水污染对人健康影响研究

1第一章 引言1.1 背景人类面对前所未有的资源与环境危机，在痛苦而深刻地反思以往的发展模式后，做出了可持续发展战略的明智选择。可持续水生态资源是可持续发展理念的最重要体现与延伸。但随着我国人口的快速增长和经济社会的高速发展，生态系统尤其是水生态系统承受着越来越大的压力。水体污染和富营养化问题不断出现，严重威胁着水生态系统的平衡，威胁着人类的健康。我国是一个水资源短缺的国家，水资源问题已成为当前制约经济社会发展的主要问题。随着工业发展和人口增长，工业和生活废弃物大量产生，加之农药和化肥广泛应用，使水源受到污染的机会增加。人若饮用或接触大量受污染的水，就会给身体带来一定的危害。水污染比大气污染、垃圾污染后果更严重，水一旦污染了，就很难治好。因此，要把治理水污染作为城市建设的头等大事来抓。世界卫生组织(W. H. O)公布的资料表明：现在因饮用受污染的水，全世界每年有3 500万人患有心血管疾病、7 000万人患有胆结石、9 000万人患有肝炎病、 3 000万人死于肝癌、胃癌、 500万5岁以下的儿童丧生。目前已从水中检测出2 200多种有机化学污染物，存在于自来水中的就有785种，其中致癌物20种、可疑致癌物23种、促癌物18种、致突变物56种。并且我国目前饮水形势也很严峻。1996年国务院发展研究中心等13个部委联合签发的文件指出:全国79%的人口正在饮用有害的污染水。其中有7亿人饮用含大肠杆菌超标的水; 1. 7亿人饮用高氟水。“水污染、人类将自己毁灭自己”。“饮水进化刻不容缓”。国内一项历时5年的国家重点科研项目全国生活水水质和水性疾病调查,以触目惊心的数字给我们敲响了警钟。调查结果表明:我国的自来水没有一处可生饮,我国城乡居民饮用水的卫生状况与国家规定的“生活饮用水卫生标准”还有很大差距,饮用水水质之差正日益严重威胁着每一个人的健康和生存。水孕育了生命,是人类赖以生存的基本物质,但也是传播疾病的重要媒介。生活饮用水与疾病之间存在着某种必然的联系，如饮用水由于各种原因被污染,2水质不符合生活饮用水卫生标准的卫生要求,就会对人体健康产生危害,引起多种疾病。水污染直接或间接地危害着人体健康，如导致急性或慢性中毒、水传播疾病以及化学致癌作用， 还可引起水的感官性状恶化，影响饮水卫生状况，从而间接影响人体健康。水污染对人体健康的危害历史由来已久，纵观其发展进程，大致可分为三个阶段：第一阶段：主要是病原微生物污染引起的水传播疾病，如病菌引起的伤寒、霍乱、肠炎，病毒引起的脊髓灰质炎、柯萨奇病、传染性肝炎， 寄生虫引起的血吸虫病、阿米巴痢疾、钩端螺旋体病等。这种水污染的健康危害发生最早、延续时间最长，严重威胁人类生命，迫使饮水消毒和自来水厂纷纷兴起。随着自来水厂的普及，水肠道传染病得到了有效控制，但在一些落后地区仍有暴发流行。第二阶段： 到本世纪中叶， 随着工业的发展出现了水体受到工业废水及废渣的污染， 特别是含砷、汞、镉、铬、铅等重金属废水的污染而对人体健康造成极大危害。在日本出现了震惊世界的两大公害病一甲基汞导致的水俣病和镉中毒导致的疼痛病， 引起了各国政府的重视，在采取了一定的预防和治理措施后，这种污染危害渐趋缓和。第三阶段： 随着水质监测仪器的发展， 装备有计算机的气相色谱质谱仪 开始被用于水质分析，70年代初美国环保局首先在自来水中检测出(/)GCMS767种有机化合物，引起了人们的广泛关注。到目前为止，全世界已在水中检测出2221种有机化合物， 其中英国河水中检测出324种，第二松花江吉林段检测出317种，上海黄埔江中发现的有机化合物达500余种，可见水体中有机污染物的数量是惊人的。而且据报道，在美国自来水检出的767种有机物中有20种为致癌物，26种为可疑致癌物，18种为促癌或助癌物，可见水中有机污染物对人体健康具有极大的危害性。这种有机物污染引发的健康危害已成为目前世界各国研究调控措施。由于水与人体健康密切相关，并且面对我国水污染严重、公民受污染水危害的现状，本论文通过建立数学模型结合概率论与数理统计、数学分析以及相关数据处理的数学软件等知识来充分探索水质污染对人体健康的影响程度，充3分探索水污染对城市建设的影响程度。1.2 意义在生态学的研究中，当我们描述实际对象的某些特征随时间或空间而演变的过程，分析它的变化规律，预测它的未来性态及相关影响时，通常要建立对象的动态模型，通过对对象的动态模型的研究不断总结出模型的渐变过程，进而简化问题的研究。水是生命之源，万物生长离不开水。水污染对人的身体健康起着至关重要的作用。水中所含的矿物质元素能有效地补充人体的矿物质营养，调节代谢平衡，促进人体健康成长。科学研究证明，所有的营养素都是靠分解、转换、渗透作用进入细胞，而不同的矿物质元素分别掌控不同营养素的转换及吸收。没有矿物质元素，所有食物都无法转换成人体必需的各种营养成分；而如果矿物质元素种类不周全、不均衡，人体就无法吸收到全面、均衡的营养。并且生活用水中除了含有锌、锰、铜、铁、钼、钴、镍、铬、钡等9种对生命的化学过程起着最深层次的催化、激活、动力作用的动力元素外，还含有增强人体免疫力、抗癌作用的砷、锗等元素。倘若水被污染，那么吸收到人体内的饮用水由于被污染而失去原有的功效，并且受污染的水中含有一定程度的致癌物质，会危害人体健康，导致人体出现各种杂症。因此通过动态模型研究水污染对人身体健康的具体影响程度是十分重要的，它能够从根本上分析出人因污染水所导致的严重后果，给大量制造水污染的人类敲响警钟，为以后我们保护水资源、减少水污染、进一步增进身体健康创造美好条件。探索水污染与人身体健康的影响程度，可以让无知的不断制造水污染的人们从本质上认识到水的重要性，进而保护地球上有限的水资源，保护我们人类自身。第二章 预备知识2.1分布函数4定义2.1.1 设X是一个随机变量，对任意实数x，称 为随机变量X()FxPx的分布函数。且称X服从 ，记为 。有时也可用 以表明是X的()Fx()X:(分布函数（把X称作F的下标）。性质2.1.2 任一分布函数 都具有如下三条基本性质：()（1） 单调性 是定义在整个实数轴 上的单调非减函数，则对任意()x(,)的 ，有 。1212()Fx（2） 有界性 对任意的x，有 ，且 01()lim()0xF()lim()x（3） 右连续性 是x的右连续函数，即对任意的 有 F000li()xFx00()(x意义2.13 对于任意实数 ， ，有1x212()x，因此若已知x的分布函数，122 1()PxPF就可以知道X落在任一区间 上的概率，在这个意义上说。分布函数完整12(,x地描述了随机变量的统计规律性。如果将x看成是数轴上的随机点的坐标，那么，分布函数 在x处的函数()F值就表示X落在区间 上的概率。(,x有了随机变量 是分布函数，那么有关 的各种事件的概率都能方便的用分布X函数来表示。2.2 连续随机变量的概率密度函数定义2.2.1 设随机变量 的分布函数为 ，如果存在实数轴上的一个非负可X()Fx积函数 ，使得对任意实数 有 ，则称 为连续随机变量，()px ptdX称 为 的概率密度函数，简称为密度函数。性质2.2.2 5（1） 非负性： ；()0px（2） 正则性： 。1d意义2.2.3 以上两条基本性质是密度函数必须具有的性质，也是确定或判别某个函数是否成为密度函数的充要条件。譬如已知某个函数 为密度函数，若()px中有待定常数，则该常数必定是利用正则性 来确定的。()px 1d2.3 区间估计设 是总体的一个参数， 是样本，所谓区间估计就是要找两个12,xn统计量 和 ，使得 ，在得到样本观1(,)Lnx 1(,)Ux LU测值之后，就把 估计在区间 内。,L作为区间估计通常要求区间 盖住 的概率 尽可能大，UP()UL但必然导致区间长度增大，为平衡此矛盾，把区间 盖住 的概率事先给,U定。第三章 水环境健康风险评价模型3.1 背景意义健康风险评价是20世纪80年代以后兴起的环境风险评价的热点，它是以风险度作为评价指标，把环境污染与人体健康联系起来，定量描述污染对人体产生健康危害的风险。目前，健康风险评价在世界各国都得到一定的应用。健康风险评价以美国国家科学院(NAS)和美国环保局(USEPA)的成果最为丰富。1983年美国国家科学院对公众健康风险评价给出了定义，即风险评价是描述人类暴露于环境危害因素之后，出现不良健康效应的特征，并提出了健康风险评价的四步法，即危害鉴定(Hazard Identification)、剂量反应评估(Dose-response Assessment)、暴露评估(Exposure Assessment)、风险表征(Risk Characterization)。美国环保局在1989年颁布的优先资助场地健康评6价手册中也提出了类似的4个步骤，即数据收集和数据评估(Data Collection and Data Evaluation)、毒性评估(Toxicity Assessment)、暴露评估(Exposure Assessment)、风险表征(Risk Characterization)。这两种模式存在细微的差别：NAS 1983模式的内容更为通用，适用于各种健康风险评价；EPA模式较为具体，强调对污染场地各种参数的收集，操作性较强。完整的健康风险评价应包括对大气、土壤、水和食物链4种介质携带的污染物通过食入、吸入和皮肤接触3种暴露途径进入人体对人体健康产生危害的评价。随着水污染越来越严重，关于水环境的健康风险评价越来越引起人们的重视，目前主要集中于对地表水或污水回用的评价，评价的污染物主要是无机和重金属污染物，也有少量对微生物和有机物的评价。由于水环境健康风险评价是20世纪80年代后兴起的健康风险评价(Health Risk Assessment，HRA)的重要组成部分，是建立水体污染与人体健康定量联系的一种评价方法，其目的是通过水体污染物危害鉴定、污染物暴露评价和污染物与人体的剂量一反应关系分析等定量评估水体污染物对人体健康危害的潜在风险。尽管当前各国对水体污染健康风险评价的方法和模型的表现形式不尽相同。但其原理基本一致，并且都包括致癌与非致癌风险评价模型两部分。3.2 模型的建模过程和方法3.2.1两种风险评价模型的基本情形（1）致癌风险评价模型。一般认为，只要有微量的致癌风险物存在，即会对人体健康产生危害。致癌风险常用风险值(RISK)表示，其定义为长期日均摄入剂量与致癌强度系数的乘积，表示暴露于某种致癌物而导致的一生中超过正常水平的癌症发病率，模型表达式如下：低剂量暴露： （1）若式igiigRISKDQ（1）计算结果大于0.01，则按高剂量暴露计算： exp()/70i i:（2）（2）非致癌风险评价模型。一般认为，只有在非致癌物超过某一阈值时才会对人体健康产生危害。非致癌风险通常用风险指数(HI)描述，它指暴露造成的长期日摄入量与参考剂量的比值，模型表达式如下： 6(10/)/70igi igHIDRF（3） （4）2.()/70igiDCx7以上两模型中， 为第i种化学致癌物经饮水暴露产生的人均年致癌风gRISK险( )； 为化学致癌物i经饮水暴露的单位体重日均暴露剂量 ；-1agD -1(mgkd):为化学致癌物i经饮水暴露食入的致癌强度系数 ；70为研究区人gQ -1(g/kd)均寿命(a)； 为非致癌物i经饮水暴露所致健康危害的人均年非致癌风险(gHI)； 为非致癌物i的参考剂量 ； 为水体中污染物浓-1aRFD-1(mgkd):()iCx度年均增量 ，22为成人日均饮水量(L)。1()mL:目前，在评价水体中有毒物质所引起的整体健康风险时，一般先单独计算水体中各污染物的致癌与非致癌风险值，然后分类求和，而不考虑其间的协同作用和拮搞作用。3.2.2研究区水质监测数据研究区位于某流域下游，近年流域上游工业污染排放致使流域整体水环境质量急剧下降，对研究区内的水环境质量产生了极大影响。根据研究区年度水质公报，该市2005年饮用水源水质达标率仅为1188，有些断面水质指标月均值超标率100，最大超标倍数为2596倍，水污染形势十分严峻。为研究水环境变化对人体健康危害的潜在风险，收集该市5个饮用水源水质监测站2001-2005年水质监测数据（表1），由表1可知，该市水体中危害人体健康的有毒物质主要包括：化学致癌污染物 、As、Cd和非致癌物Hg、Pb、Cu、 、6Cr 1CN、酚、氟化物。放射性污染物未检出，故本研究仅考虑水体中化学致3NH癌污染物和非致癌污染物对人体健康危害的潜在风险。表1 某市2001年各水质监测站水质监测数据Table l The observational data from water quality monitoring sites in City A in 2001 #1#2#3#4#5pH值 7.88000 7.88000 7.58000 7.57000 7.74000BOD(/)mgL7.40000 7.40000 9.00000 8.40000 8.00000COD 1.00000 0.90000 0.90000 1.00000 0.900008总磷 (/)mgL0.05000 0.05000 - - 0.040006Cr0.00200 0.00200 0.00200 0.00200 0.00200Cd(/)0.00200 0.00180 0.00200 0.00060 0.00120As mgL0.02290 0.01940 0.00450 0.00930 0.01650Hg(/)0.00014 0.00011 0.00017 0.00002 0.00005Pb 0.00600 0.00500 0.006.。 0.00400 0.00200Cu(/)mgL0.00100 0.00100 0.00100 0.00100 0.001001CN000300 0.00200 0.00200 0.00200 0.003003H(/)0.31000 0.26000 0.13000 0.03000 0.11000酚 mgL000100 000100 000100 000100 000100氯化物 (/)0.270000 0.28000 0.13000 0.21000 0.210003.2.3模型参数选择模型中各污染物的致癌强度系数和饮水暴露的参考剂量均参照U.SEPA标准。具体而言，致癌物 、As和Cd的致癌系数分别为6Cr41.00、1500、610，单位为 ；非致癌物Hg、Pb、Cu、 、1/()mgkd:1CN、酚和氟化物经饮水途径暴露的参考剂量分别为3NH0.0003、00014、00050、0037、097、010、006，单位为。1/()mgkd:3.2.4研究区水环境健康风险时空分异特征根据上述水质健康风险评价模型、模型评价参数和研究区各监测站点水质监测数据。计算该区2001-2005年人均饮水暴露对人体健康危害的潜在年致癌风险和非致癌风险，结果见表2。衰2水体污染物饮水暴露所致的健康危害人均年风险Table 2 Health risk from pollutants by drinking approach for one 9person#1#2#3#4#5年份 igRISKigHIigRSKiIigRSKigHIigRSKiIigRSKiHI20011.96E-043.67E-071.72E-043.44E-077.25E-052.90E-071.01E-042.68E-071.51E-042.29E-0720024.01E-052.64E-073.96E-051.76E-073.87E-054.34E-073.80E-051.94E-073.85E-051.73E-0720031.64E-042.14E-071.58E-042.30E-076.59E-051.97E-071.05E-042.88E-071.00E-041.59E-0720046.57E-052.85E-076.51E-052.70E-074.31E-052.46E-073.91E-052.41E-075.77E-052.18E-0720051.62E-042.86E-071.56E-042.94E-079.811E-051.81E-073.36E-044.20E-071.07E-042.58E-073.2.5水环境潜在健康风险时间变化趋势表2表明，该市除2002年所有水质监测站和2004年 、 水质监测站周围#34水体所含污染物人均年致癌风险低于ICRP推荐的最大可接受风险水平外，其余各年各水质监测站周围水体所含污染物的年人均致癌风险51.0a均超过此标准(超标率高达72)，水污染形势严峻。研究期内各水质监测站周围水体中污染物对于人体的化学致癌风险还呈现出明显的年际高低交替趋势(图1)。而对于化学非致癌风险，尽管这种年际交替趋势仍存在，但其绝对风险值都处于 数量级，对人体健康的副作710用甚微。研究区水环境潜在健康风险的时间变化趋势一定程度上揭示了环境保护与地方经济发展政策之间的矛盾如当环境保护政策优于经济发展政策时(2002年和2004年)，水体污染对人体健康的潜在风险较低。0.00E+001.00E-042.00E-043.00E-044.00E-045.00E-046.00E-047.00E-042001 2002 2003 2004 2005年 份人均年致癌风险值 5#2#1#4#3#图1 20012005年研究区内人均年致癌风险的年际变化Fig1