饒 志，儲小東,，吳代赦，顏 春，陳 婷，何景媛

(1.江西省地質環(huán)境監(jiān)測總站，江西 南昌 330031；2.南昌大學資源環(huán)境與化工學院，江西 南昌 330013)

長期城鄉(xiāng)二元發(fā)展模式使我國農村供水與排水設施建設投入不足，導致農村水資源質量急劇下降，嚴重威脅農村居民飲用水安全。地下水作為淡水的重要組成部分，是保障我國農村生產和生活必不可少的水資源。但近年來，由于工礦業(yè)污染物、農村生活污水和農業(yè)生產廢水向地下水的過量排放，農村地下水污染程度和范圍不斷擴大。農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，經由淋濾或滲透作用進入地下水體。地下水中的重金屬通過飲水和食物鏈在人體內富集，對人體產生直接或間接的健康風險[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。當這幾種重金屬進入人體后，容易與體內其他毒素結合生成毒性更大的物質，并在身體的某些器官累積，造成慢性中毒[2-7]。農村地區(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生健康風險，以規(guī)避農村地下水飲用水的安全隱患。

健康風險評價理論與方法，是評價地下水水質的有效手段，已被國外學者廣泛應用于地下水重金屬的風險評價研究中[8-10]，我國早期地下水健康風險評價通過引入“早四步法”[11]，介紹國外水環(huán)境健康風險評價模型[12]，建立我國居民的參數模型進行評價[13-15]。我國地下水健康風險評價研究逐漸發(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)域地下水健康風險的評價報道仍然很少。據此，中國地質調查局于2012年立項開展鄱陽湖平原地下水污染調查與評價。本文以該項目為依托，以區(qū)域地下水重金屬為研究對象，利用美國環(huán)境保護署(USEPA)水環(huán)境健康風險評價模型評價區(qū)內地下水的水質狀況以及對人體健康產生的危害，以期為鄱陽湖地區(qū)水質污染狀況研究及治理工作提供理論依據，為其他南方區(qū)域地下水重金屬的監(jiān)測和健康風險控制提供參考。

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區(qū)，屬亞熱帶濕潤季風性氣候，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。平原地下水是農村地區(qū)飲用水的主要來源，對社會經濟發(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個區(qū)市，總面積約2.8×105km2(圖1)。

圖1 研究區(qū)位以及采樣點分布圖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，樣點選取過程中充分考慮區(qū)域水文地質條件和污染源分布狀況，選擇具有代表性的水點(井、泉等)作為采樣點，在平水期進行地下水樣品采樣。所采集的171個樣點基本覆蓋了研究區(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29個，泉水流量為2～47 L/min，井水采樣點142個，所采集井水深度4～12 m。露天井采集水樣時，先用水泵充分抽汲后再用水樣采集器進行采樣；手壓泵井和抽水井采集水樣時，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內送回實驗室，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)測技術規(guī)范》(HJ/T164—2008)進行，采樣時間為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)直接進行測定；Hg過濾水樣經硫酸、溴酸鉀-溴化鉀消解后使用原子熒光光度計 (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 評價模型

運用SPSS 19.0軟件對地下水重金屬含量進行統(tǒng)計分析(最大值、最小值、均值、標準差等)。采用美國USEPA的風險評估模型，對研究區(qū)地下水中的目標污染物Cu、Pb、Cd、Cr、As、Hg等六種重金屬元素進行健康風險評價，確定基因毒物質、軀體毒物質和整體健康風險。

2.1 水環(huán)境健康風險評價模型

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

(1)

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

qi——基因毒物質通過食入途徑致癌系數/(mg·(kg·d)-1)；

S——人類平均壽命/a。

軀體毒物質評價風險值的計算公式：

(2)

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

RfDi——軀體毒物質i通過食入途徑參考劑量/(mg·(kg·d)-1)；

S——人類平均壽命/a。

飲水途徑的單位質量日均暴露計量(Di)：

Di=Vi×Ci/W

(3)

式中：Ci——飲用水中各重金屬的實測濃度/(μg·L-1)；

Vi——成人每日平均飲水量/(L·d-1)；

W——該地區(qū)的人體質量/kg。

飲用水中重金屬整體健康風險評價模型，即健康危害總風險為：

R總=Rc+Rn

(4)

2.2 評價模型污染因子和參數的確定

針對重金屬污染物的毒性，依據國際癌癥研究署(IARC)及美國環(huán)境保護署綜合風險信息系統(tǒng)(IRIS)數據，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)境健康風險評價模型中分男女兩種性別進行評估，參數值的確定依據是人均壽命年齡：男性73歲，女性77歲。根據調查情況，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]。

健康風險評價模型各污染物的qi和RfDi定量參考值來源于國際癌癥研究機構以及世界衛(wèi)生組織等機構，As、Cd 和Cr(VI) 為基因毒物質致癌物，強度系數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，強度系數RfDi分別為3×10-4mg/(kg·d)、1.4×10-3mg/(kg·d)和5×10-3mg/(kg·d)[14]。國外推薦社會公眾最大可接受風險水平及可忽略風險水平見表1，最大可接受風險值為1×10-6～1×10-4，最大可忽略風險值為1×10-8～1×10-7，本文選擇1×10-6作為最大可接受風險水平，1×10-8作為可忽略風險水平。

表1 最大可接受風險水平和可忽略風險水平

3 結果與討論

3.1 重金屬的含量特征

研究區(qū)171個地下水樣品中6種重金屬元素測試結果及與我國《地下水環(huán)境質量標準》(GB/T 14848—2017)的Ⅲ類標準對比情況見表2。研究區(qū)內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)境質量標準》(GB/T 14848—2017)Ⅲ類標準，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類標準限制。該區(qū)重金屬Hg、Cd和As的最大值均超過Ⅲ類標準，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，導致區(qū)域地下水水質存在一定的污染。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，經溶解、溶濾或運移作用進入含水層，使含水層地下水水質受到污染，主要為南部地區(qū)巖石土質中伴生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狀評價結果表明南昌等城市土壤中Hg元素污染與人類活動有著密切的聯(lián)系。

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

(4)農村污水間接污染地下水。在采樣過程中，經調查發(fā)現鄱陽湖平原農村飲用水90%以上建于房屋內或庭院內，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，導致了農村飲用水源的嚴重污染。

3.2 健康風險評價

運用地下水健康風險評價模型對鄱陽湖平原地下水水質進行了健康風險值的計算, 結果見圖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人年健康風險值分別為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；女性致癌風險值分別在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)不論男女平均個人年健康風險值均大于可接受風險值，Cr的健康風險值最大，是主要的致癌因子，As次之，Cd最低。男女健康風險值分別進行研究，發(fā)現男性的健康風險值均高于女性。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行評價，結果表明，陳行水庫的風險大小表現為As>Cr>Cd；黃浦江上游中，Cr的風險值最大，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進行評價，表明As的風險值大于Cd，且兩者致癌風險水平集中在10-6/a，低于本研究的結果。孫樹青等[24]通過對湘江干流的健康風險評價，顯示As的致癌風險值大于Cd。地下水飲用途徑致癌物質總的健康危害風險分別為男性總風險2.97×10-5～9.78×10-4、女性總風險2.86×10-5～9.41×10-4。

圖3 鄱陽湖平原地下水水質重金屬健康風險值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中非致癌物質進行健康風險計算，得出由Cu、Hg、Pb導致的男性平均個人年健康風險值分別為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；女性致癌風險值分別在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。三種元素的健康風險水平表現為Hg>Pb>Cu，屬于可忽略風險值。對這三種物質的男女性健康風險值進行比對，發(fā)現男性的健康風險值均高于女性。上海市主要飲用水中Hg、Cu、Pb引起的健康風險平均值都集中在10-10/a[16]， Hg、Cu的風險值小于本研究區(qū)域，Pb的風險值與之相當。北京市飲用水中Hg和Cu的平均風險值集中在10-8/a和10-9/a[19]，其中，Cu的風險值高于本研究結果。地下水飲用途徑非致癌物質總的健康危害風險分別為男性總風險2.37×10-9～5.73×10-7、女性總風險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生的健康風險遠大于非致癌金屬的健康風險，存在潛在的健康危害，應引起重視。同時，考慮到本次選擇的健康風險僅從重金屬的飲水途徑進行計算，沒有對其他暴露途徑(如皮膚接觸、吸入和食入等)進行評估，因此實際環(huán)境中重金屬總的暴露風險可能大于本研究的風險值。采樣調查過程中發(fā)現部分農村飲用水井所處的位置與環(huán)境也存在著一定問題，給人體健康風險帶來了巨大的隱患，通過規(guī)范使用農村飲用水源，合理保護地下水資源，可以減輕人體健康風險[25]。

4 結論

(1)研究區(qū)171個地下水樣品中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)境質量標準》的Ⅲ類標準。Hg、Cd和As最大值分別達到Ⅲ類標準的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)致癌物健康風險評價中，Cr、As和Cd的平均個人年健康風險值均大于可接受風險值，Cr的健康風險值最大，是主要的致癌因子，As次之，Cd最低。非致癌物質進行健康風險計算中；Hg、Pb和Cu的健康風險水平表現為Hg>Pb>Cu，屬于可忽略風險。區(qū)域飲水途徑健康風險主要來自致癌物質產生的健康風險，總體上男性整體健康風險大于女性的健康風險。