基于模糊化的长株潭地区地下水重金属健康风险评价

1、基于模糊化的长株潭地区地下水重金属健康风险评价丁昊天,袁兴中*,曾光明,祝慧娜,梁 婕,樊梦佳,江洪炜湖南大学环境科学与工程学院,湖南长沙 410082摘要:健康风险评价是表征环境污染物对人体健康危害程度(或致死的一种风险评价方法.主要研究了长沙、株洲和湘潭三市地下水由于重金属污染而造成的人体健康风险.采用模糊化原理将评价标准分为6个等级,即低风险、低中风险、中风险、中高风险、高风险以及极高风险,可直观地反映地下水中重金属所致健康危害的风险水平.结果表明:20022006年长沙、株洲和湘潭三市地下水重金属所致健康风险水平较高;致癌重金属比非致癌重金属所致个人年均风险值大,其所致健康危害的风险大

2、小依次为Cr 6+>As>Cd;在重金属所致健康危害的总风险水平中,20022006年长沙的个人年均风险值处于逐年降低的趋势,而湘潭和株洲的个人年均风险值都出现了先增高后降低的趋势,这可能是由于近年来长株潭地区加强了地下水的监测与污染防治工作所致.关键词:地下水;模糊化;重金属;健康风险评价中图分类号:X824104 文献标志码:A 文章编号:1001-6929(200911-1323-06Health Risk Assessment from Heavy Metals in Groundwater of Cha ngsha 2Zhuzhou 2Xiangtan District

3、Base d on Fuzzy TheoryDIN G Hao 2tian,Y UA N Xing 2zhong,Z EN G Guang 2ming,Z HU Hui 2na,LIA NG Jie,FA N Meng 2jia,JIA NG Hong 2w eiCollege o f Enviro nmental Science and Engineering,Hunan Univ ersity,Changsha 410082,ChinaAbstr act :Health risk assess ment is a method o f risk assessment to represen

4、t the degree o f health harm (or deathto people caused by enviro nmental contamination.The health risks fro m heavy metals in the ground water of Changsha,Zhuzhou and Xiangtan Cities in Hunan Pro vince were investigated.Fuzzy theory w as adopted to establish the risk assessment sys tem,in which the

5、risks w ere classified according to the six levels /lo w 0,/low 2medium 0,/mediu m 0,/medium 2hi gh 0,/high 0and /very 2hig h 0.Compared wi th previo us research,the system adopted i n this s tudy can represent the levels o f heal th risk of heavy metals mo re directly.The results show ed that the g

6、roundwater health risk level of heav y metals in Chang sha,Z huzho u and Xiang tan Cities w as qui te high.The health risk caused by carcinogenic heavy metals was far hig her than that caused by no n 2carcino genic heavy metals,and the sequence of each carcinogenic heav y metal was Cr 6+>As>Cd

7、.The heal th risk o f heavy metals in the g round water o f Changsha decreased fro m 2002to 2006,while the health risk of heav y metals in the gro und water of Zhuzhou and Xiangtan increased first and then decreased fro m 2002to 2006,as the water quality mo nitoring and gro undwater pollu tion preve

8、ntio n pro grams were streng thened in Changsha,Zhuzhou and Xiangtan.Key wor ds :g roundw ater;fuzzy;heavy metals;health risk assess ment收稿日期:2009-03-19 修订日期:2009-04-18基金项目:湖南省科技计划重点项目(06S K2012作者简介:丁昊天(1981-,男,河南华县人,硕士,*责任作者,袁兴中(1963-,男,湖南祁阳人,教授,博导,主要从事固体废物处理与处置、废物资源化、环境、生态与能源系统规划和评价等研究,yxzhnu.c n随

9、着工业经济的发展,重金属污染问题越来越严重,对人体具有一定的危害性.重金属作为一种持久性有毒污染物,其进入环境后很难被生物降解,往往通过淋洗和径流等作用污染地表水和地下水1.重金属进入水体的主要途径有大气沉降、工业废水及城市生活污水的排放、矿产的开采和地表径流的汇入等2.在受纳水体中,重金属污染物不易降解,能迅速由水相转入固相,并最终进入沉积物324和地下水中,造成地下水污染.地下水污染一般有地表水渗入、矿山堆场以及垃圾填埋场渗滤液的浸入等.地下水是农村及城市郊区的主要饮用水源,因此地下水中的重金属能够直接危害到人体健康.健康风险评价是20世纪80年代后发展起来的狭义环境风险评价的内容,其主要

10、特点是把环境污染与人体健康联系起来,定量地描述环境污染对人体健康产生的危害风险5.在水环境健康风险评价领域,众多学者进行了研究,如:王大坤等6对岷江第22卷 第11期2009年11月环 境 科 学 研 究Research o f Enviro nmental Sciences Vo l.22,No.11Nov.,2009乐山段水质进行了健康危害评价;曾光明等7对河北保定市的水环境展开了健康风险评价;钱家忠等8开展了城市供水水源地水质的风险评价;张可等9研究了重庆市城区饮用水源健康风险评价;何星海等10研究了再生水利用的健康风险暴露评价;王勇泽等11研究了黄河三门峡段水环境健康风险评价;许川等1

11、2研究了三峡库区水环境多环芳烃和邻苯二甲酸酯类有机污染物的健康风险评价;张映映等13研究了长江口区域水体半挥发性有机污染物健康风险评价;秦普丰等14研究了湘江湘潭段水环境主要污染物的健康危害风险评价.笔者主要研究长沙、株洲和湘潭(简称长株潭三市的地下水重金属健康风险,并分别对成人和儿童的健康风险水平作了评价;参考美国环境保护署(US EPA和国际防辐射委员会(IC RP的标准,利用模糊化理论建立了模糊化分级的评价等级,将风险评价标准用模糊化语言表达,以期使评价结果更加直观.1 地下水环境健康风险评价模型1.1 水环境健康风险评价模型国际癌症研究机构(IA RC通过全面评价水体中化学有毒污染物的

12、可靠性程度,将污染物分为基因毒物质(包括化学致癌物和放射性污染物和躯体毒物质(非化学致癌物7282类.基于化学致癌物的健康危害(R c风险模型:D i g =W C i P A(1R i g c=1-exp(-D i g Q i g P 70(2R c=Eki =1R i gc(3式中,R i g c为化学致癌物i (共k 种经食入途径所致健康危害的个人年均风险值,a -1;Q i g 为化学致癌物i 经食入途径的致癌强度系数,mg P (kg #d;C i 为水环境中化学致癌物i 的质量浓度,mg P L;A 为人均体质量,参考US EPA 的标准15,成人取70kg,儿童取10kg;70为

13、人类平均寿命,a;W 为日均饮水量,参考US EPA 的标准15,成人取212L,儿童取110L;D i g 为化学致癌物或躯体毒物质i 经食入途径的单位体质量日均暴露剂量,mg P (kg #d.基于躯体毒物质的健康危害(R n风险模型:R j g n=(D j g 10-6P R fD j g P 70(4R n=Emj =1R j gn(5式中,R j g n为躯体毒物质j (共m 种经食入途径所致健康危害的个人年均风险值,a -1;R fD j g 为躯体毒物质j 经食入途径的参考剂量,mg P (kg #d;D j g 为躯体毒物质经食入途径的单位体质量日均暴露剂量,mg P (kg

14、 #d.水环境中化学有毒污染物总的健康危害(R 总风险模型:R 总=R c+Rn(6式中,R 总为化学致癌物健康危害和躯体毒物质健康危害的总和,a -1.1.2 风险评价标准的模糊化分级16.水环境健康风险评价一般采用ICRP 和US EPA 的评价标准.ICRP 推荐的最大可接受风险值为51010-5a-17,17,而US EPA 认为在10-4a -1级别内的风险值都是可以接受的15.这2个评价标准差别为了更好地确定风险水平的等级,笔者运用模糊化原理,采用专家咨询法,于2008年12月邀请了10位风险评价领域的专家进行咨询,专家建议将评价标准分为6个等级,最高风险值和最低风险值定为1101

15、0-3和11010-6a -1,具体分级建议参考US E PA 和IC RP 的评价标准来确定.依据专家的意见,并参考US EPA 和ICRP 的风险评价标准,将风险评价进行模糊化分级,将个人年均风险值在11010-611010-3a -1间分为6个等级,其中,11010-6a -1,11010-5a -1处于国际防辐射委员会认为的可以接受的风险之下,根据对专家进行的调查问卷确定为Ñ级风险,即低风险水平;11010-5a -1,51010-5a -1处于国际防辐射委员会可接受的风险水平范围,因此定为Ò级风险,即低中风险水平;51010-5a -1,11010-4a -1和1

16、1010-4a -1,51010-4a -1虽然符合US E PA 界定的风险水平,但是却超出了IC RP 的可接受的风险水平范围,因此根据专家意见将其分别定为Ó级和Ô级风险,分别为中风险及中高风险水平;51010-4a -1,11010-3a -1是US EPA 风险评价标准的最高限1324环 境 科 学 研 究第22卷值,而且已经严重超过了ICRP的可接受水平,因此将Õ级定为高风险水平;11010-3a-1,51010-3 a-1的风险值极高,完全超过了US EPA的可接受风险水平,因此将Ö级定为极高风险水平.风险评价标准的6个等级如表1所示.表1评

17、价标准的等级与分值Table1The levels and values of assessment standards 风险等级评价标准区间P a-1Ñ级低风险11010-6,11010-5Ò级低中风险11010-5,51010-5Ó级中风险51010-5,11010-4Ô级中高风险11010-4,51010-4Õ级高风险51010-4,11010-3Ö级极高风险11010-3,51010-32研究实例2.1研究区概况生活污水和工业废水是影响城市地下水水质的主要根源,湖南省自然地质环境造成了锰和pH等指标的异常,其大部分城市地下水p

18、H常年偏低,而酸性水质有助于土壤中重金属的析出,从而有可能造成重金属的污染.根据20022006年的5湖南省环境质量报告书6,长株潭三市的地下水中重金属质量浓度的监测数据见表212.2参数的确定笔者的评价因子包括化学致癌物Cd,As和Cr6+,非化学致癌物Hg,Pb和M n.根据国际癌症研究机构(I ARC和世界卫生组织(W HO编制的权衡化学物质致癌性可靠程度体系,Cd,As和Cr6+分别属于1组和2A组的化学物质,为化学致癌物,其致癌强度系数见表3;Hg,Pb和M n为非化学致癌物,其参考剂量(R fD i g见表41表2三市地下水中重金属的水质监测数据Table2The water qu

19、ality date for heavy metals in the ground water of three cities年份城市Q P(mg P LMn Hg As Cd Cr6+Pb表3化学致癌物的致癌强度系数Table3Strength coefficients fo r chemical carcino gensin drinking so urce water化学致癌物C d As Cr6+Q i g P1mg P(kg#d26111541注:饮水途径.表4非化学致癌物参考剂量Table4Reference doses for no n2carcino gens i ndrink

20、ing source w ater非化学致癌物质Hg Pb MnR fD i g P1m g P(kg#d231010-41410-311410-1注:饮水途径.3结果与讨论采用地下水环境健康风险模糊综合评价模型分别计算了20022006年长株潭三市地下水由于重金属所致成人和儿童的健康危害风险水平,并根据风险评价标准的模糊化等级对健康风险进行了分级,结果见表51根据表2中的水质监测数据,由式(2和(4可以计算出各种重金属对人体所致健康危害的个人年均风险值,由于计算数据较多,用坐标图可直观地表示各种重金属对人体所致的个人年均风险值.图16分别为20022006年的5年内长株潭三市地1325第11

21、期丁昊天等:基于模糊化的长株潭地区地下水重金属健康风险评价表5 地下水重金属所致健康危害的个人年均风险值及风险水平Table 5 To tal health risk from heav y metals in groundw ater for individual and the lev els o f to tal heal th risk年份城市成人儿童个人年均风险值P a-1风险等级P 级个人年均风险值P a-1风险等级P 级长沙9191710-5Ó3110110-4Ô2002株洲4189310-5Ò1155310-4Ô湘潭7106810-5&#

22、211;2124310-4Ô长沙6197610-5Ó2118410-4Ô2003株洲8134310-5Ó2164610-4Ô湘潭9168410-5Ó3107010-4Ô长沙7170810-5Ó2144410-4Ô2004株洲9161910-5Ó3105010-4Ô湘潭1100610-4Ô3118710-4Ô长沙5146110-5Ó1163810-4Ô2005株洲1109410-4Ô3146510-4Ô湘潭7186510-5&#

23、211;2148910-4Ô长沙5113110-5Ó1159110-4Ô2006株洲9167710-5Ó3106510-4Ô湘潭4190010-5Ò1155510-4Ô下水中各种重金属对成人和儿童所致健康危害的个人年均风险值,由于Hg,Pb 和M n 的年均风险值与化学致癌物年均风险值相比较小,且3种重金属的风险值较为接近,因此图16中这3条线基本重合 .图1 长沙地下水中各种重金属所致健康危害的成人风险水平Fig.1 Health risk fro m each heav y metal for individualadu

24、lt in Changsha图2 长沙地下水中各种重金属所致健康危害的儿童风险水平Fig.2 Health risk fro m each heav y metal for individualchild in Changsha图3 株洲地下水中各种重金属所致健康危害的成人风险水平Fi g.3 Health risk from each heavy metal fo r i ndividualadul t in Zhuzhou图4 株洲地下水中各种重金属所致健康危害的儿童风险水平Fig.4 Health risk from each heav y metal fo r individualch

25、ild in Zhuzhou由表5可见,地下水重金属污染对成人所致健康危害的个人年均风险值大部分处于10-5a-1级别,属于Ó级风险即中等风险水平;地下水重金属对儿童所致健康危害的个人年均风险值处于10-4a-11326环 境 科 学 研 究第22卷 图5 湘潭地下水中各种重金属所致健康危害的成人风险水平Fig.5 Health risk fro m each heav y metal for individualadult in Xiang tan图6 湘潭地下水中各种重金属所致健康危害的儿童风险水平Fig.6 Health risk fro m each heavy metal

26、for indi vidualchild in Xiang tan级别,属于Ô级风险即中高等风险水平,表明长株潭地区地下水重金属所致健康危害的风险水平较高,这主要是由于长株潭三市工业的快速发展致使地下水受到重金属的污染,因此需要加强对地下水中重金属污染的管理和控制;长株潭地区地下水重金属对儿童所致健康危害的个人年均风险值要比成人大,这主要是由于儿童对重金属污染物较为敏感所致.比较图16可知,各种重金属对成人和儿童的健康危害趋势完全相同,这是因为在计算过程中,成人和儿童健康危害计算模型是相同的,仅有体质量和每日饮水量2个参数不同,并且由式(2和(4可知,公式中这2个参数成一次比例关系.

27、由图16可见,在长株潭三市地下水的健康风险评价中,地下水中的致癌重金属对人体的健康危害远远大于非致癌重金属,而非致癌重金属所致的健康危害较小.Cr 6+对成人的个人年均风险最大值为7134410-5a -1,对儿童的个人年均风险最大值为2132410-5a -1;As 对成人的个人年均风险最大值为6198710-5a -1,对儿童的个人年均风险最大值为2121110-4a -1.致癌重金属对人体健康危害的风险大小依次为Cr6+>As>Cd.因此,在地下水污染治理工作中,应将Cr 6+,As 和Cd 作为优先控制污染物.由图16还可见,长株潭三市地下水各种重金属所致健康危害的个人年均

28、风险值在5年内的变化趋势,Cr6+的健康危害在评价期内下降并不明显,As 的健康危害在评价期内下降较为明显,其他重金属的健康危害较小,各年度的健康危害基本保持平衡,起伏不大.这说明长株潭三市地下水中As污染在20022006年基本上得到了控制,而对Cr 6+的治理没有达到理想的效果,需要进一步加强治理力度.由表5可见,5年内长沙地下水重金属健康危害总风险水平处于逐年降低的趋势;株洲20022005年总风险水平逐年增高,2006年有所下降;湘潭的总风险水平则出现20022004年增高而20042006年降低的现象.这是因为近年来长株潭地区加强了地下水的监测与污染防治工作,并取得了一定的成效,如长

29、沙市的铬渣治理项目地下水污染防治工程,有效地防止了对长沙市湘江西岸铬渣厂附近地下水进一步受到Cr 6+的污染,在一定程度上改善了当地地下水的水环境质量.总体来讲,这3个城市中,株洲地下水由于重金属所致健康危害的风险水平最高,湘潭次之,长沙最低.这主要是由于株洲和湘潭两市的工业企业较多,地下水重金属污染未得到有效控制;而长沙作为省会城市,近年来在地下水重金属污染控制方面所做的工作相对较好.4 结论a.根据建立的风险评价标准等级体系,长沙、株洲和湘潭三市的地下水重金属所致健康危害的个人年均风险值较高,处于中风险(Ó级或中高风险(Ô级水平,需要加强地下水重金属污染的管理与控制.b

30、.致癌重金属对人体产生的个人年均风险值较大,其风险大小依次为Cr6+>As>Cd,因此应将Cr 6+作为首要的环境健康风险管理控制指标.c.在20022006年评价时段内,长沙地下水的重金属健康风险基本上处于逐年降低的趋势,而株洲和湘潭则出现了先增高后降低的趋势.d.株洲地下水的重金属污染程度较严重,湘潭次之,长沙则相对较好.参考文献(R eferences:1 CA USSY D,GOC HFELD M,GURZ AU E,et al .Lessons from case1327第11期丁昊天等:基于模糊化的长株潭地区地下水重金属健康风险评价1328 环 境 科 学 研 究 J

31、. 环境科学, 2006, 27( 9 : 1912 21915 1 第 22 卷 studies of metals: investigat ing exposure, bioavailability and risk J . Ecotoxicol Environ Safety, 2003, 56( 1 : 45 2511 2 3 4 5 6 7 8 9 10 郑建禄. 珠江口的重金属研究MPP陈静生, 周家义. 中 国水环 境重金属研究. 北京: 中国环境科学出版社, 1992: 369 23761 刘芳文, 颜文, 王文质, 等. 珠江口沉积物重金属污染及其潜在 生态危害评价 J . 海洋环境科学, 2002, 21( 3 : 341 马德毅, 王菊英. 中国主要河口沉积物污染及潜在生态风险评 价 J . 中国环境科学,