无锡市锡山区棕(褐)地环境风险评价研究

林佳佳,王 维,居 婕,刘晓磊,孙 华 * (.南京农业大学资源环境与城乡规划系,江苏 南京 0095；.江苏省环境保护厅,江苏 南京 0036)

棕(褐)地指废弃的、闲置的或没有得到充分利用的工业或商业用地及设施,在这类土地利用过程中,往往因存在着严重的环境污染而更为复杂[1].已有研究主要围绕其概念、成因及整治等展开[2-5].而棕(褐)地自身也存在环境风险[6-8].如何对城市棕(褐)地存在的环境风险进行识别与评价已经成为城市环境管理中的重要内容[9-10].

本文采用改进的NAS四步法及潜在生态危害指数法分别对无锡市锡山区棕(褐)地存在的健康风险和生态风险进行评价,敏感受体为居住在棕(褐)地附近的居民,包括成人和儿童.已有的运用NAS四步法对健康风险进行评价的研究中,一般选取美国环境保护局依据美国人群特征设定的参数,考虑到模型参数对评价结果不确定性的影响,依据我国人群特征对相关模型参数进行了修正.

1 材料与方法

1.1 研究区域

无锡市锡山区位于江苏省东南部,是长江三角洲地区重要的工业基地.近年来,锡山区产业结构发生明显转变,传统工业不断外迁,出现大量棕(褐)地.

1.2 棕(褐)地样点选取

本文以锡山区四大城市发展模块,即锡东新城、安镇—羊尖新市镇、东港—锡北新市镇、鹅湖新市镇的棕(褐)地类型为基础,结合锡山区土地利用现状与规划图、工矿企业分布图资料,依地块大小和污染程度选取21个样点,在2010年9～12月进行样品采集和分析,采用垂直柱状法,取混合土样.风干、研磨过100目筛,采用火焰原子吸收法测定土壤重金属含量.

1.3 研究方法

1.3.1 健康风险评价方法 采用NAS四步法对棕(褐)地存在的健康风险进行评价,该法的模型运算主要分布在暴露评价和风险表征两个阶段.

1.3.1.1 暴露评价 锡山区棕(褐)地重金属的暴露途径主要有 3种,即不慎摄食污染土壤、皮肤接触污染土壤及吸入污染土壤颗粒物[11-12],相应分析模型如下:

(1)不慎摄食污染土壤

(2)皮肤接触污染土壤

(3)吸入污染土壤颗粒物

式中: CDI为摄入的污染物,mg/(kg·d);CS为土壤中污染物质浓度,mg/kg;IR1为土壤摄入量,mg/d;CF为单位转换因子,kg/mg;EF为暴露频率,d/a;ED为暴露期限,a;SA为接触土壤的皮肤表面积,cm2;AF为土壤对皮肤的吸附系数,mg/cm2;ABS为皮肤对污染物的吸收系数;PEF为土壤尘产生因子,m3/kg;IR2为空气摄入量,m3/d;AT为平均作用时间,d;BW为人群平均体重,kg.

1.3.1.2 风险表征 参考世界卫生组织(WHO)和国际致癌研究机构(IARC)关于化学物质致癌性编制的分类系统,重金属Cr、Pb、Cu和Zn均存在非致癌风险,重金属 Cd不但存在非致癌风险还存在致癌风险.

(1) 致癌风险评价

致癌风险是指人体暴露于某种致癌物质下所引起的癌症发生的概率,其值是通过平均到整个生命周期的平均每天摄入量(CDI)乘以不慎摄食、皮肤接触或呼吸吸入致癌斜率系数(CSF)计算得出,即:

式中:CR为致癌风险值;CDI为平均每天摄入量(假设生命周期为 70a),mg/(kg·d);CSF为各种暴露途径的致癌风险斜率系数, kg·d/mg.

(2) 非致癌风险评价

非致癌风险值是通过平均每天摄入量(CDI)除以每一种暴露途径相对应的参考剂量(RFD)计算得出,即:

式中:HQ为非致癌风险值;CDI为平均每天摄入量(平均到整个暴露作用期),mg/(kg·d);RFD 为参考剂量,mg/(kg·d).

表1 暴露评价参数值Table 1 Exposure assessment parameters

1.3.1.3 参数取值 本文暴露评价中各参数的计算参考值主要参照美国环保署的《暴露评价指南》[13]确定,但由于《暴露评价指南》中参数值界定是以美国当地人体皮肤面积与暴露人群的种族作为参考,若直接采用国外人体参数数据,将会对评估结果产生不利影响, 从而影响整个健康风险评价的准确性.

同时,考虑到我国的实际情况,各参数计算参考值也根据有关健康风险评价文献[14-17]中给出的参考值以及我国《工业企业土壤环境质量风险评价基准》(HJ/T25-1999)中的暴露参考值做出了相应修正,修正过程如下,修正结果见表1.

(1) 其中土壤摄入量、单位转换因子、暴露频率、暴露期限、致癌平均作用时间与非致癌作用时间修正依据《工业企业土壤环境质量风险评价基准》(HJ/T25-1999)[18]、《场地风险评估技术导则》确定.

(2) 其中接触土壤的皮肤表面积、土壤对皮肤的吸附系数、皮肤对污染物吸收系数的修正过程如下:目前由于中国人皮肤表面积的基础数据极为匮乏,间接估算时存在一定不完整性,修正数据借鉴其他亚洲国家人体参数[14]、全国范围内的大型调查和文献报道数据[15]等方式,而国内文献中得出的参数值一致性高[16-17],故进行修正.人群平均体重、空气摄入量依据国内人口统计数据及相关中国卫生统计资料.本文风险表征中 CSF和 RFD的计算参考值主要参照《场地环境评价导则》、美国环保局颁布的《Cancer dose-response assessment and application to environmental mixtures》[19](US EPA 1996)以及有关健康风险评价文献[18-20]中给出的参考值确定,见表2.

表2 健康风险评价模型参数CSF和RFD值Table 2 The value of CSF and RFD in health risk assessment model

1.3.1.4 风险可接受水平的确定 一般认为可接受非致癌风险阈值为 1[21],而对于可接受致癌风险则没有统一的标准,本文参照我国污染场地风险评估技术导则中的规定,以 10-6作为最大的致癌风险可接受水平.

1.3.2 生态风险评价方法 采用潜在生态危害指数法对棕(褐)地存在的生态风险进行评价.

(1) 单个重金属污染系数(the factor of contamination),Cif.

式中:Cif为某种金属的污染系数;Ci实测为某种重金属的实测值;Ci背景为某种重金属的背景值.

本文土壤重金属背景值的选取主要参考研究区域附近地区土壤重金属背景值的相关研究文献[22-24]来确定,见表3.

(2) 土壤重金属污染度Cd,是多种重金属污染系数之和.

(3) 重金属毒性响应系数Tir,该系数反映了重金属在生物相、沉积相和水相之间的响应关系,本文采用Hakanson制定的标准化重金属毒性响应系数,见表3.

表3 土壤重金属背景值与毒性系数Table 3 The background values and toxicity index of soil heavy metal

(4)单个重金属的潜在生态危害系数(the potential ecological risk index),Eir.

(5)土壤重金属潜在生态危害指数(the potential ecological risk index),RI.

重金属污染潜在生态危害程度分级[24-25]见表4.

表4 重金属污染潜在生态危害指标与分级关系Table 4 The potential ecological risk index and graded relationship of the heavy metal pollution

2 结果与分析

2.1 健康风险

2.1.1 致癌风险 根据式(1)～式(4)以及表1～表3中的各参数值,计算得出锡山区棕(褐)地致癌风险.由图1可见,锡山区棕(褐)地致癌风险值总体小于致癌风险可接受水平,但已非常接近,说明致癌风险问题较严重.其中,儿童受到的致癌风险明显高于成人,主要是不慎摄食土壤暴露途径造成的,在皮肤接触土壤与吸入污染颗粒暴露途径产生的致癌风险中儿童明显低于成人,因成人的皮肤表面积与呼吸量均比儿童大.在锡山区四大发展模块中,锡东新城棕(褐)地致癌风险值最大,鹅湖新市镇棕(褐)地致癌风险值最小,安镇—羊尖新市镇与东港—锡北新市镇棕(褐)地致癌风险水平相近,这主要是因为锡东新城是锡山区工业发展的核心区域,原先的污染企业较多,污染程度最高.安镇—羊尖新市镇与东港—锡北新市镇工业发展情况相类似,鹅湖新市镇是锡山区新兴产业及高科技产业集中区域,污染程度最低.

图1 锡山区棕(褐)地对成人和儿童致癌风险值(成人与儿童)Fig.1 The brownfield cancer risk in Xishan District(adult and child)

2.1.2 非致癌风险 根据式(1)～式(3)和式(5)以及表1～表3中的各参数值,计算得出锡山区棕(褐)地非致癌风险值,见图2.

由图 2可以看出,锡山区棕(褐)地非致癌风险状况与致癌风险状况类似,其值不管是针对成人还是儿童,总体来说都小于非致癌风险可接受水平,但是已经非常接近,说明棕(褐)地产生的非致癌风险问题也已经比较严重,这符合锡山区的实际情况;成人和儿童相比较,成人受到的非致癌风险明显高于儿童,但是成人在不慎摄食土壤暴露途径中受到的非致癌风险低于儿童,这主要与儿童不慎摄食土壤的概率较大;在锡山区四大发展模块中,锡东新城棕(褐)地非致癌风险值同样最高,污染最为严重,这主要是因为锡东新城是锡山区工业发展的核心区域,原有高污染企业较多,污染程度最为严重;在3种不同的暴露途径中,吸入污染颗粒途径产生的非致癌风险水平最低,产生非致癌风险水平最高的暴露途径是皮肤接触土壤途径.

从图 3还可以得出以下结论:不管是针对成人还是儿童,重金属Pb和Cr相对于其他3种重金属Cd、Cu和Zn来说,产生的非致癌风险指数均较大,尤其是Pb在锡山区棕(褐)地非致癌风险中的贡献率最大,重金属Pb和Cr是锡山区棕(褐)地非致癌风险最主要的风险源.

2.2 生态风险

根据式(6)～式(8)和式(9)以及表4和表5中的各参数值,计算得出锡山区棕(褐)地重金属污染物质的潜在生态危害系数Eir及潜在生态危害指数RI,具体数值见表5.

图2 锡山区棕(褐)地非致癌风险值(成人与儿童)Fig.2 The brownfield non-cancer risk in Xishan District(adult and child)

由表 5可以看出,在总的潜在生态风险程度方面,锡山区棕(褐)地存在的潜在生态风险处于中度危害水平.在锡山区四大发展模块中,锡东新城棕(褐)地存在的潜在生态风险水平最高,东港—锡北新市镇与安镇—羊尖新市镇棕(褐)地存在的潜在生态风险水平紧接其后,均处于中度危害水平,鹅湖新市镇棕(褐)地存在的潜在生态风险水平最低,处于轻度危害水平,这主要是因为锡东新城是锡山区工业发展的核心区域,污染企业较多,污染程度最高;安镇—羊尖新市镇与东港—锡北新市镇工业发展情况相类似,污染程度相近;鹅湖新市镇是锡山区新兴产业及高科技产业集中区域,污染程度最小.在单因子污染物生态风险程度方面,就锡山区整体而言,重金属 Cd产生的潜在生态风险水平最高,处于较强危害水平,重金属Cr、Pb、Cu和Zn产生的潜在生态风险均处于轻度危害水平;就锡山区四大发展模块而言,重金属 Cd产生的潜在生态风险最严重,其中,在锡东新城,重金属 Cd产生的潜在生态风险处于很强危害水平,在东港—锡北新市镇和安镇—羊尖新市镇,重金属 Cd产生的潜在生态风险均处于较强危害水平,在鹅湖新市镇,重金属 Cd产生的潜在生态风险处于中度危害水平,其余重金属Cr、Pb、Cu和 Zn在锡山区四大发展模块中产生的潜在生态风险均处于轻度危害水平.

图3 锡山区棕(褐)地重金属对人体非致癌风险指数Fig.3 The brownfield hazard quotients and risk for each element in Xishan District

表5 锡山区棕(褐)地重金属潜在生态危害系数Eir及潜在生态危害指数RITable 5 The brownfield heavy metals potential ecological risk index Eir and RI in Xishan District

3 结论

3.1 锡山区棕(褐)地产生的健康风险,不论是致癌风险还是非致癌风险均已非常接近风险可接受水平;在锡山区四大发展模块中,锡东新城发展模块相比其他三大发展模块,存在的致癌风险与非致癌风险都是最大的;在三大暴露途径中,吸入污染颗粒暴露途径与其他两种暴露途径相比,产生的致癌风险与非致癌风险均是最小的;重金属Pb和Cr是锡山区棕(褐)地产生非致癌风险的主要风险源.

3.2 锡山区棕(褐)地存在的生态风险比较严重,其主要风险源是重金属 Cd;与健康风险情况类似,在锡山区四大发展模块中,锡东新城发展模块存在的生态风险最大.

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