曹 芹

(鎮(zhèn)江市環(huán)境監(jiān)測中心站 站長室，江蘇 鎮(zhèn)江 212001)

地下水作為一種潔凈、豐富和便于利用的淡水資源，已經(jīng)成為我國工業(yè)、農(nóng)業(yè)用水和城市飲用水的主要水源。近年來，我國城市化發(fā)展迅速，人口快速增加，而城市地下水基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)明顯滯后，導(dǎo)致地下水污染情況越來越嚴(yán)重。研究鎮(zhèn)江市地下水水質(zhì)的污染因子、污染程度，明確地下水污染風(fēng)險(xiǎn)狀況，以期為鎮(zhèn)江市地下水水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)庫作一些補(bǔ)充。

1 研究區(qū)域水文地質(zhì)概況

1.1 研究區(qū)域概況

鎮(zhèn)江市位于江蘇省中部，北緯32.11°，東經(jīng)119.2°，總面積約4000 km2，人口約317萬?；I(yè)是鎮(zhèn)江市支柱產(chǎn)業(yè)之一，而鎮(zhèn)江化工企業(yè)主要是“兩園一基地”，即鎮(zhèn)江新區(qū)國際化學(xué)工業(yè)園、丹徒化工集中區(qū)和索普化工業(yè)基地。本次實(shí)驗(yàn)的采樣區(qū)主要是索普工業(yè)園、鎮(zhèn)江市的垃圾填埋場和一個(gè)民營加油站。

1.2 地質(zhì)概況

鎮(zhèn)江市在內(nèi)、外地質(zhì)營力的作用下，經(jīng)過長期復(fù)雜的演變過程，塑造了現(xiàn)今的低山、丘陵、階地、平原地貌形態(tài)。鎮(zhèn)江地勢為南高北低，整個(gè)地形由西北向東南傾斜，市區(qū)地面標(biāo)高(黃海高程，下同)一般在5.0～10.0 m。市區(qū)內(nèi)河流縱橫交錯(cuò)，水域?qū)拸V，古京杭運(yùn)河由北向南穿市區(qū)而過，將市區(qū)分為東、西兩部分。鎮(zhèn)江市區(qū)地質(zhì)系第四紀(jì)巖層，粉紅色細(xì)砂基巖，沖擊土層，地基承載力一般為10～20 t·m-2。

1.3 地下水資源概況

鎮(zhèn)江市位于寧鎮(zhèn)山脈東端，屬揚(yáng)子準(zhǔn)地臺，下?lián)P子臺褶帶的北東段。區(qū)內(nèi)地層出露較全，自震旦系至第四系皆有分布，前第四系地層總厚約12000 m3·d-1，且有中新生代碎屑巖與火山巖沉積巖侵入。其基本構(gòu)造為寧鎮(zhèn)弧形構(gòu)造、新華夏構(gòu)造和東西向構(gòu)造3種構(gòu)造體系。特定的地形、地貌、水文、地質(zhì)環(huán)境形成了區(qū)內(nèi)水文地質(zhì)條件，控制著地下水的分布。地下水資源不豐富，且分布不均勻，大片的火山巖區(qū)和碎屑巖區(qū)為貧水區(qū)，地下水主要為第四系沖積層中的孔隙水、基巖中的裂隙水(單井涌水量平均少于100 m3·d-1)和裂隙巖溶水(單井涌水量平均約1000 m3·d-1)。地下水資源總量(年可開采量)約3.285×108m3，其中孔隙水占80%。

1.4 地下水采樣處理與分析

1) 監(jiān)測井的布設(shè)。為更有代表性地評價(jià)地下水水質(zhì)狀況及污染程度，選擇3個(gè)代表性地區(qū)，即索普工業(yè)園、垃圾填埋場和民營加油站，作為評價(jià)區(qū)域。采樣點(diǎn)遵循均勻分布、重點(diǎn)地方加密的原則，在索普工業(yè)園、垃圾填埋場和民營加油站分別布設(shè)10個(gè)、5個(gè)和2個(gè)監(jiān)測井。

2) 地下水水質(zhì)檢測。測試指標(biāo)[1]：選用水溫、pH值、溶解氧、氧化還原電位(Eh)、電導(dǎo)率(EC)、氨氮、Na+，K+，SO42-，Cl-，F(xiàn)-，Ca2+，Mg2+，F(xiàn)e，Zn，Cu，Mn，Cd，Ni，Pb，六價(jià)鉻、鉬、鈷、鋇、鈹、汞、砷、氰化物、揮發(fā)酚、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮、總硬度、總?cè)芙夤腆w(TDS)、硫化物、高錳酸鹽指數(shù)、總大腸菌群、陰離子表面活性劑、堿度、苯并(α)芘、有機(jī)氯及有機(jī)磷農(nóng)藥殘留物、鹵代烷、苯胺類、石油類。

2 地下水評價(jià)

2.1 單因子指數(shù)評價(jià)法

對地下水質(zhì)量進(jìn)行評價(jià)時(shí)，可以選擇重要的水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行單因子評價(jià)[2]。單因子評價(jià)公式為

其中Ii為單因子指數(shù)，Ci為地下水中第i組分實(shí)測濃度，C0為第i組分的污染相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。應(yīng)用國家標(biāo)準(zhǔn)值作為C0，Ii<1說明地下水水質(zhì)未超標(biāo)，Ii>1說明地下水己超標(biāo)。雖然水質(zhì)單因子評價(jià)指數(shù)法能直觀地說明水質(zhì)是否超標(biāo)，而且計(jì)算簡單，但不能反映地下水水質(zhì)的整體狀況。為全面反映鎮(zhèn)江市地下水的質(zhì)量狀況，還須采用綜合評價(jià)指數(shù)法——內(nèi)梅羅指數(shù)法(本次實(shí)驗(yàn))。

根據(jù)《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 14848—1993)，Ⅰ類和Ⅱ類水主要反映地下水化學(xué)組分的天然背景含量； Ⅲ類水以人體健康基準(zhǔn)值為依據(jù)，這種類型的水是可以飲用的； Ⅳ類水以工農(nóng)業(yè)用水要求為依據(jù)，需要處理后才可以作為生活飲用水； Ⅴ類水不宜飲用。由于Ⅲ類水可以飲用，將Ⅳ類水、Ⅴ類水列為超標(biāo)，在此，將Ⅲ類水和Ⅳ類水的界限作為C0。

選擇要評價(jià)的單因子應(yīng)遵循2個(gè)原則，即累積頻率>90%，先對每個(gè)監(jiān)測井進(jìn)行評價(jià)因子選擇。應(yīng)選每個(gè)監(jiān)測井都出現(xiàn)的因子，而且超標(biāo)的監(jiān)測井?dāng)?shù)量應(yīng)大于2； 兼顧個(gè)別監(jiān)測井中超標(biāo)較多的因子。本實(shí)驗(yàn)選定的單因子是氨氮、亞硝酸鹽氮、總硬度、氟化物、鐵、錳等6類。可用超標(biāo)率表示污染情況，如圖1所示，總硬度超標(biāo)率最高為52.9%，錳超標(biāo)率為47.1%，是主要污染物。地下水總硬度是指水中Ca2+，Mg2+的總量。地下水總硬度超標(biāo)率大于50%，主要原因有： 1) 鎮(zhèn)江市屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，全年降水充足，雨水沖擊土壤中的石灰?guī)r、石膏等，使土壤中的Ca2+，Mg2+溶解于地下水。2) 由于近10 a來鎮(zhèn)江市的地下水一直處于過量開采的狀態(tài)，地下水位下降。土壤、垃圾中的鐵、錳是以不溶性固體(Fe3O2，MnO2)存在的，在酸性情況下，F(xiàn)e3O2，MnO2可與有機(jī)物發(fā)生氧化還原反應(yīng)生成可溶性的Fe2+和Mn2+，從而使地下水中錳超標(biāo)。

圖1 主要污染物的超標(biāo)率

2.2 內(nèi)梅羅指數(shù)法

水質(zhì)綜合評價(jià)方法有內(nèi)梅羅指數(shù)法、國標(biāo)F值法、疊加指數(shù)法、平均指數(shù)法、模糊評判法、層次分析法、灰色關(guān)聯(lián)分析法等[3]。水質(zhì)綜合評價(jià)的方法或模式有很多，但沒有共同認(rèn)可的適用于全球地下水環(huán)境質(zhì)量評價(jià)的模式，主要因?yàn)楦鱾€(gè)地區(qū)地下水環(huán)境差異大，地下情況錯(cuò)綜復(fù)雜。最好根據(jù)監(jiān)測區(qū)的地質(zhì)環(huán)境條件選擇合適的模式。目前常用的有內(nèi)梅羅模式、加權(quán)均值模式、雙指數(shù)模式、模糊矩陣模型、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型等[4]97-210。

內(nèi)梅羅指數(shù)法的優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算過程簡單，對一個(gè)評價(jià)區(qū)，只需計(jì)算綜合指數(shù)，對照相應(yīng)的分級標(biāo)準(zhǔn)，便可知該評價(jià)區(qū)某環(huán)境因素的綜合環(huán)境質(zhì)量。它能夠綜合反映地下水水質(zhì)的各項(xiàng)指標(biāo)狀況、相應(yīng)的污染程度，是目前國內(nèi)外地下水水質(zhì)評價(jià)常用的方法之一。但在主要表現(xiàn)最大污染因素的同時(shí)會綜合許多因素值非常小的污染源，這會導(dǎo)致分析結(jié)果較為悲觀。內(nèi)梅羅指數(shù)法的計(jì)算公式[5-6]為

6類單因子，即氨氮、亞硝酸鹽氮、總硬度、氟化物、鐵、錳的PI詳見表1。由地下水質(zhì)量分級表(表2)可知鎮(zhèn)江市地下水水質(zhì)級別為較差。

表1 內(nèi)梅羅指數(shù)

表2 地下水質(zhì)量分級表

2.3 地下水健康風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)

地下水健康風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)以風(fēng)險(xiǎn)度作為評價(jià)指標(biāo)[7]53-55，考慮相關(guān)因素，如污染物種類、濃度，當(dāng)?shù)厝司钏降?，可以?zhǔn)確描述地下水污染物可能引起人體健康危害的程度[8-9]。

環(huán)境有害污染物質(zhì)分為基因毒物質(zhì)和軀體毒物質(zhì)。根據(jù)污染物質(zhì)對人體產(chǎn)生的危害效應(yīng)和近幾十年的研究成果，可以建立兩種性質(zhì)的健康風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)數(shù)學(xué)模型，即基因毒物質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)模型和軀體毒物質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)模型[10-11]。

鎮(zhèn)江市地下水中對人體健康有危害作用的有毒物質(zhì)主要有鎘、砷、硝酸鹽氮(基因毒物質(zhì))，氨氮、鉛、鐵、錳、氟化物(軀體毒物質(zhì))。亞硝酸鹽氮雖是劇毒物質(zhì)但不會在人體內(nèi)富集，會與人體內(nèi)有機(jī)物反應(yīng)形成有害物質(zhì)，成人攝入0.2～0.5 g即會引起中毒，亞硝酸鹽氮最大值為0.2×2.2=0.44(mg)，故不對亞硝酸鹽氮進(jìn)行評價(jià)。

研究區(qū)地下水中沒有檢測出放射性物質(zhì)，因此，在健康風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)的過程中，只對化學(xué)致癌物和軀體毒物質(zhì)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)[12-13]。

化學(xué)致癌物風(fēng)險(xiǎn)模型公式[14]為

(1)

(2)

(3)

軀體毒物質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)模型公式[15]為

(4)

(5)

假設(shè)上述有毒物質(zhì)只會單獨(dú)對人體健康造成危害，而不是協(xié)同或拮抗關(guān)系，以及其他關(guān)系，那么水環(huán)境總的健康危害風(fēng)險(xiǎn)

R=RC+Rn。

致癌強(qiáng)度系數(shù)和軀體毒物質(zhì)所致健康危害評價(jià)中的參考劑量是在參考嚴(yán)小三等[14]與健康風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)相關(guān)的論文后選取的。與本次評價(jià)有關(guān)的致癌強(qiáng)度系數(shù)詳見表3，軀體毒物質(zhì)參考劑量值見表4，評價(jià)的結(jié)果——健康危害風(fēng)險(xiǎn)度見表5。

表3 基因毒物質(zhì)的化學(xué)致癌物致癌強(qiáng)度系數(shù)

表4 軀體毒物質(zhì)參考劑量值RfDi

從表5可以看出，化學(xué)致癌物是鎮(zhèn)江市地下水飲用水源首要防治的污染物，其健康危害的風(fēng)險(xiǎn)度比非致癌物的健康危害風(fēng)險(xiǎn)度高4個(gè)數(shù)量級，由小到大排列：砷<鎘<六價(jià)鉻，其風(fēng)險(xiǎn)度值分別為2.45×10-5a-1，1.53×10-7a-1，3.68×10-5a-1。軀體毒物質(zhì)可能造成健康危害的個(gè)人年風(fēng)險(xiǎn)按從小到大排列：鐵<鉛<錳<氨氮<氟化物； 除氟和個(gè)別監(jiān)測井的氨氮、錳之外，其他污染物對人體健康危害的個(gè)人年風(fēng)險(xiǎn)均小于1×10-9a-1，即每千萬人口中因?yàn)轱嬘盟蟹侵掳┪廴疚锒?或死亡)的人數(shù)不超過1人。計(jì)算R=6.14×10-5a-1，已經(jīng)超過國際輻射防護(hù)委員會給出的最大可接受風(fēng)險(xiǎn)度5×10-5a-1。鎮(zhèn)江市目前有化學(xué)致癌物造成的健康風(fēng)險(xiǎn)，而非致癌物質(zhì)的風(fēng)險(xiǎn)度較低，尚未有風(fēng)險(xiǎn)。

表5 各采樣點(diǎn)地下水健康危害風(fēng)險(xiǎn)度(a-1)

3 結(jié)束語

查詢資料、布點(diǎn)采樣、分析討論、模型計(jì)算后可知，用單因子評價(jià)法評價(jià)鎮(zhèn)江市地下水，結(jié)果只有氨氮為Ⅴ類水，其他的都是I類水，用內(nèi)梅羅指數(shù)法綜合評價(jià)鎮(zhèn)江市地下水水質(zhì)結(jié)果為較差。鎮(zhèn)江市地下水的健康風(fēng)險(xiǎn)主要來自基因毒物質(zhì)中化學(xué)致癌物。鎮(zhèn)江市地下水有一定的健康風(fēng)險(xiǎn)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 何曉文,蔣蓉,許光泉,等.淮南礦區(qū)淺層地下水水質(zhì)分析與評價(jià)[J].水文,2010,30(4):18-22.

[2] 張新鈺,辛寶東,劉文臣,等.三種地下水水質(zhì)評價(jià)方法的對比分析[J].水資源與水工程學(xué)報(bào),2011,22(3):113-118.

[3] 張偉,閆學(xué)軍.天津市地下水質(zhì)量評價(jià)[J].水資源保護(hù),2005,21(2):31-35.

[4] 彭文啟,張祥偉.現(xiàn)代水環(huán)境質(zhì)量評價(jià)理論與方法[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2005.

[5] 杜斌,孫強(qiáng),祁志沖,等.太原市小店污灌區(qū)土壤重金屬污染現(xiàn)狀評價(jià)[J].中北大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2011,32(3):329-335.

[6] 周曉虹. 基于GIS的杭錦后旗淺層地下水化學(xué)分析與水質(zhì)評價(jià)[D].北京:首都師范大學(xué),2008:24-26.

[7] 胡二邦.環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)實(shí)用技術(shù)和方法[M].北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社,2000.

[8] International Program on Chemical Safety. Assessing human health risks of chemicals: principle for the assessment of risk to human health from exposure to chemicals[EB/OL].(2016-05-19)[2017-05-10].http://www.who.int/ipcs.

[9] United States Environmental Protection Agency. Guidelines for carcinogen risk assessment [EB/OL].(2015-01-06)[2017-03-20].https://www.epa.gov/risk/guidelines-carcinogen-risk-assessment.

[10] 王大坤,李新建.健康危害評價(jià)在環(huán)境質(zhì)量評價(jià)中的應(yīng)用[J].環(huán)境污染與防治,1995,17(5):9-12,28.

[11] United States Environmental Protection Agency,Office of Solid Waste and Emergency Response,Office of Emergency and Remedial Response. Superfund public health evaluation manual[EB/OL].(1986-10-01)[2017-06-05].https://www.osti.gov/scitech/biblio/6468589.

[12] 趙曉風(fēng),李振山,張漢松.河北省農(nóng)村飲用水源水質(zhì)健康危害的風(fēng)險(xiǎn)度評價(jià)[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2010,38(26):14614-14617.

[13] 劉俊玲,劉正丹,王懷記.武漢農(nóng)村飲用地下水砷、氟化物、硝酸鹽含量及其健康風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)[J].衛(wèi)生研究,2010,39(1):112-113.

[14] 嚴(yán)小三.某垃圾填埋場附近淺層地下水污染及水環(huán)境健康風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)[D].合肥:合肥工業(yè)大學(xué),2008:46-47.

[15] KENTEL E, ARAL M M.2D monte carlo versus 2D fuzzy monte carlo health risk assessment[J].Stochastic Environmental Research and Risk Assessment,2005,19(1) :86-96.

[16] Nation Academy of Sciences.Risk assessment in the federal

government：managing the process[M].Washington D C:Nation Academy Press,1983.