滹沱河平原地下水有机污染健康风险评价.pdf

2010年第 2期?上海地质Shanghai Geology收稿日期:2010-04-16基金项目:?973 资助项目(2010CB428801),国土资源大调查资助项目(1212010634600),国家科技支撑计划资助项目(2007BAD69B01)作者简介:费宇红(1960-),女,研究员,博士。滹沱河平原地下水有机污染健康风险评价费宇红,张兆吉,杨梅,李亚松,钱永,孟素花,陈京生(中国地质科学院水文地质环境地质研究所,石家庄 050061)摘?要?本文根据有机物的挥发性对计算结果的影响大小,对 U.S.EPA的健康风险评价模型进行适当改进,在模型中添加了污染物煮沸后的残留率 TF项,评价分析了滹沱河冲积平原的健康风险。结果表明:(1)研究区典型的检出有机污染物为:三氯甲烷、四氯化碳、三氯乙烯和四氯乙烯,各采样点风险的主要贡献污染物为三氯甲烷和四氯化碳,主要的污染源应以工业和工业产品的使用污染为主;(2)对于非致癌风险和致癌风险,3种暴露途径的健康风险顺序均为:呼吸途径 饮水途径 皮肤接触途径;(3)非致癌风险中 3个点均超过规定限值 1.0,致癌风险中有 4个点超过规定限值 10 6;(4)使用和饮用开水并保持厂内工作车间和办公环境内空气畅通,可以在一定程度上降低健康风险。关键词?滹沱河平原;有机污染物;残留率;致癌风险;非致癌风险1?引言滹沱河平原位于华北地区中部、太行山山前倾斜平原地带,石家庄市是其主要工业生产区。该区属于暖温带大陆性季风气候,年平均降水量 531mm,75%85%集中在 6 9月。地下水赋存于第四系含水层中,按成因和开发利用特征分为浅层和深层地下水。浅部含水层岩性主要为砾石、卵石、粗砂、中细砂,含水层垂向连续性好,地下水埋深 30 m 左右,导水系数 100 300 m2/d,降水入渗系数 0.30.4。包气带岩性以砂性土为主。滹沱河平原以地下水为主要供水水源,据 2003年计算 1,地下水开采强度为 25.83!108m3/ak m2,开采程度达 122.61%,地下水已严重超采。因此,本区的地下水支撑着区域工业和农业发展,然而,人类活动,特别工业生产已经对地下水造成了污染。为探索和研究地下水污染状况,中国地质调查局针对地下水有机污染开展了全面的调查工作。地下水有机污染健康风险是对居民用水安全的评价,健康风险评价又包括生态风险评价和人体健康评价 2。国外健康风险评价的发展已经历经了 3个阶段 3,国内的健康风险评价研究始于 20世纪 80年代,迄今为止,我国还没有建立一套完整的风险评价方法和技术指导性文件,但利用风险评价的概念和分析方法对环境健康风险进行评价的研究却取得了相对较大的进展。曾光明等 4开展了水环境健康风险评价模型及其应用研究;高继军等 5通过对采样点中的 Cu、Hg、Cd和 As等重金属浓度进行调查,采用 U.S.EPA推荐的健康风险评价四步模型评价了由饮水途径引起的人群健康风险;韩冰等 6根据某典型区浅层地下水有机污染调查结果,评价由于饮水和洗浴带来的人群健康风险;陈鸿汉等 7分别对污染场地健康风险评价的理论及评价方法开展了探讨,提出了叠加风险和多暴露途径同种污染物人群健康风险的概念。本研究采用美国国家环保局提出的健康风险评价方法 8,以致癌风险为评价标准,认为:致癌风险值 1.0时,存在非致癌风险;致癌风险值 10 6时,存在致癌风险 9。对地下水中检测出的 4种主要有机污染物进行分析,分析其主要来源,评价污染物质通过饮水、呼吸、皮肤接触三种暴露途径进入人体带来的健康风险,为研究区内地下水的使用和管理提供科学依据。2?样品采集与测试调查组对研究区内 7个工厂的 7口自备井进行了调查、取样和测试分析,采集了钢厂、焦化厂、化工厂、化肥厂、棉纺厂、制药厂。采样过程全部按非曝气采集含水层水样。现场测试气温、水温、p H 值、电导率、氧化还原电位、溶解氧、浊度等理化指标;用 VOA瓶采集挥发和半挥发13?上海地质Shanghai Geology2010年第 2期水样,低温保存。测试指标包括常规指标和非常规指标 57项,其中有机指标 23项,21项挥发性有机物指标:三氯甲烷、四氯化碳、1,1,1-三氯乙烷、三氯乙烯、四氯乙烯、二氯甲烷、1,2-二氯乙烷、1,1,2-三氯乙烷、1,2-二氯丙烷、溴二氯甲烷、一氯二溴甲烷、溴仿、氯乙烯、1,1-二氯乙烯、1,2-二氯乙烯、氯苯、邻二氯苯、对二氯苯、苯、甲苯、乙苯、二甲苯、苯乙烯;5项半挥发性有机物指标:总六六六、?-BHC(林丹)、总滴滴涕、六氯苯、苯并(a)芘。样品测试由国土资源部地下水矿泉水及环境监测中心和澳大利亚 ALS实验室完成。根据滹沱河平原工业区的发展历史和样品测试结果,筛选出三氯甲烷、四氯化碳、三氯乙烯和四氯乙烯等 4种典型的对人体健康有害的挥发性有机污染物进行评价,测试结果见表 1。从表 1中可以看出,YM344点和 YM346点的四氯化碳分别超过 EPA标准的 2倍和 3倍多,其它点的各指标均是检出。表 1?研究区各取样点检出情况Table 1?Sampling point detection in research area样品编号三氯甲烷四氯化碳三氯乙烯四氯乙烯?g/L?g/L?g/L?g/LYM 3443.5912.25-YM 3461.6816.81-YM 3472.471.021.754.14YM 34923.701.630.263.07检出限0.50.50.50.5EPA 饮用水标准805553?健康风险计算3.1?暴露量计算暴露量是指通过污染物质空气、食物及水等暴露途径进入体内的总量。考虑到中国人习惯于饮用开水 10和洗浴时多使用经过加热的水,另外多数工作车间室内温度较高,本文特在美国国家环保局提出的健康风险评价计算公式中增加经煮沸处理后污染物的残留比率项TF 11,采用改进后的公式分别进行饮水途径、皮肤接触途径和呼吸途径等几种暴露量的计算,计算结果见表 2,改进后的计算公式和各计算参数说明如下:(1)饮水途径暴露量计算公式:CDI=i!TFi!U!EF!EDBW!AT(1)式中:CDI#污染物 i每日单位体重的摄入剂量(mg kg-1 d-1);i#水中化学物 i的浓度(mg/L);TF i#沸煮后污染物 i的残留比率,量纲为一;U#日饮用量(L/d)。(2)皮肤接触暴露量计算公式:CDE=I!SA!FE!Fsd!EDBW!AT!fi(2)I=CF!ki!i TFi 6!TE(3)式中:CDI#日单位体重皮肤接触暴露剂量(mg kg-1 d-1);i#水中化学物 i的浓度(mg/L);I#每次洗澡单位体面积对污染物 i的吸附量(mg/cm2);SA#人体表面积(cm2);FE#洗澡次数(次/d);Fsd#暴露频率(次/d);fi#污染物 i的肠道吸附比率(量纲为一);ki#污染物 i的皮肤吸附参数(c m/h);!#延滞时间(h);TE#洗澡时间(h/次);CF#单位转换因子(L/cm3)。(3)呼吸接触途径暴露计算公式:Ci=i!TFi!Kc(4)CDI=Ci!Ui!EF!EDBW!AT(5)式中:Ci#生活用水挥发出的污染物 i 的浓度(mg/m3);i#地下水中污染物 i的浓度(mg/L);Kc#污染物的挥发因子(L/m3);CDI#日单位体重污染物 i的吸入剂量(mg/kg/d);Ui#室内呼吸率(m3/d);其中:上述三种暴露途径计算公式中的 EF、ED、BW、AT、TF 等几项的含义和取值相同。暴露频率 EF 取 365d/a;暴露延时 ED 对于非致癌物取14?2010年第 2期?上海地质Shanghai Geology30a,对于致癌物计算取 70a;平均体重 BW 取 70kg;平均暴露时间 AT 对于非致癌物计算取 30a,即 10,950d,对于致癌物计算取 70a,即 25,550d(4种污染物均为致癌物)。TFi为经处理后,污染物 i的残留率(无量纲);本文计算中假设生活中都是煮沸 1分钟后停止加热,把试验结果和相关文献对比后,取值和文献一致,即:三氯甲烷残留率取 0.25,四氯化碳残留率取 0.10,三氯乙烯残留率取 0.15,四氯乙烯残留率取 0.1 9。人体表面积 Asd取 16,600cm2;洗澡次数 FE取 0.3次/d;暴露频率 Fsd取 1次/d;洗澡时间 TE取 0.4h/次 12;肠道吸附比率 fi、皮肤吸附参数 k、延滞时间(h)!等参数因污染物的不同而不同。实验得出的参数值见表 3 13。表 2?研究区各采样点暴露量计算结果?(单位:10-6mg/kg/d)Table 2?The calculating exposure results of all sampling points in research area?(uni:t 10-6mg/kg/d)样品编号三氯甲烷四氯化碳三氯乙烯四氯乙烯饮水暴露 皮肤暴露 呼吸暴露 饮水暴露 皮肤暴露 呼吸暴露 饮水暴露 皮肤暴露 呼吸暴露 饮水暴露 皮肤暴露 呼吸暴露YM34425.600.55128.0035.006.86175.000.000.000.000.000.000.00YM34612.000.2660.0048.009.42240.000.000.000.000.000.000.00YM34717.600.3888.202.910.5714.607.504.2437.5017.705.8788.70YM349169.003.60846.004.660.9123.301.110.635.5713.204.3565.80表 3?各污染物参考数据表Table 3?The reference data tables of all pollutants化学物质延滞时间!/h皮肤吸收因子胃肠吸比率皮肤渗透系数 k(cm/h)挥发因子 Kc(L/m3)三氯甲烷0.467740.010.50.008920.5四氯化碳0.758840.010.650.02240.5三氯乙烯0.553610.010.150.01570.5四氯乙烯0.89790.0110.04810.5?3.2?健康风险计算计算健康风险时通常根据污染物的致癌性将其分为致癌风险和非致癌风险两类,但事实上致癌污染物同样具有非致癌危害效应 13,本文采用美国国家环保局提出的健康风险评价计算公式在上述暴露量计算的基础上进行相关的健康风险计算,计算结果见表 4和表 5,所用的公式和各计算参数的含义如下所述:(1)非致癌风险计算方法:H I=CDI/RFD(6)式中:CDI#长期日摄入剂量(单位体重日平均摄入剂量)(mg kg-1 d-1);RFD#污染物的参考剂量(mg kg-1 d-1)。(2)致癌风险计算方法:致癌风险通常用终生致癌风险值表示,它定义为长期的每日摄入剂量与致癌斜率因子的乘积。低剂量暴露?Risk=CDI!SF(7)高剂量暴露?Risk=1-exp(-CDI!SF)(8)式中:Risk#致癌风险;CDI#长期日摄入剂量(单位体重日平均摄入剂量)(mg kg-1d-1);SF#污染物的致癌斜率因子(mg/kg/d)-1,若用低剂量计算值大于 0.01则换用式(8)计算。计算多物质多途径的非致癌风险时,一般将各个污染物、各个途径的非致癌风险和致癌风险分别计算出来,然后进行加和计算,不考虑它们之间的相加作用、协同作用和抗秸作用 15。各典型污染物质的化学及毒理学特性如表 5所示。表 4?各采样点非致癌风险指数计算结果4Table 4?The noncarcinogenic risk indexes of all sampling points样品编号三氯甲烷四氯化碳三氯乙烯四氯乙烯饮水皮肤呼吸饮水皮肤呼吸饮水皮肤呼吸饮水皮肤呼吸总风险YM 3440.00256 0.00027 1.49000 0.05000 0.01510 0.00125 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 1.56000YM 3460.00120 0.00013 0.69800 0.06860 0.02070 0.00172 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 000000 0.79000YM 3470.00176 0.00019 1.03000 0.00416 0.00126 0.00010 0.02500 0.09420 0.00329 0.00177 0.00059 0.00052 1.16000YM 3490.01690 0.00180 9.84000 0.00665 0.00201 0.00017 0.00371 0.01400 0.00049 0.00132 0.00044 0.00039 9.89000累积非致癌危害指数 0.02250 0.00239 13.10000 0.12900 0.03900 0.00324 0.02870 010800 0.00378 0.00309 0.00102 0.0009013.40000非致癌总风险13.100000.172000.141000.0050213.4000015?上海地质Shanghai Geology2010年第 2期表 5?各采样点致癌风险指数计算结果?(单位:10-6)Table 5?The carcinogenic risk indexes of all sampling points?(uni:t 10-6)样品编号三氯甲烷四氯化碳三氯乙烯四氯乙烯饮水皮肤呼吸饮水皮肤呼吸饮水皮肤呼吸饮水皮肤呼吸总风险YM 3440.160.0210.304.551.379.190.000.000.000.000.000.0025.60YM 3460.070.014.836.241.8812.600.000.000.000.000.000.0025.60YM 3470.110.017.100.380.110.773.0011.3015.009.583.171.8452.40YM 3491.030.1168.100.610.181.220.451.682.237.102.351.3686.40累积致癌危害指数1.370.1590.4011.803.5523.803.4513.0017.2016.705.523.20190.00致癌总风险91.9039.1033.702540190.00表 6?污染物的化学及毒理学特性表5Table 5?The table of pollutants chem ical and toxicological characteristics物质名称非致癌参考剂量(mg kg-1 d-1)致癌斜率因子(mg-1 kg d)经口暴露皮肤暴露呼吸暴露经口暴露皮肤暴露呼吸暴露延滞时间/h四氯化碳0.000.00-0.130.200.050.75884三氯甲烷0.010.00-0.010.030.080.46774三氯乙烯0.000.000.010.402.670.400.55361四氯乙烯0.010.010.170.540.540.020.89794?健康风险评价对于健康风险计算结果,本文将非致癌风险和致癌风险指数均做成较为直观的柱状统计图和比例饼图进行比较分析,对于非致癌风险和致癌风险又分别从暴露途径和污染物种类两方面分析。4.1?非致癌风险分析4.1.1?按暴露途径分析对于研究区的 4种典型有机物所造成的非致癌风险,三氯甲烷的非致癌风险指数 13.1,超过规定的非致癌风险限值 1.0,超标 12.1倍。非致癌风险所占比例顺序为(图 1):三氯甲烷 四氯化碳 三氯乙烯 四氯乙烯,其中三氯甲烷比例最大,占总风险 13.4的达到了 97.76%,其余三种污染物的非致癌风险所占比例共为 2.24%。图 1?非致癌风险构成Fig.1?For mation graph of non-carcinogenic risk indexes4.1.2?按污染物质种类分析分析可以看出(图 1),整个研究区内,非致癌风险存在着 3个超过限值的采样点,分别是 YM 344,YM347,YM349,总风险值分别为 1.56,1.16,9.89。另外,饮水途径和皮肤接触途径的非致癌风险指数均小于 1.0,所以这两个途径并不存在非致癌风险,非致癌风险的主要贡献因子为呼吸途径。因此,呼吸途径的非致癌风险所占比例最大,达到 97.50%,饮水和皮肤接触两种途径非致癌风险所占的比例仅为 2.50%。YM 349点的非致癌风险最大,呼吸途径所占的比例为总风险值的 99.53%,饮水途径和皮肤接触途径几乎不存在非致癌风险。分析得出:以前我们片面地认为只有饮水和皮肤接触才是地下水危害人体健康的主要途径,通过本文具体的分析和结果验证,呼吸更是对人体健康产生非致癌危害的重要途径。另外,其它途径:如用污染了的地下水浇灌农田、制作食品、喂养牲畜等等,都会直接或间接对人体产生危害。因此,要想保证人体健康,必须保证地下水的质量。研究区内 3个点的总致癌风险为零,4个点的致癌总风险超过了致癌风险限值 10 6。YM349点致癌总风险最大,达到了 8.65,超过了风险限值的86.5倍,这就意味着,每 1000000人中,会有 87个人因为接触和饮用该采样点的地下水而患癌症;YM347点致癌风险达到 5.24,意味着每 1000000人中,会有 53个人因为接触、饮用该采样点的地下水16?2010年第 2期?上海地质Shanghai Geology而患癌症;YM344和 YM346两采样点的总致癌风险值相同,均为 2.56,意味着每 1000000个人中会有 26个人因为使用该采样点的地下水而患癌症。图 2?非致癌风险指数计算结果统计图Fig.2?Statistical graph of the non?carcinogenic risk Indexes4.2?致癌风险分析4.2.1?暴露途径分析研究区内各暴露途径总致癌风险所占比例为(图 3):呼吸途径(70.87%)饮水途径(17.48%)皮肤接触途径(11.65%)。图 3?致癌风险计算结果统计图F ig.3?Statistical graph of the carcinogenic risk indexes对于致癌总风险值最高的 YM349点,其各暴露途径致癌风险比例构成(图 8)中呼吸途径所占比例达到了 84.37%,饮水途径为 10.63%,皮肤接触途径所占比例仅为 5.00%,说明呼吸途径对致癌风险的贡献最大,应该采取特别的呼吸防护措施。虽然 YM344和 YM346两点的致癌风险总值相等,但各暴露途径的致癌风险构成并不完全相同,不过其共同点也是呼吸途径所占的大比重不容忽视。可见挥发性有机污染物的主要贡献途径是呼吸途径,其次为饮水途径和皮肤接触途径。由于呼吸途径的危害更容易被忽视,因此也更具危险性。4.2.2?按污染物质种类来分析将表 5中各主要污染物致癌风险大小用图 4表示,得到各个污染物质在致癌风险构成中的比例大小。从图中可以看出,研究区三氯甲烷的致癌风险所占比例最大,为 48.35%,四氯化碳的致癌风险占20.57%,三氯乙烯的致癌风险占 17.71%,四氯乙烯的致癌风险占 13.36%。可见,研究区内使用地下水对人体带来的致癌风险比较严重,应该引起足够的重视。图 4?致癌总风险构成图Fig.4?For mation graph of carcinogenicwhile risk indexes对于致癌总风险值最高的 YM 349点,三氯甲烷的致癌风险所占比例为 80.13%,其次为四氯乙烯,占总致癌风险的 12.51%,四氯化碳和三氯乙烯占很少一部分,仅占 5.04%和 2.33%。对于 YM344和 YM346两点,主要的污染物质都为三氯甲烷和四氯化碳,但是它们的比例构成中三氯甲烷和四氯化碳所占比例并不相同。YM344点的污染物质比例顺序为:四氯化碳构成的致癌风险占 69.01%,三氯甲烷占 40.99%,三氯乙烯和四氯乙烯的致癌风险为零;YM346点的污染物质比例顺序为:四氯化碳构成的致癌风险占 80.85%,三氯甲烷构成的致癌风险占 19.15%,三氯乙烯和四氯乙烯的致癌风险为零。可见,无论从各个点的总致癌风险分析,还是立足于单个点分析,三氯甲烷的危险性都是最大的,应该对三氯甲烷的危险给予足够的重视。5?结论5.1?通过对研究区的调查和对企业自备井的取样、测试、研究分析,结果表明:研究区的地下水已经受到了较为严重的有机污染,已形成了一定面积的污染区域。5.2?对采集的地下水样品进行健康风险分析,认为该区的地下水非致癌风险和致癌风险水平较17?上海地质Shanghai Geology2010年第 2期高。2008年使用地下水造成终生非致癌风险较高的取样点有 3个点超过 1.0,有 3个点非致癌风险为 0,1个点的非致癌风险小于限值 1.0;致癌风险中,有 4个点的致癌风险水平超过 10 5,3个点致癌风险为 0。其中 YM344、YM346、YM347、YM349四点的风险值较高,对于这四口井,可以用于生产,但不宜用于生活和洗浴,应将生产用水和生活用水区分开来。另外,饮用开水并保持厂内工作车间和办公环境内空气畅通,可以在一定程度上降低健康风险。5.3?在本研究区,无论是非致癌风险还是致癌风险,三种暴露途径的主要贡献顺序均为:呼吸途径饮水途径 皮肤接触途径,可见呼吸途径对地下水有机污染引起的健康风险特别敏感,这不同于以往的认识,应引起足够的重视。5.4?污染物带来的非致癌风险中,主要贡献因子为三氯甲烷,次要贡献因子依次为四氯化碳、三氯乙烯和四氯乙烯,污染物致癌风险的贡献顺序为:三氯甲烷 四氯化碳 三氯乙烯 四氯乙烯,应对三氯甲烷引起的健康风险给予特别的关注。参考文献 1?张兆吉,费宇红.华北平原地下水可持续利用调查评价 M .北京:地质出版社,2009,210-215.2?付在毅,许学工.区域生态风险评价.地球科学进展 J,2001,16(2):267-271.3?毛小苓,刘阳生.国内外环境风险评价研究进展 J.应用基础与工程科学学报,2003,11(3):266-273.4?曾光明,卓利,钟政林,等.水环境健康风险评价模型 J.水科学进展,1998,9(3):212-217.5?高继军.北京市地区饮用水中重金属健康风险评价 D.北京:北京林业大学硕士论文,2003.6?韩冰,何江涛,陈鸿汉,等.地下水有机污染人体健康风险评价初探 J.地学前缘,2006,13(1):224-229.7?陈鸿汉,堪宏伟,何江涛,等.污染场地健康风险评价的理论和方法 J.地学前缘,2006,13(1):216-223.8?Leif E.Peterson,Francis A.Cucinotta.M onte Carlom ixturemodelof lifetm i e cancer incidence risk fro m radi?ation exposure on shuttle and international space station J.Mutation Reasearch.1999.430:327-335.9?U.S.EPA.R isk assess ment guidance for superfund:Volumei-Human healt h evaluation manual Part B,development of risk based prelm i inary re mediation goals R.EPA/540/R292/003.W ashington,DC:O fficeof Emergency and Re medial Response U.S.EPA,1991.11?U.S.EnvironmentalProtection Agency Region and U.S.A r my Corps ofEngineersKansas City D istric.t 12?U.S.EPA.Exposure factors handbookR .EPA/600/8289/043.W ashington,DC:O ffice of Researchand DevelopmentU.S.EPA,1989.13?U.S.EPA.Superfund lead-conta m inated residentialsites handbook.OSWER 9285.7-50,2003,1-124.14?SUN Dong,WANG Yuca,i XIE Chunme.i Health riskassessment on har m ful substances in flue from municipalsolid waste incineration J.Environmental sanitationengineering,2004,12(3):144-166.15?HU Erbang.Practical technology and measure of envi?ronmental risk assessment M.Beijing:China Environ?mentalSciences Press,2000.Health Risk Assess ment ofGroundwaterOrganic PollutionIn TheHutuohePlainFeiYu?hong,Zhang Zhao?j,i Yang Me,i L iYa?song,Q ianYong,Meng Su?hua,Chen Jing?sheng(The Institute ofH ydrogeology and Environmental Geology,CAGS,Shijiazhuang 050061,China)Abstract:In this paper,the health risk of the industrial zone inHutuo river alluvial plain has been analyzed ac?cording to the i mpact for calculation results afterVolatileOrganic Compounds be boiled,and theH ealthRisk AssessmentModelm ade byU.S.EPA hasbeen i mproved appropriately.At the same ti me,the re?sidual rate ofTF after boiling has been added into the mode.l The results show that the typical detected18?2010年第 2期?上海地质Shanghai Geologyorganic pollutants in this area are chlorofor m,carbon tetrachloride,together w ith trichloroethylene andtetrachloroethene,they are mainly from industrial sources probably.secondly,as far as non?cancer riskand cancer risk are concerned,the health risks for three exposure pathways decrease as follow ing order:inhalation pathway drinking water pathway and the der mal contact pathway;thirdly,there are threepoints exceeding the prescribed li m it of 1.0 in non?carcinogenic risk,and four points exceeding the pre?scribed li m its 10 6 in carcinogenic risk.Themain contribution pollutants are chloroform and carbon tet?rachloride.It s suggested to use and dlink boiled water,and to keep the air flow in workshop and workspace in order to reduce health risks.Key words:Hu?tuohe Plain;organic pollutants;residual rate;carcinogenic risk;non-carcinogenic risk19