某饮用水源地水体重金属分布特征及健康风险评价

刘淑娟 李国文 鲁瑞梅 杨春涛 张薇 祁云宽 李元

关键词：重金属：人体健康风险：饮用水源地

饮用水源是人类赖以生存和发展的重要资源，其水质优劣直接关乎人体健康。在当前经济社会快速发展的背景下，饮用水源受工业、农业等人类活动影响，同时日益增多的突发性水污染事件对其水质安全构成了较大威胁。人类生产活动产生的含重金属污染物可通过地表径流或降水等形式转移至水体，造成水源地水体重金属积累。在湖库水环境中重金属可通过食物链或饮水等途径进入人体，对人体健康造成危害，同时重金属具有持久性、可积累性和生态毒性等环境效应，其浓度大小成为判别水环境质量的重要指标。因此，开展饮用水源地水体重金属健康风险评价显得尤为重要。

目前，各生态环境部门主要采用单因子评价法对饮用水源地水质进行评价，但是重金属评价指标较少。在饮用水水质渐趋达标及稳定的大环境下，关注饮用水中重金属浓度水平，并将其与人体健康风险结合起来，可以更全面、深入地掌握饮用水水质状况及其对人体健康的影响。随着人们对饮用水安全的日趋关注，国内有学者将水体重金属浓度与人体健康结合起来，研究了我国水库、河流和地下水中重金属浓度对人体健康的危害。鲁冬梅等初步研究了玉溪市红塔区飞井海水库水体水质，认为飞井海水库人体健康总风险以致癌物六价铬（Cr6+）为主。王海鹤等研究贵阳市7个集中式饮用水源地12种重金属对不同人群健康的潜在风险得出，致癌风险远高于非致癌风险，且以Cr6+所致的人均风险最高。秦欢欢等探讨了拉萨河重金属浓度的分布特征以及带来的健康风险。

本研究以云南某水库饮用水源地为研究对象，基于2019年1月至2021年12月水体水质监测数据，探讨库区和入库河流水体中8种重金属元素锌（Zn）、铅（Pb）、铁（Fe）、镉（Cd）、锰（Mn）、Cr6+、砷（As）、汞（Hg）的质量浓度分布特征，并运用美国环境保护署（US EPA）健康风险评价模型对人体健康风险进行评价，以期为该水库饮用水源地水环境风险管理提供科学依据。

1研究方法

某水库位于云南省中部某地级市，为当地中心城区集中式饮用水源，同时承担周边部分乡镇工业、农业及景观用水，是一座以防洪、灌溉、城市供水为主的中大型湖库型水库。水库总库容9060万m3，日供水10万m3，水源主要由库区降水和中上游3条河流补给。研究区属于亚热带高原季风气候区，地貌以山地和坝子为主，农业较为发达，石灰岩红壤分布较为广泛。研究区多年平均气温16.7℃，无霜期233d，多年平均降水量918mm。

1.1数据来源和断面布设

研究所用数据来源于当地生态环境监测部门，具体包括Zn、Pb、Cd、Fe、Mn、Cr6+、As、Hg共8种重金属2019年1月至2021年12月逐月监测数据。共设置6个研究断面，S1、S2、S3断面分布于库区，S4、S5、S6断面分布于3条入库河流下游靠近库区位置，其中S1断面位于库区取水口、S2断面位于库心、S3断面位于库尾。

每个监测断面于每月上旬严格按照《地表水和污水监测技术规范》（HJ/T 91-2002）要求定点进行一次表层水（水面下0.5m）采样。其中，S4断面2020年5月无水，S5断面2019年5月无水，S6断面2020年2月及2021年5月和6月因修路未采集水样，最终共收集到211组水样。

1.2健康风险评价模型

水体中污染物进人人体最主要的途径为饮水。本研究考虑饮水途径下致癌重金属和非致癌重金属引起的人体健康风险，运用美国环境保护署（US EPA）推荐的健康风险评价模型进行人体健康风险评价，其评价模型：

假设水体中各污染物对人体健康危害的毒性作用为累积关系，水体中重金属的总健康风险可表示为

2结果与讨论

2.1研究区水体重金属质量浓度

2019-2021年研究区水体重金属质量浓度见表1（库区Cr6+、Pb、Cd、Hg、Zn均未检出，入库河流Cr6+、Pb、Cd、Hg均未检出）。按质量浓度排序，库区Fe>Mn>As、入库河流Fe>Mn>Zn>As，Fe和Mn质量濃度较高，Fe、Mn质量浓度最大值均超过《生活饮用水卫生标准》（GB 5749-2022）和《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）Ⅲ类水标准限值。从变异系数看，除库区As外，检出的重金属均呈现高变异（0.74≤CV≤1.32）特征，由此推测，这几种重金属可能受人类活动影响较大，受局部污染源的影响较明显。

2.2研究区水体重金属质量浓度时空变化

研究区As、Zn、Fe、Mn质量浓度月变化见图1，可以看出As、Zn、Fe、Mn质量浓度表现出较明显的季节性变化。在库区（S1、S2、S3断面）As质量浓度各月差异不大，12月、1月、2月质量浓度稍高于其余月份的。在入库河流（S4、S5、S6断面）As呈现丰水期（4-10月）质量浓度较高、枯水期质量浓度较低的趋势。库区3个监测断面均未检出Zn，入库河流S6断面Zn质量浓度高值出现在4月、9月、11月，在S5断面Zn质量浓度高值出现在6月、10月、11月，在S4断面Zn质量浓度从6月开始总体呈上升趋势。库区Fe、Mn质量浓度高值均出现在冬季（1-3月、12月），稍高于其他月份的。在S4断面Fe质量浓度高值出现在5-9月，在S5断面Fe质量浓度呈现V形，5月下降至最低，在S6断面Fe质量浓度呈现上升与下降交替变化趋势，高值出现在6月、8月、11月。在S4断面Mn质量浓度高值出现在丰水期（4-11月），在S5断面Mn质量浓度较高值出现在6月、8月、9月、10月、11月，在S6断面Mn质量浓度较高值出现在2月、3月、5月、6月。

由图1还可以看出，3条入库河流水体As、Zn、Fe、Mn质量浓度高值基本集中在丰水期（4-11月），而库区水体质量浓度高值出现在枯水期（12月、1月、2月、3月），造成库区和入库河流水体中重金属质量浓度出现季节性差异的主要原因是各季节水循环条件不同。

丰水期入库河流水量充沛，河流径流量和流速增大，水土流失加剧，上游来水夹杂较多泥沙向下游流动，同时河流水位上涨，冲刷河流两侧枯枝落叶或生活垃圾进入下游，极易扰动河流水体底部重金属，加大水体与河流底部重金属的物质交换，从而使水质变差。具體而言，夏季气温较高，枯枝落叶消耗水体中溶解氧而腐烂，并释放有机酸，使水体pH值降低，在此环境下，高价态的Fe、Mn被还原成可溶态化合物释放到水体，导致入库河流下游水体Fe、Mn质量浓度增大，甚至超标。据相关研究，重金属As多来源于农业区施用的含磷化肥及农药和人类生活产生的废弃物，经实地调查发现，研究区入库河流上游农业较发达，存在生活污水、生活垃圾及农业生产活动产生的废弃物处理不当等问题，这些废弃物沿途经雨水淋溶进入下游水体，从而导致As质量浓度升高。有报道显示，Zn作为交通污染源的标识性元素主要来源于汽车轮胎机械磨损，经实地调查，研究区3条入库河流监测断面上游沿线有城市快速路或乡村道路通过，丰水期雨量充沛，降水频繁，汽车碾压路面产生的扬尘或轮胎与地面磨损产生的含Zn气溶胶颗粒很容易通过地表径流或降水转移进入河流，致使河流水体Zn质量浓度上升。

冬季枯水期降水减少，汇入库区的3条河流地表径流减少，库区水位下降。冬季太阳辐射减弱、气温降低，库区水体处于混合期，水库热分层结构失稳，水体存在强烈的垂向对流扩散，下层水体与上层水体交换相对容易，有利于水库底部As、Fe、Mn向水体表层输送，导致表层水体As、Fe、Mn质量浓度出现季节性增大。

由图2可以看出，水体中检出的4种重金属As、Zn、Fe、Mn质量浓度空间分布不均，4种重金属在入库河流中的质量浓度均值普遍高于库区的。具体而言，入库河流As、Zn、Fe、Mn质量浓度均值最大值分别出现在S5、S4（S6）、S5、S4断面，分别为2.50、4.91、156.85、76.81ug/L，库区As、Fe、Mn质量浓度均值最大值分别出现在S2（S3）、S3、S3断面，分别为0.90、26.86．6.92ug/L。这可能与研究区地形地貌、水体水文特征等自然环境条件及当地产业结构、人类生产方式和活动强度有关。

2.3研究区水体重金属健康风险评价

由表2可知，在库区和入库河流，成人的致癌重金属年健康风险平均值分别为4.53×10-5/a和4.99x10-5/a，儿童的R．平均值分别为5.78x10-5/a和6.37×10-5/a，成人和儿童所受的风险均处于10-5/a水平，但儿童所受致癌总风险大于成人，约为成人的1.28倍。此外，致癌重金属在库区和入库河流对成人所致的年健康风险均低于美国环境保护署（US EPA）推荐限值（1.0x10-4/a）1个数量级，非常接近国际辐射防护委员会（ICRP）推荐限值（5.0×10-5/a），应引起高度重视：致癌重金属在库区和入库河流对儿童所致的年健康风险分别超过ICRP推荐限值的15.6%和27.4%，表明致癌重金属对儿童有致癌风险，主要原因在于儿童身体的生理特点有别于成人，更易受到致癌重金属影响。

表2所列的3种致癌重金属，以Cr6+的健康风险最高，As次之，Cd最小，致癌重金属Cr6+和As年健康总风险贡献占比之和高达99%．说明Cr6+和As是致癌健康总风险的决定元素，这一研究结果与余葱葱等的研究结果一致。应优先将研究区Cr6+和As作为水环境健康风险管理的重点，并采取相关治理措施。值得注意的是，Cr6+和Cd在研究区水体中未检测到，但经风险评价后Cr6+成为研究区主要致癌金属，说明痕量重金属也可引起较高致癌年健康风险，这主要与不同金属元素毒性大小有关。因此，应科学合理地将水体水质评价标准与水环境健康风险结合起来，以准确掌握饮用水安全状况。

表3显示，在库区和入库河流，成人的非致癌重金属年健康风险（R）平均值分别为4. 25×10-10／a和7.42×10／a，儿童的R。平均值分别为5.42×10／a和9.46×10／a，成人和儿童所受的风险均值处于10／a水平，远低于荷兰建设和环境保护部推荐的可忽略水平1×10／a以及英国皇家协会推荐的可忽略水平1×10-7／a[5]，说明研究区非致癌金属对成人和儿童年健康风险极低，可忽略不计。

结合表2和表3来看，研究区重金属经饮水途径引起的致癌风险远远大于非致癌风险，说明致癌重金属年健康风险（R）占据总风险值（R）的主导地位。此外，研究区致癌和非致癌重金属年健康风险均表现出入库河流>库区、儿童>成人的特点，说明入库河流较库区引起的人体健康风险更高，儿童较成人对水体重金属更敏感，这与黄宏伟等的研究结果一致。因此，应重视研究区水体对儿童饮水安全的影响。

3结论

2019-2021年，云南某水库饮用水源地库区及入库河流水体各重金属质量浓度差异较大，Hg、Cr6+、Pb和Cd均未检出，Zn、As、Fe和Mn均有检出且质量浓度变异系数较大，其中Fe和Mn质量浓度最大值已超过我国现行《生活饮用水卫生标准》（GB 5749-2022）和《地表水环境质量标准》（GB 3838-2002）Ⅲ类水标准限值。研究区检出的As、Zn、Fe、Mn质量浓度具有明显季节性和地域性差异，在入库河流水体中重金属质量浓度普遍高于库区水体的，且入库河流水体重金属质量浓度高值出现在丰水期，库区重金属质量浓度高值出现在枯水期。研究区致癌和非致癌重金属年健康风险呈现出入库河流>库区、儿童>成人的特点。5种非致癌重金属Pb、Hg、Fe、Mn、Zn对成人和儿童的年健康风险极低，处于10-10/a水平，为无风险：3种致癌重金属Cd、Cr6+、As对成人的最大年健康风险平均值4.99×10-5/a接近ICRP推荐限值（5.0x 10-5/a），应引起重视，而对儿童的最大年健康风险平均值6.37×10-5a已超过ICRP推荐限值，对儿童有致癌风险，其中致癌重金属主要为Cr6+和As，应作为优先控制污染物。