林 麗，范 薇,2，周金龍,2，曾妍妍,2

(1.新疆農業(yè)大學水利與土木工程學院，烏魯木齊 830052；2.新疆水文水資源工程技術研究中心，烏魯木齊 830052)

重金屬具有高穩(wěn)定性、可累積性和毒性等特點[1-3]，通過飲水和食物鏈等途徑直接或間接對人體造成健康危害，且不少重金屬具有致突變、致畸、致癌作用[4,5]。地下水作為喀什地區(qū)生活生產的主要供水水源，對地下水重金屬進行健康風險評價非常必要。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況

喀什地區(qū)位于新疆維吾爾自治區(qū)西南部，塔里木盆地西部，屬于暖溫帶大陸性氣候，降水稀少、蒸發(fā)強烈，由喀什噶爾河流域和葉爾羌河流域組成。區(qū)內地下水為第四系松散巖類孔隙水，主要來源于大氣降水入滲、山前側向補給、河道水滲漏、渠系水與田間灌溉水入滲、水庫滲漏和井灌回歸。西部喀什噶爾河流域地下水流向由西北向東南，東部葉爾羌河流域地下水流向由南向北。人工開采、潛水蒸發(fā)、植物蒸發(fā)等為地下水主要的排泄方式[11]。

1.2 地下水水樣采集與測試

2017年7-9月在研究區(qū)采集淺層地下水樣品(井深≤100 m)共計68組，采樣點分布見圖1。水樣嚴格按照《地下水環(huán)境監(jiān)測技術規(guī)范(HL/T164-2004)》進行采集、保存、送樣。水樣測試由國土資源部烏魯木齊礦產資源監(jiān)督檢測中心(新疆維吾爾自治區(qū)礦產實驗研究所)完成，測試指標包括Cu、Pb、Zn、Fe、Mn、Cr(Ⅵ)、Cd、Hg、As和Ni等10項。其中，Cu、Pb、Zn、Mn、Ni和Cd的檢測儀器為OPTIMA8000電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀；Fe的檢測儀器為PinAAcle-900Z單石墨爐原子吸收分光光度計；Cr(Ⅵ)的檢測儀器為DR6000可見光分光光度計；Hg和As的檢測儀器為AFS-930原子熒光分光光度計。Cu的檢測下限為0.01 mg/L；Pb、Mn和As的檢測下限為0.001 mg/L；Cd 和Zn的檢測下限為0.002 mg/L；Fe 的檢測下限為0.05 mg/L；Cr(Ⅵ)的檢測下限為0.004 mg/L；Hg的檢測下限為0.000 1 mg/L；Ni的檢測下限為0.005 mg/L。經(jīng)檢驗，指標測定值的相對標準偏差(RSD)均小于5%，符合USEPA的要求(RSD<30%)。

圖1 地下水采樣點分布

1.3 污染評價

采用Nemerow綜合污染指數(shù)(NI)對研究區(qū)地下水重金屬污染進行評價。計算公式為[12]：

(1)

(2)

式中：Ii為單因子污染指數(shù)；Pi為地下水重金屬i實測濃度；Si為重金屬i在《地下水質量標準(GB/T 14848-2017)》中Ⅲ類標準限值；Imax為單因子污染指數(shù)最大值；Iave為單因子污染指數(shù)均值。

Ii和NI的分級標準為：Ii或NI≤0.7為無污染，0.73為重度污染。

1.4 健康風險評價

1.4.1 三角模糊數(shù)理論

由于健康風險評價參數(shù)具有一定模糊性，為準確評價其危害效應，采用三角模糊數(shù)將其表示為一定區(qū)間范圍的數(shù)值進行風險評價。1965年Zadeh提出了三角模糊數(shù)的概念，定義為在給定區(qū)域X內，對任何x∈X，模糊集為：

A={|x∈X}

(3)

式中：μA(x)為x對A的隸屬度，μA(x)∈(0,1)。

(5)

1.4.2 基于三角模糊數(shù)理論的健康風險評價模型

經(jīng)飲水攝入暴露途徑是對人體健康造成威脅的主要暴露途徑之一，暴露劑量計算公式為[14]：

D=CIR/BW

(6)

式中：D為經(jīng)飲用水暴露劑量，mg/(kg·d)；C為水中污染物的平均濃度，mg/L；IR為飲水量，L/d；BW為人體質量，kg。

致癌和非致癌風險評價模型計算公式為：

Ri=qiDi

(7)

HQj=Dj/RfDj

(8)

式中：Ri為致癌健康風險；qi為致癌強度系數(shù)，mg/(kg·d)；Di為致癌物經(jīng)飲用水暴露劑量，mg/(kg·d)；HQj為非致癌健康風險；Dj為非致癌物經(jīng)飲用水暴露劑量，mg/(kg·d)；RfDj為非致癌物的參考劑量，mg/(kg·d)；參數(shù)qi和RfDj值見表1[15,16]。

表1 致癌強度系數(shù)與非致癌物飲水途徑參考劑量

對不同的置信度水平α(0≤α≤1)，根據(jù)式(6)～(8)，地下水健康風險評價模糊模型為：

(9)

(10)

污染物濃度(C)、飲水量(IR)和體重(BW)為三角模糊數(shù)。若有多種污染物存在時，總風險通過累加計算得到。

2 結果與討論

2.1 重金屬含量現(xiàn)狀

研究區(qū)地下水中10種重金屬測試結果及特征統(tǒng)計見表2。結果表明，地下水中除Cu、Pb和Cr(Ⅵ)未檢出外，Zn、Fe、Mn、Cd、Hg、As和Ni均有檢出。檢出率分別為2.9%、85.3%、76.5%、10.3%、7.4%、11.8%和75.0%。前期研究表明[8,17]，喀什地區(qū)東部地下水中Cu、Hg未檢出，西部Hg、Cr(Ⅵ)未檢出，其余重金屬均有檢出。與之相比，本次測試結果表現(xiàn)為Hg有檢出而Pb仍未檢出。對照《地下水質量標準(GB/T 14848-2017)》限值，68組樣品中，F(xiàn)e和Mn含量最大值分別為5.965和2.898 mg/L，分別為標準限值的19.9倍和29.0倍；Cd和Hg含量最大值分別為0.016和0.001 2 mg/L，分別為標準限值的3.2倍和1.2倍；As和Ni含量最大值分別為0.034和0.132 mg/L，分別為標準限值的3.4倍和6.6倍；Zn含量最大值為0.684 mg/L，低于標準限值。地下水中重金屬平均含量順序為Fe>Mn>Ni>Zn>As>Cd>Hg，其中Fe、Mn、Ni的含量分別為0.577、0.522和0.062 mg/L，均高于標準值，其余重金屬平均含量均低于標準值。前期研究表明[8,16]，喀什地區(qū)西部地下水Zn、Fe、Mn、Cd、As、Cu、Pb均值分別為0.028、3.071、0.415、0.000 2、0.008、0.006、0.001 mg/L，東部地下水Zn、Fe、Mn、Cd、As、Cr(Ⅵ)、Pb均值分別為0.065、1.161、0.355、0.001、0.009、0.002、0.001 mg/L，與之相比，本次研究結果中除Mn和Cd均值有所升高外，其余元素均值均較低。由變異系數(shù)可知，重金屬Zn、Fe、Mn的含量變異系數(shù)超過100%，表明各地下水采樣點重金屬含量差異較大。

地下水重金屬超標率從大到小依次為Mn、Ni、Fe、As、Cd和Hg，其中Mn、Ni、Fe和As的超標率分別達到了76.5%、75.0%、36.8%和11.8%，為喀什地區(qū)淺層地下水重金屬主要超標元素，應當引起重視。前人研究表明[18]，研究區(qū)地下水Mn、Fe和As濃度的超標主要由原生地質環(huán)境所致，其次為工業(yè)污染及地下水的大量開采。

表2 地下水重金屬含量統(tǒng)計

注：“ND”代表未檢出；“標準值”指《地下水質量標準(GB/T 14848-2017)》中的標準值。

由圖2可見，研究區(qū)東北部巴楚縣地下水Fe含量嚴重超標，其值在2 mg/L以上；Mn含量超標區(qū)域分布呈面狀，范圍較大，主要位于研究區(qū)北部，高值區(qū)分布在巴楚縣，其值在1 mg/L以上；Cd含量超標區(qū)域分布在麥蓋提縣、伽師縣和巴楚縣部分區(qū)域；Hg含量超標區(qū)域位于巴楚縣；As含量超標區(qū)域分布在麥蓋提縣和喀什市；Ni含量超標區(qū)域位于研究區(qū)東北部，高值區(qū)分布在巴楚縣，其值在0.1 mg/L以上。研究區(qū)地下水Fe、Mn、Hg、Ni高值區(qū)空間分布規(guī)律相似，有一定相關性。

圖2 超標地下水重金屬含量空間分布(單位:mg/L)

2.2 重金屬污染評價

研究區(qū)地下水重金屬單項污染指數(shù)均值順序為Mn(5.21)、Ni(3.04)、Fe(1.92)、As(0.68)、Cd(0.62)、Hg(0.25)、Zn(0.04),地下水中As、Cd、Hg、Zn呈現(xiàn)無污染，F(xiàn)e呈輕度污染，Mn、Ni呈重度污染。由地下水中重金屬不同污染級別樣點占比(見表3)可知：全部樣點Zn呈現(xiàn)無污染；Fe呈現(xiàn)無污染、輕微、輕度、中度和重度污染樣點數(shù)分別占總數(shù)的54.4%、8.8%、17.7%、5.9%和13.2%；Mn呈現(xiàn)無污染、輕度、中度和重度污染樣點數(shù)分別占總數(shù)的23.5%、11.8%、4.4%和60.3%；Cd呈現(xiàn)無污染、輕微、輕度和重度污染樣點數(shù)分別占總數(shù)的89.7%、2.9%、5.9%和1.5%；Hg呈現(xiàn)無污染和輕度污染樣點數(shù)分別占總數(shù)的98.5%和1.5%；As呈現(xiàn)無污染、輕度、中度和重度污染樣點數(shù)分別占總數(shù)的88.2%、7.4%、2.9%和1.5%；Ni呈現(xiàn)無污染、輕度、中度和重度污染樣點數(shù)分別占總數(shù)的25.0%、8.8%、17.7%和48.5%。研究區(qū)地下水重金屬綜合污染指數(shù)為0.44～20.82，均值為4.61，呈現(xiàn)重度污染。研究區(qū)地下水NI值呈現(xiàn)無污染、輕微、輕度、中度和重度污染樣點數(shù)分別占總數(shù)的13.2%、3.0%、4.4%、23.5%和55.9%。

表3 地下水不同污染級別樣點數(shù)占比統(tǒng)計(n=68)

2.3 重金屬健康風險評價

根據(jù)美國國家環(huán)保局推薦的人體健康風險評價參數(shù)值，結合中國人口統(tǒng)計數(shù)據(jù)并參考相關文獻[19,20]，確定地下水健康風險評價模糊模型中成人日飲水量的三角模糊數(shù)為(1.6,2.2,2.8 L/d)，成人體重的三角模糊數(shù)為(45,65,85 kg)。根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計方法確定各重金屬濃度的三角模糊數(shù)，統(tǒng)計結果見表4。對于不同置信度水平α，可將上述三角模糊參數(shù)表示為區(qū)間形式，計算得到不同置信度水平的健康風險。α=0分別為可能風險值的上限和下限值，α=1為最可能風險。研究區(qū)重金屬經(jīng)飲水途徑造成的人體致癌總風險與非致癌總風險置信度水平曲線見圖3。當α=0時，致癌總風險值區(qū)間為4.28×10-4～44.1×10-4，最可能風險值(α=1)為9.8×10-4。非致癌總風險值區(qū)間為0.02～1.9，最可能風險值(α=1)為0.33。實際應用中，一般取α=0.8，計算得到飲用地下水所導致的人體健康風險，見表5。健康風險評價結果表明，α=0.8時，研究區(qū)淺層地下水致癌總風險較高，范圍為8.35×10-4～14.2×10-4，高于美國國家環(huán)保局建議最大可接受致癌風險值1×10-4[21]，表明通過飲水途徑重金屬會對人體健康造成不利影響。非致癌總風險范圍為0.24～0.53，低于非致癌風險允許限值1.0。致癌物風險值排序為Cd>As，非致癌物風險值排序為Mn>Ni>Fe>Hg>Zn，其中Mn、Ni和Fe平均非致癌風險分別占非致癌總風險的38.7%、31.6%和20%。綜上，Cd 和 As是經(jīng)飲水途徑導致人體危害風險較大的主要重金屬元素。由圖3可知，隨置信度水平減小，致癌和非致癌總風險上下限不斷增大，即數(shù)據(jù)的模糊性呈增強趨勢。同時，比較致癌總風險和非致癌總風險的區(qū)間大小，非致癌總風險的不確定性較強，對重金屬的濃度變化更敏感。

表4 地下水重金屬濃度的三角模糊數(shù) mg/L

圖3 地下水致癌總風險和非致癌總風險置信度水平函數(shù)曲線

表5 飲水途徑重金屬所致人體健康風險(α=0.8)

3 結 論

(1)地下水中重金屬平均含量順序為Fe>Mn>Ni>Zn>As>Cd>Hg，其中Fe、Mn、Ni的含量分別為0.577、0.522和0.062 mg/L，均高于標準值，其余重金屬平均含量均低于標準值。

(2)喀什地區(qū)淺層地下水10種重金屬中Mn、Ni、Fe和As為主要超標元素，超標率分別為76.5%、75.0%、36.8%和11.8%。地下水中超標的重金屬主要分布于巴楚縣、麥蓋提縣、伽師縣和喀什市等區(qū)域。

(3)研究區(qū)地下水重金屬單項污染指數(shù)均值順序為Mn(5.21)、Ni(3.04)、Fe(1.92)、As(0.68)、Cd(0.62)、Hg(0.25)、Zn(0.04)。研究區(qū)地下水重金屬綜合污染指數(shù)為0.44～20.82，均值為4.61，呈現(xiàn)重度污染。研究區(qū)地下水NI值呈現(xiàn)無污染、輕微、輕度、中度和重度污染樣點數(shù)分別占總數(shù)的13.2%、3.0%、4.4%、23.5%和55.9%。Mn、Ni、Fe、As、Cd污染值得關注。

(4)致癌總風險范圍為8.35×10-4～14.2×10-4，高于最大可接受致癌風險值1×10-4；非致癌總風險范圍為0.24～0.53，低于非致癌風險允許限值1.0。Cd 和 As具有一定致癌風險，Mn、Ni、Fe、Hg和Zn通過飲水途徑產生的非致癌健康風險處于可忽略水平，因此應將Cd和As作為首要環(huán)境健康風險管理指標予以重視。