环境科学  2021, Vol. 42 Issue (9): 4257-4266   PDF    
引用本文
谢浩, 梁永平, 李军, 邹胜章, 申豪勇, 赵春红, 王志恒. 龙子祠泉域地下水金属元素分布特征及健康风险评价[J]. 环境科学, 2021, 42(9): 4257-4266.
XIE Hao, LIANG Yong-ping, LI Jun, ZOU Sheng-zhang, SHEN Hao-yong, ZHAO Chun-hong, WANG Zhi-heng. Distribution Characteristics and Health Risk Assessment of Metal Elements in Groundwater of Longzici Spring Area[J]. Environmental Science, 2021, 42(9): 4257-4266.
龙子祠泉域地下水金属元素分布特征及健康风险评价
谢浩1,2, 梁永平1,2, 李军1,2,3, 邹胜章1,2, 申豪勇1,2, 赵春红1,2, 王志恒1,2     
1. 中国地质科学院岩溶地质研究所, 自然资源部/广西岩溶动力学重点实验室, 桂林 541004;
2. 联合国教科文组织国际岩溶研究中心, 桂林 541004;
3. 河北建筑工程学院河北省水质工程与水资源综合利用重点实验室, 张家口 075000
收稿日期: 2021-01-22; 修订日期: 2021-03-11
基金项目: 自然资源部地质调查项目(DD20190334)；中国地质科学院基本科研业务费项目(2020010)；广西重点研发计划项目(桂科AB18050026)
作者简介: 谢浩(1991~), 男, 硕士, 研究实习员, 主要研究方向为水文地质与地下水污染防控, E-mail: geoxie@126.com
通信作者: 李军, E-mail: lipshydro@163.com
摘要: 龙子祠泉是临汾市工农业和城市生活的重要水源，随着公众环境健康意识提高，地下水金属元素健康风险研究显得尤为必要.对龙子祠泉域内43个地下水样品中10种金属元素(As、Cd、Hg、Al、Pb、Co、Mn、Fe、Cu和Ni)进行检测和分析，运用多元统计分析方法和健康风险评价模型研究了地下水中10种金属元素分布特征及其暴露的健康风险.结果表明，研究区地下水中金属元素平均浓度由高到低分别为Fe、Al、Mn、Ni、As、Cu、Co、Pb、Hg和Cd，其中Al、Mn、Fe和As超出地下水质量标准(GB/T 14848-2017)Ⅲ类水标准限值.从泉域内不同地下水类型角度看，岩溶泉水水质较好，均达到了生活饮用水的标准；矿坑排水金属超标率(60%)最高，水质最差.多元统计结果表明，Pb、Ni、Co、Cd、Mn和Cu这6种元素主要受到地球化学背景的影响，Al、Fe、Hg和As主要是在山西特有的地质背景下，与人类矿业开采活动密切相关.健康风险评价表明，研究区内不同类型地下水中金属元素通过饮水途径和皮肤入渗途径对成人和儿童暴露的年均总健康风险排序均为：岩溶井>非岩溶泉>非岩溶井>岩溶泉，健康风险主要源于饮用水途径，经皮肤入渗暴露的健康风险不会对人体造成明显危害.泉域地下水中As是引起最大健康风险的金属元素，在水资源利用时应该给予重点管控，尤其在儿童饮水方面.
关键词: 龙子祠泉      地下水      金属元素      多元统计      健康风险      岩溶大泉     
Distribution Characteristics and Health Risk Assessment of Metal Elements in Groundwater of Longzici Spring Area
XIE Hao1,2 , LIANG Yong-ping1,2 , LI Jun1,2,3 , ZOU Sheng-zhang1,2 , SHEN Hao-yong1,2 , ZHAO Chun-hong1,2 , WANG Zhi-heng1,2     
1. Key Laboratory of Karst Dynamics, Ministry of Natural Resources/Guangxi, Institute of Karst Geology, Chinese Academy of Geological Sciences, Guilin 541004, China;
2. International Research Center on Karst under the Auspices of United Nations Educational, Scientific and Cultural Organization, Guilin 541004, China;
3. Hebei Key Laboratory of Water Quality Engineering and Comprehensive Utilization of Water Resources, Hebei University of Architecture, Zhangjiakou 075000, China
Abstract: Longzici Spring is an important water source for industry, agriculture, and urban life in Linfen City. With the improvements in public environmental health awareness, it is particularly necessary to study the health risk of posed by metal elements in groundwater. In this study, 43 groundwater samples from Longzici Spring area were analyzed for ten metal elements (As, Cd, Hg, Al, Pb, Co, Mn, Fe, Cu, and Ni). The distribution and health risk of these metal elements in the groundwater were studied using multivariate statistical analysis and a health risk assessment model. The results show that metal elements can be ranked, from high to low, by their average concentrations in groundwater in the following order: Fe, Al, Mn, Ni, As, Cu, Co, Pb, Hg, and Cd. The concentration of Al, Mn, Fe, and As exceed the limit for class Ⅲ water, as defined in the quality standard for groundwater (GB/T 14848-2017). Different types of groundwater in the spring area showed different metal contents. The quality of karst spring water was good, reaching the standard for drinking water, while mine drainage water exceeded the standard for drinking water, with the highest metal concentration (60%) and the worst water quality. Multivariate statistical results show that Pb, Ni, Co, Cd, Mn, and Cu concentrations were mainly affected by the geochemical background, while Al, Fe, Hg, and As concentrations were closely related to human mining activities under the unique geological background of Shanxi Province. The health risk assessment showed that the different types of groundwater could be ranked by the annual total health risks, posed by metal elements to adults and children through drinking water and skin infiltration, as follows: karst well > non-karst spring > non-karst well > karst spring. The health risks mainly came from drinking water, while health risks through skin infiltration would not cause obvious harm to the human body. The metal element causing the greatest health risk in spring groundwater was As, which should therefore be controlled in the utilization of water resources, especially in children's drinking water.
Key words: Longzici Spring      groundwater      metal elements      multivariate statistics      health risk      karst spring     

山西省是我国最重要的煤炭生产基地, 区内奥陶系岩溶含水层和煤系地层间呈假整合接触[1].长期的煤矿开采活动改变了地区内原有的水文地质条件, 引发了一系列的生态环境问题.在煤矿开采过程中, 一方面地下水作为生产用水, 另一方面需要降压排水以满足安全生产, 致使地下水与煤矿产生各种形式的接触关系, 大量污染物进入含水层, 进而污染地下水, 金属元素是主要污染物之一[2].金属元素具有不可降解性、高毒性和生物富集性等特性[3], 少量的Fe、Cu、Co和Mn等金属可作为人体酶活性的催化剂, 但高浓度摄入下对人体是有害的[4].直接饮用和皮肤接触是水体中金属元素进入人体的2种重要途径[5], 一定剂量的金属元素长期暴露会增加人体的致癌和非致癌风险[6, 7].地下水作为我国北方岩溶区城镇居民主要的饮用水源, 现“水质型缺水”问题日益突出[8], 随着公众环境健康意识提高, 地下水金属元素健康风险研究显得尤为必要.

龙子祠泉是山西省19处岩溶大泉之一, 因其丰沛的水量和相对稳定的泉水动态, 成为临汾市工农业和城市生活的主要供水水源.受气候变化、人类活动及泉域固有地球化学背景值等诸多因素影响, 泉域内地下水质量发生变化.目前, 相关学者针对山西岩溶大泉的研究主要涉及岩溶水系统划分和补径排条件[9~12]、泉水流量衰减和断流大泉复流[13~15]、地下水污染趋势和成因[8, 16~18]及其它地质环境问题[1, 19~22], 关于北方岩溶大泉泉域内地下水金属元素分布特征鲜见报道.本文以山西龙子祠泉域为研究区, 以5种类型地下水中Hg、Cd、Pb、Co、Mn、As、Fe、Cu、Al和Ni共10种金属元素浓度数据为依据, 分析地下水中金属元素的分布特征与规律, 并利用美国环保署(USEPA)推荐的健康风险评价模型与中国北方居民暴露参数[23~25]评价金属元素暴露的人体健康风险, 以期为北方岩溶地下水水质目标管理和泉域生态环境保护提供科学依据.

1 材料与方法 1.1 研究区概况

龙子祠泉出露于临汾市西南13 km处西山山前, 泉域南北长约97.5 km, 东西宽约17.5~27.51 km, 划定泉水补给区面积约为2 250 km2.所处区域属温带大陆性季风气候, 多年平均气温12.71℃, 最低10.98℃, 最高14.57℃, 无霜期120~205 d.多年平均降雨量为544 mm, 7~9月为雨季, 占全年总量的53.5%.

龙子祠泉域总体为一复合式向斜构造, 向斜东西两翼主要分布奥陶系、寒武系碳酸盐岩, 轴部一带分布有巨厚层碎屑岩.受泉域东侧汾渭地堑与地质构造的影响, 岩溶地下水由北西、南西向泉域中东部汇流, 于吕梁山南段东麓临汾盆地西缘出流.泉域内多见沟谷, 沟谷及山梁走向以北西为主, 总的地势为北西高、南东低, 最低点位于龙子祠泉出口处, 地面高程478 m, 最大高差约1 468 m.泉域内煤系地层的分布面积占泉域总面积的66%, 煤炭资源较为丰富, 分布有煤炭开采企业60余家(2014年), 是我国重要的煤炭产区之一.煤炭开采、煤炭选洗、煤渣堆放和闭坑“老窑水”等均对泉域内岩溶地下水质量产生不利影响[18, 26].

1.2 样品采集与测试

本研究于2019年4~5月进行集中水样采集, 采样点位于泉域内部和东侧边界附近, 共采集地下水样品43组, 包括岩溶泉水3组、岩溶井水25组、非岩溶泉水4组、非岩溶泉井水6组和矿坑排水5组, 图 1为采样点分布位置示意.

1表示新近系和第四系; 2表示三叠系; 3表示石炭系和二叠系; 4表示奥陶系; 5表示寒武系; 6表示岩溶井/非岩溶井采样点; 7表示岩溶泉/非岩溶泉采样点; 8表示矿坑排水; 9表示泉域边界 图 1 采样点分布位置示意 Fig. 1 Distribution map of sampling points

利用聚乙烯瓶采集水样, 采样前先用原样水洗涤采样瓶和瓶盖3~5次, 然后进行水样采集, 样品采集后立即利用0.45 μm的微孔过滤膜进行过滤, 并加入优级纯硝酸酸化至pH值小于2, 不留气泡且进行密封, 水样取回实验室后放置于4℃冰箱中保存, 一周内完成指标测定.平行样品与原样同时采集、处理.地下水样品测试项目为pH、As、Cd、Hg、Al、Pb、Co、Mn、Fe、Cu和Ni共11项, 样品送至自然资源部岩溶地质资源环境监督检测中心进行测试.采用ODEON Multy 8310便携式多参数水质分析仪(Ponsel)现场测定各样品的pH值, 精度为0.01个pH单位; 采用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)实验室测定金属As、Cd、Hg、Al、Pb、Co、Mn、Fe、Cu、和Ni. 10种金属元素实验测定结果标准偏差均低于5%, 各元素加标回收率均在90%~110%, 测试结果满足质量控制要求.

1.3 健康风险评价模型与方法

健康风险评价是通过计算化学物质以各类暴露方式进入人体的数量来评估致癌和非致癌健康风险的方法.本研究所采集样品按照地下水利用类型可分为居民供水井(泉)水和煤矿企业生产生活用水两种类型, 区域中的金属元素主要通过经口暴露和皮肤接触暴露方式进入人体, 并对人体产生健康影响[27].本文采用美国环境保护署(USEPA)推荐的水环境中有害物质健康风险评价模型进行评价[28, 29].据世界卫生组织(WHO)和国际癌症研究机构(IARC)所检测的化学物质致癌性可靠度全面分析项目, 将本研究涉及的10种金属元素划分为化学致癌金属元素As和Cd与化学非致癌金属元素Hg、Al、Pb、Co、Mn、Fe、Cu和Ni[30].基于此环境健康风险评价分为致癌物风险评价和非致癌物风险评价两类, 二者均建立在对污染物人体暴露剂量的准确评价基础上[31, 32].

1.3.1 经饮水途径健康风险评价方法

金属元素经饮水途径暴露的非致癌金属风险评价：

(1)

金属元素经饮水途径暴露的致癌金属风险评价：

(2)

当致癌金属风险值大于0.01时, 按高剂量暴露计算：

(3)

日均暴露剂量：

(4)

式中, Rin表示某化学非致癌性金属元素经饮水暴露途径下产生的人体年健康风险(n表示非致癌金属风险, i表示经饮水途径暴露, 下同), a-1; Ric表示某化学致癌性金属元素经饮水暴露途径下产生的人体年健康风险(c表示致癌金属风险, 下同), a-1; ADDi表示金属元素的日均暴露剂量, mg·(kg·d)-1, 见公式(4); RfDi表示金属元素经饮水暴露途径下的日均摄入参考剂量, mg·(kg·d)-1; SFi表示金属元素经饮水暴露途径下的致癌强度系数, (kg·d)·mg-1; L表示平均人均寿命, 山西省平均寿命为75 a[24]; cw表示金属元素浓度, mg·L-1; IR表示人类的日均饮水量, 成人推荐值为2.223 L·d-1, 儿童推荐值为1 L·d-1; EF表示金属元素的暴露频率, 365 d·a-1; ED表示金属元素的暴露持续时间, 其中非致癌金属元素为35 a, 致癌金属元素为70 a[33]; BW表示人均体重, 山西省成人体重推荐值为64 kg, 儿童体重推荐值为25 kg[24]; AT表示金属元素平均暴露时间, 非致癌金属元素为12 775 d, 致癌金属元素为25 550 d[34].

1.3.2 皮肤入渗途径健康风险评价方法

金属元素经皮肤接触途径暴露的非致癌金属风险评价：

(5)

金属元素经皮肤接触途径暴露的致癌金属风险评价：

(6)

当致癌金属风险值大于0.01时, 按高剂量暴露计算：

(7)

日均暴露剂量：

(8)

式中, Rdn表示某化学非致癌性金属元素经皮肤暴露途径下产生的人体年健康风险(d表示经皮肤入渗途径暴露, 下同), a-1; Rdc表示某化学致癌性金属元素经皮肤暴露途径下产生的人体年健康风险, a-1; ADDd表示金属元素的日均暴露剂量, mg·(kg·d)-1, 见公式(8); RfDd表示金属元素经皮肤暴露途径下的日均摄入参考剂量, mg·(kg·d)-1; SFd表示金属元素经皮肤暴露途径下的致癌强度系数, (kg·d)·mg-1; cw表示金属元素浓度, mg·L-1; SA表示皮肤接触面积, 山西省成人推荐值为17 000 cm2, 儿童为8 000 cm2[24]; PC表示水体金属元素在皮肤上的渗透常数, cm·h-1; ET为暴露频率, 成人暴露频率为0.633 3 h·d-1, 儿童为0.416 7 h·d-1[33]; CF表示体积转换因子, mL·cm-3.

1.3.3 地下水健康风险总评价

假设水体中金属元素对人体的健康毒害作用是累计关系, 而不是拮抗关系, 则水体总体健康风险可以表示为：

(9)

其中金属元素的PC、SF和RfD参考值参照文献[33].

2 结果与讨论 2.1 不同类型地下水金属浓度特征

龙子祠泉域5种类型地下水中pH值与10种金属元素浓度统计描述特征见表 1, 泉域内地下水中金属平均浓度由高到低分别为Fe、Al、Mn、Ni、As、Cu、Co、Pb、Hg和Cd.岩溶泉水和岩溶井水因水质和水量稳定, 是泉域内村镇居民的主要供水水源[35].结合图 2可知, 岩溶泉水中金属元素均符合地下水质量标准(GB/T 14848-2017)Ⅲ类水标准和生活饮用水标准(GB 5749-2006)限值[36, 37], 泉水适合当地居民使用.岩溶井水中Cu、Pb、Ni、Co、Cd和Hg符合地下水质量标准(GB/T 14848-2017)Ⅲ类水标准, Al、Mn、Fe、As出现超标现象, 超标率分别为8.0%、4.0%、16.0%和4.0%, 最大浓度分别是标准限值的2.0、1.8、2.4和2.8倍.非岩溶泉水(FQ01)(图 1)中元素Al和Fe浓度超出地下水质量标准(GB/T 14848-2017)Ⅲ类水标准, 超标率25.0%, 浓度是标准限值的2.3和1.8倍.非岩溶井水中Fe浓度出现超过地下水质量标准(GB/T 14848-2017)Ⅲ类水标准, 超标率16.7%, 最大浓度(FJ01)是标准限值的11.3倍, 为Ⅴ类水.在5个矿坑排水样品中, M01、M02和M05样点中金属元素出现超标, 污染元素多为Al、Mn、Fe和As这4种元素, 超标率分别为40.0%、25.0%、25.0%和25.0%, 最大浓度分别是水质标准限值的1.1、3.3、2.1和2.0倍.总体来看, 研究区地下水中Al、Mn、Fe和As的超标率分别为11.6%、4.7%、16.3%和4.7%, 最大浓度为标准限值的2.3、3.3、11.3和2.8倍, 其中, 泉域内Fe元素的污染较为突出.岩溶泉水水质较好, 矿坑排水金属元素超标率较高, 水质最差.

表 1 不同类型地下水金属浓度统计描述特征1)/μg·L-1 Table 1 Statistical characteristics of metal concentrations in different types of groundwater/μg·L-1

红色线为地下水Ⅲ类水质量标准限值 图 2 龙子祠泉域5种类型地下水中金属浓度值箱图 Fig. 2 Box diagram of metal concentration in five types of groundwater in the Longzici Spring area

变异系数(CV)可以表征数据的离散程度[38].从变异系数角度看, 岩溶水及非岩溶水中的超标金属元素Fe、Al、Mn和As的CV值均超过100%, 且这4种元素浓度均出现超标样点(图 2), 说明这些金属元素浓度变化幅度大, 即空间分布差异显著, 在泉域内开采地下水作为生活饮用水时, 应重点监测这4种金属元素; 岩溶水及非岩溶水中Cd的CV值均小于10%, 说明Cd浓度分布较为稳定, 这与Cd受到地球化学背景值的影响, 受人类活动影响关系较小可能相关[3].另外, 从泉域地质构造角度看, 龙子祠泉域地下水系统属于“单斜逆置型”构造模式, 该种类型地下水系统中水质极易受到煤矿开采活动的影响[11].

2.2 地下水金属浓度多元统计分析 2.2.1 相关性分析

龙子祠泉域地下水pH与各金属元素间的Spearman相关分析结果见表 2. pH和As呈显著相关(P < 0.01), 说明地下水酸碱度影响着元素As在地下水中的迁移和富集行为, 在一定范围内pH值越高, 地下水中As离子浓度越高, 在南方岩溶区地下水中也发现类似现象[31].地下水中金属元素相关性较好时, 表明元素之间的来源相同或是迁移转化过程相近[28].Pb、Ni、Co、Cd、Mn和Cu这6种元素呈显著正相关(P < 0.01), 说明这些金属元素可能具有一定的同源性, 其中Co、Cd和Pb这3种元素之间相关系数均大于0.9, 呈极显著相关(P < 0.01), 说明元素Co、Cd和Pb在龙子祠泉域内极有可能具有伴生特性或者在含水层中的迁移转化规律相近[2], 另外, Co与Mn相关系数大于0.9, 说明地下水中Co元素部分来源与Cd、Pb相同之外, 部分来源与Mn相同.

表 2 地下水pH与金属元素的Spearman相关系数1) Table 2 Spearman correlation coefficient between groundwater pH and metal elements

2.2.2 主成分分析

为进一步解析龙子祠泉域内地下水中金属元素来源, 对研究区5种类型地下水样品金属元素浓度数据进行主成分分析.运用SPSS 22软件对浓度数据进行KMO检验和Bartlett球度检验, 得KMO和Bartlett值分别为0.708和0.000, 满足主成分分析的条件.根据公共因子特征值大于1进行提取筛选, 旋转方法采用最大方差法, 计算得到3个主要成分因子(表 3).由表 4可知, Pb、Ni、Co、Cd、Mn和Cu为第1因子, Al、Fe和Hg为第2因子, As为第3因子, 则通过主成分分析, 将Pb、Ni、Co、Cd、Mn和Cu作为第1类, Al、Fe和Hg作为第2类, As单独为第3类, 其中第1类分类结果与相关性分析结果一致.

表 3 地下水金属元素主成分方差累积量 Table 3 Principal component variance cumulant of metal elements in groundwater

表 4 地下水金属元素主成分分析 Table 4 Principal component analysis of metals in groundwater

在5种类型地下水中Pb、Ni、Co、Cd、Mn和Cu这6种元素中, 除YJ23和M05样品中Mn浓度偏高之外, 其它均符合地下水质量标准(GB/T 14848-2017)Ⅲ类水标准.YJ23为煤矿矿区内生产用井, 含水层为奥陶系岩溶水, M05为取自地表河中矿坑排水, 两点均位于泉域的补给径流区, 地下水水化学主要受到泉域内碳酸盐岩风化和溶解作用的影响[39, 40].另外, Cd、Pb、Mn和Cu等金属元素大量存在煤矿矿床中, 经过地下水与含水层岩土相互作用, 金属元素溶滤到地下水中[2].由此说明, 第1类金属元素主要受到泉域内地球化学背景影响, 与人类煤矿开采活动关系较小.

山西煤层中含有大量的黄铁矿[41], 且龙子祠泉域内地层中“山西式”铁矿发育.YJ01、YJ03、YJ05和YJ13点样品中Fe浓度较高, 4口岩溶井开口地层均为石炭系和二叠系地层, 揭露煤系地层后钻进至岩溶含水层, FJ01为煤矿井田范围内非岩溶井, 煤系地层地下水漏水至井中.山西吕梁地区70%的铝土矿赋存于煤系地层之下, 与煤炭资源共存[42], 泉域内较为发育的铝土矿是地下水中Al元素的重要来源.Hg元素为煤层中黄铁矿的伴生组分元素[43], 同Fe和Al相同, 煤层被揭露时, 使得埋藏于地下相对封闭的环境与空气接触形成氧化环境, 在开采过程中, 煤层矿物被氧化并于进入矿井水中溶解, 矿井水进而污染含水层.煤矿开采加剧了Al、Fe和Hg的自然溶滤进程, 改变了原有含水层的水动力特征和水化学特征.故第2类金属元素主要是在山西特有的地质背景下, 与人类煤矿开采活动密切相关.

煤层中黄铁矿是As的重要载体[43], YJ15和M01号点样品中As浓度较高, YJ15为紧邻泉域东部区域乡镇的供水井, 推测为泉域内煤矿和黄铁矿开采污染的地下水侧向排泄至盆地内, 对盆地内岩溶井地下水水质造成了影响; M01点在煤矿范围内, 为泉域内某煤矿的矿坑排水.故第3类金属元素的富集主要受到泉域内人类矿业活动的影响.

2.3 地下水金属元素健康风险评价

当地仅以地下水源为生活饮用水, 且矿坑排水仅排放于地表河流中, 不存在饮水途径和皮肤入渗途径暴露.其余4种地下水类型中金属元素经饮水途径引起的年均总健康风险大小顺序为：岩溶井>非岩溶泉>非岩溶井>岩溶泉, 成人与儿童呈现出相同的健康风险大小排序(表 5), 其中, 岩溶井成人年均健康风险值和4种地下水类型的儿童平均年健康风险值均超过了荷兰建设环保局建议的最大可接受风险水平(1×10-6 a-1), 但均低于国际辐射防护委员会(ICRP)建议的最大可接受风险水平(5×10-5 a-1)[44].儿童饮水途径引起的健康风险高于成人1~2个数量级, 且岩溶井地下水样品风险值在4种地下水类型中最高. 4种地下水类型中金属元素经皮肤入渗途径引起的年均总健康风险大小顺序为：岩溶井>非岩溶泉>非岩溶井>岩溶泉, 成人与儿童呈现出相同的总健康风险大小排序, 且与饮水途径排序相同, 健康风险值均低于荷兰建设环保局建议的可接受最大限值.皮肤入渗途径引起的健康风险值成人高于儿童0~1个数量级, 且健康风险值数量级均小于10-7, 远小于饮水途径暴露风险, 这与计算模型中成人的SA和BW等参数值均大于儿童有关.总体来看, 龙子祠泉域不同类型地下水中不同暴露途径的成人与儿童的个人年均健康风险值排序相同, 均为岩溶井>非岩溶泉>非岩溶井>岩溶泉; 相对于饮水途径暴露而言, 经皮肤入渗引起的健康风险较低, 不会对人体健康造成明显危害[45].

表 5 龙子祠泉域不同类型地下水金属元素经饮水和皮肤入渗途径暴露产生的年均健康风险1)/a-1 Table 5 Annual average health risk of metal exposure through drinking water and skin infiltration in different types of groundwater in the Longzici Spring area/a-1

通过表 5可知, 饮水途径中致癌金属元素引起的个人年均健康风险值介于10-5~10-7之间, 非致癌金属元素在10-9~10-12之间, 致癌元素较非致癌元素高2~7个数量级, 其中非致癌元素引起的健康风险值较低, 处于荷兰建设环保局推荐的可忽略水平(1×10-8 a-1)[46], 对人体健康的影响较小.可见, 地下水通过饮水途径引起的健康风险主要源于致癌金属(As和Cd).致癌金属中元素As健康风险值较Cd元素大, 为龙子祠泉域内各类型地下水总健康风险的决定元素, 其引起的儿童健康风险均超过荷兰建设环保局建议可接受的最大限值, 由此说明, 龙子祠泉域地下水中As是引起最大健康风险的主要金属元素, 在水资源利用时应该给予重点管控, 尤其作为儿童饮水水源时, 这与高继军等[47]对北京市饮用水源中重金属健康风险的研究结果一致.

泉域内不同类型地下水金属元素健康风险元素评价存在一定的不确定性.健康风险评价利用的水质浓度数据为偶测浓度值, 金属浓度具有时空尺度的不确定性.地下水对人体健康风险除饮水和皮肤接触之外, 还包括呼吸、食物摄入等方式; 另外, 除金属元素之外, 地下水中的SO42-和NO3-等离子对人体也存在潜在的健康风险[48], 因此, 本文评价结果低估了地下水对人体的健康风险.评价模型中暴露参数为山西地区或者全国范围内的已有的研究成果, 没有对研究区内居民进行针对性的暴露参数研究, 该评价对泉域内居民而言具有一定的误差.故该评价为龙子祠泉域地下水对人体健康风险的初步研究, 需要在今后工作中进一步完善.

3 结论

(1) 泉域内地下水中金属元素平均浓度由高到低分别为Fe、Al、Mn、Ni、As、Cu、Co、Pb、Hg和Cd.其中Cu、Pb、Ni、Co、Cd和Hg这6种元素均符合地下水质量标准Ⅲ类水标准限值, Al、Mn、Fe和As超出标准限值, 其超标率分别为11.63%、4.65%、16.28%和4.65%, 最大值为标准限值的2.28、3.32、11.33和2.82倍, 其中, 泉域内Fe的污染最为突出.从泉域内不同地下水类型角度, 岩溶泉水水质较好, 达到了生活饮用水的标准; 矿坑排水金属超标率较高, 水质最差.

(2) 泉域内地下水中的Pb、Ni、Co、Cd、Mn和Cu这6种元素相关性(相关系数均＞0.5)极强, 说明其极可能具有一定的同源性, 其中, Co、Cd和Pb这3种元素相关性(相关系数均＞0.9)最高, 推测其不仅具有伴生关系, 并且在含水层中的迁移转化规律相近, 这6种元素主要受到地球化学背景的影响.Al、Fe、Hg和As主要是在山西特有的地质背景下, 与人类矿业开采活动密切相关.

(3) 龙子祠泉域内除矿坑排水外其他4种地下水类型中金属元素通过饮水途径和皮肤入渗途径对成人和儿童引起的年均总健康风险大小排序均为：岩溶井>非岩溶泉>非岩溶井>岩溶泉.健康风险主要源于饮用水途径, 经皮肤入渗暴露的健康风险不会对人体造成明显危害.较致癌元素(As和Cd)而言, 非致癌元素引起的健康风险值较低, 处于荷兰建设环保局推荐的可忽略水平(1×10-8 a-1), 对人体健康的影响较小.龙子祠泉域地下水中As元素为引起最大健康风险的金属元素, 在水资源管理中应该给予重点管控, 尤其针对儿童饮水方面.

参考文献
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