辽宁某工业园区地下水烷烃类污染物空间分布特征与健康风险评价

王英刚, 师帅彬, 谷晨阳, 魏 明

(沈阳大学 区域污染环境生态修复教育部重点实验室, 辽宁 沈阳 110044)

地下水是重要的淡水资源,在人们的生产和生活中发挥着重要作用。随着我国经济的高速发展,地下水环境受到了不同程度的破坏,过度开采使地下水自净能力逐渐下降,导致水质条件难以恢复。尤其是工业生产中产生的石油烃类、化石燃料和天然有机质等烷烃类污染物[1]未经处理随意堆弃,会通过土壤渗透流入地下含水层中,或随降水进入地下水中,对地下水造成严重污染,而地下水污染又具有不可逆转性和隐蔽性的特点[2],会进一步加剧地下水污染。

本文所研究的区域为工业园区,主要从事化工生产,生产过程中所产生的烷烃类污染物使该地区地下水环境面临较大的污染风险。因此,开展对该地区地下水中的烷烃类污染空间分布特征分析和健康风险评价具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 区域概况

本文研究的工业园区位于辽宁省西北部某城市,规划用地面积18.87 km2,其中生产区占地15 km2,生活服务区占地3.87 km2。工业园区内主要从事化工生产, 现有企业废水排放量为1万m3·d-1,需水量为3.94万m3·d-1,循环使用率为96%,供水水源井为1眼,日供水量为2 000 m3。 园区地处河流冲刷过后的河谷平原地区, 为中纬度地带, 地貌主要为低缓丘陵和河谷平原, 呈现北高南低, 略向东南倾斜的趋势。 平均气温7.1 ℃, 降雪期较长, 降水多集中在汛期, 为大陆季风性气候。 研究范围里有较多的地表水, 某河流穿过研究区范围, 其干流由东北流向西南, 全长113 km, 河床宽120～200 m, 支流干涸时间较长。

该工业园区所处地区的地下水类型、水文情况、补水排水情况、地貌地形、地质状况如下:

1) 地下水类型。 地下水主要为第四系松散岩型孔隙水和碎屑岩型裂隙水,水体类型为重碳酸氢钠钙水,流动方向为由北向西,由南向东,逐渐由北向南变化,弧形流动。地下水来源主要以地表水补给为主,低山丘陵区域地下水径流条件一般,河谷平原区域径流条件较好,地表河排水和人工开采是区域内地下水排水的重要途径。

2) 水文情况。属较为缺水地区,水资源人均占有量与亩均占有量均低于国家标准,地处辽宁省内2条大河流域,水资源分布不是很均匀,东部地区上水资源较为丰富,但需水量较大,西部地区水资源较为缺乏。地层岩性以古老变质岩、岩浆岩分布最为广泛,这些岩层多构成了低山、丘陵地形,多以含脉状构造裂隙水和风化裂隙水为主,水量不大,富水不均一,不具有良好的含水和储水条件。

3) 补水、排水情况。主要补水方式以天然降水为主,平均降水量为480 mm,时间和空间降水分布不是很均匀,空间上从南至北分布逐渐减少,时间上主要集中在6—9月,气候干燥,空气湿度小,四季多风,蒸发作用强烈,蒸发为主要的排水方式。日常生产、生活采水也是地下水排水的重要途径。河谷区是地下水排水的主要地段,在河谷下游以潜流形式排水于区外,同时通过地表径流排水和疏干地下水[3]。

4) 地形地貌。根据海拔高程划分,属低山丘陵区,南部、西部突起,分布方向与规模受构造体系和火成岩活动控制[3]。地貌主要为低缓丘陵和河谷平原,呈现北高南低,略向东南倾斜的趋势。

5) 地质状况。全地层较复杂,广泛出露太古宙和中生代地层,岩性主要为角闪质片麻岩、砾岩和砂页岩。沉积地层以中生代沉积岩最多,孔隙、裂隙不太发达,多为中等富水性。全新统地层以冲-洪积砂、砂砾石为主,分布于山间谷地和冲积平原地带,零星分布[3]。

1.2 样品采集与处理

研究区属于孔隙水化工类工业园,依照《地下水环境状况调查评价工作指南》和《建设用地土壤污染风险评估技术导则》(HJ 25.3—2019)的采样点布设要求,共布设10个浅层地下水监测点位:分别为上游50 m内背景监测点1个(BJ1);研究区边缘污染扩散监测点3个(XY1、XY2、XY3);垂直地下水流向监测点2个(CZ1、CZ2);工业园内部监测点3个(GYY1、GYY2、GYY3);工业园边界监测点1个(GYY4),埋深4～10 m,见图1。

图1 研究区监测点布置Fig.1 Layout of the monitoring points in study area

样品均来自潜水层,采集样品前先使用离心泵对采样井进行10 min左右的洗井工作,以避免样品中混入打井过程中产生的干扰性杂质,然后将通过离心泵抽取出的水样放入聚氯乙烯塑料瓶中,在低温条件下进行储存,转运至实验室后对所采10个样品中的烷烃类有机污染物进行检测分析,实验样品的采集和检测方法依据《地下水环境监测技术规范》(HJ 164—2020)进行。

2 结果与分析

2.1 内梅罗综合污染指数法

内梅罗综合污染指数法由Nemerow提出,该方法通过计算不同污染物的污染指数研究某一区域的水质污染状况。公式为

式中:Pi为污染物i单因子污染指数;ρi为污染物i的实测质量浓度,mg·L-1;Si为污染物i的水环境质量浓度标准限值,mg·L-1,选取《地下水质量标准》(GB/T 14848—2017)中Ⅱ类标准;Pave为某一采样点不同种类污染物单因子污染指数的平均值;n为污染物种类数;Pc为污染物的综合污染指数;Pmax为地下水中各污染物的最大污染指数值。

为研究工业园区域内地下水水质污染状态,使用内梅罗综合污染指数法计算研究区各监测点地下水污染物的综合污染指数,结果如图2所示,从图中可以看到,GYY1检测点综合污染指数最高,达9.2;GYY3、GYY4监测点综合污染指数较高;GYY2、CZ1、XY1监测点综合污染指数较低;CZ2、XY2、XY3、BJ1监测点综合污染指数最低,均为0.6。

图2 研究区不同监测点地下水综合污染指数Fig.2 Comprehensive groundwater pollution index at different monitoring points in study area

地下水质量标准等级如表1所示,根据表1可知,GYY1监测点地下水质量处于Ⅴ级,污染程度严重;CZ2、XY2、XY3、BJ1监测点地下水质处于Ⅰ级,污染程度轻微;GYY2、CZ1、XY1监测点地下水质处于Ⅱ级,污染程度较轻;GYY3、GYY4监测点地下水质处于Ⅲ级, 污染程度中等。

表1 地下水质量标准等级Table 1 Standard grade of groundwater quality

运用ARCGIS技术对研究区不同监测点地下水综合污染指数进行克里金插值作图,得到图3,从图中可以看到,监测点GYY1、GYY3、GYY4处于工业园区内部和边界处,受工业生产污染影响较大,地下水污染程度较大;背景监测点BJ1远离工业区,CZ2、XY2、XY3处于地下水上游,基本未受工业生产污染影响,地下水质量最好;CZ1、XY1位于研究区边缘地带,距工业园区较远,毗邻河流,园区内污染物沿地下水向河流外排,地下水受到一定污染,程度较轻;GYY2点处于工业园区内,但地下水污染程度较轻,可能与采样的不确定性有关。

图3 研究区不同监测点地下水质量Fig.3 Groundwater quality of different monitoring points in study area

2.2 健康风险评价

地下水健康风险评价是描述人们暴露于环境危害因素之后出现的不良健康效应特征,于1972年由美国国家科学院和国家工程学院首次提出,之后在1983年正式写入“红皮书”中[4]。本次健康风险评价主要针对烷烃类有机污染物对人体的致癌与非致癌风险进行评估。

研究区中心污染源为工业区,根据《城市用地分类与规划建设用地标准》(GB 50137—2011),属于第2类用地中的工业用地,该地区人群主要以饮用地下水的方式暴露于地下水污染中。根据研究区污染状态,本文选取了3个潜在致癌风险指标和3个非潜在致癌风险指标,潜在致癌风险指标分别为1,2-二氯乙烷、1,1,2-三氯乙烷和三氯丙烷,非潜在致癌风险指标分别为二氯甲烷、1,1,1-三氯乙烷和1,2-二氯丙烷。根据《地下水污染健康风险评估工作指南》选取地下水致癌风险评价模型和非致癌风险评价模型及所需技术参数,指南规定,某一区域内单一污染物致癌风险值大于10-6,单一污染物非致癌危害商超过1,即可将该区域划定为风险不可接受的污染区。

2.2.1 地下水致癌风险评价模型

某一区域内单一污染物致癌风险计算公式为

式中:Cca为饮用受影响地下水对应的地下水的暴露量(致癌效应),L·kg-1·d-1;Ga为成人每人每日饮水量,L·d-1,取值为1.8 L·d-1;Ea为成人暴露期,a,取值为25 a;Da为成人暴露频率,d·a-1,取值为250 d·a-1;Ba为成人平均体质量,kg,取值为61.8 kg;Aca为致癌效应平均时间,d,取值为27 740 d;Ccgw为饮用地下水暴露于单一污染物的致癌风险值;ρi为地下水中污染物质量浓度,μg·L-1,不同监测点致癌污染物质量浓度见表2;SF0为饮用污染物斜率因子kg·d·mg-1,1,2-二氯乙烷取值为9.1×10-2kg·d·mg-1, 1,1,2-三氯乙烷取值为5.7×10-2kg·d·mg-1, 三氯甲烷取值为3.1×10-2kg·d·mg-1。

表2 研究区内不同监测点地下水单一致癌污染物质量浓度Table 2 Quality concentration of single carcinogenic pollutants at different monitoring points in study area μg·L-1

通过地下水致癌风险评价模型,得到研究区内不同监测点地下水致癌风险评价结果,见表3。从表3可以看到,GYY1、 GYY3监测点主要致癌污染物为1,2-二氯乙烷; GYY4监测点主要致癌污染物为1,2-二氯乙烷和三氯甲烷;GYY2、 CZ1、CZ2、XY1、XY2、XY3、BJ1点各污染物致癌风险较低,均低于致癌风险最大可接受值(10-6)。

表3 研究区内不同监测点地下水单一污染物致癌风险评价结果Table 3 Risk assessment results of single carcinogenic groundwater pollutants at different monitoring points in study area

某一区域地下水单一污染物致癌效应超过最大可接受范围10-6后,就会对地下水造成危害,其地下水致癌风险等级标准[5-6]如表4所示。从表4中可以看到,GYY1监测点致癌污染物1,2-二氯乙烷的致癌风险等级处于Ⅳ级,致癌风险危害程度为重,污染物三氯甲烷的致癌风险等级处于Ⅱ级,致癌风险危害程度为轻;GYY3监测点致癌污染物1,2-二氯乙烷的致癌风险等级处于Ⅲ级,致癌风险危害程度为中等;GYY4监测点污染物1,2-二氯乙烷和三氯甲烷处于Ⅱ级,致癌风险危害程度为轻。

表4 地下水致癌风险等级标准Table 4 Standards for carcinogenic risk classification of groundwater

2.2.2 地下水非致癌风险评价模型

某一区域内单一污染物非致癌风险计算公式为

式中:Cnc表示饮用受影响地下水对应的地下水暴露量(非致癌效应), L·kg-1·d-1;Anc表示非致癌效应平均时间,d, 取值9 125 d;Hcgw表示饮用地下水暴露于单一污染物的非致癌危害商;ρi为不同监测点非致癌污染物质量浓度,μg·L-1,见表5;R0表示饮用参考剂量,mg·kg-1·d-1, 二氯甲烷取值为6×10-3mg·kg-1·d-1, 1,1,1-三氯乙烷取值为2 mg·kg-1·d-1, 1,2-二氯丙烷取值为4×10-2mg·kg-1·d-1。W为暴露于地下水的参考计量系数, 取值为0.2。

表5 研究区内不同监测点地下水单一非致癌污染物质量浓度Table 5 Quality concentration of non-oncogenic hazards of single groundwater pollutants at different monitoring points in the study area μg·L-1

通过地下水非致癌健康风险评价模型,可以得到研究区内不同监测点地下水非致癌危害评价结果,见表6。从表6可以看到,GYY1监测点二氯甲烷非致癌危害商为1.3,大于1,危害较大;其他监测点单一污染物非致癌危害商均远远小于1,危害较小。

表6 研究区内不同监测点地下水单一污染物非致癌危害评价结果Table 6 Results of non-carcinogenic hazards of single groundwater pollutants at different monitoring points in study area

2.2.3 地下水风险控制模型

地下水致癌风险控制值公式为

(8)

式中:Rcgw为饮用致癌效应的地下水风险控制值,μg·L-1;ACR为可接受致癌风险,取值为10-6。

通过计算,得到研究区内地下水单一污染物致癌风险控制值如表7所示,从表中可以看到,研究区内1,2-二氯乙烷、1,1,2-三氯乙烷、三氯甲烷3种污染物致癌风险控制值数值均较小,地下水致癌风险控制较为严格。

表7 地下水单一污染物致癌风险控制值Table 7 Risk control value of a single pollutant in groundwater μg·L-1

研究区监测点地下水不同致癌污染物的平均质量浓度如表8所示,从表8中可以看到,研究区内地下水中1,2-二氯乙烷和三氯甲烷质量浓度平均值分别为32.3和23.5 μg·L-1,远远大于地下水中1,2-二氯乙烷的污染物致癌风险控制值1.6 μg·L-1和三氯甲烷污染物致癌风险控制值4.6 μg·L-1,此2种污染物致癌风险较高。

表8 研究区监测点地下水不同致癌污染物的质量浓度Table 8 Quality concentration of carcinogenic pollutants in the groundwater at monitoring points in study area μg·L-1

地下水非致癌风险控制值公式为

(9)

式中:Vcgw为饮用非致癌效应的地下水风险控制值,μg·L-1;Q为可接受危害商,取值为1。

通过计算,研究区内地下水单一污染物非致癌风险控制值如表9所示,从表中可以看到,相对于研究区内污染物,1,1,1-三氯乙烷和二氯甲烷2种污染物1,2-二氯丙烷非致癌风险控制值数值较小,地下水非致癌风险控制更为严格。

表9 地下水单一污染物非致癌风险控制值Table 9 Non-carcinogenic risk control values for a single groundwater pollutant μg·L-1

研究区监测点地下水不同非致癌污染物的平均质量浓度如表10所示,从表10中可以看到,研究区内地下水中二氯甲烷质量浓度平均值为22.9 μg·L-1,大于地下水中二氯甲烷的污染物非致癌风险控制值20 μg·L-1,其非致癌风险较高。

表10 研究区监测点地下水不同非致癌污染物的质量浓度Table 10 Quality concentration of non-carcinogenic pollutants in groundwater at monitoring points in study area μg·L-1

3 结 论

分析了工业园区及附近地下水中烷烃类污染物空间分布特征并进行了污染物健康风险评价,得到以下结论:

1) 处于工业园区内部和边界处的监测点受工业生产污染影响较大,地下水污染程度较大;处于地下水上游的监测点基本未受工业生产污染影响,地下水质量较好。

2) 综合地下水评价模型和控制模型可知,研究区内地下水中1,2-二氯乙烷和三氯甲烷2种污染物致癌风险较高;二氯甲烷污染物非致癌风险较高。