喀什地区浅层地下水重金属污染健康风险评价

林 丽，范 薇,2，周金龙,2，曾妍妍,2

(1.新疆农业大学水利与土木工程学院，乌鲁木齐 830052；2.新疆水文水资源工程技术研究中心，乌鲁木齐 830052)

重金属具有高稳定性、可累积性和毒性等特点[1-3]，通过饮水和食物链等途径直接或间接对人体造成健康危害，且不少重金属具有致突变、致畸、致癌作用[4,5]。地下水作为喀什地区生活生产的主要供水水源，对地下水重金属进行健康风险评价非常必要。

1 研究方法

1.1 研究区概况

喀什地区位于新疆维吾尔自治区西南部，塔里木盆地西部，属于暖温带大陆性气候，降水稀少、蒸发强烈，由喀什噶尔河流域和叶尔羌河流域组成。区内地下水为第四系松散岩类孔隙水，主要来源于大气降水入渗、山前侧向补给、河道水渗漏、渠系水与田间灌溉水入渗、水库渗漏和井灌回归。西部喀什噶尔河流域地下水流向由西北向东南，东部叶尔羌河流域地下水流向由南向北。人工开采、潜水蒸发、植物蒸发等为地下水主要的排泄方式[11]。

1.2 地下水水样采集与测试

2017年7-9月在研究区采集浅层地下水样品(井深≤100 m)共计68组，采样点分布见图1。水样严格按照《地下水环境监测技术规范(HL/T164-2004)》进行采集、保存、送样。水样测试由国土资源部乌鲁木齐矿产资源监督检测中心(新疆维吾尔自治区矿产实验研究所)完成，测试指标包括Cu、Pb、Zn、Fe、Mn、Cr(Ⅵ)、Cd、Hg、As和Ni等10项。其中，Cu、Pb、Zn、Mn、Ni和Cd的检测仪器为OPTIMA8000电感耦合等离子体发射光谱仪；Fe的检测仪器为PinAAcle-900Z单石墨炉原子吸收分光光度计；Cr(Ⅵ)的检测仪器为DR6000可见光分光光度计；Hg和As的检测仪器为AFS-930原子荧光分光光度计。Cu的检测下限为0.01 mg/L；Pb、Mn和As的检测下限为0.001 mg/L；Cd 和Zn的检测下限为0.002 mg/L；Fe 的检测下限为0.05 mg/L；Cr(Ⅵ)的检测下限为0.004 mg/L；Hg的检测下限为0.000 1 mg/L；Ni的检测下限为0.005 mg/L。经检验，指标测定值的相对标准偏差(RSD)均小于5%，符合USEPA的要求(RSD<30%)。

图1 地下水采样点分布

1.3 污染评价

采用Nemerow综合污染指数(NI)对研究区地下水重金属污染进行评价。计算公式为[12]：

(1)

(2)

式中：Ii为单因子污染指数；Pi为地下水重金属i实测浓度；Si为重金属i在《地下水质量标准(GB/T 14848-2017)》中Ⅲ类标准限值；Imax为单因子污染指数最大值；Iave为单因子污染指数均值。

Ii和NI的分级标准为：Ii或NI≤0.7为无污染，0.73为重度污染。

1.4 健康风险评价

1.4.1 三角模糊数理论

由于健康风险评价参数具有一定模糊性，为准确评价其危害效应，采用三角模糊数将其表示为一定区间范围的数值进行风险评价。1965年Zadeh提出了三角模糊数的概念，定义为在给定区域X内，对任何x∈X，模糊集为：

A={|x∈X}

(3)

式中：μA(x)为x对A的隶属度，μA(x)∈(0,1)。

(5)

1.4.2 基于三角模糊数理论的健康风险评价模型

经饮水摄入暴露途径是对人体健康造成威胁的主要暴露途径之一，暴露剂量计算公式为[14]：

D=CIR/BW

(6)

式中：D为经饮用水暴露剂量，mg/(kg·d)；C为水中污染物的平均浓度，mg/L；IR为饮水量，L/d；BW为人体质量，kg。

致癌和非致癌风险评价模型计算公式为：

Ri=qiDi

(7)

HQj=Dj/RfDj

(8)

式中：Ri为致癌健康风险；qi为致癌强度系数，mg/(kg·d)；Di为致癌物经饮用水暴露剂量，mg/(kg·d)；HQj为非致癌健康风险；Dj为非致癌物经饮用水暴露剂量，mg/(kg·d)；RfDj为非致癌物的参考剂量，mg/(kg·d)；参数qi和RfDj值见表1[15,16]。

表1 致癌强度系数与非致癌物饮水途径参考剂量

对不同的置信度水平α(0≤α≤1)，根据式(6)～(8)，地下水健康风险评价模糊模型为：

(9)

(10)

污染物浓度(C)、饮水量(IR)和体重(BW)为三角模糊数。若有多种污染物存在时，总风险通过累加计算得到。

2 结果与讨论

2.1 重金属含量现状

研究区地下水中10种重金属测试结果及特征统计见表2。结果表明，地下水中除Cu、Pb和Cr(Ⅵ)未检出外，Zn、Fe、Mn、Cd、Hg、As和Ni均有检出。检出率分别为2.9%、85.3%、76.5%、10.3%、7.4%、11.8%和75.0%。前期研究表明[8,17]，喀什地区东部地下水中Cu、Hg未检出，西部Hg、Cr(Ⅵ)未检出，其余重金属均有检出。与之相比，本次测试结果表现为Hg有检出而Pb仍未检出。对照《地下水质量标准(GB/T 14848-2017)》限值，68组样品中，Fe和Mn含量最大值分别为5.965和2.898 mg/L，分别为标准限值的19.9倍和29.0倍；Cd和Hg含量最大值分别为0.016和0.001 2 mg/L，分别为标准限值的3.2倍和1.2倍；As和Ni含量最大值分别为0.034和0.132 mg/L，分别为标准限值的3.4倍和6.6倍；Zn含量最大值为0.684 mg/L，低于标准限值。地下水中重金属平均含量顺序为Fe>Mn>Ni>Zn>As>Cd>Hg，其中Fe、Mn、Ni的含量分别为0.577、0.522和0.062 mg/L，均高于标准值，其余重金属平均含量均低于标准值。前期研究表明[8,16]，喀什地区西部地下水Zn、Fe、Mn、Cd、As、Cu、Pb均值分别为0.028、3.071、0.415、0.000 2、0.008、0.006、0.001 mg/L，东部地下水Zn、Fe、Mn、Cd、As、Cr(Ⅵ)、Pb均值分别为0.065、1.161、0.355、0.001、0.009、0.002、0.001 mg/L，与之相比，本次研究结果中除Mn和Cd均值有所升高外，其余元素均值均较低。由变异系数可知，重金属Zn、Fe、Mn的含量变异系数超过100%，表明各地下水采样点重金属含量差异较大。

地下水重金属超标率从大到小依次为Mn、Ni、Fe、As、Cd和Hg，其中Mn、Ni、Fe和As的超标率分别达到了76.5%、75.0%、36.8%和11.8%，为喀什地区浅层地下水重金属主要超标元素，应当引起重视。前人研究表明[18]，研究区地下水Mn、Fe和As浓度的超标主要由原生地质环境所致，其次为工业污染及地下水的大量开采。

表2 地下水重金属含量统计

注：“ND”代表未检出；“标准值”指《地下水质量标准(GB/T 14848-2017)》中的标准值。

由图2可见，研究区东北部巴楚县地下水Fe含量严重超标，其值在2 mg/L以上；Mn含量超标区域分布呈面状，范围较大，主要位于研究区北部，高值区分布在巴楚县，其值在1 mg/L以上；Cd含量超标区域分布在麦盖提县、伽师县和巴楚县部分区域；Hg含量超标区域位于巴楚县；As含量超标区域分布在麦盖提县和喀什市；Ni含量超标区域位于研究区东北部，高值区分布在巴楚县，其值在0.1 mg/L以上。研究区地下水Fe、Mn、Hg、Ni高值区空间分布规律相似，有一定相关性。

图2 超标地下水重金属含量空间分布(单位:mg/L)

2.2 重金属污染评价

研究区地下水重金属单项污染指数均值顺序为Mn(5.21)、Ni(3.04)、Fe(1.92)、As(0.68)、Cd(0.62)、Hg(0.25)、Zn(0.04),地下水中As、Cd、Hg、Zn呈现无污染，Fe呈轻度污染，Mn、Ni呈重度污染。由地下水中重金属不同污染级别样点占比(见表3)可知：全部样点Zn呈现无污染；Fe呈现无污染、轻微、轻度、中度和重度污染样点数分别占总数的54.4%、8.8%、17.7%、5.9%和13.2%；Mn呈现无污染、轻度、中度和重度污染样点数分别占总数的23.5%、11.8%、4.4%和60.3%；Cd呈现无污染、轻微、轻度和重度污染样点数分别占总数的89.7%、2.9%、5.9%和1.5%；Hg呈现无污染和轻度污染样点数分别占总数的98.5%和1.5%；As呈现无污染、轻度、中度和重度污染样点数分别占总数的88.2%、7.4%、2.9%和1.5%；Ni呈现无污染、轻度、中度和重度污染样点数分别占总数的25.0%、8.8%、17.7%和48.5%。研究区地下水重金属综合污染指数为0.44～20.82，均值为4.61，呈现重度污染。研究区地下水NI值呈现无污染、轻微、轻度、中度和重度污染样点数分别占总数的13.2%、3.0%、4.4%、23.5%和55.9%。

表3 地下水不同污染级别样点数占比统计(n=68)

2.3 重金属健康风险评价

根据美国国家环保局推荐的人体健康风险评价参数值，结合中国人口统计数据并参考相关文献[19,20]，确定地下水健康风险评价模糊模型中成人日饮水量的三角模糊数为(1.6,2.2,2.8 L/d)，成人体重的三角模糊数为(45,65,85 kg)。根据数理统计方法确定各重金属浓度的三角模糊数，统计结果见表4。对于不同置信度水平α，可将上述三角模糊参数表示为区间形式，计算得到不同置信度水平的健康风险。α=0分别为可能风险值的上限和下限值，α=1为最可能风险。研究区重金属经饮水途径造成的人体致癌总风险与非致癌总风险置信度水平曲线见图3。当α=0时，致癌总风险值区间为4.28×10-4～44.1×10-4，最可能风险值(α=1)为9.8×10-4。非致癌总风险值区间为0.02～1.9，最可能风险值(α=1)为0.33。实际应用中，一般取α=0.8，计算得到饮用地下水所导致的人体健康风险，见表5。健康风险评价结果表明，α=0.8时，研究区浅层地下水致癌总风险较高，范围为8.35×10-4～14.2×10-4，高于美国国家环保局建议最大可接受致癌风险值1×10-4[21]，表明通过饮水途径重金属会对人体健康造成不利影响。非致癌总风险范围为0.24～0.53，低于非致癌风险允许限值1.0。致癌物风险值排序为Cd>As，非致癌物风险值排序为Mn>Ni>Fe>Hg>Zn，其中Mn、Ni和Fe平均非致癌风险分别占非致癌总风险的38.7%、31.6%和20%。综上，Cd 和 As是经饮水途径导致人体危害风险较大的主要重金属元素。由图3可知，随置信度水平减小，致癌和非致癌总风险上下限不断增大，即数据的模糊性呈增强趋势。同时，比较致癌总风险和非致癌总风险的区间大小，非致癌总风险的不确定性较强，对重金属的浓度变化更敏感。

表4 地下水重金属浓度的三角模糊数 mg/L

图3 地下水致癌总风险和非致癌总风险置信度水平函数曲线

表5 饮水途径重金属所致人体健康风险(α=0.8)

3 结 论

(1)地下水中重金属平均含量顺序为Fe>Mn>Ni>Zn>As>Cd>Hg，其中Fe、Mn、Ni的含量分别为0.577、0.522和0.062 mg/L，均高于标准值，其余重金属平均含量均低于标准值。

(2)喀什地区浅层地下水10种重金属中Mn、Ni、Fe和As为主要超标元素，超标率分别为76.5%、75.0%、36.8%和11.8%。地下水中超标的重金属主要分布于巴楚县、麦盖提县、伽师县和喀什市等区域。

(3)研究区地下水重金属单项污染指数均值顺序为Mn(5.21)、Ni(3.04)、Fe(1.92)、As(0.68)、Cd(0.62)、Hg(0.25)、Zn(0.04)。研究区地下水重金属综合污染指数为0.44～20.82，均值为4.61，呈现重度污染。研究区地下水NI值呈现无污染、轻微、轻度、中度和重度污染样点数分别占总数的13.2%、3.0%、4.4%、23.5%和55.9%。Mn、Ni、Fe、As、Cd污染值得关注。

(4)致癌总风险范围为8.35×10-4～14.2×10-4，高于最大可接受致癌风险值1×10-4；非致癌总风险范围为0.24～0.53，低于非致癌风险允许限值1.0。Cd 和 As具有一定致癌风险，Mn、Ni、Fe、Hg和Zn通过饮水途径产生的非致癌健康风险处于可忽略水平，因此应将Cd和As作为首要环境健康风险管理指标予以重视。