某飲用水源地水體重金屬分布特征及健康風險評價

劉淑娟 李國文 魯瑞梅 楊春濤 張薇 祁云寬 李元

關鍵詞：重金屬：人體健康風險：飲用水源地

飲用水源是人類賴以生存和發展的重要資源，其水質優劣直接關乎人體健康。在當前經濟社會快速發展的背景下，飲用水源受工業、農業等人類活動影響，同時日益增多的突發性水污染事件對其水質安全構成了較大威脅。人類生產活動產生的含重金屬污染物可通過地表徑流或降水等形式轉移至水體，造成水源地水體重金屬積累。在湖庫水環境中重金屬可通過食物鏈或飲水等途徑進入人體，對人體健康造成危害，同時重金屬具有持久性、可積累性和生態毒性等環境效應，其濃度大小成為判別水環境質量的重要指標。因此，開展飲用水源地水體重金屬健康風險評價顯得尤為重要。

目前，各生態環境部門主要采用單因子評價法對飲用水源地水質進行評價，但是重金屬評價指標較少。在飲用水水質漸趨達標及穩定的大環境下，關注飲用水中重金屬濃度水平，并將其與人體健康風險結合起來，可以更全面、深入地掌握飲用水水質狀況及其對人體健康的影響。隨著人們對飲用水安全的日趨關注，國內有學者將水體重金屬濃度與人體健康結合起來，研究了我國水庫、河流和地下水中重金屬濃度對人體健康的危害。魯冬梅等初步研究了玉溪市紅塔區飛井海水庫水體水質，認為飛井海水庫人體健康總風險以致癌物六價鉻（Cr6+）為主。王海鶴等研究貴陽市7個集中式飲用水源地12種重金屬對不同人群健康的潛在風險得出，致癌風險遠高于非致癌風險，且以Cr6+所致的人均風險最高。秦歡歡等探討了拉薩河重金屬濃度的分布特征以及帶來的健康風險。

本研究以云南某水庫飲用水源地為研究對象，基于2019年1月至2021年12月水體水質監測數據，探討庫區和入庫河流水體中8種重金屬元素鋅（Zn）、鉛（Pb）、鐵（Fe）、鎘（Cd）、錳（Mn）、Cr6+、砷（As）、汞（Hg）的質量濃度分布特征，并運用美國環境保護署（US EPA）健康風險評價模型對人體健康風險進行評價，以期為該水庫飲用水源地水環境風險管理提供科學依據。

1研究方法

某水庫位于云南省中部某地級市，為當地中心城區集中式飲用水源，同時承擔周邊部分鄉鎮工業、農業及景觀用水，是一座以防洪、灌溉、城市供水為主的中大型湖庫型水庫。水庫總庫容9060萬m3，日供水10萬m3，水源主要由庫區降水和中上游3條河流補給。研究區屬于亞熱帶高原季風氣候區，地貌以山地和壩子為主，農業較為發達，石灰巖紅壤分布較為廣泛。研究區多年平均氣溫16.7℃，無霜期233d，多年平均降水量918mm。

1.1數據來源和斷面布設

研究所用數據來源于當地生態環境監測部門，具體包括Zn、Pb、Cd、Fe、Mn、Cr6+、As、Hg共8種重金屬2019年1月至2021年12月逐月監測數據。共設置6個研究斷面，S1、S2、S3斷面分布于庫區，S4、S5、S6斷面分布于3條入庫河流下游靠近庫區位置，其中S1斷面位于庫區取水口、S2斷面位于庫心、S3斷面位于庫尾。

每個監測斷面于每月上旬嚴格按照《地表水和污水監測技術規范》（HJ/T 91-2002）要求定點進行一次表層水（水面下0.5m）采樣。其中，S4斷面2020年5月無水，S5斷面2019年5月無水，S6斷面2020年2月及2021年5月和6月因修路未采集水樣，最終共收集到211組水樣。

1.2健康風險評價模型

水體中污染物進人人體最主要的途徑為飲水。本研究考慮飲水途徑下致癌重金屬和非致癌重金屬引起的人體健康風險，運用美國環境保護署（US EPA）推薦的健康風險評價模型進行人體健康風險評價，其評價模型：

假設水體中各污染物對人體健康危害的毒性作用為累積關系，水體中重金屬的總健康風險可表示為

2結果與討論

2.1研究區水體重金屬質量濃度

2019-2021年研究區水體重金屬質量濃度見表1（庫區Cr6+、Pb、Cd、Hg、Zn均未檢出，入庫河流Cr6+、Pb、Cd、Hg均未檢出）。按質量濃度排序，庫區Fe>Mn>As、入庫河流Fe>Mn>Zn>As，Fe和Mn質量濃度較高，Fe、Mn質量濃度最大值均超過《生活飲用水衛生標準》（GB 5749-2022）和《地表水環境質量標準》（GB3838-2002）Ⅲ類水標準限值。從變異系數看，除庫區As外，檢出的重金屬均呈現高變異（0.74≤CV≤1.32）特征，由此推測，這幾種重金屬可能受人類活動影響較大，受局部污染源的影響較明顯。

2.2研究區水體重金屬質量濃度時空變化

研究區As、Zn、Fe、Mn質量濃度月變化見圖1，可以看出As、Zn、Fe、Mn質量濃度表現出較明顯的季節性變化。在庫區（S1、S2、S3斷面）As質量濃度各月差異不大，12月、1月、2月質量濃度稍高于其余月份的。在入庫河流（S4、S5、S6斷面）As呈現豐水期（4-10月）質量濃度較高、枯水期質量濃度較低的趨勢。庫區3個監測斷面均未檢出Zn，入庫河流S6斷面Zn質量濃度高值出現在4月、9月、11月，在S5斷面Zn質量濃度高值出現在6月、10月、11月，在S4斷面Zn質量濃度從6月開始總體呈上升趨勢。庫區Fe、Mn質量濃度高值均出現在冬季（1-3月、12月），稍高于其他月份的。在S4斷面Fe質量濃度高值出現在5-9月，在S5斷面Fe質量濃度呈現V形，5月下降至最低，在S6斷面Fe質量濃度呈現上升與下降交替變化趨勢，高值出現在6月、8月、11月。在S4斷面Mn質量濃度高值出現在豐水期（4-11月），在S5斷面Mn質量濃度較高值出現在6月、8月、9月、10月、11月，在S6斷面Mn質量濃度較高值出現在2月、3月、5月、6月。

由圖1還可以看出，3條入庫河流水體As、Zn、Fe、Mn質量濃度高值基本集中在豐水期（4-11月），而庫區水體質量濃度高值出現在枯水期（12月、1月、2月、3月），造成庫區和入庫河流水體中重金屬質量濃度出現季節性差異的主要原因是各季節水循環條件不同。

豐水期入庫河流水量充沛，河流徑流量和流速增大，水土流失加劇，上游來水夾雜較多泥沙向下游流動，同時河流水位上漲，沖刷河流兩側枯枝落葉或生活垃圾進入下游，極易擾動河流水體底部重金屬，加大水體與河流底部重金屬的物質交換，從而使水質變差。具體而言，夏季氣溫較高，枯枝落葉消耗水體中溶解氧而腐爛，并釋放有機酸，使水體pH值降低，在此環境下，高價態的Fe、Mn被還原成可溶態化合物釋放到水體，導致入庫河流下游水體Fe、Mn質量濃度增大，甚至超標。據相關研究，重金屬As多來源于農業區施用的含磷化肥及農藥和人類生活產生的廢棄物，經實地調查發現，研究區入庫河流上游農業較發達，存在生活污水、生活垃圾及農業生產活動產生的廢棄物處理不當等問題，這些廢棄物沿途經雨水淋溶進入下游水體，從而導致As質量濃度升高。有報道顯示，Zn作為交通污染源的標識性元素主要來源于汽車輪胎機械磨損，經實地調查，研究區3條入庫河流監測斷面上游沿線有城市快速路或鄉村道路通過，豐水期雨量充沛，降水頻繁，汽車碾壓路面產生的揚塵或輪胎與地面磨損產生的含Zn氣溶膠顆粒很容易通過地表徑流或降水轉移進入河流，致使河流水體Zn質量濃度上升。

冬季枯水期降水減少，匯入庫區的3條河流地表徑流減少，庫區水位下降。冬季太陽輻射減弱、氣溫降低，庫區水體處于混合期，水庫熱分層結構失穩，水體存在強烈的垂向對流擴散，下層水體與上層水體交換相對容易，有利于水庫底部As、Fe、Mn向水體表層輸送，導致表層水體As、Fe、Mn質量濃度出現季節性增大。

由圖2可以看出，水體中檢出的4種重金屬As、Zn、Fe、Mn質量濃度空間分布不均，4種重金屬在入庫河流中的質量濃度均值普遍高于庫區的。具體而言，入庫河流As、Zn、Fe、Mn質量濃度均值最大值分別出現在S5、S4（S6）、S5、S4斷面，分別為2.50、4.91、156.85、76.81ug/L，庫區As、Fe、Mn質量濃度均值最大值分別出現在S2（S3）、S3、S3斷面，分別為0.90、26.86．6.92ug/L。這可能與研究區地形地貌、水體水文特征等自然環境條件及當地產業結構、人類生產方式和活動強度有關。

2.3研究區水體重金屬健康風險評價

由表2可知，在庫區和入庫河流，成人的致癌重金屬年健康風險平均值分別為4.53×10-5/a和4.99x10-5/a，兒童的R．平均值分別為5.78x10-5/a和6.37×10-5/a，成人和兒童所受的風險均處于10-5/a水平，但兒童所受致癌總風險大于成人，約為成人的1.28倍。此外，致癌重金屬在庫區和入庫河流對成人所致的年健康風險均低于美國環境保護署（US EPA）推薦限值（1.0x10-4/a）1個數量級，非常接近國際輻射防護委員會（ICRP）推薦限值（5.0×10-5/a），應引起高度重視：致癌重金屬在庫區和入庫河流對兒童所致的年健康風險分別超過ICRP推薦限值的15.6%和27.4%，表明致癌重金屬對兒童有致癌風險，主要原因在于兒童身體的生理特點有別于成人，更易受到致癌重金屬影響。

表2所列的3種致癌重金屬，以Cr6+的健康風險最高，As次之，Cd最小，致癌重金屬Cr6+和As年健康總風險貢獻占比之和高達99%．說明Cr6+和As是致癌健康總風險的決定元素，這一研究結果與余蔥蔥等的研究結果一致。應優先將研究區Cr6+和As作為水環境健康風險管理的重點，并采取相關治理措施。值得注意的是，Cr6+和Cd在研究區水體中未檢測到，但經風險評價后Cr6+成為研究區主要致癌金屬，說明痕量重金屬也可引起較高致癌年健康風險，這主要與不同金屬元素毒性大小有關。因此，應科學合理地將水體水質評價標準與水環境健康風險結合起來，以準確掌握飲用水安全狀況。

表3顯示，在庫區和入庫河流，成人的非致癌重金屬年健康風險（R）平均值分別為4. 25×10-10／a和7.42×10／a，兒童的R。平均值分別為5.42×10／a和9.46×10／a，成人和兒童所受的風險均值處于10／a水平，遠低于荷蘭建設和環境保護部推薦的可忽略水平1×10／a以及英國皇家協會推薦的可忽略水平1×10-7／a[5]，說明研究區非致癌金屬對成人和兒童年健康風險極低，可忽略不計。

結合表2和表3來看，研究區重金屬經飲水途徑引起的致癌風險遠遠大于非致癌風險，說明致癌重金屬年健康風險（R）占據總風險值（R）的主導地位。此外，研究區致癌和非致癌重金屬年健康風險均表現出入庫河流>庫區、兒童>成人的特點，說明入庫河流較庫區引起的人體健康風險更高，兒童較成人對水體重金屬更敏感，這與黃宏偉等的研究結果一致。因此，應重視研究區水體對兒童飲水安全的影響。

3結論

2019-2021年，云南某水庫飲用水源地庫區及入庫河流水體各重金屬質量濃度差異較大，Hg、Cr6+、Pb和Cd均未檢出，Zn、As、Fe和Mn均有檢出且質量濃度變異系數較大，其中Fe和Mn質量濃度最大值已超過我國現行《生活飲用水衛生標準》（GB 5749-2022）和《地表水環境質量標準》（GB 3838-2002）Ⅲ類水標準限值。研究區檢出的As、Zn、Fe、Mn質量濃度具有明顯季節性和地域性差異，在入庫河流水體中重金屬質量濃度普遍高于庫區水體的，且入庫河流水體重金屬質量濃度高值出現在豐水期，庫區重金屬質量濃度高值出現在枯水期。研究區致癌和非致癌重金屬年健康風險呈現出入庫河流>庫區、兒童>成人的特點。5種非致癌重金屬Pb、Hg、Fe、Mn、Zn對成人和兒童的年健康風險極低，處于10-10/a水平，為無風險：3種致癌重金屬Cd、Cr6+、As對成人的最大年健康風險平均值4.99×10-5/a接近ICRP推薦限值（5.0x 10-5/a），應引起重視，而對兒童的最大年健康風險平均值6.37×10-5a已超過ICRP推薦限值，對兒童有致癌風險，其中致癌重金屬主要為Cr6+和As，應作為優先控制污染物。