土壤及地下水污染點(diǎn)不同暴露途徑的健康風(fēng)險比較

武曉峰,謝 磊,趙洪陽 (清華大學(xué)水文水資源研究所,水沙科學(xué)與水利水電工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100084)

土壤及地下水污染點(diǎn)不同暴露途徑的健康風(fēng)險比較

武曉峰*,謝 磊,趙洪陽 (清華大學(xué)水文水資源研究所,水沙科學(xué)與水利水電工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100084)

選擇目前國際上應(yīng)用最為廣泛的RBCA模式和Csoil模式,進(jìn)行土壤污染和地下水污染暴露途徑考慮異同的比較,并在此基礎(chǔ)上設(shè)置典型的污染情景,對不同暴露途徑的健康風(fēng)險進(jìn)行了計(jì)算.Csoil模式比RBCA模式多考慮了3種可能的暴露途徑.將2種模式結(jié)合進(jìn)行案例計(jì)算的結(jié)果表明,表層土壤污染的風(fēng)險最大;對于淺層土壤污染,考慮淋溶作用時的風(fēng)險較高.揮發(fā)暴露和飲水暴露是土壤及地下水污染點(diǎn)最主要的暴露途徑,在RBCA模式中沒有考慮的洗澡過程中的暴露也非常重要.對于表層土壤污染,覆土是減小健康風(fēng)險的有效辦法.

土壤污染；地下水污染；健康風(fēng)險；暴露途徑；RBCA模式；Csoil模式

隨著工業(yè)發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快,越來越多的有毒有害化學(xué)物質(zhì)在生產(chǎn)和應(yīng)用過程中通過各種途徑進(jìn)入城市的土壤和地下水環(huán)境中,不斷加劇土壤和地下水污染.這些有毒有害物質(zhì)會通過土壤、水、空氣、生物等媒介,經(jīng)由多種途徑造成人體暴露,危害人體健康.這一問題已然引起發(fā)達(dá)國家的普遍關(guān)注,歐美、日本等國相繼制定了相應(yīng)的環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn),并加強(qiáng)了環(huán)境管理和污染治理[1].

對于土壤及地下水污染,傳統(tǒng)治理工作都是基于環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行[2-3].多年的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明,按照環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)制定的治理目標(biāo)往往很難實(shí)現(xiàn),治理費(fèi)用高昂,治理時間很長,存在著很大的困難[4-5].而健康風(fēng)險評價理念的引入,使得土壤及地下水污染場地的管理工作更加科學(xué)可行.經(jīng)過不斷的研究和實(shí)踐,歐美等發(fā)達(dá)國家已開發(fā)出多種針對土壤及地下水污染的健康風(fēng)險評價模式[6].我國相關(guān)研究人員對國外的風(fēng)險評價和管理進(jìn)行了理論基礎(chǔ)、方法利弊和使用經(jīng)驗(yàn)等方面的探討[7],并結(jié)合我國重點(diǎn)行業(yè)的特點(diǎn)梳理了風(fēng)險評價和管理的流程[8-9].有研究指出,傳統(tǒng)的水質(zhì)化學(xué)監(jiān)測評價體系能夠反映水體的污染物濃度,但無法確認(rèn)污染物對人體健康的潛在危害,而通過健康風(fēng)險評價可以確定危害人體健康的風(fēng)險來源及風(fēng)險大小[10].同時,也有學(xué)者結(jié)合土壤及地下水污染的案例進(jìn)行了揮發(fā)性有機(jī)污染物暴露劑量率和健康風(fēng)險值的計(jì)算[11].

目前,對污染物的暴露途徑缺乏全面的、定量化的研究,并且難以獲得污染現(xiàn)場的數(shù)據(jù)進(jìn)行健康風(fēng)險評價.因此,本研究選取應(yīng)用最為廣泛的RBCA模式和Csoil模式,設(shè)置土壤污染和地下水污染的典型污染場景,引入淋溶因素的考慮,對暴露途徑的選擇進(jìn)行定性和定量的比較研究,為我國確立符合國情的健康風(fēng)險評價模式提供借鑒.

1 健康風(fēng)險評價模式概述

1.1 RBCA模式

美國材料與試驗(yàn)協(xié)會(ASTM)針對土壤及地下水污染治理發(fā)展出了 RBCA(Risk-based Corrective Action)模式,用于健康風(fēng)險評價[12]. RBCA模式將土壤及地下水污染治理的健康風(fēng)險評價分為3個等級,分別確定治理目標(biāo).一級評價主要針對原位暴露,即污染點(diǎn)風(fēng)險最大的情況,相關(guān)參數(shù)大量采用經(jīng)驗(yàn)保守值;二級評價可以考慮原位暴露和異位暴露,相關(guān)參數(shù)盡可能考慮污染現(xiàn)場的實(shí)際進(jìn)行取值;三級評價一般考慮異位暴露,采用更為精確的數(shù)值模擬技術(shù),對污染物的分布和濃度進(jìn)行更加精確的模擬,從而使健康風(fēng)險的評價更加準(zhǔn)確.隨著評價等級的提高,要求對污染現(xiàn)場進(jìn)行更深入的調(diào)查,以取得更準(zhǔn)確的現(xiàn)場數(shù)據(jù),使風(fēng)險評價的結(jié)果也更加接近實(shí)際情況.實(shí)際工作中具體進(jìn)行到哪一個等級,是由數(shù)據(jù)條件和相應(yīng)等級治理目標(biāo)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析結(jié)果綜合決定的.

1.2 Csoil模式

1994年,荷蘭公共衛(wèi)生與環(huán)境國家研究院(RIVM)開發(fā)了 Csoil模式,用風(fēng)險評價的理念確定污染物介入值,用于土壤及地下水污染的治理工作[13].該模式主要針對位于污染區(qū)域內(nèi)居民的原位暴露情況進(jìn)行風(fēng)險評價,通過對多個暴露途徑的評價,確定整體風(fēng)險.最初的 Csoil模式類似于RBCA模式的一級評價,參數(shù)大量采用經(jīng)驗(yàn)保守值.在隨后的研究中,Csoil模式也不斷改進(jìn),越來越多的應(yīng)用于實(shí)際污染場地的風(fēng)險評價. Csoil模式中污染物運(yùn)移模型的前提假定包括:無窮盡的污染源,并且不考慮非水相流體(NAPL)的影響;均質(zhì)土壤;不考慮吸附作用;忽略降解、側(cè)向輸移和淋溶作用.

2 暴露途徑的選擇

一般來說,污染物進(jìn)入人體的載體主要包括土壤、空氣、水和作物,不同的載體又會對應(yīng)不同的暴露途徑.將污染物進(jìn)入人體的暴露途徑按照載體類型匯總整理得到表1.

表1 土壤及地下水中污染物暴露途徑匯總Table 1 Exposure pathways of soil and groundwater contamination

通常人類活動環(huán)境可以簡化為室內(nèi)和室外2部分,因此在具體計(jì)算健康風(fēng)險時,需要將暴露途徑與所處的環(huán)境結(jié)合起來.如果所考慮的暴露途徑不同,最終計(jì)算得出的人體暴露的健康風(fēng)險也會存在差異,因此需要先對RBCA模式和Csoil模式所考慮的暴露途徑進(jìn)行整理和比較.2種模式對暴露途徑的考慮情況整理匯總?cè)绫?所示.

表2 RBCA模式與Csoil模式對不同暴露途徑的考慮Table 2 Exposure pathways considered in RBCA and Csoil

由表2可知, Csoil模式對于暴露途徑的考慮更為全面,RBCA模式?jīng)]有考慮室內(nèi)土顆粒的吸入、洗澡過程中的皮膚接觸和蒸汽吸入以及作物食用等暴露途徑.本研究擬通過一些算例的比較來考察這些暴露途徑的重要性,以期為實(shí)際應(yīng)用提供借鑒.

3 案例評價及結(jié)果分析

在具體的污染現(xiàn)場,通常需要首先基于場地的實(shí)際情況來判斷需要考慮的暴露途徑,例如某些地區(qū)并不存在作物食用和洗澡過程中的暴露.但是,在環(huán)境管理中,需要盡可能考慮所有的暴露途徑,確保所制定的環(huán)境治理目標(biāo)能夠保障人體健康的安全.因此,本研究擬對不同的污染情景下各種可能的暴露途徑對總體風(fēng)險的貢獻(xiàn)進(jìn)行比較,研究不同暴露途徑的重要性.選取表層土壤污染、淺層土壤污染(不考慮淋溶作用)、淺層土壤污染(考慮淋溶作用)和地下水污染4種情景進(jìn)行健康風(fēng)險評價,并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行比較.

3.1 案例情景設(shè)置

3.1.1 污染物及參數(shù)選擇 選擇常見的有機(jī)污染物苯來進(jìn)行健康風(fēng)險評價.苯在常溫下為無色、具有特殊芳香氣味的液體,易揮發(fā),易燃,易溶于醇、醚、丙酮和四氯化碳等有機(jī)溶劑,難溶于水.苯對人體傷害較大,國際癌癥研究中心(IARC)已經(jīng)確認(rèn)苯為致癌物質(zhì)[14].苯的主要物理化學(xué)屬性參數(shù)包括:摩爾質(zhì)量 78g/mol,20℃下溶解度22.788mol/m3,20℃下飽和蒸汽壓 10133Pa,分配系數(shù)(Koc)74.1L/kg.

3.1.2 污染源及其暴露途徑 研究考慮土壤被污染和地下水被污染的原位暴露.其中土壤被污染分為表層土壤污染和淺層土壤污染 2種情況,所謂淺層土壤污染是指被污染的土壤位于地表以下,不能直接暴露,而是經(jīng)由揮發(fā)或者滲入地下水等方式產(chǎn)生人體暴露.一般來說,不同的污染源對應(yīng)的暴露途徑也不一樣,各種不同情景的暴露途徑如表3所示.

在各個情景中,假定污染源所在土層為砂土,容重為 1.5g/cm3,非飽和區(qū)土壤的含水率為 0.2,含氣率為 0.2.其中,表層土壤污染的情景,污染源位于地表,污染物總濃度為 10mg/kg;淺層土壤污染的情景,污染源頂部埋深為 0.5m,污染源厚度為 1m,污染物總濃度為 10mg/kg;地下水污染的情景,地下水埋深為2m,污染物濃度為15mg/L.

表3 各種污染情景及可能的暴露途徑Table 3 Possible exposure pathways in case-studies

3.1.3 揮發(fā)途徑參數(shù)設(shè)置 考慮環(huán)境中很多有機(jī)污染物較好的揮發(fā)性,通過揮發(fā)以氣體的形式進(jìn)入人體是污染物暴露的重要途徑.因此,在土壤及地下水污染健康風(fēng)險評價中,揮發(fā)模型采用的相關(guān)參數(shù)對于風(fēng)險評價結(jié)果有著重要的影響,是運(yùn)移模型的核心部分.參考國外在風(fēng)險評價體系的參數(shù)選擇,本研究采用的揮發(fā)途徑相關(guān)參數(shù)如表4所示.

表4 揮發(fā)途徑相關(guān)參數(shù)Table 4 Parameters of volatilization related

3.2 計(jì)算結(jié)果

本研究采用對暴露途徑考慮更為全面的Csoil模式[15-18]進(jìn)行計(jì)算,關(guān)于淋溶的計(jì)算采用了RBCA模式中關(guān)于淋溶作用的運(yùn)移模型,計(jì)算淋溶稀釋因子 LF[1].受篇幅所限,不一一列出所選取的計(jì)算模型及其中參數(shù)的取值.除了上述已列出的參數(shù)外,其他參數(shù)均采用 Csoil模式中的缺省值,用來反映最一般的情況.在此基礎(chǔ)上,由實(shí)際暴露量與人體基于毒理學(xué)的最大可允許風(fēng)險暴露量(MPR)之比得到健康風(fēng)險值.其中,對于土顆粒食入、皮膚接觸、作物食用、飲水等途徑,MPR表示可容許污染物日均口服量(TDI);對于室內(nèi)和室外揮發(fā)、土顆粒吸入、蒸汽吸入等途徑,MPR表示空氣中可容許污染物濃度(TCA).需要指出,最大可允許風(fēng)險針對的是有毒致癌物質(zhì),取整個生命周期內(nèi)萬分之一的風(fēng)險為臨界值.本研究對4種情景分別進(jìn)行了健康風(fēng)險的計(jì)算,得出的各個暴露途徑的健康風(fēng)險如表5所示,具體的數(shù)值表示在不同的污染情景下各暴露途徑對人而言的致癌風(fēng)險(臨界值為10-4)[13].

表5 案例計(jì)算結(jié)果匯總Table 5 Calculation results of case-studies

3.3 結(jié)果分析

根據(jù)表5的匯總結(jié)果,計(jì)算不同污染情景下各暴露途徑的風(fēng)險占總風(fēng)險的百分?jǐn)?shù),如表6所示.

表6 在不同污染情景下各暴露途徑的風(fēng)險占總風(fēng)險的百分?jǐn)?shù)(%)Table 6 Contribution of different exposure pathways to the total human exposure (%)

3.3.1 不同暴露途徑的風(fēng)險貢獻(xiàn) 在 4個情景所涉及的各種暴露途徑中,揮發(fā)暴露和飲水暴露是最主要的暴露途徑,其中揮發(fā)暴露以室內(nèi)揮發(fā)為主,室外揮發(fā)的影響相對較小.土壤污染主要需考慮室內(nèi)揮發(fā)的途徑.對于地下水污染,在使用地下水作為飲用水的情況下,飲水暴露是最主要的暴露途徑,其次是室內(nèi)揮發(fā).如果地下水同時也用于洗澡,則在洗澡過程中由于皮膚接觸和蒸汽吸入帶來的風(fēng)險也有必要予以考慮,特別是呼吸吸入的部分,要遠(yuǎn)大于由于皮膚接觸所帶來的健康風(fēng)險.本研究案例中,2種情景下洗澡暴露的風(fēng)險分別占到了總風(fēng)險的 0.6%和 7.6%,如果采用RBCA模式進(jìn)行風(fēng)險評價,應(yīng)特別注意污染現(xiàn)場是否會使用含有污染物的水作為洗澡等生活用水,如果這一暴露途徑是存在的,則應(yīng)對其帶來的風(fēng)險單獨(dú)進(jìn)行評價.作物食用這一暴露途徑的風(fēng)險在總風(fēng)險中所占的比例較小,均不超過 0.4%,但在大量使用受污染地下水進(jìn)行灌溉時也需要引起重視.對于表土污染,由于存在直接的暴露途徑,污染物可能通過呼吸吸入、食入、皮膚接觸等途徑直接進(jìn)入人體;但案例計(jì)算結(jié)果表明這些途徑帶來的風(fēng)險都較小,一般情況下忽略這些暴露途徑并不會對評價結(jié)果帶來太大的影響.

必須指出,在本次案例評價中由于選擇了揮發(fā)性有機(jī)物苯作為研究對象,揮發(fā)暴露途徑產(chǎn)生的健康風(fēng)險較為顯著.如果選用揮發(fā)性較小的有機(jī)化合物或者重金屬物質(zhì)進(jìn)行研究,則呼吸吸入、食入、皮膚接觸等直接暴露途徑和作物食用、飲水等途徑帶來的風(fēng)險貢獻(xiàn)可能較大.同時,在室內(nèi)揮發(fā)模型的建立上,Csoil模式中由土壤到地下室和地下室到室內(nèi)的模型設(shè)置以及空氣交換率等參數(shù)的設(shè)定在一定程度上決定了這一途徑的暴露量大小,考慮到不同的房屋結(jié)構(gòu)和建材特征會使風(fēng)險評價結(jié)果產(chǎn)生較大差異,具體情況需參考評價對象實(shí)際,尚有待進(jìn)一步研究.

3.3.2 淋溶作用的影響分析 對于淺層土壤污染的情景,通過比較“不考慮淋溶作用”和“考慮淋溶作用”時的計(jì)算結(jié)果可以看出,淋溶作用對于總風(fēng)險的影響較大.該案例中,考慮淋溶作用時的總風(fēng)險比不考慮淋溶作用時的總風(fēng)險高出約20%,其中主要來自于飲水暴露途徑.這說明在進(jìn)行健康風(fēng)險評價時,如果污染現(xiàn)場的地下水埋深較淺,當(dāng)出現(xiàn)直接利用淺層地下水的情況時,在污染點(diǎn)風(fēng)險評價過程中考慮淋溶作用十分必要.

3.3.3 表層土壤與淺層土壤污染情景比較 在該案例中,表層土壤污染時的風(fēng)險評價結(jié)果是淺層土壤污染(不考慮淋溶的作用)時的10倍左右,說明表層土壤污染的風(fēng)險遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于淺層土壤污染.因此在表層土壤污染的情況下,對污染區(qū)域土壤實(shí)施覆蓋可有效的降低風(fēng)險,即將其轉(zhuǎn)化為淺層土壤污染,這種措施在實(shí)際污染現(xiàn)場也得到廣泛使用.進(jìn)一步考慮二者相關(guān)的暴露途徑,覆土后室內(nèi)揮發(fā)風(fēng)險降為 10%,室外揮發(fā)風(fēng)險降為 2%.同時由案例結(jié)果的比較可以看出,即便是對于揮發(fā)性較大的污染物,用足夠厚度的土壤覆蓋表土污染區(qū)域,可以有效阻斷很多暴露途徑,減小其余暴露途徑的風(fēng)險,從而使總風(fēng)險大為降低.而對于揮發(fā)性較小或者不揮發(fā)的物質(zhì),此種措施的效果應(yīng)該更好.因此,對表層土壤實(shí)施覆土的處理措施具有減小健康風(fēng)險的實(shí)際意義.

4 結(jié)論

4.1 在土壤和地下水污染點(diǎn)健康風(fēng)險評價中,相對于RBCA模式來說,Csoil模式對可能的暴露途徑考慮更為全面,在RBCA模式的基礎(chǔ)上還考慮了其他3種可能的暴露途徑:室內(nèi)被污染土壤顆粒的直接吸入,利用被污染的地下水洗澡時的蒸汽吸入和皮膚接觸,食用種植在被污染土壤中的作物或是利用被污染的地下水澆灌過的作物.

4.2 選擇苯污染的現(xiàn)場進(jìn)行情景分析.表層土壤污染的情況下風(fēng)險最大,其次是地下水污染的情況,淺層土壤受污染的情況風(fēng)險最小;對于淺層土壤污染,考慮淋溶作用時的風(fēng)險高于不考慮淋溶作用時的風(fēng)險.對不同暴露途徑的風(fēng)險比較表明:揮發(fā)暴露和飲水暴露是最為主要的暴露途徑,而揮發(fā)暴露中室內(nèi)揮發(fā)是主要暴露途徑.在使用地下水的情況下,飲水暴露是最主要的暴露途徑,而洗澡過程中地下水的使用也會帶來較大的風(fēng)險.作物食用帶來的風(fēng)險在總風(fēng)險中的比例都比較小.室內(nèi)土壤顆粒吸入的風(fēng)險微乎其微,一般情況下不需要特別考慮.覆土是降低表土污染危害的有效方法,可在實(shí)際中予以應(yīng)用.

4.3 如果污染物是揮發(fā)性較小的有機(jī)化合物,或者是不揮發(fā)的物質(zhì)如重金屬,作物食用和直接暴露的途徑有可能會對總風(fēng)險產(chǎn)生較大的貢獻(xiàn)而不能忽視.

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Comparative study on the health risk of different exposure pathways at soil and groundwater contaminated sites.

WU Xiao-feng*, XIE Lei, ZHAO Hong-yang (State Key Laboratory of Hydroscience and Engineering, Institute of Hydrology and Water Resources, Tsinghua University, Beijing 100084, China). China Environmental Science, 2012, 32(2)：345～350

RBCA mode developed by ASTM and Csoil mode developed by RIVM are most commonly used worldwide in assessment of soil and groundwater contamination. Difference of two modes in exposure pathways consideration was compared firstly. Three possible exposure pathways were not considered in RBCA. Case-studies were carried out using Csoil mode to compare risks of different exposure pathways. Surface soil contamination had the greatest risk, and leaching was an important process for shallow contaminated soil. Volatilization and water-drinking were two most important exposure pathways. Shower and bathing pathways were possibly important too. For surface soil contamination, pavement was an effective measure to reduce the health risk.

soil contamination；groundwater contamination；risk；exposure pathway；RBCA mode；Csoil mode

2011-05-22

* 責(zé)任作者, 副教授, wuxiaofeng@tsinghua.edu.cn

X820.3

A

1000-6923(2012)02-0345-06

武曉峰(1967-),男,甘肅會寧人,副教授,博士,主要從事水環(huán)境保護(hù)研究.發(fā)表論文50余篇.