长江镇江段水体重金属动态变化特征及对沿江居民健康风险影响研究

王晨希 黄 晶 杨紫薇

(江苏省镇江环境监测中心，江苏 镇江 212000)

重金属毒性强[1]，难降解[2]，能通过食物链、饮水、皮肤接触等途径进入人体，并随着食物链富集放大，其毒性具有持久性[3]。值得关注的是，大部分重金属都具有致癌性，当其含量超过一定浓度时会严重危害人体健康[4]。长江是世界第三大河流、中国第一大河流，不仅是长江沿岸重要的饮用水源，也是沿岸城市和社会经济发展的强大动力。其水质直接影响到当地人民的生活和经济社会发展。目前长江流域水体常规监测资料显示长江镇江段干流及支流水体已受到不同程度的重金属污染，然而重金属污染水平、分布状况以及重金属毒性评价方法尚不清楚。另外，由于基础调查不足和基础数据缺乏，我国环境与健康风险评价等方面研究明显不足，不能为有效应对环境健康事件、开展环境与健康风险管理提供技术支撑，而长江流域的相关工作开展较少，可查资料有限[5]。因此，长江流域重金属对周围居民产生的健康风险评价工作亟待开展。

本研究全面分析了2015-2020年长江镇江段水体8种重金属(Mn、Zn、As、Cu、Pb、Cd、Hg、Fe)的浓度水平、分布特征，首次将江苏镇江地区人群暴露参数应用于 USEPA 健康风险评价模型[6]，研究重金属在长江镇江段水体产生的健康风险，识别区域优先防控的重金属，以期为该区域水体重金属的污染防控和水环境生态的进一步改善提供参考。

1 研究方法

1.1 研究区概况

镇江是江苏省十三市之一，全市共有35个镇，18个街道，504个村民委员会，286个社区居委会，全市户籍总人口271.4万人，年末全市常住人口315.5万人。长江流经镇江市境内长103.7 km，常年水位在1.24～8.38 m，平均水位4.81 m，流速0.40～1.08 m/s，流量7 700～38 600 m3/s，属长江流域中下游地区，担负着长江中下游流域沿江城市生活饮用和工农业用水的供给，主要河流有长江(镇江段)、长江夹江、长江内江等。长江镇江段是整个镇江市及其周边城镇居民日常生产生活饮用水源地之一，选择该流域地表水研究具有较强代表性。

1.2 采样和试验方法

于 2015—2020年(1-12月)间采集水样。每个采样断面设置监测垂线，水样采集位置位于研究断面水面以下0.5 m处。水样采集后等份混合均匀，静置30 min 后取500 mL均匀混合的水样放入聚乙烯塑料瓶中，加酸保存，运回实验室待测。本项目主要分析Mn、Zn、As、Cu、Pb、Cd、Hg、Fe等8项元素，分析时将水样经0.45μm的滤膜过滤后，水体Hg浓度参照《水质汞、砷、硒、铋和锑的测定 原子荧光法》(HJ 694-2014)测定。测定水体中Mn、Zn、As、Cu、Pb、Cd、Fe使用《水质65种元素的测定 电感耦合等离子体质谱法》(HJ700-2014)方法测定。经实地踏勘，结合流域实际情况，在长江镇江段共布设采样断面8个。采样断面位置见图 1。

S1:世业取水口S2:龙门口S3:征润州取水口S4:焦山尾S5:江心洲S6:青龙山S7:引航道S8:二墩港

1.3 评价方法

依据GB3838-2002《地表水环境质量标准》中Ι类水水质标准，评价长江镇江段水体各重金属的含量水平。

1.3.1 金属综合污染指数法(HPI)

运用重金属综合污染指数法(HPI)评价多个重金属对水体产生的综合污染状况，当HPI>100时，该水体的重金属污染程度已超过其最高可接受水平[7]。

Wi=k/Si

(1)

Qi=100(Ci/Si)

(2)

(3)

式中，Si：水体中最高允许浓度值，μg/L，取GB3838-2002的Ι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。

1.3.2 水体重金属污染变化趋势分析方法

重金属对水质的影响在时间上的变化趋势采用Daniel趋势检验技术进行定量分析。使用Spearman 秩相关系数法。其基本原理为：设一组水质监测时间序列为Y=[Y1,Y2,….YN]，其监测值对应的序列 C=[C1,C2,…..CN]。先将监测值序列Ci由小到大排列，并给它们编号Xi∈(1,2,…..,N)，把某个监测值在监测序列中的排列次序，称为该监测值的秩。然后按式(2-4)计算原始序列的秩相关系数Rs：

(4)

式中，Rs：原始序列的秩相关系数；N：时间周期；di：变量Xi与Yi的差值；Xi：按监测浓度值从小到大排列对应的序号；Yi：按时间排列的序号。

1.3.3 健康风险评价模型

采用目前国际上广泛应用的USEPA健康风险评价模型进行人体健康风险评价[8]，人体暴露参数取自《中国人群暴露参数手册(成人卷)》中江苏地区调查结果[9]。根据IARC的致癌性分类标准，As、Pb、Cd共3种重金属为化学致癌性物质同时参与致癌性健康风险评价和非致癌性健康风险评价，其余5种重金属为化学非致癌性物质仅参与非致癌性健康风险评价[10]。

水体中8种重金属的健康危害总风险Rz可表示为:

饮水途径健康风险评价模型[11]：

皮肤接触途径健康风险评价模型：

式中: SF为致癌物的致癌强度系数，Cd、As、Pb为致癌物，依次取 6.1 mg/(kg·d)、15 mg/(kg·d)、8.5×10-4mg/(kg·d);RFD为非致癌物的饮水途径参考剂量，Cu、Fe、Mn、Zn、Hg为非致癌物，依次取0.04 mg/(kg·d)、0.7 mg/(kg·d)、0.3 mg/(kg·d)、0.14 mg/(kg·d)、3×10-4mg/(kg·d)[12]。其他参数的取值参考杨学福等[13]的研究成果；体质BW(幼儿、青少年、成年人、老年人分别为19.1 kg、46.2 kg、62.9 kg、63.3 kg)，平均寿命L为76.7岁，每天平均饮水量IR(幼儿、青少年、成年人、老年人分别为1.1L、1.6L、2.3L、1.9L)。皮肤接触面积SA为1.6 m2，洗浴暴露时间ET为1.6 min/d;Cw为污染物的质量浓度,mg/L;EF为暴露频率，取 365 d/a;AT：终生暴露时间，AT=EF×ED。

2 结果与讨论

2.1 长江镇江段水体理化参数分析

长江镇江段各研究断面水体理化参数实测数据统计结果见表1。由表1可见，长江镇江段水温介于3.5～28.4℃，平均水温为14.9℃，由于各断面采样时间不同，早晚温差大，因此水温变化较大。长江镇江段水体pH为6.77～8.33平均pH为7.83，说明长江水体的酸碱度变化不大，总体呈中性微偏碱性。长江镇江段水体DO变化较大，介于5.6～11.74 mg/L之间，平均含量为8.91 mg/L，长江镇江段水体电导率为26.0～156 μs/cm，平均为37 μs/cm，在各参数中变异系数最大，说明各研究断面电导率大小差别较大。

表1 长江镇江段各研究断面水体理化参数统计

2.2 长江镇江段水体重金属的综合污染状况变化特征分析

2.2.1 长江镇江段水体中各种重金属变化趋势分析

2015—2020年长江镇江段水体中8种重金属的含量水平及年际变化情况见表2。结果显示六年来长江镇江段水体中8种重金属HPI指数逐年递减，通过秩相关系数趋势检验表明，As、Hg、Cu、Zn、Fe、Mn、Pb污染趋势呈明显下降趋势，Cd呈无显著变化趋势。各元素平均检出浓度，均低于GB3838-2002《地表水环境质量标准》Ι类水标准，表明2015—2020年该流域饮用水体质量均达标。

表2 长江镇江段水体中8种重金属的含量水平及年际变化情况

2.2.2 长江镇江段水体重金属的综合污染时间变化特征分析

2015—2020年四个季度(1-12月份)长江镇江段水体中As、Hg、Cu、Zn、Fe、Mn、Pb和Cd的重金属综合污染状况时间变化特征见图2。结果显示六年来长江镇江段水体中重金属的综合污染状况时间序列曲线呈不规则振动波型变化，且波动幅度逐年减小。例如2015年HPI剧烈波动，而 2020为轻微波动变化。六年来长江镇江段水体HPI 年内变化特征各异，没有一致的规律性，这与学者对其它河流水体中重金属的变化特征的研究结论一致[14-15]。

图2 8种重金属的综合污染状况时间变化特征

2.2.3 长江镇江段水体重金属的综合污染空间变化特征分析

2015—2020年长江镇江段水体中As、Hg、Cu、Zn、Fe、Mn、Pb和Cd 重金属综合污染状况变化特征见图3。结果显示，长江镇江段8种重金属综合污染状况沿程变化具有空间差异性，呈现出明显的区域性特征，六年来焦山尾、江心洲、青龙山、引航道、二墩港HPI保持稳定，除2015年HPI波动起伏明显，其他年份HPI基本呈逐年降低趋势。

图3 8种重金属的综合污染状况空间变化特征

2.3 长江镇江段水体重金属的浓度水平分析

长江镇江段各研究断面水体中8种重金属2015—2020年实测浓度统计结果见表3。结果发现，长江镇江段水体中8种重金属按所有研究断面平均浓度大小排序依次为：Zn>Fe> Cu>As>Mn>Pb>Cd>Hg。依据我国现行《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)，8种重金属在各研究断面水体浓度均达标。

表3 长江镇江段水体各研究断面8种重金属的实测浓度统计(n=72)

2.4 长江镇江段水体重金属对不同年龄段居民的健康风险分析

长江镇江段流域不同年龄段人群健康风险值见表4。由表4可知，水体中致癌物产生的个人健康风险值依次为As>Cd>Pb，非致癌物产生的个人健康风险值依次为Fe>Zn>Mn>Hg>Cu；不同年龄段居民的致癌健康风险和非致癌健康风险依次为幼儿>青少年>老年人>成年人。As的个人健康风险等级为 10-6a-1，虽然低于国际推荐值标准(1×10-4～5×10-5a-1)，但相比较其他7种重金属而言，As对人体的健康危害风险值最高，因此应将其作为风险管理的重点对象。

表4 长江镇江段水体重金属不同年龄段健康风险值 单位：a-1

2.5 长江水体重金属对江苏省不同区域、性别居民的健康风险分析

不同区域、不同性别人群的生活习惯存在差异，重金属对其产生的健康风险也不同。长江镇江段水体重金属对流域内不同区域(城市、城乡和农村)、不同性别(男、女)人群产生的总非致癌健康风险和总致癌健康风险值见表5。

表5 长江镇江段水体重金属对流域城乡、城市和农村人群产生的健康风险值 单位：a-1

结果显示：长江镇江段水体重金属对流域不同区域人群产生的总致癌健康风险值介于1.42×10-6～1.93×10-6a-1之间，远低于国际癌症研究机构(ICRP)和美国EPA[16]推荐的健康风险可接受水平5×10-5a-1和1×10-4a-1。说明长江镇江段水体重金属对流域内城市、城乡和农村的男性及女性人群所产生的总健康风险均未超过可接受水平。

2.6 长江镇江段水体重金属总健康风险评价

重金属总健康风险评价结果见表6。结果表明，从健康风险的空间分布特征来看，总健康风险较高的断面是征润州和二墩港，这与重金属的浓度分布相一致。按断面总健康风险顺序依次为：征润州>二墩港>青龙山>江心洲>世业洲>龙门口>引航道>焦山尾。总健康风险值最高为 4.39×10-6a-1，低于 USEPA 推荐的最大可接受水平 1×10-4a-1[17]。水体重金属通过皮肤接触途径所产生的致癌健康风险和非致癌健康风险均远小于通过饮水途径所造成的危害。且低于国际推荐值(1×10-4/a)，其健康风险可以忽略。

表6 长江镇江段水体重金属健康风险值 单位：a-1

3 结论

(1)长江镇江段水体中As、Cd、Cu、Fe、Mn、Pb、Zn和Hg，这8种重金属的平均质量浓度较低，均低于《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)Ι类水标准，这8种重金属HPI指数逐年递减，污染趋势呈明显下降趋势，在各采样点各重金属沿程空间分布总体差异性较大，没有明显的规律性。水体重金属浓度的这种分布特征也符合一般河流水体重金属分布随机性很大的特点[18]。

(2)水体中致癌物和非致癌物产生的个人健康风险值依次为As>Cd>Pb>Fe>Zn>Mn>Hg>Cu；不同年龄段居民的致癌健康风险和非致癌健康风险依次为幼儿>青少年>老年人>成年人。As的个人健康风险等级为10-6a-1，虽低于国际推荐值标准(1×10-4～5×10-5a-1)，但相比较其他7种重金属而言，As对人体的健康危害风险值最高，因此应将其作为风险管理的重点对象。

(3)长江镇江段水体重金属对流域不同区域人群产生的总非致癌健康风险和总致癌健康风险分别介于和2.51×10-9～3.06×10-9a-1和1.42×10-6～1.93×10-6a-1之间，均远低于国际癌症研究机构(ICRP)和美国EPA[18]推荐的健康风险可接受水平5×10-5a-1和1×10-4a-1。说明长江镇江段水体重金属对流域内城市、城乡和农村的男性及女性人群所产生的非致癌健康风险和致癌健康风险均未超过可接受水平。

(4)从健康风险的空间分布特征来看，总健康风险与重金属的浓度分布相一致。断面总健康风险顺序依次为：征润州>二墩港>青龙山>江心洲>世业洲>龙门口>引航道>焦山尾。总健康风险值最高为 4.39×10-6a-1，低于 USEPA 推荐的最大可接受水平 1×10-4a-1[13]。水体重金属通过皮肤接触途径所产生的致癌健康风险和非致癌健康风险均远小于通过饮水途径所造成的危害，且低于国际推荐值(1×10-4a-1)，其健康风险可以忽略。