饒 志，儲(chǔ)小東,，吳代赦，顏 春，陳 婷，何景媛

(1.江西省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站，江西 南昌 330031；2.南昌大學(xué)資源環(huán)境與化工學(xué)院，江西 南昌 330013)

長期城鄉(xiāng)二元發(fā)展模式使我國農(nóng)村供水與排水設(shè)施建設(shè)投入不足，導(dǎo)致農(nóng)村水資源質(zhì)量急劇下降，嚴(yán)重威脅農(nóng)村居民飲用水安全。地下水作為淡水的重要組成部分，是保障我國農(nóng)村生產(chǎn)和生活必不可少的水資源。但近年來，由于工礦業(yè)污染物、農(nóng)村生活污水和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)廢水向地下水的過量排放，農(nóng)村地下水污染程度和范圍不斷擴(kuò)大。農(nóng)村地下水污染物的種類繁多，其中重金屬污染尤為突出。重金屬一般來源于工礦業(yè)生產(chǎn)，經(jīng)由淋濾或滲透作用進(jìn)入地下水體。地下水中的重金屬通過飲水和食物鏈在人體內(nèi)富集，對人體產(chǎn)生直接或間接的健康風(fēng)險(xiǎn)[1]。汞(Hg)、鉛(Pb)、砷(As)、鎘(Cd)、銅(Cu)和鉻(Cr(VI))是危害最大的六種重金屬。當(dāng)這幾種重金屬進(jìn)入人體后，容易與體內(nèi)其他毒素結(jié)合生成毒性更大的物質(zhì)，并在身體的某些器官累積，造成慢性中毒[2-7]。農(nóng)村地區(qū)飲用水安全專業(yè)知識欠缺，對地下水污染的危害顯然缺乏足夠的重視。因此，有必要厘清農(nóng)村地下水中重金屬，尤其高危害重金屬的含量，并評估這些重金屬對人體可能產(chǎn)生健康風(fēng)險(xiǎn)，以規(guī)避農(nóng)村地下水飲用水的安全隱患。

健康風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)理論與方法，是評價(jià)地下水水質(zhì)的有效手段，已被國外學(xué)者廣泛應(yīng)用于地下水重金屬的風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)研究中[8-10]，我國早期地下水健康風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)通過引入“早四步法”[11]，介紹國外水環(huán)境健康風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)模型[12]，建立我國居民的參數(shù)模型進(jìn)行評價(jià)[13-15]。我國地下水健康風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)研究逐漸發(fā)展到對城市飲用水源地[16-17，25]以及北方地區(qū)地下水的評估[18-19]；但到目前為止對我國南方平原區(qū)域地下水健康風(fēng)險(xiǎn)的評價(jià)報(bào)道仍然很少。據(jù)此，中國地質(zhì)調(diào)查局于2012年立項(xiàng)開展鄱陽湖平原地下水污染調(diào)查與評價(jià)。本文以該項(xiàng)目為依托，以區(qū)域地下水重金屬為研究對象，利用美國環(huán)境保護(hù)署(USEPA)水環(huán)境健康風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)模型評價(jià)區(qū)內(nèi)地下水的水質(zhì)狀況以及對人體健康產(chǎn)生的危害，以期為鄱陽湖地區(qū)水質(zhì)污染狀況研究及治理工作提供理論依據(jù)，為其他南方區(qū)域地下水重金屬的監(jiān)測和健康風(fēng)險(xiǎn)控制提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

鄱陽湖是中國第一大淡水湖。鄱陽湖平原作為長江中下游平原的重要組成部分，是長江和鄱陽湖水系沖積而成的濱湖平原，位于長江中下游南岸，區(qū)內(nèi)地貌形態(tài)多樣，低山、丘陵、崗地、平原、湖泊相間。鄱陽湖平原地處東亞季風(fēng)區(qū)，屬亞熱帶濕潤季風(fēng)性氣候，氣候溫暖、降水豐沛，日照充足，無霜期長，四季分明。多年平均降水量為1500 mm，多年平均蒸發(fā)量為1150 mm。平原地下水是農(nóng)村地區(qū)飲用水的主要來源，對社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展起著重要作用，其類型包括松散巖類孔隙水、紅層碎屑巖類裂隙孔隙水、碳酸鹽巖裂隙溶洞水和基巖裂隙水，具有空間分布不均、季節(jié)變動(dòng)大的特征[20]。本文研究范圍為南昌、九江、景德鎮(zhèn)、新余、撫州5個(gè)區(qū)市，總面積約2.8×105km2(圖1)。

圖1 研究區(qū)位以及采樣點(diǎn)分布圖Fig.1 Location of the study area and sampling sites

1.2 樣品采集與測定

本研究探討以飲用為目的的鄱陽湖平原淺層地下水，樣點(diǎn)選取過程中充分考慮區(qū)域水文地質(zhì)條件和污染源分布狀況，選擇具有代表性的水點(diǎn)(井、泉等)作為采樣點(diǎn)，在平水期進(jìn)行地下水樣品采樣。所采集的171個(gè)樣點(diǎn)基本覆蓋了研究區(qū)的范圍(圖1)，主要集中于工業(yè)園區(qū)、礦山、固廢垃圾場、污水處理廠以及居民區(qū)，其中包括泉水采樣點(diǎn)29個(gè)，泉水流量為2～47 L/min，井水采樣點(diǎn)142個(gè)，所采集井水深度4～12 m。露天井采集水樣時(shí)，先用水泵充分抽汲后再用水樣采集器進(jìn)行采樣；手壓泵井和抽水井采集水樣時(shí)，先汲出停滯在管路中的水，充分沖洗后再采樣。地下水樣采集后加1%濃硝酸用聚乙烯瓶保存。樣品在24 h內(nèi)送回實(shí)驗(yàn)室，用0.45 μm的微孔濾膜過濾在聚乙烯瓶中，于4 ℃環(huán)境下保存，待測。地下水采樣按照《地下水環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(HJ/T164—2008)進(jìn)行，采樣時(shí)間為2012年1月—2015年12月。本文主要測定地下水中六種重金屬元素，其中的Cu、Pb、Cd、Cr、As用ICP-MS(ThermoElectron，XII)直接進(jìn)行測定；Hg過濾水樣經(jīng)硫酸、溴酸鉀-溴化鉀消解后使用原子熒光光度計(jì) (北京吉天公司，AFS-8230) 測定。樣品的測定在江西省地礦測試中心完成。

2 評價(jià)模型

運(yùn)用SPSS 19.0軟件對地下水重金屬含量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析(最大值、最小值、均值、標(biāo)準(zhǔn)差等)。采用美國USEPA的風(fēng)險(xiǎn)評估模型，對研究區(qū)地下水中的目標(biāo)污染物Cu、Pb、Cd、Cr、As、Hg等六種重金屬元素進(jìn)行健康風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)，確定基因毒物質(zhì)、軀體毒物質(zhì)和整體健康風(fēng)險(xiǎn)。

2.1 水環(huán)境健康風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)模型

地下水中的污染物主要通過飲水途徑、皮膚接觸、呼吸途徑進(jìn)入人體。鑒于區(qū)內(nèi)地下水通常作為飲用水，故選用以飲水途徑的健康風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)方法。水環(huán)境健康風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)模型主要包括基因毒物質(zhì)(致癌物質(zhì))評價(jià)模型和軀體毒(非致癌)物質(zhì)評價(jià)模型[21-22]?；蚨疚镔|(zhì)評價(jià)風(fēng)險(xiǎn)值計(jì)算公式：

(1)

Di——基因毒物質(zhì)i通過食入途徑的單位體質(zhì)量日均暴露劑量/(mg·(kg·d)-1)；

qi——基因毒物質(zhì)通過食入途徑致癌系數(shù)/(mg·(kg·d)-1)；

S——人類平均壽命/a。

軀體毒物質(zhì)評價(jià)風(fēng)險(xiǎn)值的計(jì)算公式：

(2)

Di——軀體毒物質(zhì)i通過食入途徑的單位體質(zhì)量日均暴露劑量/(mg·(kg·d)-1)；

RfDi——軀體毒物質(zhì)i通過食入途徑參考劑量/(mg·(kg·d)-1)；

S——人類平均壽命/a。

飲水途徑的單位質(zhì)量日均暴露計(jì)量(Di)：

Di=Vi×Ci/W

(3)

式中：Ci——飲用水中各重金屬的實(shí)測濃度/(μg·L-1)；

Vi——成人每日平均飲水量/(L·d-1)；

W——該地區(qū)的人體質(zhì)量/kg。

飲用水中重金屬整體健康風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)模型，即健康危害總風(fēng)險(xiǎn)為：

R總=Rc+Rn

(4)

2.2 評價(jià)模型污染因子和參數(shù)的確定

針對重金屬污染物的毒性，依據(jù)國際癌癥研究署(IARC)及美國環(huán)境保護(hù)署綜合風(fēng)險(xiǎn)信息系統(tǒng)(IRIS)數(shù)據(jù)，將污染物分為致癌污染物和非致癌污染物，本研究中致癌污染物包括3種分別為六價(jià)鉻、砷、鎘，非致癌污染物分別為汞、銅、鉛。本研究考慮到男女性別的生理性差異，水環(huán)境健康風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)模型中分男女兩種性別進(jìn)行評估，參數(shù)值的確定依據(jù)是人均壽命年齡：男性73歲，女性77歲。根據(jù)調(diào)查情況，成人每日平均飲水量為男性2.464 L，女性2.170 L；男性體重62.7 kg，女性體重54.4 kg[13]。

健康風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)模型各污染物的qi和RfDi定量參考值來源于國際癌癥研究機(jī)構(gòu)以及世界衛(wèi)生組織等機(jī)構(gòu)，As、Cd 和Cr(VI) 為基因毒物質(zhì)致癌物，強(qiáng)度系數(shù)qi分別為1.5 mg/(kg·d)、6.1 mg/(kg·d) 和41 mg/(kg·d)，Hg、Pb和Cu為軀體有毒物質(zhì)，強(qiáng)度系數(shù)RfDi分別為3×10-4mg/(kg·d)、1.4×10-3mg/(kg·d)和5×10-3mg/(kg·d)[14]。國外推薦社會(huì)公眾最大可接受風(fēng)險(xiǎn)水平及可忽略風(fēng)險(xiǎn)水平見表1，最大可接受風(fēng)險(xiǎn)值為1×10-6～1×10-4，最大可忽略風(fēng)險(xiǎn)值為1×10-8～1×10-7，本文選擇1×10-6作為最大可接受風(fēng)險(xiǎn)水平，1×10-8作為可忽略風(fēng)險(xiǎn)水平。

表1 最大可接受風(fēng)險(xiǎn)水平和可忽略風(fēng)險(xiǎn)水平

3 結(jié)果與討論

3.1 重金屬的含量特征

研究區(qū)171個(gè)地下水樣品中6種重金屬元素測試結(jié)果及與我國《地下水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 14848—2017)的Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)對比情況見表2。研究區(qū)內(nèi)地下水重金屬元素含量變化幅度較大，其中Hg與Cd兩種重金屬元素均值含量超過《地下水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 14848—2017)Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，分別是背景值的20.26倍和1.23倍，其他元素平均值含量低于Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)限制。該區(qū)重金屬Hg、Cd和As的最大值均超過Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，表明局部區(qū)域地下水存在污染。不同重金屬元素含量變異差異性較大，其變異系數(shù)由大到小依次為：Cd(349%)>Cu(145%)>Hg(143%)>As(99%)>Pb(46%)>Cr(37%)，說明重金屬在該研究區(qū)域地下水中分布不均勻，Cd、Cu、Hg、As四種金屬受人為影響較大。重金屬元素Cd、Hg具有較高的正偏度和峰度，表明研究區(qū)地下水中Cd和Hg受人為影響比較嚴(yán)重。

表2 研究區(qū)重金屬濃度特征表

圖2 研究區(qū)重金屬水質(zhì)狀況分布圖Fig.2 Distribution map of water quality of heavy metals in the study area

鄱陽湖平原地下水重金屬受人為影響較大(圖2)，淺層地下水Ⅰ類水主要在永修梅棠鎮(zhèn)西北部、星子縣蓼花鎮(zhèn)、進(jìn)賢文港—李渡鎮(zhèn)一帶、贛江中游新干段沿河岸邊等地分布，其他地區(qū)零星分布；Ⅱ類水主要分布在工作區(qū)北部，具體在彭澤—湖口條帶狀分布、星子沿湖岸邊、都昌北部沿湖岸邊、德安林泉、永修柘林—梅棠一帶、九江縣岷山鄉(xiāng)北部、九江市城區(qū)—廬山姑塘鎮(zhèn)一帶、高安城區(qū)—灰埠鎮(zhèn)一帶及新余南部等地，在其他地區(qū)零星分布；Ⅲ類水主要在進(jìn)賢三里—前坊鎮(zhèn)一帶、南昌縣廣福鎮(zhèn)、安義石鼻—萬埠鎮(zhèn)一帶、都昌縣南峰—薌溪鄉(xiāng)一帶及樂平后港—鎮(zhèn)橋鎮(zhèn)一帶分布，其他地區(qū)零星分布；Ⅳ類水主要分布在工作區(qū)東部、贛江、撫河、修水、潦河下游地區(qū)及各大湖泊沿湖岸邊。水體中Cd和Hg含量較高，導(dǎo)致區(qū)域地下水水質(zhì)存在一定的污染。其原因可能是：

(1)原生環(huán)境污染地下水。在某些沉積物中存在著原生性物質(zhì)，經(jīng)溶解、溶濾或運(yùn)移作用進(jìn)入含水層，使含水層地下水水質(zhì)受到污染，主要為南部地區(qū)巖石土質(zhì)中伴生Hg，本底值較高以及礦山開采造成周邊地下水原位污染。

(2)降水淋濾作用滲入地下水。以大氣降水形式通過地表包氣帶含重金屬污染的土壤層垂直下滲進(jìn)入地下水，從而污染地下水。主要集中在垃圾填埋場周邊以及農(nóng)田土壤區(qū)域。鄢新華等[23]對江西南昌—樟樹地區(qū)土壤中汞元素污染現(xiàn)狀評價(jià)結(jié)果表明南昌等城市土壤中Hg元素污染與人類活動(dòng)有著密切的聯(lián)系。

(3)經(jīng)地表水體間接污染地下水。工業(yè)園區(qū)的工業(yè)廢水未經(jīng)處理直接就近排入河、湖等水體，造成地表水重金屬污染嚴(yán)重。在豐水期，河流攜帶污染物以側(cè)向水平滲透方式擴(kuò)散補(bǔ)給地下水。

(4)農(nóng)村污水間接污染地下水。在采樣過程中，經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)鄱陽湖平原農(nóng)村飲用水90%以上建于房屋內(nèi)或庭院內(nèi)，10%左右建于路邊，其中12.7%水井分布于排污水溝，廁所、豬圈或化糞池周邊，衛(wèi)生環(huán)境極差；農(nóng)村地區(qū)3.5%水井周邊有生活污水和垃圾就地排放或堆積，導(dǎo)致了農(nóng)村飲用水源的嚴(yán)重污染。

3.2 健康風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)

運(yùn)用地下水健康風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)模型對鄱陽湖平原地下水水質(zhì)進(jìn)行了健康風(fēng)險(xiǎn)值的計(jì)算, 結(jié)果見圖3。研究區(qū)地下水中，As、Cd、Cr通過飲用水引起的男性平均個(gè)人年健康風(fēng)險(xiǎn)值分別為7.77×10-6/a～1.98×10-4/a、3.28×10-7/a～7.04×10-4/a、2.16×10-5/a～7.66×10-5/a，其平均值分別為2.70×10-5/a、2.03×10-5/a、4.43×10-5/a；女性致癌風(fēng)險(xiǎn)值分別在7.48×10-6/a～1.90×10-4/a、3.16×10-7/a～6.77×10-4/a、2.08×10-5/a～7.37×10-5/a之間，平均值為2.60×10-5/a、1.95×10-5/a、4.27×10-5/a。研究區(qū)不論男女平均個(gè)人年健康風(fēng)險(xiǎn)值均大于可接受風(fēng)險(xiǎn)值，Cr的健康風(fēng)險(xiǎn)值最大，是主要的致癌因子，As次之，Cd最低。男女健康風(fēng)險(xiǎn)值分別進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)男性的健康風(fēng)險(xiǎn)值均高于女性。孫超[16]等對上海市黃浦江上游地區(qū)和陳行水庫水中重金屬進(jìn)行評價(jià)，結(jié)果表明，陳行水庫的風(fēng)險(xiǎn)大小表現(xiàn)為As>Cr>Cd；黃浦江上游中，Cr的風(fēng)險(xiǎn)值最大，As次之，與本研究一致。高繼軍[19]等對北京市飲用自來水管和水井中的水質(zhì)進(jìn)行評價(jià)，表明As的風(fēng)險(xiǎn)值大于Cd，且兩者致癌風(fēng)險(xiǎn)水平集中在10-6/a，低于本研究的結(jié)果。孫樹青等[24]通過對湘江干流的健康風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)，顯示As的致癌風(fēng)險(xiǎn)值大于Cd。地下水飲用途徑致癌物質(zhì)總的健康危害風(fēng)險(xiǎn)分別為男性總風(fēng)險(xiǎn)2.97×10-5～9.78×10-4、女性總風(fēng)險(xiǎn)2.86×10-5～9.41×10-4。

圖3 鄱陽湖平原地下水水質(zhì)重金屬健康風(fēng)險(xiǎn)值Fig.3 lg scale health risk of heavy metals in the groundwater of the Poyang Lake

對鄱陽湖平原地下水水質(zhì)中非致癌物質(zhì)進(jìn)行健康風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算，得出由Cu、Hg、Pb導(dǎo)致的男性平均個(gè)人年健康風(fēng)險(xiǎn)值分別為2.15×10-11/a～1.32×10-9/a、3.77×10-10/a～5.63×10-7/a、1.97×10-9/a～8.71×10-9/a，其平均值分別為2.26×10-10/a、3.64×10-8/a、3.16×10-9/a；女性致癌風(fēng)險(xiǎn)值分別在2.07×10-11/a～1.27×10-9/a、3.63×10-10/a～5.41×10-7/a、1.86×10-9/a～8.26×10-9/a，平均值為2.17×10-10/a、3.50×10-8/a、3.00×10-9/a。三種元素的健康風(fēng)險(xiǎn)水平表現(xiàn)為Hg>Pb>Cu，屬于可忽略風(fēng)險(xiǎn)值。對這三種物質(zhì)的男女性健康風(fēng)險(xiǎn)值進(jìn)行比對，發(fā)現(xiàn)男性的健康風(fēng)險(xiǎn)值均高于女性。上海市主要飲用水中Hg、Cu、Pb引起的健康風(fēng)險(xiǎn)平均值都集中在10-10/a[16]， Hg、Cu的風(fēng)險(xiǎn)值小于本研究區(qū)域，Pb的風(fēng)險(xiǎn)值與之相當(dāng)。北京市飲用水中Hg和Cu的平均風(fēng)險(xiǎn)值集中在10-8/a和10-9/a[19]，其中，Cu的風(fēng)險(xiǎn)值高于本研究結(jié)果。地下水飲用途徑非致癌物質(zhì)總的健康危害風(fēng)險(xiǎn)分別為男性總風(fēng)險(xiǎn)2.37×10-9～5.73×10-7、女性總風(fēng)險(xiǎn)2.24×10-9～5.51×10-7。

鄱陽湖平原地下水中致癌金屬通過飲用途徑產(chǎn)生的健康風(fēng)險(xiǎn)遠(yuǎn)大于非致癌金屬的健康風(fēng)險(xiǎn)，存在潛在的健康危害，應(yīng)引起重視。同時(shí)，考慮到本次選擇的健康風(fēng)險(xiǎn)僅從重金屬的飲水途徑進(jìn)行計(jì)算，沒有對其他暴露途徑(如皮膚接觸、吸入和食入等)進(jìn)行評估，因此實(shí)際環(huán)境中重金屬總的暴露風(fēng)險(xiǎn)可能大于本研究的風(fēng)險(xiǎn)值。采樣調(diào)查過程中發(fā)現(xiàn)部分農(nóng)村飲用水井所處的位置與環(huán)境也存在著一定問題，給人體健康風(fēng)險(xiǎn)帶來了巨大的隱患，通過規(guī)范使用農(nóng)村飲用水源，合理保護(hù)地下水資源，可以減輕人體健康風(fēng)險(xiǎn)[25]。

4 結(jié)論

(1)研究區(qū)171個(gè)地下水樣品中Cd、Cu、Hg、As、Pb、Cr等6種重金屬元素含量變化幅度較大，其中Hg與Cd平均值含量超過《地下水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》的Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)。Hg、Cd和As最大值分別達(dá)到Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)的313.5倍、44.0倍和2.46倍，表明鄱陽湖平原局部地下水存在嚴(yán)重的污染，可能來源于原生環(huán)境、大氣降水、土壤和人為污染。

(2)致癌物健康風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)中，Cr、As和Cd的平均個(gè)人年健康風(fēng)險(xiǎn)值均大于可接受風(fēng)險(xiǎn)值，Cr的健康風(fēng)險(xiǎn)值最大，是主要的致癌因子，As次之，Cd最低。非致癌物質(zhì)進(jìn)行健康風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算中；Hg、Pb和Cu的健康風(fēng)險(xiǎn)水平表現(xiàn)為Hg>Pb>Cu，屬于可忽略風(fēng)險(xiǎn)。區(qū)域飲水途徑健康風(fēng)險(xiǎn)主要來自致癌物質(zhì)產(chǎn)生的健康風(fēng)險(xiǎn)，總體上男性整體健康風(fēng)險(xiǎn)大于女性的健康風(fēng)險(xiǎn)。