基于蒙特卡罗模拟的辽宁省某化工园区及周边地下水PAHs健康风险评价

程全国, 王浩东, 李 晔, 高 悦

(1. 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;2. 辽宁省环境规划院有限公司 交通环评部, 辽宁 沈阳 110037)

多环芳烃(PAHs)是由2个或多个苯环融合在一起的数百种化合物组成的一种有机化合物,是环境中普遍存在的持久性有机污染物(POPs)[1]。多环芳烃的人为和自然释放主要来自不完全燃烧,其排放的3大来源是汽车尾气、煤炭燃烧和生物质燃烧[2-3]。近年来,多环芳烃造成的污染已成为世界范围内的主要环境问题[4]。PAHs通过废水的排放和大气沉降等方式渗入地下,对地下水造成污染[5-7]。针对饮水安全的问题,准确识别地下水中PAHs对人体造成的健康危害,提出精准、有效的污染风险管控措施显得尤为关键。传统的健康风险都具有不确定性[8],概率模型的使用可以辨识并量化风险评价过程中的不确定性,得出风险的概率分布,量化暴露途径和参数对风险的影响程度,其健康风险评价结果更为合理[9]。国内外运用概率模型对土壤污染物的健康风险评价已有研究[10-12],但是运用概率模型对一个水文年内的地下水健康风险评价却较少。

本文对辽宁省某化工园区及周边地下水进行一个水文年的采样,检测其中9种PAHs。采用基于蒙特卡罗随机模拟的概率健康风险模型,运用Crystal Ball 11.1软件,评价研究区域地下水PAHs的健康风险,以期为该区域风险管控提供指导。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

辽宁省某化工园区中心地理坐标为北纬41°12′33.0″,东经123°13′2.5″,1993年10月开始建设。园区地处北温带,属大陆性气候,冬季寒冷,夏季炎热,四季分明,多年平均气温为9.7 ℃,年平均降水量为72 mm,降水主要集中在6—9月份,其降水量约占全年总降水量的70%～80%。

1.2 样品采集与指标测试

本次评价地下水采样按照区域枯水期、平水期、丰水期,分别于12月、次年4月和8月进行。评价区域内共建成16个监测井,监测井分布如图1所示,监测井信息见表1。根据资料得知评价地区地下水流向为由南向北。

图1 采样点监测井分布Fig.1 Distribution of sampling sites

表1 监测井信息Table 1 Information of monitoring wells 单位: m

一个水文年共采集48个地下水样品。应用德国Thermo生产的PolarisQ型气相色谱-质谱联用仪测定48个样品中PAHs的质量浓度[13]。检测出苯并(a)蒽(BaA)、(Chr)、萘(Nap)、苊(Acp)、芴(Flu)、菲(Phe)、蒽(Ant)、荧蒽(Flr)和芘(Pyr)9种多环芳烃。

1.3 健康风险评价

健康风险评价是针对人体健康与环境污染两者的关系所做出的评价。风险度作为评价标准,是环境污染物质对人体健康产生危害风险程度的判别依据。通过计算污染物质对人体健康危害发生的概率,评价当前或预测未来是否会引起目标人群的健康危害,并提出降低风险发生的方法与对策[14]。本文运用US.EPA推荐的健康风险评价模型,通过危害识别、暴露评估、毒性评估和风险表征4个流程进行健康风险评价[15-16]。

1.3.1 危害识别

危害识别的目的是通过收集资料、进行环境调查,掌握场地地下水中需要进行调查和风险评价的污染物质量浓度分布,分析可能的敏感受体。研究区检测出的9种PAHs质量浓度见表2。

表2 研究区PAHs质量浓度Table 2 Concentration of PAHs in study area 单位:μg·L-1

1.3.2 暴露评估

人群暴露于研究区地下水PAHs污染的途径有饮水摄入和皮肤接触,其中饮水摄入途径考虑地下水经过过滤处理后的饮用情况。2种暴露途径下地下水暴露量计算公式见式(1)和式(2)。

式中:Ging和Gderm分别为饮水摄入和皮肤接触途径下的日均暴露量,μg·kg-1·d-1;ρ为地下水中PAHs的质量浓度,μg·L-1;I为儿童或成人饮用水每日摄入量,L·d-1;E为暴露频率,d·a-1;D为暴露期限,a;Kp为与水接触时PAHs在皮肤中的渗透系数,cm·h-1;S为与水接触的皮肤表面积,cm2;T为暴露时间,h·d-1;B为儿童或成人体重,kg;A为致癌/非致癌效应平均时间,d;相关参数见表3[10,17]和表4[18-19]。

表3 地下水中PAHs健康风险评价的相关暴露参数Table 3 Relevant exposure parameters for health risk assessment of PAHs in groundwater

表4 9种PAHs的Kp值Table 4 Kp values of 9 PAHs 单位:cm·h-1

1.3.3 毒性评估

根据暴露途径确定9种PAHs的致癌效应和非致癌效应毒性参数,分别为:饮水摄入致癌斜率因子Si,kg·d·mg-1;皮肤接触致癌斜率因子Sd,kg·d·mg-1;经口摄入参考剂量Ri,mg·kg-1·d-1;皮肤接触参考剂量Rd,mg·kg-1·d-1。相关毒性参数见表5[18]。

表5 9种PAHs的毒性参数值Table 5 Values of toxicity parameters of 9 PAHs

1.3.4 风险表征

2种暴露途径下的致癌风险指数Ring和Rderm的计算见式(3)和式(4),非致癌风险指数Hing和Hderm的计算见式(5)和式(6),总致癌风险Rn和总非致癌指数Hn的计算见式(7)和式(8):

式中:Ring和Rderm分别为饮水摄入和皮肤接触途径下致癌风险指数;Hing和Hderm分别为饮水摄入和皮肤接触途径下非致癌风险指数;Rn和Hn为饮水摄入和皮肤接触途径下总致癌风险指数和总非致癌风险指数。致癌风险指数超过10-6或非致癌风险指数超过1为不可接受风险。

为更好地判定健康风险的大小,根据已有的研究对健康危害进行模糊化分级,把健康危害风险分为6级,评价标准的等级划分如表6[20-23]所示。

表6 健康危害风险评价标准等级划分Table 6 Health hazard risk evaluation standard classification

2 结果与讨论

2.1 致癌风险评价

由式(1)～式(4)和式(7)计算得到研究区儿童和成人暴露于地下水PAHs的致癌风险,其结果见表7。

表7 辽宁省某化工园区及周边地下水PAHs造成的95%分位数的致癌风险

评价结果表明,评价区域PAHs对儿童和成人造成的95%分位数的总致癌风险指数分别为2.55×10-6和1.54×10-5,大于10-6,分别处于Ⅰ级和Ⅱ级风险评价标准区间,即低风险和低中风险程度。从每种PAH对总致癌风险的贡献来看,无论是对于儿童还是成人,苯并(a)蒽(BaA)对总致癌风险的贡献率最大,分别为94.70%和92.96%。从各暴露途径来看,无论是对于儿童还是成人,饮水摄入是地下水PAHs造成致癌风险的最主要暴露途径,计算可知,其对总致癌风险的贡献率分别为儿童60.49%和成人64.54%。因此,为了降低风险,应避免饮水摄入,重点针对苯并(a)蒽(BaA)进行防治。

2.2 非致癌风险评价

由式(1)、式(2)、式(5)、式(6)和式(8)计算得到研究区儿童和成人暴露于地下水PAHs的非致癌风险,其结果见表8。

表8 辽宁省某化工园区及周边地下水PAHs造成的95%分位数的非致癌风险

评价结果表明,评价区域PAHs对儿童和成人造成的95%分位数的总非致癌风险指数分别为7.66×10-4和1.18×10-3,小于1,可忽略。从每种PAH对总非致癌风险的贡献来看,无论是对于儿童还是成人,萘(Nap)对总非致癌风险的贡献率最大,分别为33.90%和34.21%。从各暴露途径来看,无论是对于儿童还是成人,饮水摄入是地下水PAHs造成非致癌风险的最主要暴露途径,计算可知,其对总非致癌风险的贡献率分别为儿童79.58%和成人80.98%。目前研究区不会给当地居民带来显著风险,但应对其潜在危害加以关注,尤其针对萘(Nap)进行重点管控。

2.3 敏感性分析

为探究各暴露参数对健康风险的影响程度,基于蒙特卡罗概率模型进行敏感性分析,其结果如图2所示。敏感度的绝对值越大,说明其对风险值的影响越大。敏感度为正值,说明其与风险评价值正相关,若为负值,则与风险评价值负相关[24]。敏感性分析表明,对儿童和成人的健康风险,暴露期限(D)的敏感度均为最大值,分别为99.64%和99.89%;体重(B)的敏感度均为负值,且绝对值最大,分别为-6.92%和-4.61%。

由以上分析,应尽量减少人体对地下水PAHs的暴露期限,从而对风险有所防范;体重具有负敏感性,说明体重越小的群体,PAHs对其造成的健康风险水平越高。

图2 PAHs的敏感性分析Fig.2 Sensitivity analysis of PAHs

3 结 论

1) 辽宁省某化工园区及周边地下水中PAHs对儿童和成人造成的95%分位数的总致癌风险值分别为2.55×10-6和1.54×10-5,大于10-6,分别处于Ⅰ级和Ⅱ级风险评价标准区间,即低风险和低中风险程度;苯并(a)蒽(BaA)是造成人体致癌风险最主要的PAH;饮水摄入是最主要的暴露途径。

2) 辽宁省某化工园区及周边地下水中PAHs对儿童和成人造成的95%分位数的总非致癌风险分别为7.66×10-4和1.18×10-3,小于1,可忽略;萘(Nap)是造成人体非致癌风险最主要的PAH;饮水摄入是最主要的暴露途径。

3) 敏感度分析表明,暴露期限是健康风险评价最主要的影响因素,体重与健康风险的负相关性最大。