王晨希 黃 晶 楊紫薇

(江蘇省鎮(zhèn)江環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，江蘇 鎮(zhèn)江 212000)

重金屬毒性強(qiáng)[1]，難降解[2]，能通過食物鏈、飲水、皮膚接觸等途徑進(jìn)入人體，并隨著食物鏈富集放大，其毒性具有持久性[3]。值得關(guān)注的是，大部分重金屬都具有致癌性，當(dāng)其含量超過一定濃度時(shí)會(huì)嚴(yán)重危害人體健康[4]。長(zhǎng)江是世界第三大河流、中國(guó)第一大河流，不僅是長(zhǎng)江沿岸重要的飲用水源，也是沿岸城市和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的強(qiáng)大動(dòng)力。其水質(zhì)直接影響到當(dāng)?shù)厝嗣竦纳詈徒?jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展。目前長(zhǎng)江流域水體常規(guī)監(jiān)測(cè)資料顯示長(zhǎng)江鎮(zhèn)江段干流及支流水體已受到不同程度的重金屬污染，然而重金屬污染水平、分布狀況以及重金屬毒性評(píng)價(jià)方法尚不清楚。另外，由于基礎(chǔ)調(diào)查不足和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)缺乏，我國(guó)環(huán)境與健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)等方面研究明顯不足，不能為有效應(yīng)對(duì)環(huán)境健康事件、開展環(huán)境與健康風(fēng)險(xiǎn)管理提供技術(shù)支撐，而長(zhǎng)江流域的相關(guān)工作開展較少，可查資料有限[5]。因此，長(zhǎng)江流域重金屬對(duì)周圍居民產(chǎn)生的健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)工作亟待開展。

本研究全面分析了2015-2020年長(zhǎng)江鎮(zhèn)江段水體8種重金屬(Mn、Zn、As、Cu、Pb、Cd、Hg、Fe)的濃度水平、分布特征，首次將江蘇鎮(zhèn)江地區(qū)人群暴露參數(shù)應(yīng)用于 USEPA 健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型[6]，研究重金屬在長(zhǎng)江鎮(zhèn)江段水體產(chǎn)生的健康風(fēng)險(xiǎn)，識(shí)別區(qū)域優(yōu)先防控的重金屬，以期為該區(qū)域水體重金屬的污染防控和水環(huán)境生態(tài)的進(jìn)一步改善提供參考。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況

鎮(zhèn)江是江蘇省十三市之一，全市共有35個(gè)鎮(zhèn)，18個(gè)街道，504個(gè)村民委員會(huì)，286個(gè)社區(qū)居委會(huì)，全市戶籍總?cè)丝?71.4萬人，年末全市常住人口315.5萬人。長(zhǎng)江流經(jīng)鎮(zhèn)江市境內(nèi)長(zhǎng)103.7 km，常年水位在1.24～8.38 m，平均水位4.81 m，流速0.40～1.08 m/s，流量7 700～38 600 m3/s，屬長(zhǎng)江流域中下游地區(qū)，擔(dān)負(fù)著長(zhǎng)江中下游流域沿江城市生活飲用和工農(nóng)業(yè)用水的供給，主要河流有長(zhǎng)江(鎮(zhèn)江段)、長(zhǎng)江夾江、長(zhǎng)江內(nèi)江等。長(zhǎng)江鎮(zhèn)江段是整個(gè)鎮(zhèn)江市及其周邊城鎮(zhèn)居民日常生產(chǎn)生活飲用水源地之一，選擇該流域地表水研究具有較強(qiáng)代表性。

1.2 采樣和試驗(yàn)方法

于 2015—2020年(1-12月)間采集水樣。每個(gè)采樣斷面設(shè)置監(jiān)測(cè)垂線，水樣采集位置位于研究斷面水面以下0.5 m處。水樣采集后等份混合均勻，靜置30 min 后取500 mL均勻混合的水樣放入聚乙烯塑料瓶中，加酸保存，運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室待測(cè)。本項(xiàng)目主要分析Mn、Zn、As、Cu、Pb、Cd、Hg、Fe等8項(xiàng)元素，分析時(shí)將水樣經(jīng)0.45μm的濾膜過濾后，水體Hg濃度參照《水質(zhì)汞、砷、硒、鉍和銻的測(cè)定 原子熒光法》(HJ 694-2014)測(cè)定。測(cè)定水體中Mn、Zn、As、Cu、Pb、Cd、Fe使用《水質(zhì)65種元素的測(cè)定 電感耦合等離子體質(zhì)譜法》(HJ700-2014)方法測(cè)定。經(jīng)實(shí)地踏勘，結(jié)合流域?qū)嶋H情況，在長(zhǎng)江鎮(zhèn)江段共布設(shè)采樣斷面8個(gè)。采樣斷面位置見圖 1。

S1:世業(yè)取水口S2:龍門口S3:征潤(rùn)州取水口S4:焦山尾S5:江心洲S6:青龍山S7:引航道S8:二墩港

1.3 評(píng)價(jià)方法

依據(jù)GB3838-2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中Ι類水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，評(píng)價(jià)長(zhǎng)江鎮(zhèn)江段水體各重金屬的含量水平。

1.3.1 金屬綜合污染指數(shù)法(HPI)

運(yùn)用重金屬綜合污染指數(shù)法(HPI)評(píng)價(jià)多個(gè)重金屬對(duì)水體產(chǎn)生的綜合污染狀況，當(dāng)HPI>100時(shí)，該水體的重金屬污染程度已超過其最高可接受水平[7]。

Wi=k/Si

(1)

Qi=100(Ci/Si)

(2)

(3)

式中，Si：水體中最高允許濃度值，μg/L，取GB3838-2002的Ι類標(biāo)準(zhǔn)限值；k：由條件決定的比例常數(shù)，為計(jì)算簡(jiǎn)便通常取1；Ci：水體中重金屬的監(jiān)測(cè)濃度值，μg/L；N：評(píng)價(jià)指標(biāo)的個(gè)數(shù)。

1.3.2 水體重金屬污染變化趨勢(shì)分析方法

重金屬對(duì)水質(zhì)的影響在時(shí)間上的變化趨勢(shì)采用Daniel趨勢(shì)檢驗(yàn)技術(shù)進(jìn)行定量分析。使用Spearman 秩相關(guān)系數(shù)法。其基本原理為：設(shè)一組水質(zhì)監(jiān)測(cè)時(shí)間序列為Y=[Y1,Y2,….YN]，其監(jiān)測(cè)值對(duì)應(yīng)的序列 C=[C1,C2,…..CN]。先將監(jiān)測(cè)值序列Ci由小到大排列，并給它們編號(hào)Xi∈(1,2,…..,N)，把某個(gè)監(jiān)測(cè)值在監(jiān)測(cè)序列中的排列次序，稱為該監(jiān)測(cè)值的秩。然后按式(2-4)計(jì)算原始序列的秩相關(guān)系數(shù)Rs：

(4)

式中，Rs：原始序列的秩相關(guān)系數(shù)；N：時(shí)間周期；di：變量Xi與Yi的差值；Xi：按監(jiān)測(cè)濃度值從小到大排列對(duì)應(yīng)的序號(hào)；Yi：按時(shí)間排列的序號(hào)。

1.3.3 健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型

采用目前國(guó)際上廣泛應(yīng)用的USEPA健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型進(jìn)行人體健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[8]，人體暴露參數(shù)取自《中國(guó)人群暴露參數(shù)手冊(cè)(成人卷)》中江蘇地區(qū)調(diào)查結(jié)果[9]。根據(jù)IARC的致癌性分類標(biāo)準(zhǔn)，As、Pb、Cd共3種重金屬為化學(xué)致癌性物質(zhì)同時(shí)參與致癌性健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)和非致癌性健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，其余5種重金屬為化學(xué)非致癌性物質(zhì)僅參與非致癌性健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[10]。

水體中8種重金屬的健康危害總風(fēng)險(xiǎn)Rz可表示為:

飲水途徑健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型[11]：

皮膚接觸途徑健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型：

式中: SF為致癌物的致癌強(qiáng)度系數(shù)，Cd、As、Pb為致癌物，依次取 6.1 mg/(kg·d)、15 mg/(kg·d)、8.5×10-4mg/(kg·d);RFD為非致癌物的飲水途徑參考劑量，Cu、Fe、Mn、Zn、Hg為非致癌物，依次取0.04 mg/(kg·d)、0.7 mg/(kg·d)、0.3 mg/(kg·d)、0.14 mg/(kg·d)、3×10-4mg/(kg·d)[12]。其他參數(shù)的取值參考楊學(xué)福等[13]的研究成果；體質(zhì)BW(幼兒、青少年、成年人、老年人分別為19.1 kg、46.2 kg、62.9 kg、63.3 kg)，平均壽命L為76.7歲，每天平均飲水量IR(幼兒、青少年、成年人、老年人分別為1.1L、1.6L、2.3L、1.9L)。皮膚接觸面積SA為1.6 m2，洗浴暴露時(shí)間ET為1.6 min/d;Cw為污染物的質(zhì)量濃度,mg/L;EF為暴露頻率，取 365 d/a;AT：終生暴露時(shí)間，AT=EF×ED。

2 結(jié)果與討論

2.1 長(zhǎng)江鎮(zhèn)江段水體理化參數(shù)分析

長(zhǎng)江鎮(zhèn)江段各研究斷面水體理化參數(shù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。由表1可見，長(zhǎng)江鎮(zhèn)江段水溫介于3.5～28.4℃，平均水溫為14.9℃，由于各斷面采樣時(shí)間不同，早晚溫差大，因此水溫變化較大。長(zhǎng)江鎮(zhèn)江段水體pH為6.77～8.33平均pH為7.83，說明長(zhǎng)江水體的酸堿度變化不大，總體呈中性微偏堿性。長(zhǎng)江鎮(zhèn)江段水體DO變化較大，介于5.6～11.74 mg/L之間，平均含量為8.91 mg/L，長(zhǎng)江鎮(zhèn)江段水體電導(dǎo)率為26.0～156 μs/cm，平均為37 μs/cm，在各參數(shù)中變異系數(shù)最大，說明各研究斷面電導(dǎo)率大小差別較大。

表1 長(zhǎng)江鎮(zhèn)江段各研究斷面水體理化參數(shù)統(tǒng)計(jì)

2.2 長(zhǎng)江鎮(zhèn)江段水體重金屬的綜合污染狀況變化特征分析

2.2.1 長(zhǎng)江鎮(zhèn)江段水體中各種重金屬變化趨勢(shì)分析

2015—2020年長(zhǎng)江鎮(zhèn)江段水體中8種重金屬的含量水平及年際變化情況見表2。結(jié)果顯示六年來長(zhǎng)江鎮(zhèn)江段水體中8種重金屬HPI指數(shù)逐年遞減，通過秩相關(guān)系數(shù)趨勢(shì)檢驗(yàn)表明，As、Hg、Cu、Zn、Fe、Mn、Pb污染趨勢(shì)呈明顯下降趨勢(shì)，Cd呈無顯著變化趨勢(shì)。各元素平均檢出濃度，均低于GB3838-2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ι類水標(biāo)準(zhǔn)，表明2015—2020年該流域飲用水體質(zhì)量均達(dá)標(biāo)。

表2 長(zhǎng)江鎮(zhèn)江段水體中8種重金屬的含量水平及年際變化情況

2.2.2 長(zhǎng)江鎮(zhèn)江段水體重金屬的綜合污染時(shí)間變化特征分析

2015—2020年四個(gè)季度(1-12月份)長(zhǎng)江鎮(zhèn)江段水體中As、Hg、Cu、Zn、Fe、Mn、Pb和Cd的重金屬綜合污染狀況時(shí)間變化特征見圖2。結(jié)果顯示六年來長(zhǎng)江鎮(zhèn)江段水體中重金屬的綜合污染狀況時(shí)間序列曲線呈不規(guī)則振動(dòng)波型變化，且波動(dòng)幅度逐年減小。例如2015年HPI劇烈波動(dòng)，而 2020為輕微波動(dòng)變化。六年來長(zhǎng)江鎮(zhèn)江段水體HPI 年內(nèi)變化特征各異，沒有一致的規(guī)律性，這與學(xué)者對(duì)其它河流水體中重金屬的變化特征的研究結(jié)論一致[14-15]。

圖2 8種重金屬的綜合污染狀況時(shí)間變化特征

2.2.3 長(zhǎng)江鎮(zhèn)江段水體重金屬的綜合污染空間變化特征分析

2015—2020年長(zhǎng)江鎮(zhèn)江段水體中As、Hg、Cu、Zn、Fe、Mn、Pb和Cd 重金屬綜合污染狀況變化特征見圖3。結(jié)果顯示，長(zhǎng)江鎮(zhèn)江段8種重金屬綜合污染狀況沿程變化具有空間差異性，呈現(xiàn)出明顯的區(qū)域性特征，六年來焦山尾、江心洲、青龍山、引航道、二墩港HPI保持穩(wěn)定，除2015年HPI波動(dòng)起伏明顯，其他年份HPI基本呈逐年降低趨勢(shì)。

圖3 8種重金屬的綜合污染狀況空間變化特征

2.3 長(zhǎng)江鎮(zhèn)江段水體重金屬的濃度水平分析

長(zhǎng)江鎮(zhèn)江段各研究斷面水體中8種重金屬2015—2020年實(shí)測(cè)濃度統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表3。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)江鎮(zhèn)江段水體中8種重金屬按所有研究斷面平均濃度大小排序依次為：Zn>Fe> Cu>As>Mn>Pb>Cd>Hg。依據(jù)我國(guó)現(xiàn)行《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)，8種重金屬在各研究斷面水體濃度均達(dá)標(biāo)。

表3 長(zhǎng)江鎮(zhèn)江段水體各研究斷面8種重金屬的實(shí)測(cè)濃度統(tǒng)計(jì)(n=72)

2.4 長(zhǎng)江鎮(zhèn)江段水體重金屬對(duì)不同年齡段居民的健康風(fēng)險(xiǎn)分析

長(zhǎng)江鎮(zhèn)江段流域不同年齡段人群健康風(fēng)險(xiǎn)值見表4。由表4可知，水體中致癌物產(chǎn)生的個(gè)人健康風(fēng)險(xiǎn)值依次為As>Cd>Pb，非致癌物產(chǎn)生的個(gè)人健康風(fēng)險(xiǎn)值依次為Fe>Zn>Mn>Hg>Cu；不同年齡段居民的致癌健康風(fēng)險(xiǎn)和非致癌健康風(fēng)險(xiǎn)依次為幼兒>青少年>老年人>成年人。As的個(gè)人健康風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為 10-6a-1，雖然低于國(guó)際推薦值標(biāo)準(zhǔn)(1×10-4～5×10-5a-1)，但相比較其他7種重金屬而言，As對(duì)人體的健康危害風(fēng)險(xiǎn)值最高，因此應(yīng)將其作為風(fēng)險(xiǎn)管理的重點(diǎn)對(duì)象。

表4 長(zhǎng)江鎮(zhèn)江段水體重金屬不同年齡段健康風(fēng)險(xiǎn)值 單位：a-1

2.5 長(zhǎng)江水體重金屬對(duì)江蘇省不同區(qū)域、性別居民的健康風(fēng)險(xiǎn)分析

不同區(qū)域、不同性別人群的生活習(xí)慣存在差異，重金屬對(duì)其產(chǎn)生的健康風(fēng)險(xiǎn)也不同。長(zhǎng)江鎮(zhèn)江段水體重金屬對(duì)流域內(nèi)不同區(qū)域(城市、城鄉(xiāng)和農(nóng)村)、不同性別(男、女)人群產(chǎn)生的總非致癌健康風(fēng)險(xiǎn)和總致癌健康風(fēng)險(xiǎn)值見表5。

表5 長(zhǎng)江鎮(zhèn)江段水體重金屬對(duì)流域城鄉(xiāng)、城市和農(nóng)村人群產(chǎn)生的健康風(fēng)險(xiǎn)值 單位：a-1

結(jié)果顯示：長(zhǎng)江鎮(zhèn)江段水體重金屬對(duì)流域不同區(qū)域人群產(chǎn)生的總致癌健康風(fēng)險(xiǎn)值介于1.42×10-6～1.93×10-6a-1之間，遠(yuǎn)低于國(guó)際癌癥研究機(jī)構(gòu)(ICRP)和美國(guó)EPA[16]推薦的健康風(fēng)險(xiǎn)可接受水平5×10-5a-1和1×10-4a-1。說明長(zhǎng)江鎮(zhèn)江段水體重金屬對(duì)流域內(nèi)城市、城鄉(xiāng)和農(nóng)村的男性及女性人群所產(chǎn)生的總健康風(fēng)險(xiǎn)均未超過可接受水平。

2.6 長(zhǎng)江鎮(zhèn)江段水體重金屬總健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

重金屬總健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果見表6。結(jié)果表明，從健康風(fēng)險(xiǎn)的空間分布特征來看，總健康風(fēng)險(xiǎn)較高的斷面是征潤(rùn)州和二墩港，這與重金屬的濃度分布相一致。按斷面總健康風(fēng)險(xiǎn)順序依次為：征潤(rùn)州>二墩港>青龍山>江心洲>世業(yè)洲>龍門口>引航道>焦山尾?？偨】碉L(fēng)險(xiǎn)值最高為 4.39×10-6a-1，低于 USEPA 推薦的最大可接受水平 1×10-4a-1[17]。水體重金屬通過皮膚接觸途徑所產(chǎn)生的致癌健康風(fēng)險(xiǎn)和非致癌健康風(fēng)險(xiǎn)均遠(yuǎn)小于通過飲水途徑所造成的危害。且低于國(guó)際推薦值(1×10-4/a)，其健康風(fēng)險(xiǎn)可以忽略。

表6 長(zhǎng)江鎮(zhèn)江段水體重金屬健康風(fēng)險(xiǎn)值 單位：a-1

3 結(jié)論

(1)長(zhǎng)江鎮(zhèn)江段水體中As、Cd、Cu、Fe、Mn、Pb、Zn和Hg，這8種重金屬的平均質(zhì)量濃度較低，均低于《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)Ι類水標(biāo)準(zhǔn)，這8種重金屬HPI指數(shù)逐年遞減，污染趨勢(shì)呈明顯下降趨勢(shì)，在各采樣點(diǎn)各重金屬沿程空間分布總體差異性較大，沒有明顯的規(guī)律性。水體重金屬濃度的這種分布特征也符合一般河流水體重金屬分布隨機(jī)性很大的特點(diǎn)[18]。

(2)水體中致癌物和非致癌物產(chǎn)生的個(gè)人健康風(fēng)險(xiǎn)值依次為As>Cd>Pb>Fe>Zn>Mn>Hg>Cu；不同年齡段居民的致癌健康風(fēng)險(xiǎn)和非致癌健康風(fēng)險(xiǎn)依次為幼兒>青少年>老年人>成年人。As的個(gè)人健康風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為10-6a-1，雖低于國(guó)際推薦值標(biāo)準(zhǔn)(1×10-4～5×10-5a-1)，但相比較其他7種重金屬而言，As對(duì)人體的健康危害風(fēng)險(xiǎn)值最高，因此應(yīng)將其作為風(fēng)險(xiǎn)管理的重點(diǎn)對(duì)象。

(3)長(zhǎng)江鎮(zhèn)江段水體重金屬對(duì)流域不同區(qū)域人群產(chǎn)生的總非致癌健康風(fēng)險(xiǎn)和總致癌健康風(fēng)險(xiǎn)分別介于和2.51×10-9～3.06×10-9a-1和1.42×10-6～1.93×10-6a-1之間，均遠(yuǎn)低于國(guó)際癌癥研究機(jī)構(gòu)(ICRP)和美國(guó)EPA[18]推薦的健康風(fēng)險(xiǎn)可接受水平5×10-5a-1和1×10-4a-1。說明長(zhǎng)江鎮(zhèn)江段水體重金屬對(duì)流域內(nèi)城市、城鄉(xiāng)和農(nóng)村的男性及女性人群所產(chǎn)生的非致癌健康風(fēng)險(xiǎn)和致癌健康風(fēng)險(xiǎn)均未超過可接受水平。

(4)從健康風(fēng)險(xiǎn)的空間分布特征來看，總健康風(fēng)險(xiǎn)與重金屬的濃度分布相一致。斷面總健康風(fēng)險(xiǎn)順序依次為：征潤(rùn)州>二墩港>青龍山>江心洲>世業(yè)洲>龍門口>引航道>焦山尾?？偨】碉L(fēng)險(xiǎn)值最高為 4.39×10-6a-1，低于 USEPA 推薦的最大可接受水平 1×10-4a-1[13]。水體重金屬通過皮膚接觸途徑所產(chǎn)生的致癌健康風(fēng)險(xiǎn)和非致癌健康風(fēng)險(xiǎn)均遠(yuǎn)小于通過飲水途徑所造成的危害，且低于國(guó)際推薦值(1×10-4a-1)，其健康風(fēng)險(xiǎn)可以忽略。