关中盆地浅层地下水氮污染的健康风险评价.pdf

Vol 38 No 3 May 2011 水文地质工程地质 HYDROGEOLOGY ENGINEERING GEOLOGY 第 38 卷 第 3 期 2011 年 5 月 关中盆地浅层地下水氮污染的健康风险评价 段磊 王文科 孙亚乔 杨晓婷 长安大学 环境科学与工程学院 西安710054 摘要 为了研究关中盆地浅层地下水氮污染对人体产生的潜在健康危害风险 在研究区采集和测试了 232 个水样 采用 单因子污染指数法和健康风险评价模型对浅层地下水氮污染进行了评价 结果表明 在浅层地下水中硝态氮污染程度 相对较重 呈面状分布 而铵态氮和亚硝态氮污染程度较轻 以点状存在 浅层地下水中硝态氮对人体健康的慢性毒害 指数较高 高风险区占研究区面积的 78 2 主要分布在农业活动强烈的灌区和人口居住密集 工业相对发达的城镇 区 硝态氮含量大于 12 6mg L 的三类地下水对人体健康也是高风险的 即传统意义上可以饮用的三类水对人体健康并 不都是安全的 上述成果对地下水资源管理和保护具有重要的参考价值 关键词 浅层地下水 三氮 污染特征 健康风险评价 关中盆地 中图分类号 P641 2文献标识码 A 文章编号 1000 3665 2011 03 0092 06 收稿日期 2010 07 19 修订日期 2010 12 30 基金项目 国家自然科学基金 40872163 41002086 国家重大 水专项 2009ZX07012 002 中央高校科研专项基 金 CHD2010JC029 作者简介 段磊 1978 男 博士 讲师 主要从事水文地球化 学 地下水污染与治理研究 E mail duanlei1978 126 com 据国内外研究统计分析 氮污染日趋严重 已严重 影响了浅层地下水水质 对区域饮水安全和居民身体 健康构成潜在威胁 1 5 然而 目前基于生活饮用水 卫生标准的水质评价 并不能直接反映对人体健康的 影响 健康风险评价真实地描述了人类接触有害物质 时的危害效应 能用数值大小来评价人类暴露或能够 暴露在有毒及有害物质中健康风险程度 6 9 而目前 针对地下水氮污染的健康风险评价研究较少 因此 本文以关中盆地为研究区 以浅层地下水中 三氮 为 评价对象 开展区域地下水氮污染的健康风险评价 以 期为饮水安全和水环境管理提供科学依据 1研究区概况 关中盆地位于陕西省中部 面积约 1 9 104km2 研究区南面是秦岭中高山 北面为低山丘陵 从南北山 前到盆地中心 呈阶梯状依次分布有山前洪积扇 黄土 台塬 冲积平原等地貌类型 盆地内堆积了厚达六千 余米的新生代碎屑岩 是一个典型的新生代断陷盆地 浅层地下水系统划分为三个亚系统 即渭河以南山前 洪积扇与黄土台塬地下水亚系统 渭河冲积平原地下 水亚系统和渭河以北山前洪积扇与黄土台塬地下水亚 系统 图 1 研究区农业较发达 工业城镇密集 集中 了陕西省 60 以上的人口和 80 的工业以及 52 的 耕地 是我国重要的粮棉产区和国家重点建设的 一 线两带 地区 为了增加粮食产量 氮肥用量逐年增 加 工业和生活废水排放量逐年增长 铵态氮排放总量 居高不下 经包气带淋失进入含水层 引起了地下水氮 污染 2浅层地下水氮污染和健康风险评价方法 2 1浅层地下水氮污染评价方法 地下水氮污染评价是根据评价区地下水 三氮 背景值或对照值进行的 然而关中盆地早在汉代地下 水就开始受到污染 10 因此 关中盆地地下水 三氮 背景值或对照值难以确定 故采用地下水环境质量三 级标准 11 为评价标准 采用单因子污染指数法评价 三氮 污染状况 超过三类的水质判定为污染 其中 四类定为轻污染 五类定为重污染 12 2 2健康风险评价的理论和方法 地下水水质健康风险评价是评价地下水中有害物 质与人体健康关系的定量方法 其评价模式包括危害 识别 剂量 效应分析 暴露评价及风险表征等 4 部 分 在 野外 调查 采 样和分析的 基础上 结合美国 EPA 超级基金健康风险评价基础信息表提供的毒性 化学物质 筛选出地下水中有害或潜在有害物质及对 饮用人群引起的健康效应 确定进行风险评价的物质 种类 地下水中物质进入人体的途径主要包括饮水和 洗澡两种途径 由于洗澡接触引起的健康风险评价影 响因素的不确定性较多 本次不考虑这种健康效应 第 3 期水文地质工程地质 93 图 1关中盆地水文地质剖面图 地质矿产部兰州水文地质工程地质中心 Fig 1Hydrogeological profile of the Guanzhong basin after Lanzhou Hydrogeology and Engineering Geology Center of the Ministry of Geology and Mineral Resources of China 1 灰岩 2 黄土 3 花岗岩 4 砂卵砾石 5 粘土层 6 地下水位 根据剂量 效应评价结果 评价物质分为致癌物质和 非致癌物质 同时评价模式采用美国 EPA 的健康风险 评价模式 即致癌风险评价模型和非致癌风险评价模 型 2 2 1致癌风险评价模型 通常认为人体在低剂量致癌物暴露条件下 致癌 风险与暴露剂量率呈线性关系 当致癌物产生高致癌 风险时 致癌风险与暴露剂量率呈指数关系 数学表达 式为 6 7 R E SF R 1 exp E SF 1 E C IR EF ED BW AT 2 式中 R 饮用地下水引起的致癌风险 E 暴露剂量 SF 致 癌 物 的 致 癌 斜 率 系 数 mg kg d 1 C 物质的浓度 mg L IR 每日饮水量 建议值为成人 2 0 L d EF 暴露频率 采用 365d a 作为暴露频率 ED 饮水持续时间 表示人体终生摄入致癌 物的年数 BW 人体平均体重 平均体重采用 70kg AT 暴露发生的平均时间 d 致癌效应为 70a 365d a 非致癌效应为 30a 365d a 2 2 2非致癌风险评价模型 一般认为 非致癌慢性危害以参考剂量为衡量标 准 当目标物质暴露剂量超过参考剂量时 有可能产生 毒害效应 通常用风险指数 HI 表示 它指目标物质 暴露剂量率与参考剂量的比值 数学表达式为 6 7 HI E RfD 3 式中 RfD 地下水中目标物质的参考剂量 mg kg d 特别需要指出的是 如果目标物质兼有致癌效应 和非致癌慢性危害两种作用 则需要同时开展致癌风 险评价和非致癌风险评价 2 2 3总风险评估 上述公式 1 和 3 只是计算地下水中某一特定 目标物质的致癌风险度或非致癌风险指数 由于地下 水中含有多种物质 那么总致癌风险 或非致癌风险 的值应为多个目标物质的致癌风险度 或非致癌风险 度 的总和 相应的数学表达式为 9 TR n i 1 Ri 4 THI m j 1 HIj 5 式中 TR 人体一生中通过饮用地下水而引起的总 致癌风险 94 段磊 等 关中盆地浅层地下水氮污染的健康风险评价2011 年 THI 人体一生中通过饮用地下水而引起的 总非致癌风险指数 n 地下水中引起致癌效应的目标物质的总 数 m 地下水中引起非致癌效应慢性毒害的目 标物质的总数 2 2 4风险评价标准 国际辐射防护委员会 ICRP 推荐的致癌风险最 大可接受值 5 0 10 5 a 1 瑞典环保局 荷兰建设和 环境署推荐的致癌风险最大可接受水平 1 0 10 6 a 1 美国 EPA 建议 A 类致癌物的致癌风险最大可接 受值 1 0 10 6a 1 B 类致癌物的致癌风险可放宽至 1 0 10 5a 1 C 类致癌物的致癌风险可放宽至 1 0 10 4a 1 9 总非致癌风险以 1 为评价标准 总风险 指数大于 1 表明人体所承受的总非致癌风险度较高 在不可接受范围内 反之 人体所承受的总非致癌风险 较低 可以接受 3评价分析 3 1浅层地下水中氮污染状况 2001 年 1 2 月份在研究区共采浅层地下水样 232 个 图 2 采样时应用 GPS 实时定点 并测定水温 和 pH 等指标 取样前对样品容器进行彻底清洗 取 样时保证水样充满整个取样瓶 取样后立即加 H2SO4 酸化至 pH 2 并在 2 5 环境下冷藏 根据水质分析结果 表 1 可知 研究区浅层地下水 中硝酸盐检出率达 92 6 而铵盐和亚硝酸盐的检出率 分别为 30 0 和 10 0 硝酸盐的超标率为 32 9 铵 盐和亚硝酸盐的超标率分别为 17 0 和 4 3 由此 可见 硝酸盐对地下水质的污染不容忽视 表 1浅层地下水含氮化合物检出情况 Table 1Nitrogenous compound checkout degree in the shallow groundwater 项目 最小值 mg L 最大值 mg L 平均值 mg L 检出率 超标率 NH 4 0 013 150 273017 NO 3 265092 1292 632 9 NO 2 0 0010 760 04104 3 根据研究区 232 个浅层地下水水质分析资料 采 用单因子污染指数法进行了氮污染评价 结果表明 图 2研究区取样点分布图 Fig 2Location of the samples 1 铵态氮污染呈点状分布 主要分布在渭河中 下游的冲积平原区 如西安的草滩和长安区的严家渠 渭南的华县等 在黄土台塬的低洼地区 也有点状的 铵态氮污染 如礼泉的史德镇 蒲城的荆姚镇和党睦镇 等 图 3 亚硝态氮只有一个水样点超标 表明已受 污染 2 浅层地下水硝态氮呈面状污染 主要分布在 交口灌区 泾惠渠和洛惠渠灌区及宝鸡峡部分灌区 在 华县 兴平和武功等地也出现了小面积比较严重的污 染 同时在西安 宝鸡 咸阳等城区硝酸氮污染也较重 图 4 在空间分布上 渭河以北地区硝态氮污染程 度高于渭河以南地区 渭河北部的漆水河 洛河地段 渭河南部西安城区和户县 长安及华县的黄土台塬以 及渭河中上游漫滩和低阶地为重污染区 第 3 期水文地质工程地质 95 3 2浅层地下水氮污染的健康风险评价 美国 EPA 网站提供的健康风险评价属性数据表 明 铵态氮 亚硝酸盐和硝酸盐为非致癌物质 非致癌 物铵态氮 亚硝酸盐和硝酸盐的参考剂量 RfD 分别为 0 97mg kg d 0 1mg kg d 和 1 6mg kg d 7 根据研究区浅层地下水中 三氮 的数据 利用公式 2 计算 三氮 的暴露剂量 同时采用铵态氮 亚硝酸 盐和硝酸盐的参考剂量和公式 3 分别获得铵态氮 亚硝酸盐和硝酸盐的慢性毒害风险指数 在上述计算 结果的基础上 采用公式 5 获取浅层地下水中 三 氮 的总慢性毒害风险指数 在评价结果中 铵态氮 亚硝态氮和硝态氮的非致癌慢性毒害风险指数 HI 分 别为 0 0 0 093 0 0 0 217 和 0 0 11 61 总非致 癌慢性毒害风险指数 THI为 0 0 11 63 图 3浅层地下水中铵态氮含量分区图 Fig 3Distribution map of ammonium nitrogen in the shallow groundwater 图 4浅层地下水中硝态氮含量分区图 Fig 4Distribution map of nitrate nitrogen in the shallow groundwater 依据非致癌风险评价标准 由于铵态氮和亚硝态 氮的非致癌风险指数均小于 1 故铵态氮和亚硝态氮 对人体产生的非致癌风险度较低 非致癌风险在可以 接受范围内 即浅层地下水中铵态氮和亚硝态氮对人 体健康是安全的 而硝态氮非致癌风险指数大于 1 的 水样点占总水样点的 45 54 表明 45 54 的水样中 硝态氮非致癌风险在不可接受范围内 即浅层地下水 中硝态氮对人体健康是不安全的 由表 2 可见 浅层地下水硝态氮含量为 类水和 类水时 慢性毒性风险指数小于 0 4 硝态氮含量为 96 段磊 等 关中盆地浅层地下水氮污染的健康风险评价2011 年 类水 和 类 水 时 慢 性 毒 性 风 险 指 数 为 1 57 11 61 硝态氮含量为 类水时慢性毒性风险指数为 0 4 1 57 这充分表明以地下水环境质量标准中硝 态氮含量划分的四级 五级和部分三级分区为人体健 康高风险区 其余部分为低风险区 在可接受范围内 同时反映了地下水环境质量标准中可以饮用的三类水 对人体健康并不都是安全的 应引起相关部门的高度 重视 根据浅层地下水硝态氮的非致癌慢性毒害指数 编制了研究区浅层地下水硝态氮的健康风险评价图 图 5 从图 5 中可以看出 浅层地下水中硝态氮对 人体 健 康 的 高 风 险 区 面 积 较 大 占 研 究 区 面 积 的 78 2 主要分布在农业活动强烈的灌区和人口居住 密集 工业相对发达的城镇区 低风险区分布在秦岭山 前洪积扇 岐山 凤翔山前洪积扇 洛河以东黄土台塬 和阶地 以及宝鸡的千阳河以西地区 图 5浅层地下水硝态氮非致癌风险指数等值线图 Fig 5Health risk assessment map of nitrate nitrogen in the shallow groundwater 表 2浅层地下水硝态氮质量分级与毒害指数 Table 2Quality classification and toxic index of nitrate nitrogen in the shallow groundwater 项目 分级 类水 类水 类水 类水 类水 含量 mg L 2 0 5 0 20 30 30 毒害指数0 0 15 0 15 0 40 0 4 1 57 1 57 2 37 2 37 11 61 4结论与建议 1 研究区浅层地下水中氮污染以硝态氮为主 呈面状分布 在 232 个浅层地下水样中 32 9 的硝酸 盐超标水样主要分布在农业活动强烈的灌区和人口居 住密集 工业相对发达的城镇区 2 研究区浅层地下水中硝态氮对人体健康的慢 性毒害指数较高 慢性毒害指数在不可接受范围内 对 人体健康存在潜在风险 而铵态氮和亚硝态氮对人体 的慢性毒害指数小于 1 0 慢性毒害指数在可以接受 范围内 对人体健康是安全的 浅层地下水中硝态氮 对人体健康的高风险区面积较大 占研究区面积的 78 2 在地下水环境质量标准中能够饮用的三类水 中 硝态氮含量超过 12 6mg L 的地下水对人体健康 也是高风险的 即传统意义上可以饮用的三类水对人 体健康并不都是安全的 3 在浅层地下水氮污染的健康风险评价中 采 用的模型参数主要为欧美国家已有的参数 然而 我 国的人体特征和生活习惯与国外不同 故健康风险评 价参数可能存在一定的误差 因此 建议开展健康风 险评价基础研究 提供适宜我国人群健康风险评价的 参数 提高我国地下水健康风险评价精度 为区域地下 水质的安全管理提供科学依据 参考文献 1 姜桂华 王文科 杨晓婷 等 关中盆地地下水硝酸 盐污染分析及防治对策 J 水资源保护 2002 68 2 6 8 JIANG G H WANG W K YANG X T et al Analysis of nitrate pollution of groundwater of guanzhong basin and counteremeasures J Water Resources Protection 2002 68 2 6 8 in Chinese 2 Thorburn P J Biggs J S Weier K L et al Nitrate in groundwaters of intensive agricultural areas in coastal 第 3 期水文地质工程地质 97 Northeastern Australia J Agricultue Ecosystems and Enviornment 2003 94 49 58 3 Babiker I S Kato K Ohta K et al Assessment of groundwater contamination by nitrate leaching from intensivevegetablecuhivationusinggeographical information system J Environment International 2004 29 8 1009 1017 4 刘宏斌 李志宏 张云贵 等 北京平原农区地下水 硝态氮污染状况及其影响因素研究 J 土壤学报 2006 43 3 405 413 LIU H B LI Z H ZHANG Y G et al Nitrate contamination of groundwater and its affecting factors in 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