水河流域水質污染發生風險進行了評估，葉幫玲[41]利用基于RS+GIS的風險評估模型對湘江長沙段水質污染發生風險進行了評估；對于水體富營養化風險，張彥等[42]基于Copula函數原理建立了小型湖泊水體富營養化聯合風險概率；對于飲用水源水質風險，二維水流水質模型、壓力-狀態-響應模型和健康風險評估模型分別被利用在漢江上游水源地、深圳水庫水源地以及白龜山水庫水源地的水質風險及健康風險評估中[43-45]。灌區地表土壤中的污染物在地表徑流、降水沖刷淋溶以及農田退水的作用下匯入河道中污染地表水生態環境，李延林等[15,46]的研究表明寧夏銀北灌區利用農田排水灌溉對土壤鹽漬化和重金屬存在一定的潛在風險，孫兵[47]將BP神經網絡技術運用在黑龍江饒河灌區地表水生態環境評估中。此外，王立陽等[48]利用改進的潛在危害指數法篩選了沈陽市典型城市河流的優先控制污染物并評估了其生態環境風險；Kim等[49]、Zhu等[50]、Safakhah等[51]、Xu等[52]和Viana等[32]分別評估了氯化苯扎氯銨、四溴雙酚A、雙酚A、29種農藥和防污殺菌劑在韓國某制藥廠附近溪流、白洋湖和撫河、伊朗波斯灣北端穆薩河口、黃浦江、巴西Sao Marcos Bay水域中的生態風險。由此可見，地表水生態環境風險具有廣泛性、復雜性，涉及人類社會的各個方面，因此，開展地表水生態環境風險評估對河流、水庫以及灌區區域污染物預防和治理、保障水生態環境具有至關重要的作用，可以避免地表水體污染對灌區水生態環境造成一定的危害。

2.2 地下水生態環境風險評估

地下水污染風險是指含水層中地下水遭受污染的水平及其可能性[26,53]。地下水具有更新速度慢、埋藏條件較為復雜的特性，在受到污染物污染后依靠自凈能力難以降解，治理比較困難[54]。目前地下水環境風險評估方法主要包含風險指數法、數據分析法和過程模擬法。風險指數法是根據特定的評分原則構建地下水風險指標體系進行評估，該類方法雖然操作簡便，但其主觀性強、評估精度和不同區域間對比的適應性較低[55-56]。其中，DRASTIC評估方法是典型的評估地下水脆弱性的方法[57]，廣泛應用在松嫩平原[58]、遼河平原[59]、Tandula流域[60]和再生水灌區[61]等地下水脆弱性風險評估中；另外，Jhariya[62]和Venkatesan等[63]通過ArcGIS技術與DRASTIC相結合的方法分別對Tandula和Palar流域灌區的地下水生態環境風險進行了評估。數據分析法是利用線性或非線性回歸分析以及聚類分析法等方法對灌區地下水生態環境風險進行評估，此類方法需要大量數據，降低了風險評估的主觀性，但數據獲取較難[64-66]。周長松等[67]利用統計方法對小店污灌區淺層地下水重金屬Cd和Cr的風險進行了評估。過程模擬法是基于污染物遷移轉化數學模型模擬污染物運移規律進而對污染發生風險進行評估[68-69]。其中，RBCA和3MRA模型是典型的地下水環境污染風險評估模型[70]。過程模擬法具有較強的客觀性和科學性，但需要大量的模型參數。隨著計算機技術的發展，針對地下水環境污染風險評估的新方法越來越多，如基于ArcView GIS構建的BOS模型、改進的HSSM模型、MTBE地下水污染模型以及GIS和模糊邏輯相結合的方法等[71-72]，李瑋等[73]利用Multi-cell和Hydrus-1D模型對北京市東南郊再生水灌區地下水中的有機污染物多環芳烴進行了風險評估；Rehman等[37]評估了巴基斯坦Sahiwal地區由于地下水和廢污水灌溉而引起蔬菜中重金屬的生態風險。可見，地下水生態環境污染物具有種類多、含量較低但危害大的特點，開展地下水生態環境風險評估為保護地下水資源、合理利用非常規水以及地下水生態環境安全風險管理提供了技術和理論依據。

2.3 土壤生態環境風險評估

灌區土壤是為作物提供水分和養分的重要載體，其受到污染物污染后直接影響農產品的質量安全。灌區土壤中的污染物具有隱蔽性、遷移難、累積性以及污染后果嚴重等特點，給灌區土壤生態環境帶來了潛在風險[74]，尤其是利用再生水和養殖廢水灌溉的灌區。目前灌區土壤生態環境潛在風險的研究方法主要有熵值法、地質累積指數法、潛在生態風險指數法和毒性當量因子法等。熵值法是土壤污染生態環境風險評估的一種單因子評估方法，孫麗敏[75]采用熵值法對老解放河流域污灌區土壤中重金屬和有機污染物生態環境風險進行了評估；Zhou等[33]采用熵值法研究畜禽養殖場和肥料中的抗生素在農田土壤生態系統中存在的潛在風險。地質累積指數是由德國科學家Muller提出的研究土壤重金屬污染程度的指標[76]，Sun等[28]采用地質累積指數對草海濕地岸線農田重金屬污染進行了風險評估；李小牛等[29]利用地質累積指數評估了小店污灌區土壤重金屬污染風險。潛在生態風險指數法是瑞典化學家Hakanson提出的基于沉積學原理建立的評估重金屬危害風險的方法[23]，主要評估多種污染物的綜合風險并定量劃分出潛在危害程度，目前在灌區農田土壤污染物生態風險評估方面取得了一定的進展，Gao等[77]利用潛在生態風險指數法研究發現生物炭和正磷酸鹽共熱解可有效降低污染農田土壤中Pb、Cd、Cu的生態風險；Tran等[78]分析了越南河內東北地區土壤中金屬和非金屬濃度的潛在生態風險。毒性當量因子法是評估土壤有機污染物生態環境風險的方法，劉娟等[79]評估了灌區稻田多氯聯苯引起的生態環境風險；相關學者研究表明有機氯農藥殘留對灌區土壤生物存在一定的生態環境風險，如劉寶林等[80]研究表明前郭灌區稻田土壤中的DDTs對土壤生物、鳥類、消費者產生了生態風險。為了緩解農業用水緊張，部分地區加大了再生水和養殖廢水灌溉農田比例，使灌區土壤生態環境面臨著嚴峻的問題，因此對灌區土壤生態環境風險進行評估，可為灌區土壤污染防治與修復、土壤環境評價與環境保護、土壤生態環境平衡保持及可持續開發利用提供理論基礎和決策依據。

2.4 人體健康風險評估

人體健康風險評估是采用相關的評價手段定量描述污染物對人體產生健康危害的風險，水體中危害人體健康的污染物通過灌溉過程在土壤中積累，進而在農作物中富集，最終危害人體健康。根據國際致癌研究署、美國能源部風險評估信息系統以及世界衛生組織污染物分類系統，健康風險評估模型主要有致癌和非致癌風險評估模型，污染物的暴露途徑主要有皮膚接觸、呼吸吸入和經口攝入，暴露介質主要有土壤和農作物。重金屬具有不可降解和生物積累的特征，對人體的免疫系統、生殖系統和神經系統造成危害。相關研究表明，柏林、津巴布韋的Harare、墨西哥的Mezquital和沈陽琿浦灌區的重金屬對人體健康造成的總風險超過了美國環保署(USEPA)和國際輻射防護委員會(ICRP)的規定[81]；天津污灌區稻米中的甲基汞的超標率達到20.83%[82]；沈撫灌區玉米中的Cd和Pb殘留量超過了食品安全限值[83]；Karimyan等[36]對伊朗庫爾德斯坦省農村地區土壤中重金屬的人類健康和生態風險進行了評估。地下水受到硝酸鹽污染后進入人體將引發呼吸和血液系統疾病，轉變為亞硝酸鹽后將導致消化系統和神經系統等發生癌變[84]；張艷等[85]研究表明涇惠渠灌區地下水中硝酸鹽的濃度超標對人體健康帶來一定的風險。另外，有機污染物可在土壤中長距離遷移和長時間殘留，嚴重威脅人體健康和生態環境安全，國內外相關學者評估了PAHs污染對生態環境和人體健康的風險[86-87]。李艷等[88]研究表明北京東南郊灌區農作物中PAHs的致癌和非致癌風險均低于USEPA標準值；席北斗等[89]研究表明華北典型污灌區有機氯農藥(OCPs)殘留對人體健康的風險在控制范圍內，但其主要的風險物質為р,р′-DDT與γ-HCH；Chen等[90]基于環境水質標準評估了12種多環芳烴對人類健康的風險。可見，目前重金屬、無機污染物和有機污染物已經威脅了人類的身體健康，雖然一些指標含量在風險可控范圍之內，但為了保障糧食和人體健康安全，有必要進行相關的風險評估，以建立相關的預警機制。

3 研究展望

a.加強灌區水生態環境污染治理及相關管理制度研究。目前隨著我國工農業的快速發展，灌區水生態環境污染問題面臨著嚴峻的形勢，因此要加強灌區水生態環境污染綜合治理，制定相關的法規和制度，為灌區運行提供良好的水生態環境。要從源頭上識別灌區水生態環境中污染物的關鍵區域，加強再生水和養殖廢水管控力度，在保證農作物需求的基礎上減小灌區農藥化肥的施用量，增大灌區農田退水水質的監測與管理。針對灌區水生態環境污染物復雜的遷移轉化過程、明顯的區域差異性等特點，進一步開展灌區污染物的分區分類工作，并將各部門各行業融入灌區水生態環境的綜合治理中。另外，由于缺乏衡量灌區水生態環境綜合管理的指標體系，不能全面多目標實現灌區水生態環境綜合管理，要以節水灌溉理論為基礎，探索灌區環境綜合管理模式和污染物遷移轉化規律，構建治理和保護灌區水生態環境的長效機制；同時要建立灌區水生態環境污染治理政策體系和相關技術規范，完善灌區水生態環境污染監測評估網絡。

b.加大灌區水生態環境風險評估機理研究。目前灌區水生態環境風險評估研究對象相對單一，主要集中在灌區地下水風險評估、再生水灌溉引起的水生態環境風險和人體健康風險評估方面，而針對灌區區域內地表水、農田退水及養殖廢水的研究相對較少。對于灌區養殖廢水灌溉，研究內容主要是養殖廢水灌溉對地下水、土壤鹽堿化、土壤水溶性、土壤養分和重金屬遷移特征、農作物生長及水分利用效率方面的影響，而缺乏養殖廢水灌溉對灌區水生態環境風險機理方面的研究。從灌區水生態環境污染物來源來說，污染物雖然包含了有關的有機污染物和無機污染物，但仍不全面，亟須建立健全的灌區水體污染物指標體系，并確定各污染物指標發生風險的限值。另外，要加強灌區水生態環境的綜合評估，建立“灌溉用水—土壤生態—農作物—人體健康”綜合風險評估體系，將灌區水生態環境風險評估體現在各個過程中，以全面了解灌區水生態環境存在的問題及各個環節的相互聯系和作用機理。

c.加強灌區水生態環境和農產品質量安全風險預警技術研究。目前灌區水生態環境風險評估方法和標準主要采用國外的研究成果，但這些成果在我國的適用性不高，因此需要結合我國灌區水生態環境污染的實際情況進一步深入研究，以提出適用于我國灌區水環境的風險評估方法和標準。借助相關的模型與技術方法構建適宜的灌區水生態環境風險預警技術，統一灌區水生態環境風險監測、防范、評估及分區體系，進而建立“源頭—過程—終端”的預警機制，以提高灌區水生態環境風險監管水平和增強風險預警決策能力。另外，由于灌區農作物易受到水體和土壤中的污染物的影響，因此，要采用農產品質量安全風險評估技術，提高農產品質量安全風險評估意識，擴大農產品質量安全風險評估檢測力度，利用新的技術手段評估農產品質量的安全風險，構建我國農產品質量安全信息共享機制和風險交流預警平臺。

d.加強生態灌區建設與評估。生態灌區是以灌區生態環境質量為導向的“人—社會—自然”的復合生態系統，生態灌區的建設是保障灌區糧食安全生產的基礎，是為了解決灌區水環境惡化、水體污染、污染物含量超標和農產品污染等問題的必然選擇，同時是降低灌區水生態環境風險的重要舉措。要從社會經濟和生態系統需求方面，兼顧灌區開發和環境保護平衡，構建生態灌區健康綜合評估體系。要從灌區水資源高效利用、水環境保護與治理、生態系統恢復關鍵技術以及生態環境監測與管理方法等方面，構建生態灌區的技術支撐體系。要利用計算機識別、監測、控制、傳輸和決策等技術，建立以計算機網絡系統為基礎的生態環境灌區信息化的服務平臺。生態灌區應實行多部門聯合管理模式，從而實現灌區生態環境從粗放管理向集約化管理轉變；要制定生態灌區水生態環境保護相關的政策和法規，以保護灌區的良好運行狀態。總體來說，建立節水高效、綠色發展、信息化、自動化以及智能化的生態灌區是灌區經濟社會和生態環境效益達到最優的必經之路。