水文地质学与人类接触有毒物质的评价

接触评价实质上是对人群接触环境污染物的量、频率和持续时间的一种估测。当地下水中某种物质的浓度达到有毒水平时，公众健康和接触评价就不可避免地与水文地质学发生了联系。本文阐述了接触评价过程中水文地质资料是如何得以利用，接触评价的需求会对未来的水文地质学产生何种补充，同时也呼吁水文地质学家和从事公众健康事业的科学家们应更好地进行协作。用于描绘场地特征和修复研究的水文地质基础资料同样也是接触评价研究所必需的。这些资料包括地下水中污染物的浓度和分布以及控制地下水流动（或污染物迁移）的水文地质特征。然而，场地特征通常与目前的场地条件和有着潜在影响的场地修复活动有关。当人们发现地下水受到污染后，就会寻找新的替代水源，因此，接触评价研究通常需要了解过去污染物浓度的分布情况。特别要关注的是人们使用和饮用受污染地下水的时间以及所含污染物的浓度。在建立污染羽模拟模型时，需要相关的资料，场地特征资料就取决于为了更好地说明含水层的性质并预防交叉污染而新建的监测井，利用这些监测井将含水层隔离是很有必要的。然而，接触评价关注的是饮用水井中的污染物浓度，而建造这些水井时只考虑了出水量，防止交叉污染的措施可能改变了污染物的初始浓度。另外，家庭管道系统可能会使一些污染物的浓度降低，如挥发性有机物VOCs，也可能会增加其它的污染物，如铅，所以要进行详细的接触评价，需要在家用水笼头或直接接触点进行取样分析。场地特征和接触评价研究并不对立，二者所需的资料是相似的，区别在于利用资料的方式不同。为了研究过去、目前或将来的污染物接触问题，需要研究能够反映特定区域和时间范围与污染物接触状况相关的采样策略。本文通过介绍正在讨论的饮用水中砷浓度标准的修改问题，来说明公众健康和水文地质之间的联系。对于水文地质学家而言，非常有必要了解修改的科学根据以及缺乏水文地质资料会如何影响对流行病资料的解释。为了表明环境污染物和疾病之间的联系，流行病学家必须利用某些污染物浓度的测量值来估计接触的量。然而，地下水中的污染物浓度检测必须在水文地质背景下进行，因此，流行病研究和接触评价研究应当是协同完成的。美国环境保护署（EPA）已经规定，饮用水中砷的最大污染物浓度(MCL)是50µg/L。1999年，鉴于从饮用水中摄取砷的致癌风险评价结果，美国国家研究会（NRC）建议降低EPA规定的MCL（NRC，1999）。EPA采纳了这一建议，将饮用水中砷的MCL降至10µg/L（2006年开始生效）。世界卫生组织（WHO）已于1993年将饮用水中砷的MCL从50µg/L降至10µg/L（WHO，2001）。对台湾地下水中砷浓度较高地区的膀胱癌流行病进行了重新研究，以此为基础，NRC降低了饮用水中砷的MCL标准。NRC（1999）根据降低饮用水的MCL标准，对台湾地下水中砷浓度含量高的地区，重新进行了膀胱癌研究（Morales等，2000）。自上世纪50年代以来，对该地区癌症和其它疾病的发病率已进行了广泛研究（Lamm等，2003）。关于砷接触造成的健康影响一直都有分歧。Morales等（2000）的研究发现膀胱癌和村庄井水中的砷浓度之间存在显著的相关关系。然而，Lamm等（2003）根据同样的资料进行分析，结果表明即使井水中砷的浓度相近，不同地下水来源（自流井、浅水井和混合井）的村庄具有不同的膀胱癌的发病率。特别是与饮用自流井水的居民相比（即使某些非自流井与自流井中的砷浓度相似），饮用非自流井水居民的膀胱癌发病率并没有明显增加。由于仅根据井水中的砷浓度不足以预测膀胱癌的发病率，Chiang等（1993）和Lamm等（2003）提出腐殖质或腐殖质与其它化合物及砷共同作用可能会诱发膀胱癌。另一些研究表明某些腐殖质具有诱导有机体突变的性质。地下水中的腐殖质也对污染物的运移起着重要的作用（USGS，2004），而且可能会提高某些金属物质的生物利用率和毒性（Senesi和Miano，1994）。在阿根廷（Bates等，2004）和美国西部地区（Steinmaus等，2003），也对膀胱癌和砷接触之间的关系进行了研究。在这些研究中，将膀胱癌的个例与特定井的砷浓度进行比较，结果表明饮用水中的砷浓度与膀胱癌砷之间没有显著的相关关系。这些研究也表明砷造成的癌症发病率低于其它研究中的发病率，但是吸烟和砷接触共同作用会明显提高患膀胱癌的风险，这可以认为是膀胱癌的发病率具有混合病因。从水文地质和接触评价的观点出发，这些流行病学研究都有一定局限性。首先，在台湾进行的研究采用的是村庄水井中砷浓度的平均值，这些研究没有考虑单个水井的浓度或每一水井的浓度变化，如季节性变化等。另外，尽管有资料证明水井中存在腐殖质，但是没有与腐殖质接触评价相关的浓度或地球化学方面的资料记载。Bates等人（2004）直接利用了特定水井中的砷浓度的测量值，但是他们的研究被公认为在假设目前的砷浓度测量值反映超过50年的接触方面具有潜在的局限性。地下水中的砷，在还原条件下以三价态存在，在氧化条件下以五价态存在，也可能以有机形态存在（毒物与疾病登记署，简称ATSDR，2000）。尽管在环境中以及人体摄取后，砷会在上述形态之间进行化学转化，但是通过饮用水摄取的砷的价态却尤为重要，这是因为三价砷比五价砷的毒性要大2～3倍。为了解决与台湾流行病学研究相关的一些问题，有必要对浅水井和自流水井的地球化学和水文地质条件进行详细评价。对地下水进行公众健康评价是一个多步骤过程。评价的第一步通常是要确定地下水的污染物浓度是否高于某一定值，如EPAMCL或ATSDR环境评价准则（EMEGs）。若低于“安全”剂量，确信可以保证公众健康。对于大多数致癌污染物，假设每一剂量都存在相关风险，然后确定一个风险阈值作为可接受的或“安全”的剂量。初始评价可能表明污染物浓度超过了阈值，如果是这样的话，就需要进行更为详细的接触评价，进一步确定可能的剂量，并确定这种水平下的剂量是否会对人类健康造成不利影响。特定接触剂量评价试图将筛选分析中的接触假设转变为特定点的接触因素（如摄取率和接触时间）以及污染物浓度和分布情况。特定点的污染物浓度和分布情况的历史资料一般都非常有限、难以获得或根本不存在，所以就必须通过模型进行模拟。ATSDR已经开始使用随时间变化而变化的污染物运移模型和概率分析方法（蒙特卡罗模拟）进行污染物接触评价（Maslia和Aral，2004）。采用这种方法，可以测试与接触时间有关的重要参数。从公众健康的角度来看，在利用概率分析方法（例如蒙特卡罗模拟）对污染物在所有介质（包括地下水）中的运移及其不确定性进行评价的过程中，会出现与剂量或者接触评价相关的非常有价值的信息。水文地质学家广泛采用概率分析方法来分析水文地质参数和污染物运移的不确定性，这对于水文地质学的发展和公众健康都非常有益。实例之一是由Neupauer和Wilson进行的模拟研究（2003）。NRC已经把“水文地质预报”作为“环境科学的重大挑战”的八个组成部分之一（NRC，2001b）。此外，委员会还建议将“提高对地下运移机理的认识”作为该主题下的一个重要的研究领域。这就要求提高对地下水流动系统及其动态变化的认识，进而将对污染物浓度的确定性评价转向对接触浓度和持续时间都不确定的剂量评价上来（Patrick，2004）。水文地质学家也应当探究抽样理论的应用潜力，从而有助于量化地下水采样的不确定性。建立四维模型（x,y,z,t），通过真实情况和某些简单现象的时间和空间变化来确定污染物浓度和含水层特征。抽样理论有助于确定这些简单现象的变化情况，最终可以确定这些变化值的分布。在一些研究工作中，已经采用抽样理论对与二维土壤取样相关有不确定性进行了量化，但是仍未开展地下水采样方面的四维方法。从作者引用的实例中看出，最近修订的砷MCL的阈值有所降低，该阈值被认为是“安全”剂量。根据Paracelsus的名言“只是剂量决定了某些