土壤及地下水污染点不同暴露途径的健康风险比较

武晓峰,谢 磊,赵洪阳 (清华大学水文水资源研究所,水沙科学与水利水电工程国家重点实验室,北京 100084)

土壤及地下水污染点不同暴露途径的健康风险比较

武晓峰*,谢 磊,赵洪阳 (清华大学水文水资源研究所,水沙科学与水利水电工程国家重点实验室,北京 100084)

选择目前国际上应用最为广泛的RBCA模式和Csoil模式,进行土壤污染和地下水污染暴露途径考虑异同的比较,并在此基础上设置典型的污染情景,对不同暴露途径的健康风险进行了计算.Csoil模式比RBCA模式多考虑了3种可能的暴露途径.将2种模式结合进行案例计算的结果表明,表层土壤污染的风险最大;对于浅层土壤污染,考虑淋溶作用时的风险较高.挥发暴露和饮水暴露是土壤及地下水污染点最主要的暴露途径,在RBCA模式中没有考虑的洗澡过程中的暴露也非常重要.对于表层土壤污染,覆土是减小健康风险的有效办法.

土壤污染；地下水污染；健康风险；暴露途径；RBCA模式；Csoil模式

随着工业发展和城市化进程的加快,越来越多的有毒有害化学物质在生产和应用过程中通过各种途径进入城市的土壤和地下水环境中,不断加剧土壤和地下水污染.这些有毒有害物质会通过土壤、水、空气、生物等媒介,经由多种途径造成人体暴露,危害人体健康.这一问题已然引起发达国家的普遍关注,欧美、日本等国相继制定了相应的环境质量标准,并加强了环境管理和污染治理[1].

对于土壤及地下水污染,传统治理工作都是基于环境标准进行[2-3].多年的实践经验表明,按照环境标准制定的治理目标往往很难实现,治理费用高昂,治理时间很长,存在着很大的困难[4-5].而健康风险评价理念的引入,使得土壤及地下水污染场地的管理工作更加科学可行.经过不断的研究和实践,欧美等发达国家已开发出多种针对土壤及地下水污染的健康风险评价模式[6].我国相关研究人员对国外的风险评价和管理进行了理论基础、方法利弊和使用经验等方面的探讨[7],并结合我国重点行业的特点梳理了风险评价和管理的流程[8-9].有研究指出,传统的水质化学监测评价体系能够反映水体的污染物浓度,但无法确认污染物对人体健康的潜在危害,而通过健康风险评价可以确定危害人体健康的风险来源及风险大小[10].同时,也有学者结合土壤及地下水污染的案例进行了挥发性有机污染物暴露剂量率和健康风险值的计算[11].

目前,对污染物的暴露途径缺乏全面的、定量化的研究,并且难以获得污染现场的数据进行健康风险评价.因此,本研究选取应用最为广泛的RBCA模式和Csoil模式,设置土壤污染和地下水污染的典型污染场景,引入淋溶因素的考虑,对暴露途径的选择进行定性和定量的比较研究,为我国确立符合国情的健康风险评价模式提供借鉴.

1 健康风险评价模式概述

1.1 RBCA模式

美国材料与试验协会(ASTM)针对土壤及地下水污染治理发展出了 RBCA(Risk-based Corrective Action)模式,用于健康风险评价[12]. RBCA模式将土壤及地下水污染治理的健康风险评价分为3个等级,分别确定治理目标.一级评价主要针对原位暴露,即污染点风险最大的情况,相关参数大量采用经验保守值;二级评价可以考虑原位暴露和异位暴露,相关参数尽可能考虑污染现场的实际进行取值;三级评价一般考虑异位暴露,采用更为精确的数值模拟技术,对污染物的分布和浓度进行更加精确的模拟,从而使健康风险的评价更加准确.随着评价等级的提高,要求对污染现场进行更深入的调查,以取得更准确的现场数据,使风险评价的结果也更加接近实际情况.实际工作中具体进行到哪一个等级,是由数据条件和相应等级治理目标的技术经济分析结果综合决定的.

1.2 Csoil模式

1994年,荷兰公共卫生与环境国家研究院(RIVM)开发了 Csoil模式,用风险评价的理念确定污染物介入值,用于土壤及地下水污染的治理工作[13].该模式主要针对位于污染区域内居民的原位暴露情况进行风险评价,通过对多个暴露途径的评价,确定整体风险.最初的 Csoil模式类似于RBCA模式的一级评价,参数大量采用经验保守值.在随后的研究中,Csoil模式也不断改进,越来越多的应用于实际污染场地的风险评价. Csoil模式中污染物运移模型的前提假定包括:无穷尽的污染源,并且不考虑非水相流体(NAPL)的影响;均质土壤;不考虑吸附作用;忽略降解、侧向输移和淋溶作用.

2 暴露途径的选择

一般来说,污染物进入人体的载体主要包括土壤、空气、水和作物,不同的载体又会对应不同的暴露途径.将污染物进入人体的暴露途径按照载体类型汇总整理得到表1.

表1 土壤及地下水中污染物暴露途径汇总Table 1 Exposure pathways of soil and groundwater contamination

通常人类活动环境可以简化为室内和室外2部分,因此在具体计算健康风险时,需要将暴露途径与所处的环境结合起来.如果所考虑的暴露途径不同,最终计算得出的人体暴露的健康风险也会存在差异,因此需要先对RBCA模式和Csoil模式所考虑的暴露途径进行整理和比较.2种模式对暴露途径的考虑情况整理汇总如表2所示.

表2 RBCA模式与Csoil模式对不同暴露途径的考虑Table 2 Exposure pathways considered in RBCA and Csoil

由表2可知, Csoil模式对于暴露途径的考虑更为全面,RBCA模式没有考虑室内土颗粒的吸入、洗澡过程中的皮肤接触和蒸汽吸入以及作物食用等暴露途径.本研究拟通过一些算例的比较来考察这些暴露途径的重要性,以期为实际应用提供借鉴.

3 案例评价及结果分析

在具体的污染现场,通常需要首先基于场地的实际情况来判断需要考虑的暴露途径,例如某些地区并不存在作物食用和洗澡过程中的暴露.但是,在环境管理中,需要尽可能考虑所有的暴露途径,确保所制定的环境治理目标能够保障人体健康的安全.因此,本研究拟对不同的污染情景下各种可能的暴露途径对总体风险的贡献进行比较,研究不同暴露途径的重要性.选取表层土壤污染、浅层土壤污染(不考虑淋溶作用)、浅层土壤污染(考虑淋溶作用)和地下水污染4种情景进行健康风险评价,并在此基础上进行比较.

3.1 案例情景设置

3.1.1 污染物及参数选择 选择常见的有机污染物苯来进行健康风险评价.苯在常温下为无色、具有特殊芳香气味的液体,易挥发,易燃,易溶于醇、醚、丙酮和四氯化碳等有机溶剂,难溶于水.苯对人体伤害较大,国际癌症研究中心(IARC)已经确认苯为致癌物质[14].苯的主要物理化学属性参数包括:摩尔质量 78g/mol,20℃下溶解度22.788mol/m3,20℃下饱和蒸汽压 10133Pa,分配系数(Koc)74.1L/kg.

3.1.2 污染源及其暴露途径 研究考虑土壤被污染和地下水被污染的原位暴露.其中土壤被污染分为表层土壤污染和浅层土壤污染 2种情况,所谓浅层土壤污染是指被污染的土壤位于地表以下,不能直接暴露,而是经由挥发或者渗入地下水等方式产生人体暴露.一般来说,不同的污染源对应的暴露途径也不一样,各种不同情景的暴露途径如表3所示.

在各个情景中,假定污染源所在土层为砂土,容重为 1.5g/cm3,非饱和区土壤的含水率为 0.2,含气率为 0.2.其中,表层土壤污染的情景,污染源位于地表,污染物总浓度为 10mg/kg;浅层土壤污染的情景,污染源顶部埋深为 0.5m,污染源厚度为 1m,污染物总浓度为 10mg/kg;地下水污染的情景,地下水埋深为2m,污染物浓度为15mg/L.

表3 各种污染情景及可能的暴露途径Table 3 Possible exposure pathways in case-studies

3.1.3 挥发途径参数设置 考虑环境中很多有机污染物较好的挥发性,通过挥发以气体的形式进入人体是污染物暴露的重要途径.因此,在土壤及地下水污染健康风险评价中,挥发模型采用的相关参数对于风险评价结果有着重要的影响,是运移模型的核心部分.参考国外在风险评价体系的参数选择,本研究采用的挥发途径相关参数如表4所示.

表4 挥发途径相关参数Table 4 Parameters of volatilization related

3.2 计算结果

本研究采用对暴露途径考虑更为全面的Csoil模式[15-18]进行计算,关于淋溶的计算采用了RBCA模式中关于淋溶作用的运移模型,计算淋溶稀释因子 LF[1].受篇幅所限,不一一列出所选取的计算模型及其中参数的取值.除了上述已列出的参数外,其他参数均采用 Csoil模式中的缺省值,用来反映最一般的情况.在此基础上,由实际暴露量与人体基于毒理学的最大可允许风险暴露量(MPR)之比得到健康风险值.其中,对于土颗粒食入、皮肤接触、作物食用、饮水等途径,MPR表示可容许污染物日均口服量(TDI);对于室内和室外挥发、土颗粒吸入、蒸汽吸入等途径,MPR表示空气中可容许污染物浓度(TCA).需要指出,最大可允许风险针对的是有毒致癌物质,取整个生命周期内万分之一的风险为临界值.本研究对4种情景分别进行了健康风险的计算,得出的各个暴露途径的健康风险如表5所示,具体的数值表示在不同的污染情景下各暴露途径对人而言的致癌风险(临界值为10-4)[13].

表5 案例计算结果汇总Table 5 Calculation results of case-studies

3.3 结果分析

根据表5的汇总结果,计算不同污染情景下各暴露途径的风险占总风险的百分数,如表6所示.

表6 在不同污染情景下各暴露途径的风险占总风险的百分数(%)Table 6 Contribution of different exposure pathways to the total human exposure (%)

3.3.1 不同暴露途径的风险贡献 在 4个情景所涉及的各种暴露途径中,挥发暴露和饮水暴露是最主要的暴露途径,其中挥发暴露以室内挥发为主,室外挥发的影响相对较小.土壤污染主要需考虑室内挥发的途径.对于地下水污染,在使用地下水作为饮用水的情况下,饮水暴露是最主要的暴露途径,其次是室内挥发.如果地下水同时也用于洗澡,则在洗澡过程中由于皮肤接触和蒸汽吸入带来的风险也有必要予以考虑,特别是呼吸吸入的部分,要远大于由于皮肤接触所带来的健康风险.本研究案例中,2种情景下洗澡暴露的风险分别占到了总风险的 0.6%和 7.6%,如果采用RBCA模式进行风险评价,应特别注意污染现场是否会使用含有污染物的水作为洗澡等生活用水,如果这一暴露途径是存在的,则应对其带来的风险单独进行评价.作物食用这一暴露途径的风险在总风险中所占的比例较小,均不超过 0.4%,但在大量使用受污染地下水进行灌溉时也需要引起重视.对于表土污染,由于存在直接的暴露途径,污染物可能通过呼吸吸入、食入、皮肤接触等途径直接进入人体;但案例计算结果表明这些途径带来的风险都较小,一般情况下忽略这些暴露途径并不会对评价结果带来太大的影响.

必须指出,在本次案例评价中由于选择了挥发性有机物苯作为研究对象,挥发暴露途径产生的健康风险较为显著.如果选用挥发性较小的有机化合物或者重金属物质进行研究,则呼吸吸入、食入、皮肤接触等直接暴露途径和作物食用、饮水等途径带来的风险贡献可能较大.同时,在室内挥发模型的建立上,Csoil模式中由土壤到地下室和地下室到室内的模型设置以及空气交换率等参数的设定在一定程度上决定了这一途径的暴露量大小,考虑到不同的房屋结构和建材特征会使风险评价结果产生较大差异,具体情况需参考评价对象实际,尚有待进一步研究.

3.3.2 淋溶作用的影响分析 对于浅层土壤污染的情景,通过比较“不考虑淋溶作用”和“考虑淋溶作用”时的计算结果可以看出,淋溶作用对于总风险的影响较大.该案例中,考虑淋溶作用时的总风险比不考虑淋溶作用时的总风险高出约20%,其中主要来自于饮水暴露途径.这说明在进行健康风险评价时,如果污染现场的地下水埋深较浅,当出现直接利用浅层地下水的情况时,在污染点风险评价过程中考虑淋溶作用十分必要.

3.3.3 表层土壤与浅层土壤污染情景比较 在该案例中,表层土壤污染时的风险评价结果是浅层土壤污染(不考虑淋溶的作用)时的10倍左右,说明表层土壤污染的风险远远大于浅层土壤污染.因此在表层土壤污染的情况下,对污染区域土壤实施覆盖可有效的降低风险,即将其转化为浅层土壤污染,这种措施在实际污染现场也得到广泛使用.进一步考虑二者相关的暴露途径,覆土后室内挥发风险降为 10%,室外挥发风险降为 2%.同时由案例结果的比较可以看出,即便是对于挥发性较大的污染物,用足够厚度的土壤覆盖表土污染区域,可以有效阻断很多暴露途径,减小其余暴露途径的风险,从而使总风险大为降低.而对于挥发性较小或者不挥发的物质,此种措施的效果应该更好.因此,对表层土壤实施覆土的处理措施具有减小健康风险的实际意义.

4 结论

4.1 在土壤和地下水污染点健康风险评价中,相对于RBCA模式来说,Csoil模式对可能的暴露途径考虑更为全面,在RBCA模式的基础上还考虑了其他3种可能的暴露途径:室内被污染土壤颗粒的直接吸入,利用被污染的地下水洗澡时的蒸汽吸入和皮肤接触,食用种植在被污染土壤中的作物或是利用被污染的地下水浇灌过的作物.

4.2 选择苯污染的现场进行情景分析.表层土壤污染的情况下风险最大,其次是地下水污染的情况,浅层土壤受污染的情况风险最小;对于浅层土壤污染,考虑淋溶作用时的风险高于不考虑淋溶作用时的风险.对不同暴露途径的风险比较表明:挥发暴露和饮水暴露是最为主要的暴露途径,而挥发暴露中室内挥发是主要暴露途径.在使用地下水的情况下,饮水暴露是最主要的暴露途径,而洗澡过程中地下水的使用也会带来较大的风险.作物食用带来的风险在总风险中的比例都比较小.室内土壤颗粒吸入的风险微乎其微,一般情况下不需要特别考虑.覆土是降低表土污染危害的有效方法,可在实际中予以应用.

4.3 如果污染物是挥发性较小的有机化合物,或者是不挥发的物质如重金属,作物食用和直接暴露的途径有可能会对总风险产生较大的贡献而不能忽视.

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Comparative study on the health risk of different exposure pathways at soil and groundwater contaminated sites.

WU Xiao-feng*, XIE Lei, ZHAO Hong-yang (State Key Laboratory of Hydroscience and Engineering, Institute of Hydrology and Water Resources, Tsinghua University, Beijing 100084, China). China Environmental Science, 2012, 32(2)：345～350

RBCA mode developed by ASTM and Csoil mode developed by RIVM are most commonly used worldwide in assessment of soil and groundwater contamination. Difference of two modes in exposure pathways consideration was compared firstly. Three possible exposure pathways were not considered in RBCA. Case-studies were carried out using Csoil mode to compare risks of different exposure pathways. Surface soil contamination had the greatest risk, and leaching was an important process for shallow contaminated soil. Volatilization and water-drinking were two most important exposure pathways. Shower and bathing pathways were possibly important too. For surface soil contamination, pavement was an effective measure to reduce the health risk.

soil contamination；groundwater contamination；risk；exposure pathway；RBCA mode；Csoil mode

2011-05-22

* 责任作者, 副教授, wuxiaofeng@tsinghua.edu.cn

X820.3

A

1000-6923(2012)02-0345-06

武晓峰(1967-),男,甘肃会宁人,副教授,博士,主要从事水环境保护研究.发表论文50余篇.