高瑞忠,秦子元,張 生,2,賈德彬,2,杜丹丹,2,張阿龍,王喜喜 (.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院,內(nèi)蒙古 呼和浩特 0008；2.內(nèi)蒙古水資源保護(hù)與利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,內(nèi)蒙古 呼和浩特 0000；.美國(guó)歐道明大學(xué),弗吉尼亞 諾福克 2529)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,重金屬污染已引起了人們的廣泛關(guān)注,其污染與危害已成為人類(lèi)面臨的重要環(huán)境問(wèn)題之一[1].重金屬是一種不能被降解的有毒物質(zhì),因其生物毒性、生物富集性和持久性,使得其污染問(wèn)題難以解決[2].重金屬污染地層,進(jìn)入含水層系統(tǒng)中,使地下水水體功能受到制約,影響社會(huì)生產(chǎn)效率和國(guó)民生活質(zhì)量,直接或間接對(duì)人們的健康產(chǎn)生嚴(yán)重威脅.因此,研究重金屬在環(huán)境中(包括土壤、地表水和地下水等)的含量和分布,以及對(duì)人類(lèi)健康的影響就顯得十分必要[3].國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者采用不同的研究方法針對(duì)地下水重金屬的來(lái)源、空間分布特征及污染評(píng)價(jià)開(kāi)展了大量的分析研究工作[4-12],在國(guó)內(nèi),黃冠星等[4]分析了珠江三角洲污灌區(qū)地下水重金屬含量特征,研究了重金屬間的相關(guān)特性;喬岡等[5]揭示了陜、豫接壤地帶的某金礦區(qū)地下水樣的重金屬元素及氰化物的含量特征,運(yùn)用單項(xiàng)、綜合污染指數(shù)評(píng)價(jià)方對(duì)地下水環(huán)境質(zhì)量做了評(píng)價(jià);張妍等[6]在黃河下游引黃灌區(qū)定量分析了 11種重金屬元素的含量以及空間分布特征,并對(duì)地下水中重金屬做了健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià);林曼麗等[7]等研究了皖北礦區(qū)不同含水層中的重金屬元素的含量特征并作出健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià);楊彥等[8]采用US EPA推薦的健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型對(duì)常州市城區(qū)、城郊不同暴露途徑下地下水污染進(jìn)行了評(píng)價(jià);國(guó)外Muhammad等[9]針對(duì)巴基斯坦北部科伊斯坦地區(qū)的飲用水進(jìn)行了重金屬健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)及源分析的研究;Bhowmick等[10]對(duì)印度西孟加拉地區(qū)地下水中As的健康風(fēng)險(xiǎn)與可能的治理評(píng)價(jià)方法進(jìn)行了總結(jié);Rajasekhar等[11]進(jìn)行了印度城市地下水石油污染的健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究;Mishra等[12]采用不同線性系統(tǒng)進(jìn)行了重金屬泄露污染地下水的健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的長(zhǎng)期對(duì)比分析研究.

綜上可知,國(guó)內(nèi)對(duì)地下水重金屬的研究多集中在工業(yè)發(fā)達(dá)區(qū),對(duì)于西北干旱半干旱地區(qū)的研究較少,并且地下水為西北干旱區(qū)生活生產(chǎn)的主要供水水源,地下水的水質(zhì)安全對(duì)于社會(huì)穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)發(fā)展至關(guān)重要.因此,本文選取西北干旱區(qū)吉蘭泰鹽湖盆地作為典型研究對(duì)象,旨在揭示吉蘭泰鹽湖盆地地下水中重金屬的空間分布特征,分析鹽湖盆地重金屬的污染及健康風(fēng)險(xiǎn)狀況,探討鹽湖盆地重金屬的來(lái)源,以期為吉蘭泰鹽湖盆地地下水資源合理開(kāi)發(fā)利用、地下水污染控制,以及保障居民生活飲水安全和身體健康、區(qū)域社會(huì)穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供參考依據(jù).

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

吉蘭泰鹽湖盆地 (38°50′N(xiāo)～40°40′N(xiāo),104°55′E～106°40′E),位于內(nèi)蒙古阿拉善盟東部,東南臨賀蘭山北麓,東北側(cè)與烏蘭布和沙漠相接,西南以騰格里沙漠的東北緣的低山臺(tái)地為界,西北側(cè)到達(dá)巴音烏拉山,流域面積為 20025km2,地面高程為1013～3159m(圖1).

吉蘭泰鹽湖盆地為 NE～SW 走向的第四紀(jì)更新統(tǒng)湖積物堆積的橢圓形盆地,地貌包括基巖山地、山前傾斜平原、臺(tái)地、沙地和盆地等[13].鹽湖盆地屬于典型的溫帶大陸性氣候,夏季炎熱,冬季寒冷,干旱少雨.多年平均氣溫 8.6℃,最高氣溫達(dá)41.5℃,多年平均降水量109.5mm,多年平均蒸發(fā)量為2960.7mm,最大月降水量一般出現(xiàn)在7或8月份.

吉蘭泰鹽湖盆地主要行政區(qū)劃為吉蘭泰鎮(zhèn),該區(qū)以吉蘭泰鹽湖鹽業(yè)及副產(chǎn)品工業(yè)為主,包括少量農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)和商業(yè)等共存的多元化經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu).吉蘭泰鹽湖是我國(guó)重要的鹽業(yè)生產(chǎn)基地,在全國(guó)鹽業(yè)生產(chǎn)工業(yè)中具有舉足輕重的地位,吉蘭泰鹽化集團(tuán)是我國(guó)目前機(jī)械化程度最高、產(chǎn)量最大的湖鹽生產(chǎn)企業(yè),是世界規(guī)模最大的鈉生產(chǎn)企業(yè).

圖1 吉蘭泰鹽湖盆地地下水采樣點(diǎn)分布Fig.1 Distribution of sampling points in Jilantai Salt Lake Basin

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

1.2.1 采樣點(diǎn)設(shè)置 為研究吉蘭泰鹽湖盆地地下水主要重金屬成分的空間分布和化學(xué)特征,采樣點(diǎn)布設(shè)結(jié)合鹽湖盆地流域的地貌特征,考慮鹽湖盆地地下水的匯流方向,以吉蘭泰鹽湖為中心向四周發(fā)散狀均勻布設(shè),共71個(gè)采樣點(diǎn)(圖1),采樣井為開(kāi)采淺層地下水的飲用水井或灌溉用井.

1.2.2 樣品分析與測(cè)定 樣品采集與處理遵循地下水環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范[14],采樣瓶為細(xì)口塑料瓶,用1:1硝酸溶液浸泡48h后,分別用1:1鹽酸溶液和二次蒸餾水洗滌數(shù)次,瀝干備用.每組水樣包括一個(gè)原水樣(2.5L)和一個(gè)加 HNO3(1:1)酸化的水樣(1L的塑料瓶),樣品均送于內(nèi)蒙古自治區(qū)水資源保護(hù)與利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室測(cè)定.Hg 和 As 通過(guò)北京普析通用 PF6-2型雙道全自動(dòng)原子熒光光度計(jì)測(cè)定,檢出限分別為 Hg＜0.001μg/L、As＜0.01μg/L,精密度＜1.0%,測(cè)試線性范圍＞103;Cr6+通過(guò)TU-1810PC紫外可見(jiàn)分光光度法測(cè)定,檢出限為 0.004mg/L.為保證分析的準(zhǔn)確性,重金屬含量測(cè)定全程做空白樣,每個(gè)樣品均采用 3組平行實(shí)驗(yàn),取均值作為樣品測(cè)定最終值.

1.2.3 數(shù)據(jù)處理 數(shù)據(jù)的數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析采用EXCEL2010和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)DPS15.1軟件完成,重金屬成分的空間分布特征圖利用 ArcGIS10.1制作.

1.3 研究方法

1.3.1 單因子指數(shù)法 單因子評(píng)價(jià)法是將每個(gè)水質(zhì)指標(biāo)與對(duì)應(yīng)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較,確定水質(zhì)類(lèi)別,選擇水質(zhì)單項(xiàng)指標(biāo)中最差的類(lèi)別來(lái)確定水體的水質(zhì)類(lèi)別[15],計(jì)算公式為:

式中:Pi為第i類(lèi)重金屬的單因子污染指數(shù);Ci為第 i類(lèi)重金屬測(cè)定值,mg/L;Si為第 i類(lèi)重金屬水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),mg/L.當(dāng) Pi≤1時(shí),表示該種重金屬對(duì)水質(zhì)無(wú)影響;當(dāng) Pi＞1時(shí),表示該種重金屬對(duì)水體質(zhì)量有一定影響,數(shù)值大小反映污染影響程度.

1.3.2 內(nèi)梅羅指數(shù)法 內(nèi)梅羅指數(shù)法是考慮極值的計(jì)權(quán)型多因子環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)方法,是計(jì)算綜合污染最常用的方法之一[16],它既可以反映各重金屬對(duì)地下水環(huán)境的綜合作用,還可突出高濃度重金屬對(duì)地下水質(zhì)量的影響,具有更好的適用性和優(yōu)越性[17],計(jì)算公式為:

式中:PN為測(cè)點(diǎn)i的綜合污染指數(shù),依據(jù)PN可將地下水重金屬污染劃分為清潔(PN≤0.7)、尚清潔(0.7＜PN≤1.0)、輕度污染(1.0＜PN≤2.0)、中度污染(2.0＜PN≤3.0)和重污染(PN＞3.0)5 個(gè)等級(jí);Pimax為測(cè)點(diǎn)i重金屬單項(xiàng)污染指數(shù)的最大值;為單因子指數(shù)的加權(quán)平均值,wi為重金屬的污染權(quán)重, Swaine依據(jù)重金屬對(duì)環(huán)境的影響程度進(jìn)行了區(qū)分,其中wCr的權(quán)重為2, wHg的權(quán)重為3,wAs的權(quán)重為3[18].

1.3.3 健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià) 環(huán)境健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)是將污染物對(duì)人體健康的危害程度定量化,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境的安全性進(jìn)行判斷與評(píng)估的一種方法,其評(píng)價(jià)對(duì)象包括化學(xué)致癌物和非化學(xué)致癌物兩部分.環(huán)境健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型有很多,其中 US EPA模型可以實(shí)現(xiàn)考慮大氣、水、土壤、食物鏈等4種介質(zhì)攜帶重金屬通過(guò)食入、吸入和皮膚接觸等多種暴露途徑進(jìn)入人體而產(chǎn)生健康風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)價(jià),其機(jī)理清晰,計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)便,定量評(píng)價(jià),得到了我國(guó)學(xué)者的廣泛認(rèn)可和應(yīng)用,因此,本文采用 US EPA推薦的經(jīng)飲用水途徑進(jìn)入人體的健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型對(duì)地下水中的重金屬風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估,計(jì)算公式為[19-20]:

式中: R總為污染物經(jīng)飲用水途徑的總平均健康風(fēng)險(xiǎn),a-1;Rci為第i種致癌重金屬經(jīng)飲用水途徑的平均致癌風(fēng)險(xiǎn),a-1;Rni為第i種非致癌重金屬經(jīng)飲用水途徑的平均健康風(fēng)險(xiǎn),a-1;qi為第i種致癌重金屬的飲用水途徑致癌強(qiáng)度系數(shù),mg/(kg·d); RfDi為第i種非致癌重金屬通過(guò)飲用水途徑攝入的參考劑量,mg/(kg·d);Di和Dig分別為第i種致癌和非致癌重金屬通過(guò)飲用水途徑的單位體重日均暴露劑量,mg/(kg·d);2.2為成人每日平均飲水量,L;Ci為地下水中各金屬的實(shí)測(cè)濃度,mg/L;W為人均體重,kg;L為人均壽命,a.

通過(guò)計(jì)算致癌物和非致癌物經(jīng)飲用水途徑的總平均健康風(fēng)險(xiǎn)值,并對(duì)比健康風(fēng)險(xiǎn)參考標(biāo)準(zhǔn)(表1),進(jìn)而判斷地下水的健康風(fēng)險(xiǎn)程度.

表1 健康風(fēng)險(xiǎn)參考標(biāo)準(zhǔn)[21](a-1)Table 1 Reference criteria of health risk (a-1)

1.3.4 數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析法 利用地下水重金屬之間、以及與地下水中其它主要離子成分的統(tǒng)計(jì)相關(guān)性來(lái)判斷它們是否具有同樣的來(lái)源[22-24].當(dāng)重金屬成分與某離子成分相關(guān)系數(shù) r＜|r0|min時(shí),可接受重金屬成分與該離子成分為獨(dú)立的這一假設(shè),排除該離子成分與重金屬成分具有同源性;而當(dāng) r＞|r0|min時(shí),表明重金屬成分與該離子成分為相關(guān)序列的假設(shè),它們具有相同或相似的來(lái)源,其中:

式中:|r0|min為重金屬成分與某離子成分之間顯著相關(guān)系數(shù)的最低值;P為顯著性水平;tP為分布雙側(cè)檢驗(yàn)的臨界值;n為數(shù)據(jù)個(gè)數(shù).

2 結(jié)果與分析

2.1 地下水重金屬含量統(tǒng)計(jì)特征

表2 吉蘭泰湖盆地重金屬含量統(tǒng)計(jì)值Table 2 Statistical parameters of heavy metal content in Jilantai Salt Lake Basin

由表2可知,吉蘭泰鹽湖盆地地下水中Cr6+、As、Hg的濃度范圍跨度較大,最大值分別為最小值的 27、619和 394倍,平均濃度順序?yàn)镃r6+＞As＞Hg.變異系數(shù)表征數(shù)據(jù)的離散程度,當(dāng)其小于 10%為弱變異性,在 10%～100%為中等變異性,大于 100%為強(qiáng)變異性[25],Cr6+、As兩種重金屬的變異系數(shù)超過(guò) 100%,具有強(qiáng)變異性,說(shuō)明各采樣點(diǎn)Cr、As兩種重金屬含量存在較大變化,并且As的變異系數(shù)為Cr6+的2倍,表明As的含量變化尤為明顯,不排除是受人類(lèi)活動(dòng)的影響所致, Hg具有中等變異性,但變異系數(shù)也接近100%,各點(diǎn)含量差異較Cr6+、As小.Cr6+、As的最大值大于地下水質(zhì)量Ⅲ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)值,而最小值小于標(biāo)準(zhǔn)值,表明鹽湖盆地存在局部超標(biāo)點(diǎn)或超標(biāo)區(qū)域,Hg的最大值小于標(biāo)準(zhǔn)值,表明鹽湖盆地整個(gè)區(qū)域無(wú)超標(biāo)現(xiàn)象.

2.2 地下水重金屬含量空間分布特征

利用ArcGIS10.1以地統(tǒng)計(jì)學(xué)克里格插值繪制吉蘭泰鹽湖盆地地下水重金屬 Cr6+、As、Hg的空間分布圖(圖2).

吉蘭泰鹽湖盆地地下水中普遍含有 Cr6+,在鹽湖上游圖格力高勒溝谷及鹽湖東北部Cr6+含量較高,其他局部區(qū)域呈現(xiàn)斑狀高值區(qū).對(duì)西南部上游圖格力高勒溝谷巖土的表層、-50cm和-100cm深度共采樣120個(gè),化驗(yàn)分析顯現(xiàn)其中均含有Cr6+,巖土中這些Cr6+經(jīng)大氣降水淋濾作用和地下水溶濾作用隨地下水向下游運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散,并且下游地下水埋深為2～3m,流域夏季最高溫度達(dá)到 40℃以上,因此蒸發(fā)作用強(qiáng)烈,致使地下水中 Cr6+濃度不斷升高甚至超標(biāo);該區(qū)域內(nèi)無(wú)工礦企業(yè)存在,排除人類(lèi)活動(dòng)為 Cr6+的主要成因.

As在鹽湖盆地西南區(qū)域的臺(tái)地含量較高,類(lèi)似于區(qū)域Cr6+的成因,臺(tái)地巖土存在含As的化學(xué)物質(zhì),由大氣降水淋濾作用、地下水溶濾作用或離子交換作用進(jìn)入含水層中,導(dǎo)致整個(gè)臺(tái)地較大范圍地下水出現(xiàn)As高值區(qū);鹽湖東北部出現(xiàn)As含量點(diǎn)狀高值區(qū),鑒于該區(qū)域沒(méi)有與 As直接相關(guān)的工礦企業(yè),可能存在與 As間接相關(guān)的工礦企業(yè),通過(guò)工業(yè)廢水、廢渣、廢氣的間接排放砷化物,經(jīng)過(guò)大氣沉降、淋濾作用進(jìn)入地下水,致使地下水中的As出現(xiàn)點(diǎn)狀污染.

圖2 研究區(qū)地下水重金屬空間分布Fig.2 Spatial distribution of heavy metal from the groundwater

Hg高值區(qū)域主要以帶狀出現(xiàn)在鹽湖盆地西北部的巴音烏拉山,主要原因?yàn)榘鸵魹趵降膸r土含有 Hg,經(jīng)長(zhǎng)期的物理化學(xué)風(fēng)化侵蝕,大氣降水淋濾及入滲進(jìn)入地下水中,致使巴音烏拉山Hg含量出現(xiàn)帶狀分布;在鹽湖周邊及東北部也出現(xiàn)帶狀 Hg含量的高值區(qū),原因?yàn)樯嫌伟鸵魹趵降叵滤谙蛳掠螐搅鬟\(yùn)動(dòng)過(guò)程中攜 Hg,加之下游地下水埋深淺,蒸發(fā)強(qiáng)烈,致使下游地下水中的 Hg含量也呈現(xiàn)帶狀分布,并濃度不斷升高;在賀蘭山山前沖洪積平原區(qū)出現(xiàn)點(diǎn)狀高值區(qū),推測(cè)原因?yàn)槿祟?lèi)活動(dòng)造成,如生活廢棄物長(zhǎng)期堆放或垃圾焚燒等,降水淋濾作用而進(jìn)入地下水,隨地下水運(yùn)動(dòng)而遷移.

總體上,鹽湖盆地地下水中 3種重金屬元素的含量既呈現(xiàn)出明顯的帶狀或塊狀區(qū)域高值分布特征,也出現(xiàn)了點(diǎn)狀高值分布特征,表明鹽湖盆地地下水重金屬元素的分布與變化既受到巖土礦物、水利特征等天然因素影響,又受到人類(lèi)活動(dòng),如工業(yè)、農(nóng)業(yè)、城市、突發(fā)環(huán)境事故等的多重因素影響,使得鹽湖盆地的地下水重金屬空間分布變得較為復(fù)雜.

2.3 地下水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)

2.3.1 單因子指數(shù)評(píng)價(jià) 基于地下水質(zhì)量Ⅲ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行吉蘭泰鹽湖盆地地下水重金屬的單因子污染評(píng)價(jià)及統(tǒng)計(jì)分析(表3),鹽湖盆地地下水采樣點(diǎn)的 Cr6+、As出現(xiàn)含量超標(biāo),超標(biāo)率分別為8.45%、2.82%,污染指數(shù)最大值分別為標(biāo)準(zhǔn)值的2.18倍和1.31倍,而Hg未發(fā)現(xiàn)超標(biāo),含量均低于地下水質(zhì)量Ⅲ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn).鹽湖盆地地下水中 3種重金屬污染程度均值的排序?yàn)镃r6+＞Hg＞As,監(jiān)測(cè)的Cr6+、As、Hg三種元素的單項(xiàng)污染指數(shù)均值都小于 1,表明鹽湖盆地整體未出現(xiàn)污染狀況,其中Cr6+、Hg單項(xiàng)污染指數(shù)的均值分別是As的3.9倍和1.8倍.

表3 研究區(qū)重金屬單因子污染指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果統(tǒng)計(jì)Table 3 Statistical parameters of heavy metal evaluation from the single-factor pollution index

從 Cr6+的單因子污染指數(shù)空間分布(圖 3A)可知,Cr6+的單因子指數(shù)主要超標(biāo)區(qū)域在吉蘭泰鹽湖西南側(cè)、沿圖格力高勒溝谷呈條塊狀分布,在鹽湖附近的盆地中心Cr6+含量較高.對(duì)比Cr6+,As的超標(biāo)點(diǎn)分布相對(duì)分散,僅2個(gè)采樣井地下水超標(biāo),分別分布鹽湖盆地的西南部和東北部,而且Hg未發(fā)現(xiàn)超標(biāo),因此,這里未進(jìn)行As和Hg的單因子指數(shù)空間分布的分析.

2.3.2 內(nèi)梅羅指數(shù)評(píng)價(jià) 吉蘭泰鹽湖盆地內(nèi)梅羅指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果(表 4)表明,鹽湖盆地地下水采樣井 87.3%處于安全清潔的狀態(tài),有 7%達(dá)到了警戒線的范圍,存在污染趨勢(shì),屬于尚清潔的狀態(tài),僅有 5.6%的樣點(diǎn)發(fā)生了輕度污染,平均綜合污染指數(shù)為 1.321,最大值為 1.602,不存在中度和重度污染.

表4 地下水綜合污染指數(shù)等級(jí)統(tǒng)計(jì)Table 4 Statistical parameters of heavy metal evaluation from Nemerow index

由吉蘭泰鹽湖盆地內(nèi)梅羅指數(shù)空間分布(圖 3B)可以看出,鹽湖所處區(qū)域內(nèi)梅羅指數(shù)小于 0.7,為清潔狀態(tài),在鹽湖西南的圖格力高勒溝谷出現(xiàn)輕度污染區(qū)域,其他區(qū)域地下水水質(zhì)良好,屬于清潔狀態(tài).圖格力高勒溝谷達(dá)到污染警戒線和輕度污染,主要原因?yàn)樵搮^(qū)域巖土中的元素成分會(huì)經(jīng)過(guò)降水淋濾作用進(jìn)入地下水,上游地下水徑流過(guò)程中的溶濾作用也會(huì)使巖土中的元素成分進(jìn)入地下水并隨地下水向下游運(yùn)移,而下游溝谷區(qū)域地下水埋深淺,蒸發(fā)劇烈,使得多種重金屬富集.

對(duì)比 Cr6+的單因子污染指數(shù)空間分布可知,內(nèi)梅羅指數(shù)具有相似的空間分布,表明 Cr6+污染程度高,對(duì)地下水環(huán)境質(zhì)量的影響大,因此,應(yīng)特別關(guān)注 Cr6+的變化情況,這對(duì)于鹽湖盆地地下水污染控制、保障當(dāng)?shù)鼐用裆铒嬎踩蜕眢w健康有著十分重要的作用.

總之,對(duì)比地下水質(zhì)量Ⅲ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn),鹽湖盆地地下水Cr6+、As出現(xiàn)超標(biāo),Hg未發(fā)現(xiàn)超標(biāo),超標(biāo)區(qū)域主要在吉蘭泰鹽湖西南側(cè);鹽湖盆地地下水總體處于安全清潔的狀態(tài),僅在鹽湖西南的圖格力高勒溝谷出現(xiàn)輕度污染區(qū)域.

圖3 研究區(qū)重金屬評(píng)價(jià)空間分布Fig.3 Spatial distribution of evaluated results for the heavy metal

2.4 地下水重金屬健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型中重金屬的致癌強(qiáng)度系數(shù)和飲水暴露的參考劑量參照 US EPA標(biāo)準(zhǔn),Cr6+、As致癌強(qiáng)度系數(shù)分別為 41mg/(kg·d)、15mg/(kg·d),Hg的非致癌物質(zhì)的暴露參考劑量為0.0003mg/(kg·d)[26],評(píng)價(jià)對(duì)象為特定人群,根據(jù)中國(guó)衛(wèi)生統(tǒng)計(jì)資料,內(nèi)蒙古自治區(qū)人均預(yù)期壽命為 73.8a,成人人均體重為 65.0kg,計(jì)算得到吉蘭泰鹽湖盆地地下水重金屬通過(guò)飲用水途徑所引起的平均個(gè)人年健康風(fēng)險(xiǎn)(表5).

表5 經(jīng)飲用水途徑的化學(xué)致癌物質(zhì)和非化學(xué)致癌物質(zhì)的健康風(fēng)險(xiǎn)(a-1)Table 5 Health risk values for chemical carcinogens and non-chemical carcinogens by the way of drinking water (a-1)

通過(guò)飲用水途徑的化學(xué)致癌物的健康風(fēng)險(xiǎn)值遠(yuǎn)高于非化學(xué)致癌物的健康風(fēng)險(xiǎn)值(表5).化學(xué)致癌物 Cr6+在地下水水樣中所致健康危害風(fēng)險(xiǎn)值的數(shù)量級(jí)在 10-6～10-4,表明鹽湖盆地局部點(diǎn)或局部區(qū)域超過(guò)了US EPA最大可接受風(fēng)險(xiǎn)水平,同時(shí)Cr6+健康危害風(fēng)險(xiǎn)值高于瑞典環(huán)保局、荷蘭建設(shè)環(huán)保局、英國(guó)皇家協(xié)會(huì)、IAEA最大可接受風(fēng)險(xiǎn),局部點(diǎn)或局部區(qū)域超過(guò)了 ICRP最大可接受風(fēng)險(xiǎn),而整個(gè)鹽湖盆地 Cr6+的平均健康危害風(fēng)險(xiǎn)值低于US EPA和ICRP最大可接受風(fēng)險(xiǎn),高于其他標(biāo)準(zhǔn)值;As在地下水水樣中所致健康危害風(fēng)險(xiǎn)值的數(shù)量級(jí)在10-8～10-5,低于US EPA和ICRP最大可接受風(fēng)險(xiǎn),存在局部點(diǎn)或局部區(qū)域超過(guò)剩余其他標(biāo)準(zhǔn)值的最大可接受風(fēng)險(xiǎn)水平;總的致癌風(fēng)險(xiǎn)與 Cr6+類(lèi)似,鹽湖盆地局部點(diǎn)或局部區(qū)域超過(guò)了US EPA和ICRP最大可接受風(fēng)險(xiǎn)水平,同時(shí)整個(gè)區(qū)域高于瑞典環(huán)保局、荷蘭建設(shè)環(huán)保局、英國(guó)皇家協(xié)會(huì)、IAEA最大可接受風(fēng)險(xiǎn),而整個(gè)鹽湖盆地平均化學(xué)致癌風(fēng)險(xiǎn)值低于US EPA和ICRP最大可接受風(fēng)險(xiǎn),高于剩余其他標(biāo)準(zhǔn)值;Cr6+平均健康危害風(fēng)險(xiǎn)為總致癌風(fēng)險(xiǎn)貢獻(xiàn)率的 89%,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出As的健康危害風(fēng)險(xiǎn)貢獻(xiàn)率(圖 4),因此,Cr6+應(yīng)為優(yōu)先控制污染物,作為首要的環(huán)境健康風(fēng)險(xiǎn)控制指標(biāo).

圖4 鹽湖盆地化學(xué)致癌物質(zhì)貢獻(xiàn)率Fig.4 Contribution rate of chemical carcinogens

Hg在地下水中通過(guò)飲水途徑引起的健康危害風(fēng)險(xiǎn)值較小,數(shù)量級(jí)為 10-12～10-9a-1,即每年每千萬(wàn)人口中,因飲用水中的 Hg受到的健康危害或死亡的人數(shù)最多為 1人,健康危害風(fēng)險(xiǎn)值低于所有健康風(fēng)險(xiǎn)參考標(biāo)準(zhǔn)的最大可接受風(fēng)險(xiǎn).所以,非化學(xué)致癌物 Hg的健康危害風(fēng)險(xiǎn)度極低,可以忽略其對(duì)鹽湖盆地地下水的影響.

通過(guò)化學(xué)致癌物及總健康風(fēng)險(xiǎn)值空間分布(圖5)可知,在吉蘭泰鹽湖西南側(cè)、沿圖格力高勒溝谷存在塊帶狀分布區(qū)的致癌風(fēng)險(xiǎn)高于US EPA最大可接受風(fēng)險(xiǎn)水平,包括吉蘭泰鹽湖在內(nèi)的局部區(qū)域超過(guò) ICRP最大可接受風(fēng)險(xiǎn)水平,而低于US EPA最大可接受風(fēng)險(xiǎn)水平;盡管整個(gè)鹽湖盆地As的致健康危害風(fēng)險(xiǎn)低于US EPA和ICRP最大可接受風(fēng)險(xiǎn),但相對(duì)來(lái)說(shuō),在鹽湖盆地西南區(qū)域的臺(tái)地健康危害風(fēng)險(xiǎn)較高;對(duì)于鹽湖盆地總健康風(fēng)險(xiǎn),類(lèi)似于Cr6+健康風(fēng)險(xiǎn)分布,在吉蘭泰鹽湖西南側(cè)存在塊帶狀分布區(qū)的健康風(fēng)險(xiǎn)高于 US EPA最大可接受風(fēng)險(xiǎn)水平,沿圖格力高勒溝谷至西南臺(tái)地區(qū)域超過(guò) ICRP最大可接受風(fēng)險(xiǎn)水平,剩余其他區(qū)域健康風(fēng)險(xiǎn)較低.

圖5 化學(xué)致癌物及總健康風(fēng)險(xiǎn)值空間分布Fig.5 Spatial distribution of chemical carcinogen and total health risk value

2.5 地下水離子成分同源性特征

相關(guān)分析是推測(cè)水體或土壤離子來(lái)源的重要依據(jù),通過(guò)離子間的相關(guān)性可以判定水體或土壤中離子污染來(lái)源、途徑等重要信息,如果離子間存在顯著或極顯著的相關(guān)性,表明這些元素可能存在復(fù)合污染或同源關(guān)系[27].

重金屬Cr6+、As、Hg與主要化學(xué)成分或指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)相關(guān)分析(表6),Cr6+與Cr、K+呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系,而與其他化學(xué)組分或指標(biāo)的相關(guān)性不顯著,Cr6+部分超標(biāo)的原因包括吉蘭泰鹽湖盆地的高錳酸鹽指數(shù)偏高,存在促使 Cr3+容易氧化成為 Cr6+;Hg與 SO42-呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系,與 NO3-呈顯著的正相關(guān)關(guān)系,而與其他化學(xué)組分或指標(biāo)的相關(guān)性不明顯,表明 Hg的存在受制于酸堿條件;As與KMO4呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系,與 Cr呈顯著的正相關(guān)關(guān)系,且與大多數(shù)的元素呈不明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系,As與 Cr存在一定的同源關(guān)系.

2.6 討論

完整的US EPA健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型是4種介質(zhì)(如大氣、水、土壤、食物鏈等)攜帶重金屬通過(guò)食入、吸入和皮膚接觸3種暴露途徑進(jìn)入人體產(chǎn)生健康風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)價(jià)[28-29],而本文只單獨(dú)討論了Cr6+、Hg、As三種重金屬通過(guò)飲用水的途徑對(duì)人體產(chǎn)生的健康風(fēng)險(xiǎn),因此總的健康危害風(fēng)險(xiǎn)數(shù)值要小于實(shí)際的健康危害風(fēng)險(xiǎn).由于地下水健康危害風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算僅區(qū)分了致癌物和致癌物兩個(gè)部分,而致癌污染物同樣可能具有非致癌物的一些效應(yīng),因此評(píng)價(jià)得出非致癌物的健康危害風(fēng)險(xiǎn)很有可能被低估[30],但一些研究結(jié)果表明,水中的重金屬含量很低,但通過(guò)飲用水途徑計(jì)算出的健康危害風(fēng)險(xiǎn)值會(huì)偏高[31-35].由于各種重金屬對(duì)人體健康的危害不是獨(dú)立產(chǎn)生作用,而目前沒(méi)有統(tǒng)一方法進(jìn)行重金屬導(dǎo)致的混合風(fēng)險(xiǎn)的健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估,這將是今后進(jìn)一步研究的重點(diǎn).

3 結(jié)論

3.1 吉蘭泰鹽湖盆地地下水中普遍含有 Cr6+、As、Hg.鹽湖盆地地下水中 Cr6+、As、Hg含量既呈現(xiàn)出明顯的帶狀或塊狀高值分布區(qū)域,又出現(xiàn)點(diǎn)狀高值分布特征,表明其分布與變化既受到巖土礦物、水動(dòng)力特征等天然因素影響,又受到人類(lèi)活動(dòng)影響.

3.2 吉蘭泰鹽湖盆地地下水采樣點(diǎn)的Cr6+、As含量出現(xiàn)超標(biāo),而 Hg未發(fā)現(xiàn)超標(biāo);地下水總體處于安全清潔的狀態(tài),局部發(fā)生輕度污染,不存在中度和重度污染.

3.3 對(duì)于吉蘭泰鹽湖盆地,通過(guò)飲用水途徑的化學(xué)致癌物的健康風(fēng)險(xiǎn)值遠(yuǎn)高于非化學(xué)致癌物的健康風(fēng)險(xiǎn)值.鹽湖盆地平均化學(xué)致癌風(fēng)險(xiǎn)值低于US EPA最大可接受風(fēng)險(xiǎn)水平,存在局部點(diǎn)或局部區(qū)域超過(guò)US EPA最大可接受風(fēng)險(xiǎn)水平.

3.4 Cr6+部分超標(biāo)的原因包括吉蘭泰鹽湖盆地的高錳酸鹽指數(shù)偏高,存在促使 Cr3+氧化成為Cr6+;Hg的存在受制于酸堿條件;As與Cr存在一定的同源關(guān)系.

3.5 吉蘭泰鹽湖盆地超標(biāo)區(qū)域主要位于吉蘭泰鹽湖西南側(cè)的圖格力高勒溝谷區(qū)域,該區(qū)域內(nèi)現(xiàn)狀居民生活用水存在一定的潛在健康風(fēng)險(xiǎn),因此建議地下水開(kāi)發(fā)利用過(guò)程中應(yīng)針對(duì)以 Cr6+為主的重金屬進(jìn)行凈化預(yù)處理,以降低該區(qū)域內(nèi)的通過(guò)飲用水途經(jīng)而產(chǎn)生的健康風(fēng)險(xiǎn).

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