高瑞忠,秦子元,張 生,2,賈德彬,2,杜丹丹,2,張阿龍,王喜喜 (.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院,內(nèi)蒙古 呼和浩特 0008；2.內(nèi)蒙古水資源保護(hù)與利用重點實驗室,內(nèi)蒙古 呼和浩特 0000；.美國歐道明大學(xué),弗吉尼亞 諾?？?2529)

隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,重金屬污染已引起了人們的廣泛關(guān)注,其污染與危害已成為人類面臨的重要環(huán)境問題之一[1].重金屬是一種不能被降解的有毒物質(zhì),因其生物毒性、生物富集性和持久性,使得其污染問題難以解決[2].重金屬污染地層,進(jìn)入含水層系統(tǒng)中,使地下水水體功能受到制約,影響社會生產(chǎn)效率和國民生活質(zhì)量,直接或間接對人們的健康產(chǎn)生嚴(yán)重威脅.因此,研究重金屬在環(huán)境中(包括土壤、地表水和地下水等)的含量和分布,以及對人類健康的影響就顯得十分必要[3].國內(nèi)外眾多學(xué)者采用不同的研究方法針對地下水重金屬的來源、空間分布特征及污染評價開展了大量的分析研究工作[4-12],在國內(nèi),黃冠星等[4]分析了珠江三角洲污灌區(qū)地下水重金屬含量特征,研究了重金屬間的相關(guān)特性;喬岡等[5]揭示了陜、豫接壤地帶的某金礦區(qū)地下水樣的重金屬元素及氰化物的含量特征,運用單項、綜合污染指數(shù)評價方對地下水環(huán)境質(zhì)量做了評價;張妍等[6]在黃河下游引黃灌區(qū)定量分析了 11種重金屬元素的含量以及空間分布特征,并對地下水中重金屬做了健康風(fēng)險評價;林曼麗等[7]等研究了皖北礦區(qū)不同含水層中的重金屬元素的含量特征并作出健康風(fēng)險評價;楊彥等[8]采用US EPA推薦的健康風(fēng)險評價模型對常州市城區(qū)、城郊不同暴露途徑下地下水污染進(jìn)行了評價;國外Muhammad等[9]針對巴基斯坦北部科伊斯坦地區(qū)的飲用水進(jìn)行了重金屬健康風(fēng)險評價及源分析的研究;Bhowmick等[10]對印度西孟加拉地區(qū)地下水中As的健康風(fēng)險與可能的治理評價方法進(jìn)行了總結(jié);Rajasekhar等[11]進(jìn)行了印度城市地下水石油污染的健康風(fēng)險評價研究;Mishra等[12]采用不同線性系統(tǒng)進(jìn)行了重金屬泄露污染地下水的健康風(fēng)險評價的長期對比分析研究.

綜上可知,國內(nèi)對地下水重金屬的研究多集中在工業(yè)發(fā)達(dá)區(qū),對于西北干旱半干旱地區(qū)的研究較少,并且地下水為西北干旱區(qū)生活生產(chǎn)的主要供水水源,地下水的水質(zhì)安全對于社會穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)發(fā)展至關(guān)重要.因此,本文選取西北干旱區(qū)吉蘭泰鹽湖盆地作為典型研究對象,旨在揭示吉蘭泰鹽湖盆地地下水中重金屬的空間分布特征,分析鹽湖盆地重金屬的污染及健康風(fēng)險狀況,探討鹽湖盆地重金屬的來源,以期為吉蘭泰鹽湖盆地地下水資源合理開發(fā)利用、地下水污染控制,以及保障居民生活飲水安全和身體健康、區(qū)域社會穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供參考依據(jù).

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

吉蘭泰鹽湖盆地 (38°50′N～40°40′N,104°55′E～106°40′E),位于內(nèi)蒙古阿拉善盟東部,東南臨賀蘭山北麓,東北側(cè)與烏蘭布和沙漠相接,西南以騰格里沙漠的東北緣的低山臺地為界,西北側(cè)到達(dá)巴音烏拉山,流域面積為 20025km2,地面高程為1013～3159m(圖1).

吉蘭泰鹽湖盆地為 NE～SW 走向的第四紀(jì)更新統(tǒng)湖積物堆積的橢圓形盆地,地貌包括基巖山地、山前傾斜平原、臺地、沙地和盆地等[13].鹽湖盆地屬于典型的溫帶大陸性氣候,夏季炎熱,冬季寒冷,干旱少雨.多年平均氣溫 8.6℃,最高氣溫達(dá)41.5℃,多年平均降水量109.5mm,多年平均蒸發(fā)量為2960.7mm,最大月降水量一般出現(xiàn)在7或8月份.

吉蘭泰鹽湖盆地主要行政區(qū)劃為吉蘭泰鎮(zhèn),該區(qū)以吉蘭泰鹽湖鹽業(yè)及副產(chǎn)品工業(yè)為主,包括少量農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)和商業(yè)等共存的多元化經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu).吉蘭泰鹽湖是我國重要的鹽業(yè)生產(chǎn)基地,在全國鹽業(yè)生產(chǎn)工業(yè)中具有舉足輕重的地位,吉蘭泰鹽化集團(tuán)是我國目前機械化程度最高、產(chǎn)量最大的湖鹽生產(chǎn)企業(yè),是世界規(guī)模最大的鈉生產(chǎn)企業(yè).

圖1 吉蘭泰鹽湖盆地地下水采樣點分布Fig.1 Distribution of sampling points in Jilantai Salt Lake Basin

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

1.2.1 采樣點設(shè)置 為研究吉蘭泰鹽湖盆地地下水主要重金屬成分的空間分布和化學(xué)特征,采樣點布設(shè)結(jié)合鹽湖盆地流域的地貌特征,考慮鹽湖盆地地下水的匯流方向,以吉蘭泰鹽湖為中心向四周發(fā)散狀均勻布設(shè),共71個采樣點(圖1),采樣井為開采淺層地下水的飲用水井或灌溉用井.

1.2.2 樣品分析與測定 樣品采集與處理遵循地下水環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范[14],采樣瓶為細(xì)口塑料瓶,用1:1硝酸溶液浸泡48h后,分別用1:1鹽酸溶液和二次蒸餾水洗滌數(shù)次,瀝干備用.每組水樣包括一個原水樣(2.5L)和一個加 HNO3(1:1)酸化的水樣(1L的塑料瓶),樣品均送于內(nèi)蒙古自治區(qū)水資源保護(hù)與利用重點實驗室測定.Hg 和 As 通過北京普析通用 PF6-2型雙道全自動原子熒光光度計測定,檢出限分別為 Hg＜0.001μg/L、As＜0.01μg/L,精密度＜1.0%,測試線性范圍＞103;Cr6+通過TU-1810PC紫外可見分光光度法測定,檢出限為 0.004mg/L.為保證分析的準(zhǔn)確性,重金屬含量測定全程做空白樣,每個樣品均采用 3組平行實驗,取均值作為樣品測定最終值.

1.2.3 數(shù)據(jù)處理 數(shù)據(jù)的數(shù)理統(tǒng)計分析采用EXCEL2010和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)DPS15.1軟件完成,重金屬成分的空間分布特征圖利用 ArcGIS10.1制作.

1.3 研究方法

1.3.1 單因子指數(shù)法 單因子評價法是將每個水質(zhì)指標(biāo)與對應(yīng)評價標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較,確定水質(zhì)類別,選擇水質(zhì)單項指標(biāo)中最差的類別來確定水體的水質(zhì)類別[15],計算公式為:

式中:Pi為第i類重金屬的單因子污染指數(shù);Ci為第 i類重金屬測定值,mg/L;Si為第 i類重金屬水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),mg/L.當(dāng) Pi≤1時,表示該種重金屬對水質(zhì)無影響;當(dāng) Pi＞1時,表示該種重金屬對水體質(zhì)量有一定影響,數(shù)值大小反映污染影響程度.

1.3.2 內(nèi)梅羅指數(shù)法 內(nèi)梅羅指數(shù)法是考慮極值的計權(quán)型多因子環(huán)境質(zhì)量評價方法,是計算綜合污染最常用的方法之一[16],它既可以反映各重金屬對地下水環(huán)境的綜合作用,還可突出高濃度重金屬對地下水質(zhì)量的影響,具有更好的適用性和優(yōu)越性[17],計算公式為:

式中:PN為測點i的綜合污染指數(shù),依據(jù)PN可將地下水重金屬污染劃分為清潔(PN≤0.7)、尚清潔(0.7＜PN≤1.0)、輕度污染(1.0＜PN≤2.0)、中度污染(2.0＜PN≤3.0)和重污染(PN＞3.0)5 個等級;Pimax為測點i重金屬單項污染指數(shù)的最大值;為單因子指數(shù)的加權(quán)平均值,wi為重金屬的污染權(quán)重, Swaine依據(jù)重金屬對環(huán)境的影響程度進(jìn)行了區(qū)分,其中wCr的權(quán)重為2, wHg的權(quán)重為3,wAs的權(quán)重為3[18].

1.3.3 健康風(fēng)險評價 環(huán)境健康風(fēng)險評價是將污染物對人體健康的危害程度定量化,從而實現(xiàn)對環(huán)境的安全性進(jìn)行判斷與評估的一種方法,其評價對象包括化學(xué)致癌物和非化學(xué)致癌物兩部分.環(huán)境健康風(fēng)險評價模型有很多,其中 US EPA模型可以實現(xiàn)考慮大氣、水、土壤、食物鏈等4種介質(zhì)攜帶重金屬通過食入、吸入和皮膚接觸等多種暴露途徑進(jìn)入人體而產(chǎn)生健康風(fēng)險的評價,其機理清晰,計算過程簡便,定量評價,得到了我國學(xué)者的廣泛認(rèn)可和應(yīng)用,因此,本文采用 US EPA推薦的經(jīng)飲用水途徑進(jìn)入人體的健康風(fēng)險評價模型對地下水中的重金屬風(fēng)險進(jìn)行評估,計算公式為[19-20]:

式中: R總為污染物經(jīng)飲用水途徑的總平均健康風(fēng)險,a-1;Rci為第i種致癌重金屬經(jīng)飲用水途徑的平均致癌風(fēng)險,a-1;Rni為第i種非致癌重金屬經(jīng)飲用水途徑的平均健康風(fēng)險,a-1;qi為第i種致癌重金屬的飲用水途徑致癌強度系數(shù),mg/(kg·d); RfDi為第i種非致癌重金屬通過飲用水途徑攝入的參考劑量,mg/(kg·d);Di和Dig分別為第i種致癌和非致癌重金屬通過飲用水途徑的單位體重日均暴露劑量,mg/(kg·d);2.2為成人每日平均飲水量,L;Ci為地下水中各金屬的實測濃度,mg/L;W為人均體重,kg;L為人均壽命,a.

通過計算致癌物和非致癌物經(jīng)飲用水途徑的總平均健康風(fēng)險值,并對比健康風(fēng)險參考標(biāo)準(zhǔn)(表1),進(jìn)而判斷地下水的健康風(fēng)險程度.

表1 健康風(fēng)險參考標(biāo)準(zhǔn)[21](a-1)Table 1 Reference criteria of health risk (a-1)

1.3.4 數(shù)理統(tǒng)計分析法 利用地下水重金屬之間、以及與地下水中其它主要離子成分的統(tǒng)計相關(guān)性來判斷它們是否具有同樣的來源[22-24].當(dāng)重金屬成分與某離子成分相關(guān)系數(shù) r＜|r0|min時,可接受重金屬成分與該離子成分為獨立的這一假設(shè),排除該離子成分與重金屬成分具有同源性;而當(dāng) r＞|r0|min時,表明重金屬成分與該離子成分為相關(guān)序列的假設(shè),它們具有相同或相似的來源,其中:

式中:|r0|min為重金屬成分與某離子成分之間顯著相關(guān)系數(shù)的最低值;P為顯著性水平;tP為分布雙側(cè)檢驗的臨界值;n為數(shù)據(jù)個數(shù).

2 結(jié)果與分析

2.1 地下水重金屬含量統(tǒng)計特征

表2 吉蘭泰湖盆地重金屬含量統(tǒng)計值Table 2 Statistical parameters of heavy metal content in Jilantai Salt Lake Basin

由表2可知,吉蘭泰鹽湖盆地地下水中Cr6+、As、Hg的濃度范圍跨度較大,最大值分別為最小值的 27、619和 394倍,平均濃度順序為Cr6+＞As＞Hg.變異系數(shù)表征數(shù)據(jù)的離散程度,當(dāng)其小于 10%為弱變異性,在 10%～100%為中等變異性,大于 100%為強變異性[25],Cr6+、As兩種重金屬的變異系數(shù)超過 100%,具有強變異性,說明各采樣點Cr、As兩種重金屬含量存在較大變化,并且As的變異系數(shù)為Cr6+的2倍,表明As的含量變化尤為明顯,不排除是受人類活動的影響所致, Hg具有中等變異性,但變異系數(shù)也接近100%,各點含量差異較Cr6+、As小.Cr6+、As的最大值大于地下水質(zhì)量Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)值,而最小值小于標(biāo)準(zhǔn)值,表明鹽湖盆地存在局部超標(biāo)點或超標(biāo)區(qū)域,Hg的最大值小于標(biāo)準(zhǔn)值,表明鹽湖盆地整個區(qū)域無超標(biāo)現(xiàn)象.

2.2 地下水重金屬含量空間分布特征

利用ArcGIS10.1以地統(tǒng)計學(xué)克里格插值繪制吉蘭泰鹽湖盆地地下水重金屬 Cr6+、As、Hg的空間分布圖(圖2).

吉蘭泰鹽湖盆地地下水中普遍含有 Cr6+,在鹽湖上游圖格力高勒溝谷及鹽湖東北部Cr6+含量較高,其他局部區(qū)域呈現(xiàn)斑狀高值區(qū).對西南部上游圖格力高勒溝谷巖土的表層、-50cm和-100cm深度共采樣120個,化驗分析顯現(xiàn)其中均含有Cr6+,巖土中這些Cr6+經(jīng)大氣降水淋濾作用和地下水溶濾作用隨地下水向下游運動擴(kuò)散,并且下游地下水埋深為2～3m,流域夏季最高溫度達(dá)到 40℃以上,因此蒸發(fā)作用強烈,致使地下水中 Cr6+濃度不斷升高甚至超標(biāo);該區(qū)域內(nèi)無工礦企業(yè)存在,排除人類活動為 Cr6+的主要成因.

As在鹽湖盆地西南區(qū)域的臺地含量較高,類似于區(qū)域Cr6+的成因,臺地巖土存在含As的化學(xué)物質(zhì),由大氣降水淋濾作用、地下水溶濾作用或離子交換作用進(jìn)入含水層中,導(dǎo)致整個臺地較大范圍地下水出現(xiàn)As高值區(qū);鹽湖東北部出現(xiàn)As含量點狀高值區(qū),鑒于該區(qū)域沒有與 As直接相關(guān)的工礦企業(yè),可能存在與 As間接相關(guān)的工礦企業(yè),通過工業(yè)廢水、廢渣、廢氣的間接排放砷化物,經(jīng)過大氣沉降、淋濾作用進(jìn)入地下水,致使地下水中的As出現(xiàn)點狀污染.

圖2 研究區(qū)地下水重金屬空間分布Fig.2 Spatial distribution of heavy metal from the groundwater

Hg高值區(qū)域主要以帶狀出現(xiàn)在鹽湖盆地西北部的巴音烏拉山,主要原因為巴音烏拉山的巖土含有 Hg,經(jīng)長期的物理化學(xué)風(fēng)化侵蝕,大氣降水淋濾及入滲進(jìn)入地下水中,致使巴音烏拉山Hg含量出現(xiàn)帶狀分布;在鹽湖周邊及東北部也出現(xiàn)帶狀 Hg含量的高值區(qū),原因為上游巴音烏拉山地下水在向下游徑流運動過程中攜 Hg,加之下游地下水埋深淺,蒸發(fā)強烈,致使下游地下水中的 Hg含量也呈現(xiàn)帶狀分布,并濃度不斷升高;在賀蘭山山前沖洪積平原區(qū)出現(xiàn)點狀高值區(qū),推測原因為人類活動造成,如生活廢棄物長期堆放或垃圾焚燒等,降水淋濾作用而進(jìn)入地下水,隨地下水運動而遷移.

總體上,鹽湖盆地地下水中 3種重金屬元素的含量既呈現(xiàn)出明顯的帶狀或塊狀區(qū)域高值分布特征,也出現(xiàn)了點狀高值分布特征,表明鹽湖盆地地下水重金屬元素的分布與變化既受到巖土礦物、水利特征等天然因素影響,又受到人類活動,如工業(yè)、農(nóng)業(yè)、城市、突發(fā)環(huán)境事故等的多重因素影響,使得鹽湖盆地的地下水重金屬空間分布變得較為復(fù)雜.

2.3 地下水環(huán)境質(zhì)量評價

2.3.1 單因子指數(shù)評價 基于地下水質(zhì)量Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行吉蘭泰鹽湖盆地地下水重金屬的單因子污染評價及統(tǒng)計分析(表3),鹽湖盆地地下水采樣點的 Cr6+、As出現(xiàn)含量超標(biāo),超標(biāo)率分別為8.45%、2.82%,污染指數(shù)最大值分別為標(biāo)準(zhǔn)值的2.18倍和1.31倍,而Hg未發(fā)現(xiàn)超標(biāo),含量均低于地下水質(zhì)量Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn).鹽湖盆地地下水中 3種重金屬污染程度均值的排序為Cr6+＞Hg＞As,監(jiān)測的Cr6+、As、Hg三種元素的單項污染指數(shù)均值都小于 1,表明鹽湖盆地整體未出現(xiàn)污染狀況,其中Cr6+、Hg單項污染指數(shù)的均值分別是As的3.9倍和1.8倍.

表3 研究區(qū)重金屬單因子污染指數(shù)評價結(jié)果統(tǒng)計Table 3 Statistical parameters of heavy metal evaluation from the single-factor pollution index

從 Cr6+的單因子污染指數(shù)空間分布(圖 3A)可知,Cr6+的單因子指數(shù)主要超標(biāo)區(qū)域在吉蘭泰鹽湖西南側(cè)、沿圖格力高勒溝谷呈條塊狀分布,在鹽湖附近的盆地中心Cr6+含量較高.對比Cr6+,As的超標(biāo)點分布相對分散,僅2個采樣井地下水超標(biāo),分別分布鹽湖盆地的西南部和東北部,而且Hg未發(fā)現(xiàn)超標(biāo),因此,這里未進(jìn)行As和Hg的單因子指數(shù)空間分布的分析.

2.3.2 內(nèi)梅羅指數(shù)評價 吉蘭泰鹽湖盆地內(nèi)梅羅指數(shù)評價結(jié)果(表 4)表明,鹽湖盆地地下水采樣井 87.3%處于安全清潔的狀態(tài),有 7%達(dá)到了警戒線的范圍,存在污染趨勢,屬于尚清潔的狀態(tài),僅有 5.6%的樣點發(fā)生了輕度污染,平均綜合污染指數(shù)為 1.321,最大值為 1.602,不存在中度和重度污染.

表4 地下水綜合污染指數(shù)等級統(tǒng)計Table 4 Statistical parameters of heavy metal evaluation from Nemerow index

由吉蘭泰鹽湖盆地內(nèi)梅羅指數(shù)空間分布(圖 3B)可以看出,鹽湖所處區(qū)域內(nèi)梅羅指數(shù)小于 0.7,為清潔狀態(tài),在鹽湖西南的圖格力高勒溝谷出現(xiàn)輕度污染區(qū)域,其他區(qū)域地下水水質(zhì)良好,屬于清潔狀態(tài).圖格力高勒溝谷達(dá)到污染警戒線和輕度污染,主要原因為該區(qū)域巖土中的元素成分會經(jīng)過降水淋濾作用進(jìn)入地下水,上游地下水徑流過程中的溶濾作用也會使巖土中的元素成分進(jìn)入地下水并隨地下水向下游運移,而下游溝谷區(qū)域地下水埋深淺,蒸發(fā)劇烈,使得多種重金屬富集.

對比 Cr6+的單因子污染指數(shù)空間分布可知,內(nèi)梅羅指數(shù)具有相似的空間分布,表明 Cr6+污染程度高,對地下水環(huán)境質(zhì)量的影響大,因此,應(yīng)特別關(guān)注 Cr6+的變化情況,這對于鹽湖盆地地下水污染控制、保障當(dāng)?shù)鼐用裆铒嬎踩蜕眢w健康有著十分重要的作用.

總之,對比地下水質(zhì)量Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn),鹽湖盆地地下水Cr6+、As出現(xiàn)超標(biāo),Hg未發(fā)現(xiàn)超標(biāo),超標(biāo)區(qū)域主要在吉蘭泰鹽湖西南側(cè);鹽湖盆地地下水總體處于安全清潔的狀態(tài),僅在鹽湖西南的圖格力高勒溝谷出現(xiàn)輕度污染區(qū)域.

圖3 研究區(qū)重金屬評價空間分布Fig.3 Spatial distribution of evaluated results for the heavy metal

2.4 地下水重金屬健康風(fēng)險評價

健康風(fēng)險評價模型中重金屬的致癌強度系數(shù)和飲水暴露的參考劑量參照 US EPA標(biāo)準(zhǔn),Cr6+、As致癌強度系數(shù)分別為 41mg/(kg·d)、15mg/(kg·d),Hg的非致癌物質(zhì)的暴露參考劑量為0.0003mg/(kg·d)[26],評價對象為特定人群,根據(jù)中國衛(wèi)生統(tǒng)計資料,內(nèi)蒙古自治區(qū)人均預(yù)期壽命為 73.8a,成人人均體重為 65.0kg,計算得到吉蘭泰鹽湖盆地地下水重金屬通過飲用水途徑所引起的平均個人年健康風(fēng)險(表5).

表5 經(jīng)飲用水途徑的化學(xué)致癌物質(zhì)和非化學(xué)致癌物質(zhì)的健康風(fēng)險(a-1)Table 5 Health risk values for chemical carcinogens and non-chemical carcinogens by the way of drinking water (a-1)

通過飲用水途徑的化學(xué)致癌物的健康風(fēng)險值遠(yuǎn)高于非化學(xué)致癌物的健康風(fēng)險值(表5).化學(xué)致癌物 Cr6+在地下水水樣中所致健康危害風(fēng)險值的數(shù)量級在 10-6～10-4,表明鹽湖盆地局部點或局部區(qū)域超過了US EPA最大可接受風(fēng)險水平,同時Cr6+健康危害風(fēng)險值高于瑞典環(huán)保局、荷蘭建設(shè)環(huán)保局、英國皇家協(xié)會、IAEA最大可接受風(fēng)險,局部點或局部區(qū)域超過了 ICRP最大可接受風(fēng)險,而整個鹽湖盆地 Cr6+的平均健康危害風(fēng)險值低于US EPA和ICRP最大可接受風(fēng)險,高于其他標(biāo)準(zhǔn)值;As在地下水水樣中所致健康危害風(fēng)險值的數(shù)量級在10-8～10-5,低于US EPA和ICRP最大可接受風(fēng)險,存在局部點或局部區(qū)域超過剩余其他標(biāo)準(zhǔn)值的最大可接受風(fēng)險水平;總的致癌風(fēng)險與 Cr6+類似,鹽湖盆地局部點或局部區(qū)域超過了US EPA和ICRP最大可接受風(fēng)險水平,同時整個區(qū)域高于瑞典環(huán)保局、荷蘭建設(shè)環(huán)保局、英國皇家協(xié)會、IAEA最大可接受風(fēng)險,而整個鹽湖盆地平均化學(xué)致癌風(fēng)險值低于US EPA和ICRP最大可接受風(fēng)險,高于剩余其他標(biāo)準(zhǔn)值;Cr6+平均健康危害風(fēng)險為總致癌風(fēng)險貢獻(xiàn)率的 89%,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出As的健康危害風(fēng)險貢獻(xiàn)率(圖 4),因此,Cr6+應(yīng)為優(yōu)先控制污染物,作為首要的環(huán)境健康風(fēng)險控制指標(biāo).

圖4 鹽湖盆地化學(xué)致癌物質(zhì)貢獻(xiàn)率Fig.4 Contribution rate of chemical carcinogens

Hg在地下水中通過飲水途徑引起的健康危害風(fēng)險值較小,數(shù)量級為 10-12～10-9a-1,即每年每千萬人口中,因飲用水中的 Hg受到的健康危害或死亡的人數(shù)最多為 1人,健康危害風(fēng)險值低于所有健康風(fēng)險參考標(biāo)準(zhǔn)的最大可接受風(fēng)險.所以,非化學(xué)致癌物 Hg的健康危害風(fēng)險度極低,可以忽略其對鹽湖盆地地下水的影響.

通過化學(xué)致癌物及總健康風(fēng)險值空間分布(圖5)可知,在吉蘭泰鹽湖西南側(cè)、沿圖格力高勒溝谷存在塊帶狀分布區(qū)的致癌風(fēng)險高于US EPA最大可接受風(fēng)險水平,包括吉蘭泰鹽湖在內(nèi)的局部區(qū)域超過 ICRP最大可接受風(fēng)險水平,而低于US EPA最大可接受風(fēng)險水平;盡管整個鹽湖盆地As的致健康危害風(fēng)險低于US EPA和ICRP最大可接受風(fēng)險,但相對來說,在鹽湖盆地西南區(qū)域的臺地健康危害風(fēng)險較高;對于鹽湖盆地總健康風(fēng)險,類似于Cr6+健康風(fēng)險分布,在吉蘭泰鹽湖西南側(cè)存在塊帶狀分布區(qū)的健康風(fēng)險高于 US EPA最大可接受風(fēng)險水平,沿圖格力高勒溝谷至西南臺地區(qū)域超過 ICRP最大可接受風(fēng)險水平,剩余其他區(qū)域健康風(fēng)險較低.

圖5 化學(xué)致癌物及總健康風(fēng)險值空間分布Fig.5 Spatial distribution of chemical carcinogen and total health risk value

2.5 地下水離子成分同源性特征

相關(guān)分析是推測水體或土壤離子來源的重要依據(jù),通過離子間的相關(guān)性可以判定水體或土壤中離子污染來源、途徑等重要信息,如果離子間存在顯著或極顯著的相關(guān)性,表明這些元素可能存在復(fù)合污染或同源關(guān)系[27].

重金屬Cr6+、As、Hg與主要化學(xué)成分或指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計相關(guān)分析(表6),Cr6+與Cr、K+呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系,而與其他化學(xué)組分或指標(biāo)的相關(guān)性不顯著,Cr6+部分超標(biāo)的原因包括吉蘭泰鹽湖盆地的高錳酸鹽指數(shù)偏高,存在促使 Cr3+容易氧化成為 Cr6+;Hg與 SO42-呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系,與 NO3-呈顯著的正相關(guān)關(guān)系,而與其他化學(xué)組分或指標(biāo)的相關(guān)性不明顯,表明 Hg的存在受制于酸堿條件;As與KMO4呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系,與 Cr呈顯著的正相關(guān)關(guān)系,且與大多數(shù)的元素呈不明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系,As與 Cr存在一定的同源關(guān)系.

2.6 討論

完整的US EPA健康風(fēng)險評價模型是4種介質(zhì)(如大氣、水、土壤、食物鏈等)攜帶重金屬通過食入、吸入和皮膚接觸3種暴露途徑進(jìn)入人體產(chǎn)生健康風(fēng)險的評價[28-29],而本文只單獨討論了Cr6+、Hg、As三種重金屬通過飲用水的途徑對人體產(chǎn)生的健康風(fēng)險,因此總的健康危害風(fēng)險數(shù)值要小于實際的健康危害風(fēng)險.由于地下水健康危害風(fēng)險計算僅區(qū)分了致癌物和致癌物兩個部分,而致癌污染物同樣可能具有非致癌物的一些效應(yīng),因此評價得出非致癌物的健康危害風(fēng)險很有可能被低估[30],但一些研究結(jié)果表明,水中的重金屬含量很低,但通過飲用水途徑計算出的健康危害風(fēng)險值會偏高[31-35].由于各種重金屬對人體健康的危害不是獨立產(chǎn)生作用,而目前沒有統(tǒng)一方法進(jìn)行重金屬導(dǎo)致的混合風(fēng)險的健康風(fēng)險評估,這將是今后進(jìn)一步研究的重點.

3 結(jié)論

3.1 吉蘭泰鹽湖盆地地下水中普遍含有 Cr6+、As、Hg.鹽湖盆地地下水中 Cr6+、As、Hg含量既呈現(xiàn)出明顯的帶狀或塊狀高值分布區(qū)域,又出現(xiàn)點狀高值分布特征,表明其分布與變化既受到巖土礦物、水動力特征等天然因素影響,又受到人類活動影響.

3.2 吉蘭泰鹽湖盆地地下水采樣點的Cr6+、As含量出現(xiàn)超標(biāo),而 Hg未發(fā)現(xiàn)超標(biāo);地下水總體處于安全清潔的狀態(tài),局部發(fā)生輕度污染,不存在中度和重度污染.

3.3 對于吉蘭泰鹽湖盆地,通過飲用水途徑的化學(xué)致癌物的健康風(fēng)險值遠(yuǎn)高于非化學(xué)致癌物的健康風(fēng)險值.鹽湖盆地平均化學(xué)致癌風(fēng)險值低于US EPA最大可接受風(fēng)險水平,存在局部點或局部區(qū)域超過US EPA最大可接受風(fēng)險水平.

3.4 Cr6+部分超標(biāo)的原因包括吉蘭泰鹽湖盆地的高錳酸鹽指數(shù)偏高,存在促使 Cr3+氧化成為Cr6+;Hg的存在受制于酸堿條件;As與Cr存在一定的同源關(guān)系.

3.5 吉蘭泰鹽湖盆地超標(biāo)區(qū)域主要位于吉蘭泰鹽湖西南側(cè)的圖格力高勒溝谷區(qū)域,該區(qū)域內(nèi)現(xiàn)狀居民生活用水存在一定的潛在健康風(fēng)險,因此建議地下水開發(fā)利用過程中應(yīng)針對以 Cr6+為主的重金屬進(jìn)行凈化預(yù)處理,以降低該區(qū)域內(nèi)的通過飲用水途經(jīng)而產(chǎn)生的健康風(fēng)險.

[1]雷 鳴,曾 敏,廖柏寒,等.某礦區(qū)土壤和地下水重金屬污染調(diào)查與評價 [J]. 環(huán)境工程學(xué)報, 2012,6(12):4687-4693.

[2]Wang X, Sato T, Xing B, et al. Health risks of heavy metals to the general public in Tianjin, China via consumption of vegetables and fish [J]. Science of the Total Environment, 2005,350(28):1-3.

[3]王鐵軍,查學(xué)芳,熊威娜,等.貴州遵義高坪水源地巖溶地下水重金屬污染健康風(fēng)險初步評價 [J]. 環(huán)境科學(xué)研究, 2008,21(1):46-50.

[4]黃冠星,孫繼朝,張 英,等.珠江三角洲污灌區(qū)地下水重金屬含量及其相互關(guān)系 [J]. 吉林大學(xué)學(xué)報(地), 2011,41(1):228-234.

[5]喬 岡,徐友寧,陳華清,等.某金礦區(qū)淺層地下水重金屬及氰化物污染評價 [J]. 地質(zhì)通報, 2015,34(11):2031-2036.

[6]張 妍,李發(fā)東,歐陽竹,等.黃河下游引黃灌區(qū)地下水重金屬分布及健康風(fēng)險評估 [J]. 環(huán)境科學(xué), 2013,34(1):121-128.

[7]林曼麗,桂和榮,彭位華,等.典型礦區(qū)深層地下水重金屬含量特征及健康風(fēng)險評價-以皖北礦區(qū)為例 [J]. 地球?qū)W報, 2014,(5):589-598.

[8]楊 彥,于云江,魏偉偉,等.常州市淺層地下水重金屬污染對城區(qū)、城郊居民健康風(fēng)險評價 [J]. 環(huán)境化學(xué), 2013,(2):202-211.

[9]Muhammad S, Shah M T, Khan S. Health risk assessment of heavy metals and their source apportionment in drinking water of Kohistan region, northern Pakistan [J]. Microchemical Journal,2011,98(2):334-343.

[10]Bhowmick S, Pramanik S, Mondal P, et al. Arsenic in groundwater of West Bengal, India: A review of human health risks and assessment of possible intervention options [J]. Science of the Total Environment, 2018,612:148-169.

[11]Rajasekhar B, Nambi I M, Govindarajan S K. Human health risk assessment of ground water contaminated with petroleum PAHs using Monte Carlo simulations: A case study of an Indian metropolitan city [J]. Journal of environmental management,2018,205:183-191(DOI:10.1016/j.jenvman.2017.09.078).

[12]Mishra H, Karmakar S, Kumar R, et al. A long-term comparative assessment of human health risk to leachate-contaminated groundwater from heavy metal with different liner systems [J].Environmental science and pollution research international,2017(DOI:10.1007/s11356-017-0717-4).

[13]宋國慧.沙漠湖盆區(qū)地下水生態(tài)系統(tǒng)及植被生態(tài)演替機制研究[D]. 西安:長安大學(xué), 2012.

[14]HJ/T164-2004 地下水環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范 [S].

[15]張舒婷,李曉燕,陳思民.貴陽市不同空間高度灰塵和重金屬沉降通量 [J]. 中國環(huán)境科學(xué), 2015,35(6):1630-1637.

[16]韓智勇,許 模,劉 國,等.生活垃圾填埋場地下水污染物識別與質(zhì)量評價 [J]. 中國環(huán)境科學(xué), 2015,35(9):2843-2852.

[17]谷朝君,潘 穎,潘明杰.內(nèi)梅羅指數(shù)法在地下水水質(zhì)評價中的應(yīng)用及存在問題 [J]. 環(huán)境保護(hù)科學(xué), 2002,28(1):45-47.

[18]李亞松,張兆吉,費宇紅,等.內(nèi)梅羅指數(shù)評價法的修正及其應(yīng)用[J]. 水資源保護(hù), 2009,25(6):48-50.

[19]US EPA. 1986. Guidelines for carcinogen risk assessment [R].EPA/630 /R-00-004.Washington DC: Risk Assessment Forum U.S. Environmental Protection Agency. 33992-34003.

[20]US EPA. 2005. Guidelines for carcinogen risk assessment [R].Usepa /630/p-03/001F. Washington DC: Risk Assessment Forum U.S. Environmental Protection Agency. 1-166.

[21]車 飛,于云江,胡 成,等.沈撫灌區(qū)土壤重金屬污染健康風(fēng)險初步評價 [J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報, 2009,28(07):1439-1443.

[22]劉 成,邵世光,范成新,等.巢湖重污染匯流灣區(qū)沉積物重金屬污染特征及風(fēng)險評價 [J]. 中國環(huán)境科學(xué), 2014,34(4):1031-1037.

[23]付義臨,李 濤,徐友寧,等.土壤重金屬累積作用指示因子的篩選方法-灰色關(guān)聯(lián)度分析法與數(shù)理統(tǒng)計法 [J]. 地質(zhì)通報,2015,34(11):2061-2065.

[24]寧曉波,項文化,方 晰,等.貴陽花溪區(qū)石灰土林地土壤重金屬含量特征及其污染評價 [J]. 生態(tài)學(xué)報, 2009,29(4):2169-2177.

[25]Lv J, Liu Y, Zhang Z, et al. Factorial kriging and stepwise regression approach to identify environmental factors influencing spatial multi-scale variability of heavy metals in soils [J]. Journal of Hazardous Materials, 2013,261(13):387-397.

[26]孫 超,陳振樓,張 翠,等.上海市主要飲用水源地地水重金屬健康風(fēng)險評價 [J]. 環(huán)境科學(xué)研究, 2009,22(1):60-65.

[27]張 芳,常春平,李 靜,等.平邑縣農(nóng)村地區(qū)地下水中重金屬特征研究 [J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報, 2013,32(1):127-134.

[28]余 彬.涇惠渠灌區(qū)淺層地下水中重金屬的健康風(fēng)險評價 [D].西安:長安大學(xué), 2010.

[29]張 莉,祁士華,瞿程凱,等.福建九龍江流域重金屬分布來源及健康風(fēng)險評價 [J]. 中國環(huán)境科學(xué), 2014,34(8):2133-2139.

[30]黃 磊,李鵬程,劉白薇.長江三角洲地區(qū)地下水污染健康風(fēng)險評價 [J]. 安全與環(huán)境工程, 2008,15(2):26-29.

[31]王若師,許秋瑾,張 嫻,等.東江流域典型鄉(xiāng)鎮(zhèn)飲用水源地重金屬污染健康風(fēng)險評價 [J]. 環(huán)境科學(xué), 2012,33(9):3083-3088.

[32]陳云增,李天奇,馬建華,等.淮河流域典型癌病高發(fā)區(qū)土壤和地下水重金屬積累及健康風(fēng)險 [J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報, 2016,36(12):4537-4545.

[33]溫海威,呂 聰,王天野,等.沈陽地區(qū)農(nóng)村地下飲用水中重金屬健康風(fēng)險評價 [J]. 中國農(nóng)學(xué)通報, 2012,28(23):242-247.

[34]于云江,楊 彥.基于 GIS的松花江沿岸某區(qū)淺層地下水污染特征及人群暴露風(fēng)險評價 [J]. 中國環(huán)境科學(xué), 2013,33(8):1487-1494.

[35]陸鳳娟.以嘉定區(qū)為例對上海市郊區(qū)飲用水源水重金屬進(jìn)行健康風(fēng)險評價 [J]. 中國環(huán)境監(jiān)測, 2013,(2):5-8.