广西容县地下水水质调查与健康风险评价

刘圣锋，黄军，周媛，姚越，赵华荣，金鑫

(桂林理工大学环境科学与工程学院，广西桂林541004)

近年来，水资源安全问题越来越受到社会的关注。2015年，国务院颁布的《水污染防治行动计划》中，已经明确要求，到2020年饮用水安全保障水平持续提升；到2030年力争全国水环境质量总体改善。由此可见国家对饮水安全的重视，因此对地下水水质状况调查及其健康风险评价显得尤为重要。

地下水是中国水资源的重要组成部分，占全国水资源总量的1/3，全国有近70%的人口饮用地下水，因此，地下水是重要的饮用水水源[1]。但是随着工业的发展，使得当前农村水污染问题愈演愈烈，水污染不仅破坏生态环境,而且影响着饮水者的健康[2]。目前对地下水污染及其风险评价也受到了研究人员的关注，林曼利等[3]、陈晓辉等[4]、王曜等[5]和鲁广秋等[6]分别对宿州市农村地下水重金属含量与健康风险评价、广东省粤东地区农村地下水饮用水源水质评价及保护对策研究、安徽北部农村地区地下水重金属健康风险评价和昆明市农村地下水中金属污染分析与评价。在广西地区，黎勇等[7]在调查中发现广西农村饮用水pH合格率低于全国平均水平。钟格梅等[8]经过调查发现广西农村地区地下水饮用水源的合格率为18.03%。综上，地下水水质问题越来越受到大家的关注。

1 研究区概况

容县地处广西壮族自治区东南部，东经110°15′～110°53′、北纬22°27′～23°07′，属于亚热带季风气候区，年平均气温21.3℃，年平均雨量1 698.9 mm，降雨量多集中在4—9月。全县面积2 257 km2，其中陆地占97.51%，水域占2.49%。容县地下水类型属于孔隙水，含水层是红层碎屑岩类，岩性主要为砂岩、页岩和砾岩[11]。

近几年来，该地区随着工业、农业以及城市的发展，水资源逐渐出现了污染问题，从而对居民的用水安全造成了一定的影响。虽然大部分乡镇都安装了自来水，但是大部分居民还在使用自家的水井。

2 样品采集和分析

为了更好地研究容县地下水水质对人体健康的影响，本次研究于2018年10月3日在容县县城周边的容州镇、十里镇和容西镇选择10个常年使用、井水位相对稳定、井深为6～15 m、相邻两井间距大于1 km的民用井作为取样点，取样点分布见图1。用聚乙烯取样瓶采集2 L水样，聚乙烯瓶在取样前先用超纯水洗净，再用采集的水样润洗3次，所采集的水样用0.45 μm滤膜过滤后装入样品瓶中。用于检测阳离子和重金属的水样加入硝酸(优级纯)酸化，使水样pH<2；用于检测阴离子的水样在取样时仅作过滤处理。所有水样在24 h内送回实验室放入4℃冰箱里密封保存。

水样检测采用便携式仪器现场测定和实验室检测相结合的方法。

现场测定使用DENVER UB-7多功能酸度计测定各取样点pH和ORP，测试精度分别为0.01个pH单位和0.1 mV；使用测试精度为0.01 mg/L 的Multi 3410 SET4溶解氧测定仪和测试精度为0.1 μS/cm 的JENCO 3250电导率仪分别测定各取样点的溶解氧和电导率指标。

3 结果与讨论

3.1 水质指标统计分析

利用统计学的方法，对各水质指标进行统计分析，结果见表1。水温在23.1～26.5℃之间，离势系数为4.34%，说明研究区水温比较稳定。研究区pH的范围为4.55～7.56，平均值为6.01，表明该区域的水质总体偏酸性，这与该地区土壤呈酸性的红壤或砖红壤有一定的关系，根据GB/T 14848—2017《地下水质量标准》，研究区的pH平均值属于IV类水标准。长期使用酸性水会对人体循环系统和免疫系统有一定的影响，同时也会引起骨骼、牙齿等方面的问题。ORP的范围为241.7～376.5 mV。溶解氧含量0.45～7.99 mg/L,部分取样点溶解氧含量较低。电导率的最大值和最小值相差491.2 μS/cm，表明部分取样点地下水纯净度相差较大。

表1 广西容县地下水水质指标统计

Mg2+、Ca2+、Na+、K+的离势系数在100%以内，浓度变化相对稳定，其中Ca2+的浓度大于另外3个金属离子。Cu2+、Zn2+、Cd2+和Pb2+的浓度都符合I类水的标准，说明该地区未受到这4种重金属的污染。

3.2 水质指标的相关性分析

表2 广西容县地下水水质参数相关系数

注：**表示在置信度(双测)为 0.01 时，相关性是显著的；*表示在置信度(双测)为 0.05 时，相关性是显著的。

3.3 水化学类型分析

运用前苏联学者舒卡列夫分类方法对水样进行分类，结果见表3。

表3 广西容县水下水各取样点水质类型

研究区的地下水水质类型较多，主要有HCO3-Ca型水、HCO3·Cl-Ca·Na型水、Cl-Na型水、Cl-Na·Ca型水、HCO3·Cl-Na型水、HCO3-Ca·Mg型水和Cl-Na·Ca·Mg型水。其中1、7和8号取样点为HCO3-Ca型水，2、4号点为HCO3·Cl-Na·Ca型水。地下水的TDS范围为48.679～396.09 mg/L，平均值为166.842 mg/L小于1.5 g/L，是A型水，因此，该地区的地下水都属于低矿化水。

就舒卡列夫分类法而言，它只能表示1种大于25%毫克当量百分数的离子，而对于2种或2种以上大于25%毫克当量百分数离子之间的关系，则没有明确地表示出来[13]。

为了进一步分析取样点的水化学类型，采用AquaChem软件绘制了该地区地下水的Piper(图2)。研究区域的地下水水质类型共有3种，分别为：碳酸盐硬度>50%、非碳酸盐碱>50%和非碳酸盐硬度>50%。1、2、7、8和9号取样点属于碳酸盐硬度>50%的水化学类型。3、4、5和6号取样点属于非碳酸盐碱>50%的水化学类型。10号取样点属于非碳酸盐硬度>50%的水化学类型。

本次取样点所在的地层都属于早第三纪，水质类型与地层有一定的相关性。其中2、4取样点的水质类型都属于HCO3·Cl-Ca·Na型，而且这2个取样点都位于容州镇城区内，所以该水质类型与地理位置有一定关系。1、7号取样点都位于山坡的中下部，且山上植被主要以果树和松树为主，由于2个取样点周围环境较相似，这可能是水质类型相同的原因。10号取样点处于一个小山坡下，坡上主要种植甘蔗、蔬菜等作物，这可能是与其他取样点水质类型不同的原因。综上，研究区水质类型不同的原因主要是由于周围的环境影响。

3.4 健康风险评价

地下水重金属风险评价采用美国EPA推荐的健康风险评价模型。其中，化学致癌物通过饮水的方式进入人体的健康风险评价计算模型为：

(1)

当结果大于0.01时，则按高剂量暴露计算：

(2)

非致癌物质通过饮水途径进入人体造成健康危害的风险评价计算模型为：

(3)

通过饮水途径的单位体重日均暴露剂量按以下公式,成人与儿童分开计算：

成人：Di=2.2ci/64.3

(4)

儿童：Di=1.0ci/22.9

(5)

式中 2.2——成人每天的平均饮水量，L；1.0——儿童每天的平均饮水量，L；ci——化学致癌物质或非致癌物质的浓度，mg/L；64.3 kg——成人平均体重；22.9 kg——儿童平均体重[15-16]。

各有毒的化学物质对人体健康造成危害不相同，但累积效应有协同关系、相加关系和拮抗关系。在一般的水中，各有毒化学物质浓度都比较低，所以，可以假定每种有毒化学物质对人体健康的危害作用相互独立，危害的累积效应呈相加关系，即水环境的总体健康风险程度R可以表示为：

(6)

根据世界卫生组织(WHO)和国际癌症研究机构(IARC)编制的分类系统，以及美国 EPA 推荐值，此次测定的重金属中，化学致癌物为 Cd，非化学致癌物为Pb、Zn和Cu，其致癌物质的致癌强度系数和非致癌物质参考剂量详见表4[17]。

表4 致癌物质的致癌强度系数和非致癌物质参考剂量

根据健康风险评价模型，结合实测重金属浓度数据，计算出致癌物质和非致癌物质经饮水途径所致健康危害的个人年风险见表5。对于成人，致癌物质Cd经饮水途径所致健康危害的个人年风险最高，为5.139×10-7/a，远大于非致癌物Pb、Zn和Cu经饮水途径所致健康危害的个人年风险，3种非致癌物所致健康危害风险均较低，4种重金属个人年总风险为5.14×10-7/a，低于美国环境保护署(1×10-4/a )和国际辐射防护委员会(ICRP)最大可接受风险(5×10-5/a)[18]，所引起的健康风险较小，不会对成人造成明显危害。

表5 经饮水途径所致健康危害的个人年风险 单位：a-1

对于儿童，4种重金属所致健康风险在7.147×10-11～6.559×10-7/a，每一种金属经饮水途径所致健康危害的个人年风险均比成人高，可见儿童比成人受到的健康风险更大，儿童总风险为6.564×10-7/a，是国际辐射防护委员会(ICRP)最大可接受风险的1.31%，但仅为美国环境保护署最大可接受风险的0.66%，由此可见，在调查区内，儿童经饮水途径所致健康危害的个人年风险较小，对儿童健康的危害不明显。

通过健康风险评价模型，可知成人和儿童的健康风险评价结果为Cd>Pb>Cu>Zn，两类群体的健康风险评价都没有超出国际辐射防护委员会和美国环境保护署标准，因此研究区的地下水4种金属浓度符合居民的生活用水标准，对人体健康危害较小。

4 结论

a) 从Piper图分析，研究区地下水类型有3种，分别为：碳酸盐硬度>50%、非碳酸盐碱>50%和非碳酸盐硬度>50%。通过舒卡列夫分类方法可知研究区地下水类型多样，主要有：HCO3-Ca型水、HCO3·Cl-Ca·Na型水、Cl-Na型水、Cl-Na·Ca型水、HCO3·Cl-Na型水、HCO3-Ca·Mg型水和Cl-Na·Ca·Mg型水共7种。TDS范围为48.679～396.09 mg/L，都属于低矿化水。

c) 成人和儿童的健康风险评价结果均为Cd>Pb>Cu>Zn，4种重金属经饮水途径造成的健康风险儿童比成人高，但这两类人群受到的健康风险均低于ICRP和美国环境保护署推荐的最大可接受风险。由此可见，研究区地下水中的4种重金属不会对人体造成明显危害。