汪繼力，李昕禹，閆峰

(南昌大學(xué)a.建筑工程學(xué)院；b.際鑾書(shū)院，江西 南昌 330031)

重金屬是水環(huán)境中常見(jiàn)的污染物之一，具有難降解、易積累、毒性大的特點(diǎn)，而且極易通過(guò)食物鏈的富集作用對(duì)人體健康造成危害[1-3]。而且近年來(lái)的毒理學(xué)研究表明，重金屬對(duì)人體的健康危害具有協(xié)同性，即使各重金屬的單項(xiàng)濃度均被控制在容許限值以內(nèi)，它們的協(xié)同影響也可能超過(guò)安全閾值[4-5]。因此，構(gòu)建能夠科學(xué)量化重金屬協(xié)同效應(yīng)的水質(zhì)評(píng)價(jià)模型，對(duì)于水資源的管理和保護(hù)具有極為重要的意義。

內(nèi)梅羅指數(shù)是目前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用最為廣泛的水質(zhì)評(píng)價(jià)模型之一，具有計(jì)算簡(jiǎn)便、操作性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，可以簡(jiǎn)潔而直觀地反映區(qū)域的綜合水質(zhì)狀況[6-7]。然而目前的內(nèi)梅羅指數(shù)從污染物的極值特征和均值特征2個(gè)方面進(jìn)行評(píng)價(jià)，當(dāng)評(píng)價(jià)指標(biāo)中包含重金屬時(shí)，這種算法難以正確評(píng)估污染物對(duì)人體的協(xié)同危害。

為解決這一問(wèn)題，本研究將基于健康風(fēng)險(xiǎn)理論，對(duì)傳統(tǒng)的內(nèi)梅羅指數(shù)進(jìn)行改進(jìn)，從而更好地評(píng)估重金屬對(duì)人體健康危害的協(xié)同性，并將其應(yīng)用于我國(guó)南方某縣的飲用水水源地水質(zhì)評(píng)價(jià)，以驗(yàn)證模型的有效性。

1 研究方法

1.1 傳統(tǒng)內(nèi)梅羅指數(shù)

在水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)中，除溶解氧為越大越優(yōu)外，其他絕大多數(shù)污染物均為越小越優(yōu)。因此在內(nèi)梅羅指數(shù)中，指標(biāo)i的污染標(biāo)度pi被定義為：

(1)

其中：xi和ci分別為第i種污染物的容許限值；xi飽和為當(dāng)指標(biāo)i為溶解氧時(shí)所對(duì)應(yīng)的飽和溶解氧數(shù)值。

容易發(fā)現(xiàn)，污染物標(biāo)度pi直觀地量化了指標(biāo)i的超標(biāo)程度。當(dāng)pi≤1時(shí)，表明指標(biāo)i的實(shí)測(cè)值在容許限值以內(nèi)。當(dāng)pi>1時(shí)，表明指標(biāo)i的實(shí)測(cè)值已經(jīng)超出了容許限值；而且pi越大，表明指標(biāo)i的超標(biāo)程度越高，污染越嚴(yán)重。

內(nèi)梅羅指數(shù)從污染物的極值特征和均值特征兩方面評(píng)價(jià)研究區(qū)域的綜合水環(huán)境質(zhì)量，計(jì)算方法為[6-7]：

(2)

其中：N為內(nèi)羅梅指數(shù)；m為水體中評(píng)價(jià)的污染物數(shù)目。N的定義域?yàn)閇0,+∞),根據(jù)N的數(shù)值，內(nèi)梅羅指數(shù)將水體的綜合水質(zhì)狀況劃分為5個(gè)等級(jí)。

根據(jù)式(1)和式(2)容易發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)內(nèi)梅羅指數(shù)從污染物的極值特征和均值特征進(jìn)行水質(zhì)評(píng)估，卻沒(méi)有考慮污染物的協(xié)同影響。然而重金屬對(duì)人體的健康危害具有協(xié)同性，即使各重金屬的單項(xiàng)濃度均被控制在容許限值以內(nèi)，它們對(duì)協(xié)同影響也可能超過(guò)安全閾值。因此當(dāng)參評(píng)指標(biāo)中包含重金屬時(shí)，傳統(tǒng)內(nèi)梅羅指數(shù)難以有效量化污染物環(huán)境危害的協(xié)同性。

表1 水質(zhì)狀況的等級(jí)劃分Tab.1 Grade classification method of the water quality condition

1.2 重金屬健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)理論

根據(jù)健康危害的區(qū)別，重金屬可以分為致癌重金屬和非致癌重金屬2類(lèi)。其中致癌重金屬主要包括砷、鎘、六價(jià)鉻；非致癌重金屬主要包括銅、鉛、汞、鋅等重金屬。本研究中所涉及的重金屬主要為砷、六價(jià)鉻和銅3種污染物。

目前國(guó)際上應(yīng)用最為廣泛的重金屬危害評(píng)價(jià)方法是美國(guó)國(guó)家環(huán)境保護(hù)局(united states environmental protection agency，USEPA)提出的健康風(fēng)險(xiǎn)模型，它通過(guò)計(jì)算健康風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)ri，量化各重金屬對(duì)人體的潛在健康影響[4-5,8]：

(3)

式中：D為研究區(qū)域的人均飲水量，L；L為人均壽命，a；W為人均體重，kg。根據(jù)張興磊等學(xué)者的研究，在我國(guó)南方的重金屬健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中，D、L、W分別為2.2 L、70 a和70 kg；砷和六價(jià)鉻的致癌系數(shù)分別為15 mg·kg-1·d-1和41 mg·kg-1·d-1；銅的參考劑量為0.04 kg·d·mg-1[9]。

在單項(xiàng)重金屬健康評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，USEPA進(jìn)一步構(gòu)建了綜合健康指數(shù)，以準(zhǔn)確量化重金屬污染物對(duì)人體健康的協(xié)同影響[4-5,8]：

(4)

式中：m*為水質(zhì)評(píng)價(jià)中的重金屬指標(biāo)數(shù)目；R為綜合健康風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)。R的安全上限為1×10-4a-1，即每年每百萬(wàn)人中因?yàn)轱嬘盟械闹亟饘俣疾〉娜藬?shù)應(yīng)當(dāng)?shù)陀?00人[5,8]。

1.3 改進(jìn)的內(nèi)梅羅指數(shù)模型

傳統(tǒng)內(nèi)梅羅指數(shù)首先通過(guò)構(gòu)建污染標(biāo)度，量化各指標(biāo)的超標(biāo)情況。其中對(duì)于越小越優(yōu)的指標(biāo)，污染標(biāo)度是實(shí)測(cè)值與容許限值的比值。為了將健康風(fēng)險(xiǎn)納入水質(zhì)評(píng)估，在改進(jìn)的內(nèi)梅羅指數(shù)中，本研究首先通過(guò)比較綜合健康風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)與安全閾值，定義健康風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)度pR如下：

(5)

容易發(fā)現(xiàn)，健康風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)度pR實(shí)際上是傳統(tǒng)的污染標(biāo)度向健康風(fēng)險(xiǎn)領(lǐng)域的拓展和深化。當(dāng)pR≤1時(shí)，表明重金屬的協(xié)同健康風(fēng)險(xiǎn)在容許限值以內(nèi)。當(dāng)pR>1時(shí)，表明重金屬的協(xié)同健康風(fēng)險(xiǎn)已經(jīng)超出了容許限值；而且pR越大，表明風(fēng)險(xiǎn)越高，危害越嚴(yán)重。

傳統(tǒng)的內(nèi)梅羅指數(shù)中，僅僅考慮了分析污染物的極值特征和均值特征。本研究進(jìn)一步將重金屬的協(xié)同風(fēng)險(xiǎn)納入評(píng)估，并將改進(jìn)內(nèi)梅羅指數(shù)N*定義為：

(6)

容易發(fā)現(xiàn)，N*也是定義在[0,+∞)上的無(wú)量綱數(shù)值，它的等級(jí)劃分方法與表1相同。

需要指出的是：對(duì)于COD、BOD5、高錳酸鹽指數(shù)、總氮、總磷等常規(guī)污染物，目前尚無(wú)證據(jù)證明它們對(duì)人體的健康危害具有協(xié)同性。因此，當(dāng)水質(zhì)評(píng)價(jià)中不含重金屬指標(biāo)時(shí)，可以認(rèn)為綜合健康風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)R和健康風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)度pR均為0。容易發(fā)現(xiàn)，此時(shí)式(6)的計(jì)算結(jié)果和式(2)相同。

由此可見(jiàn)：本研究改進(jìn)的內(nèi)梅羅指數(shù)模型并不是對(duì)傳統(tǒng)方法的否定，它實(shí)質(zhì)上是在保留極值分析和均值分析的基礎(chǔ)上，將傳統(tǒng)內(nèi)梅羅指數(shù)向健康風(fēng)險(xiǎn)領(lǐng)域的拓展和深化；而傳統(tǒng)模型則可以看成是改進(jìn)的內(nèi)梅羅指數(shù)在忽略重金屬協(xié)同風(fēng)險(xiǎn)下的特例。

2 結(jié)果與討論

2.1 污染物超標(biāo)現(xiàn)狀

本研究以我國(guó)南方某縣飲用水水源地的水質(zhì)評(píng)價(jià)為例，針對(duì)4種主要污染物(總磷、銅、砷、六價(jià)鉻)在春夏秋冬4個(gè)季節(jié)進(jìn)行考察和測(cè)量。各指標(biāo)的實(shí)測(cè)值、污染標(biāo)度、以及重金屬健康風(fēng)險(xiǎn)如表2所示。

根據(jù)表2容易發(fā)現(xiàn)，在該縣飲用水水源地的4種污染物中，僅有總磷的實(shí)測(cè)濃度在夏季和秋季時(shí)段超過(guò)了容許限值。其中在夏季，總磷濃度大約相當(dāng)于水質(zhì)保護(hù)目標(biāo)[10]的1.75倍；在秋季，總磷濃度大約相當(dāng)于水質(zhì)保護(hù)目標(biāo)的1.9倍。

表2 研究區(qū)域污染現(xiàn)狀Tab.2 Pollution condition of the study area

從實(shí)測(cè)值和污染標(biāo)度來(lái)看，3種重金屬實(shí)測(cè)值在所有時(shí)段均低于水質(zhì)保護(hù)目標(biāo)。然而通過(guò)健康風(fēng)險(xiǎn)項(xiàng)容易發(fā)現(xiàn)，雖然所有重金屬的單項(xiàng)濃度均被控制在容許限值以內(nèi)，但是它們的協(xié)同影響已經(jīng)超過(guò)安全閾值1×10-4。其中在春季和冬季，重金屬健康風(fēng)險(xiǎn)分別為安全閾值的6.33倍和5.01倍；在夏季和秋季，重金屬健康風(fēng)險(xiǎn)甚至已經(jīng)相當(dāng)于安全閾值的10倍左右。

2.2 2種內(nèi)梅羅指數(shù)的評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)比

根據(jù)傳統(tǒng)內(nèi)梅羅指數(shù)和建立的改進(jìn)內(nèi)梅羅指數(shù)，結(jié)合表2中的數(shù)據(jù)進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果如表3所示。

結(jié)合表3容易發(fā)現(xiàn)，2種內(nèi)梅羅指數(shù)對(duì)極值特征和均值特征的評(píng)價(jià)結(jié)果是相同的，它們的差異主要體現(xiàn)在如下方面。

1) 傳統(tǒng)內(nèi)梅羅指數(shù)僅僅從污染物的極值特征和均值特征兩方面進(jìn)行評(píng)估；而改進(jìn)的內(nèi)梅羅指數(shù)從污染物的極值特征和均值特征以及重金屬的協(xié)同風(fēng)險(xiǎn)3個(gè)方面進(jìn)行評(píng)估。

表3 2種內(nèi)梅羅指數(shù)的評(píng)價(jià)結(jié)果Tab.3 Evaluation results of two Nemerow indices

2) 改進(jìn)的內(nèi)梅羅指數(shù)比傳統(tǒng)方法更為嚴(yán)格。如表3所示，在春季和冬季，傳統(tǒng)內(nèi)梅羅指數(shù)分別為0.49和0.40，均能達(dá)到“優(yōu)秀”級(jí)別；而改進(jìn)的內(nèi)梅羅指數(shù)分別為2.76和2.17，分別為“中等”和“良好”等級(jí)。在夏季和秋季，傳統(tǒng)內(nèi)梅羅指數(shù)分別為1.36和1.46，均為“良好”級(jí)別；而改進(jìn)的內(nèi)梅羅指數(shù)則分別為5.08和4.63，均為“較差”等級(jí)。

3) 改進(jìn)的內(nèi)梅羅指數(shù)比傳統(tǒng)方法更符合當(dāng)?shù)氐奈廴粳F(xiàn)狀。根據(jù)2.1節(jié)的討論可知，在4個(gè)評(píng)價(jià)季度中，雖然該縣飲用水水源地的3項(xiàng)重金屬單項(xiàng)濃度均被控制在容許限值以內(nèi)，但是它們的協(xié)同健康風(fēng)險(xiǎn)已經(jīng)超出了安全閾值。對(duì)比表1與表2可知，研究區(qū)域的水質(zhì)并不能滿足“水質(zhì)狀態(tài)很好，風(fēng)險(xiǎn)很低，水環(huán)境未受到破壞”的要求，因此傳統(tǒng)內(nèi)梅羅指數(shù)認(rèn)為綜合水質(zhì)狀況在春季和冬季可以達(dá)到“優(yōu)秀”的結(jié)論明顯過(guò)于樂(lè)觀。結(jié)合表2可知，在夏季與冬季，總磷濃度已經(jīng)從超出安全閾值0.7倍以上，重金屬健康風(fēng)險(xiǎn)甚至已經(jīng)高達(dá)安全閾值的10倍左右，研究區(qū)域的水質(zhì)已經(jīng)明顯受到了較大程度的破壞。因此傳統(tǒng)內(nèi)梅羅指數(shù)得到的“良好”等級(jí)過(guò)于樂(lè)觀，而改進(jìn)內(nèi)梅羅指數(shù)得到的“較差”等級(jí)更為符合實(shí)際。

3 結(jié)論

1) 該縣水源地在春季、夏季、秋季、冬季的內(nèi)梅羅指數(shù)分別為2.76、5.08、4.63、2.17；其中冬季屬于“良好”級(jí)別，春季屬于“中等”級(jí)別，夏秋兩季屬于“較差”級(jí)別。雖然該縣所有重金屬的單項(xiàng)濃度均被控制在容許限值以內(nèi)，但是它們的協(xié)同影響已經(jīng)超過(guò)安全閾值1×10-4。

2) 傳統(tǒng)的內(nèi)梅羅指數(shù)忽視了重金屬污染物的協(xié)同健康風(fēng)險(xiǎn)，評(píng)價(jià)結(jié)果過(guò)于樂(lè)觀。而改進(jìn)的內(nèi)梅羅指數(shù)全面考慮了污染物的極值特征、均值特征和重金屬污染物的協(xié)同風(fēng)險(xiǎn)，評(píng)價(jià)結(jié)果更為嚴(yán)格，也更為符合研究區(qū)域的實(shí)際水質(zhì)狀況。