渭河西安段水体重金属污染现状及其健康风险评价

杨学福，关建玲，段晋明，王 蕾，裴晓龙，罗仪宁，李 伟

（1.西安建筑科技大学 环境与市政工程学院，陕西 西安710055；2.西安工业大学 建筑工程学院，陕西 西安710032；3.陕西省环境监测中心站，陕西 西安710054）

重金属可经生活污水和工业废水排放、采矿及农业面源污染、大气干湿沉降等途径进入河流水体并造成污染。即使水体中的重金属微量存在也可对生物产生毒性效应；又因重金属具有难降解，可在生物体内富集和放大等特点，最终通过饮水、食物链等途径直接或间接地进入人体，对人体健康造成严重威胁［1］。因此，监测和评价河流水体中的重金属元素对于河流流域的水质安全控制、当地人民生活质量和流域社会经济的可持续发展具有深远的意义［2］。渭河是黄河的最大支流，也是陕西省的主要河流，其在西安市境内蜿蜒150km，使该市深受其益。然而西安市人口密集，又是重要的工业基地，西安市依靠渭河水系发展的同时，大量的生产、生活废水排入境内受纳水体并最终汇入渭河，使之一度成为重度污染的河流和黄河最主要的污染源［3］。国务院2008年批复的《关中—天水经济区发展规划》对西安市提出了“打造国际化大都市”的新定位，要求区域发展的同时应更加注重生态建设和环境保护。目前对于渭河流域西安段水体的研究主要集中在水质状况、水资源综合评价与利用、水质污染优化控制等方面，而针对渭河流域尤其是西安段水体中重金属的污染研究非常有限［4－5］，对其重金属的健康风险评价尚属空白。本研究以渭河西安段为主要研究区域，以其干流和支流水体中重金属的常规监测数据为基础，分析渭河流域西安段水体中重金属的污染现状，并对其进行健康风险评价，以期为渭河流域西安段水体的水质安全控制提供基础数据和技术支持。

1 数据来源及研究方法

1.1 数据来源

采用西安市环境监测站2012年渭河西安段水体10个监测断面的重金属常规水质监测数据，其中干流沿程监测断面4个，6条主要支流入渭监测断面各1个。监测指标包括重金属汞（Hg）、镉（Cd）、铬（Cr）、铅（Pb）、铜（Cu）、锌（Zn）和类金属砷（As）、硒（Se）共8项。监测频次为每月1次。

1.2 评价方法

1.2.1 污染现状评价方法

（1）单因子水质标准比较法。选用监测浓度值或浓度年均值，参照《地表水环境质量标准（GB3838—2002）》进行评价，低于或等于该类标准限值时称为达到该类标准；以Ⅲ类标准限值作为临界值，当浓度超过Ⅲ类标准限值时即为超标。

（2）重金属污染指数法（HPI）。以加权算术平均值为基础，对水体中各个重金属产生的水质污染影响进行综合评价［6］。目前在国外应用较多，在国内的应用鲜见报道。通常按分为3步计算：

① 计算第i个重金属指标的权重：

② 计算第i个重金属指标的质量等级指数：

③ 加权计算重金属污染指数：

式中：Si——水域功能允许的最高浓度值（μg／L）〔《地表水环境质量标准（GB3838—2002）》的Ⅲ类标准限值〕；k——由条件决定的比例常数，为计算简便通常取1；Ci——水体中重金属的监测浓度值（μg／L）；n——评价指标的个数。根据研究文献［6］，通常污染临界指数HPIc＝100，当HPI＞100时，认为该水体的重金属污染程度已超过其最高可接受水平。

1.2.2 健康风险评价方法 健康风险评价是20世纪80年代兴起的，该方法是以风险度作为评价指标，将环境污染与人体健康联系起来，定量描述污染对人体产生的健康危害风险［7］。本文选用目前国际上广泛采用的USEPA健康风险评价模型［8］计算健康风险，并考虑研究区域内人群状况，对模型中的参数取值进行适当调整。分两步进行计算：

（1）计算长期日均摄入剂量（CDI）。饮水消化吸收和皮肤接触吸收是水环境中的重金属对人体产生健康风险的两种主要途径［9］。分别通过公式（4）—（5）计算经饮水和经皮肤接触两种途径所致的长期日均摄入剂量

式中：CW——水体中重金属的平均浓度（μg／L）；IR——摄入频率，取2.2L／d；ABSg——肠胃消化吸收因子，无量纲；EF——暴露频率，取365d／a；ED——暴露持续时间，取70a；BW——平均体重，取60kg；AT——终身暴露时间，取 25 550d；SA——皮肤接触面积，取18 000cm2；Kp——皮肤渗透系数（cm／h）；ABSd——皮肤接触吸收因子，无量纲；ET——洗浴暴露时间，取0.6h／d；CF——单位换算系数，取10－3L／cm3。各重金属的 ABSd，ABSg和Kp选自 USEPA［10－11］。

（2）计算健康风险值。依据国际癌症研究所（IARC）的分类标准，将重金属按照其潜在致癌风险进行分组，依据USEPA健康风险评价模型进行致癌与非致癌风险评价。

① 非致癌风险：一般认为，生物体对非致癌性物质的反应有剂量阈值，低于特定的阈值可认为不会产生健康风险［12］。非致癌风险通常用健康风险系数（HQ）表示，按公式（6）计算：

②致癌风险：对于致癌性物质，一般认为没有剂量阈值，只要有微量存在，即会对人体产生不利影响［9］。化学致癌物的致癌风险通常用致癌风险值（CR）表示，当CDI·SF＜0.01时，按公式（7）计算；否则，按公式（8）计算：

式中：CDI——长期日均摄入剂量〔μg／（kg·d）〕；RfD——重金属在特定暴露途径下的参考剂量〔μg／（kg·d）〕，经饮水途径的参考剂量均选自 USEPA［11，13］，经皮肤接触途径的参考剂量［8］：RfDd＝RfDin·ABSg；SF——致癌斜率因子〔（kg·d）／μg〕，经饮水途径致癌斜率因子选自 USEPA［11，13］，经皮肤接触途径致癌斜率因子［8］：SFd＝SFin·（ABSg）－1。

2 结果与讨论

2.1 渭河西安段水体中重金属污染特征分析

2.1.1 渭河西安段水体中8种重金属的含量特征统计分析结果显示（表1），2012年渭河流域西安段干支流各断面中，Pb和Cd全年未检出，Hg，Cr6＋，As，Cu，Zn和Se均有检出，除Hg外其含量水平均在《地表水环境质量标准（GB3838—2002）》的Ⅰ—Ⅱ类水质标准范围内。

渭河流域西安段水体2012年全年监测Hg样品120个，其中87.12%达到Ⅰ—Ⅱ类水质标准，12.12%达到Ⅲ类水质标准，0.76%超标（支流灞河入渭断面三郎村于11月份超标1次），这说明依据现行地表水环境质量标准渭河流域西安段水体中存在一定的Hg污染，但对比胡月红等［5］的研究结果发现其污染程度近年来呈明显下降趋势。将渭河西安段2012年逐月Hg监测浓度值与2012年西安段的降水监测数据对比分析发现，Hg为Ⅲ类或Hg超标的月份多为降雨量小的秋冬季，说明降雨量对渭河西安段的Hg含量水平有一定影响。另外，值得注意的是依据《地表水环境质量（GB3838—2002）》评价，渭河流域西安段水体中的Hg含量有个别样品超过Ⅲ类标准限值，但依据《生活饮用水卫生标准（GB5749—2006）》和WHO《饮用水水质准则》评价，该样品中的Hg含量水平并未超过标准限值。

渭河流域西安段水体中6种检出的重金属年平均含量由大到小依次为：Zn＞As＞Cr6＋＞Cu＞Se＞Hg（表1），与国内其它同类河流如汉江上游、淮河、东江、拉萨河相比［14－17，2］，渭河流域西安段水体中 Hg含量水平高于淮河和东江；Cr6＋含量水平低于汉江上游，但高于淮河；As含量水平低于汉江上游和拉萨河，但高于东江；Cu，Zn含量水平低于淮河和拉萨河；Se含量水平低于汉江上游。

表1 2012年渭河流域西安段水体中8种重金属的含量状况 μg／L

2.1.2 渭河西安段水体中重金属的总量和HPI评价比较 渭河西安段水体干流断面的重金属总量评价结果显示，上游咸阳铁桥断面的重金属总量最大，下游新丰桥断面重金属总量最小，沿渭各段面重金属总量有明显的下降趋势（图1）。渭河西安段干流断面的HPI指数评价结果显示：下游断面新丰桥HPI指数最大，污染程度相对最严重；咸阳铁桥、天江人渡、耿镇桥HPI指数有逐渐下降趋势，但总体来说相差不大（图1）。渭河西安段沿渭支流各入渭断面重金属总量和HPI评价结果显示，重金属总量在农村西站（皂河）最大，但HPI指数在三郎村（灞河）最高，按各断面HPI指数大小顺序依次为：三郎村＞临河入渭＞农场西站＞涝河入渭＞三里桥＞黑河入渭（图2）。这说明同一河流重金属的总量评价结果和HPI指数评价结果不尽一致，结合各断面8种重金属的分含量分析发现总量低、HPI指数高的断面含毒性重金属如Hg的含量相对较多。对照HPI指数评价的定义和计算方法可以看出，HPI指数考虑各个重金属对环境产生危害的权重，更能客观反应水体中各个重金属对水质产生的综合污染影响程度。根据上述方法，计算得到渭河流域西安段水体中8种重金属的HPI为32.74，低于污染临界值100，说明渭河西安段水体的重金属污染程度低于该段水域功能的国家标准要求限值，处于可接受水平。

图1 渭河流域（西安段）干流各断面重金属总量与HPI指数比较

图2 渭河流域（西安段）支流各入渭断面重金属总量与HPI指数比较

2.2 渭河流域西安段水体中重金属的健康风险评价

2012年渭河流域西安段水体各研究断面Pb和Cd全年未检出，不参与定量健康风险评价。根据1.2.2中的方法，对As和Cr6＋同时参与致癌风险评价和非致癌风险评价，Hg，Se，Cu和Zn仅参与非致癌风险评价。

根据1.2.2中的健康风险评价模型和评价参数可以计算出2012年渭河流域西安段水体中Hg，Se，Cu，Zn，As和Cr6＋通过饮水和皮肤接触两种途径暴露所致的非致癌健康风险值（表2）和致癌健康风险值（表3）。由表2可以看出，本研究涉及的几种重金属通过皮肤接触途径对人体健康所造成的危害远小于通过饮水途径所造成的危害，这与许多学者［18］的研究结论一致。渭河流域西安段水体中各重金属的非致癌健康风险值介于3.76×10－5～1.89×10－1之间，其中As产生的非致癌健康风险值最大，Hg产生的非致癌健康风险最小，各重金属产生的非致癌健康风险由大到小依次为：As＞Se＞Cr6＋＞Cu＞Zn＞Hg（表2）。一般认为，重金属产生的非致癌健康风险值超过1时会对人体产生健康风险［18］，因此渭河流域西安段水体中检出的6种重金属通过饮水消化和皮肤接触暴露对人体产生的非致癌健康风险很小或者不会产生非致癌健康风险。渭河流域西安段水体中As和Cr6＋对周围居民产生的致癌健康风险分别为8.50×10－5和1.70×10－6（表3）。大多数研究认为化学致癌物的致癌健康风险值介于10－6～10－4时可能对人体产生潜在致癌风险，但仍处于可以接受的范围［16－17］，依据此范围评价，渭河流域西安段水体中 As和Cr6＋对于人体所产生的致癌健康风险值处于可接受水平。但值得注意的是，渭河流域西安段水体中As所引起的致癌健康风险接近可接受范围的上限10－4，考虑到本研究仅计算了饮水和皮肤接触两种致癌途径，而As还有可能通过食物摄入等其它暴露途径危害人体健康，本研究评价的健康风险可能比实际对人体产生的健康风险小。同理，与其它重金属相比，计算得到的渭河流域西安段水体中As产生的非致癌健康风险值最大，其值最接近1，因此渭河流域西安段水体中的As对人体可能会产生一定的健康风险。综上所述，考虑到流域内居民的人体健康安全，渭河流域西安段水体中的As应作为优先控制的重金属污染物引起环境管理部门的特别关注。

表2 渭河流域西安段水体中重金属的非致癌健康风险值

表3 渭河流域西安段水体中重金属的致癌健康风险值

3 结论

（1）2012年渭河流域西安段水体中Pb和Cd全年未检出，检出的6种重金属年平均含量由大到小依次为：Zn＞As＞Cr6＋＞Cu＞Se＞Hg。依据现行的《地表水环境质量标准（GB3838—2002）》，针对渭河水质中研究涉及的8种重金属指标进行评价发现，除Hg外其它重金属含量水平均在《地表水环境质量标准（GB3838—2002）》的Ⅰ—Ⅱ类水质标准范围内；渭河流域西安段水体中重金属存在一定的Hg污染，但其污染程度近年来呈明显下降趋势，降雨量对渭河西安段水体中的Hg含量水平有一定影响。

（2）渭河西安段水体中重金属的总量评价结果和HPI指数评价结果不尽一致，在描述多种重金属对水质产生的影响时HPI指数更能客观反映水体中各个重金属对水质产生的综合污染影响程度。2012年渭河流域西安段水体中8种重金属的HPI为32.74，低于污染临界值100，说明渭河西安段水体的重金属污染相对于水域功能要求，尚处于可接受水平。渭河西安段干流由上游至下游重金属总量逐渐减小，但下游断面新丰桥HPI指数最大，污染相对最严重；渭河西安段沿渭支流中农村西站（皂河）重金属总量最大，但HPI指数在三郎村（灞河）最高，按断面HPI指数大小顺序依次为：三郎村＞临河入渭＞农场西站＞涝河入渭＞三里桥＞黑河入渭。

（3）本研究显示渭河西安段水体中重金属通过皮肤接触途径对人体健康所造成的危害远小于通过饮水途径所造成的危害，与许多学者对其它河流的重金属健康风险评价研究结论一致。渭河流域西安段水体中重金属通过饮水消化和皮肤接触暴露两种途径对人体产生的非致癌健康风险值介于3.76×10－5～1.89×10－1之间，按由大到小顺序依次为：As＞Se＞Cr6＋＞Cu＞Zn＞Hg；渭河流域西安段水体中As和Cr6＋对周围居民产生的致癌健康风险分别为8.5×10－5和1.70×10－6。根据相关文献［16－17］，本研究所涉及的重金属的非致癌和致癌健康风险值均处于可接受的范围，但As所引起的健康风险最大，特别是其致癌健康风险值接近可接受范围的上限10－4，因此渭河流域西安段水体中的As应作为优先控制的重金属污染物引起环境管理部门的特别关注。

（4）需要指出的是，本研究采用USEPA健康风险评价模型，但考虑到研究区域不同年龄人群在不同暴露环境下产生的健康风险不同，同时模型中一些参数取值选自USEPA，所述结果是对渭河流域西安段水体中重金属所做的初步健康风险评价。在今后的研究中，应当根据具体研究区域的实际状况选取更为合适的模型参数，得出更准确的健康风险值，为当地政府的水质安全管理提供更为科学的参考。

［1］孙超，陈振楼，张翠，等.上海市主要饮用水源地水重金属健康风险初步评价［J］.环境科学研究，2009，22（1）：60－65.

［2］刘凤，李梅，张荣飞，等.拉萨河流域重金属污染及健康风险评价［J］.环境化学，2012，31（5）：580－585.

［3］王东琦，贺延龄，高榕，等.渭河西安市段铝污染状况及其来源分析［J］.环境科学学报，2009，29（10）：2203－2208.

［4］雷凯.渭河西安段水体及水系沉积物重金属环境地球化学研究［D］.陕西 西安：陕西师范大学，2008.

［5］胡月红，宋文斌，宋涛，等.渭河流域西安段汞污染状况及其来源调查思路分析［C］∥中国环境科学学会学术年会论文集：第1卷.北京：中国环境科学出版社，2011：547－551.

［6］Reza R，Singh G.Assessment of heavy metal contamination and its indexing approach for river water［J］.International Journal of Environment Science and Technology，2010，7（4）：785－792.

［7］黄奕龙，王仰麟，谭启宇，等.城市饮用水源地水环境健康风险评价及风险管理［J］.地学前缘，2006，13（3）：162－167.

［8］USEPA（US Environmental Protection Agency）.Risk Assessment Guidance for Superfund Volume I：Human Health Evaluation Manual（Part A）［OL］.（2012－02－06）［2013－04－02］.http：∥www.epa.gov／oswer／riskassessment／ragsa／.

［9］Kim E Y，Little J C，Chiu N.Estimating exposure to chemical contaminants in drinking water［J］.Department of Civil and Environmental Engineering，2004，38（6）：1799－1806.

［10］USEPA（US Environmental Protection Agency）.Risk Assessment Guidance for Superfund Volume I：Human Health Evaluation Manual（Part E）［OL］.（2012－05－06）［2013－04－02］.http：∥ www.epa.gov／oswer／riskassessment／ragsa／.

［11］USEPA（US Environmental Protection Agency）.Risk－Based Screening Table［OL］.（2012－05－04）［2013－04－03］.http：∥www.epa.gov／reg3hwmd／risk／human／rb－concentration＿table／Generic＿Tables／index.htm.

［12］Miguel E D，Iribarren I，Chacon E，et al.Risk－based evaluation of the exposure of children to trace elements in playgrounds in Madrid（Spain）［J］.Chemosphere，2007，66（3）：505－513.

［13］USEPA（US Environmental Protection Agency）.Integrated Risk Information System （IRIS）［OL］.（2012－03－03）［2013－04－05］.http：∥www.epa.gov／iris／.

［14］WHO（World Health Organization）.Guidelines for drinking－water quality，fourth edition［OL］.（2012－08－09）［2013－04－05］.http：∥www.who.int／water＿sanitation＿health／dwq／gdwq3rev／zh／index.html.

［15］Li Siyue，Zhang Quanfa.Risk assessment and seasonal variations of dissolved trace elements and heavy metals in the Upper Han River，China［J］.Journal of Haz－ardous Materials，2010，18（1／3）：1051－1058.

［16］Wang Zhifeng，Guo Zhongxing.Preliminary Risk Assessment of Metal Pollution in Source Water of Huaihe River［M］∥Measuring Technology and Mechatronics Automation in Electrical Engineering.Springer US，2012：385－392.

［17］王若师，许秋瑾，张娴，等.东江流域典型乡镇饮用水源地重金属污染健康风险评价［J］.环境科学，2012，33（9）：3083－3088.

［18］Wu Bing，Zhao Dayong，Jia Haiying，et al.Preliminary risk assessment of trace metal pollution in surface water from Yangtze River in Nanjing Section，China［J］.Bulletin of Environmental Contamination and Toxicology，2009，82（4）：405－409.