淠河灌區集中式飲用水源地水質(zhì)健康風(fēng)險研究

　　1 引言

　　飲用水源地水體水質(zhì)狀況對人類(lèi)的健康具有直接的影響，隨著(zhù)越來(lái)越多的供水水源遭到污染，水環(huán)境健康風(fēng)險評價(jià)正逐漸興起并成為一個(gè)新的研究領(lǐng)域.當前，國內外針對環(huán)境健康風(fēng)險的研究，大多是從確定性角度，采用美國國家環(huán)保署推薦的模型進(jìn)行風(fēng)險評價(jià).事實(shí)上，環(huán)境健康風(fēng)險評價(jià)系統具有多種不確定性因素共存的特征，如污染物濃度的分布、暴露頻率的大小、個(gè)人敏感性的差異等.因此，常規的確定性評價(jià)方法難以準確反映區域水環(huán)境健康風(fēng)險的真實(shí)狀態(tài).水環(huán)境風(fēng)險評價(jià)也從確定性風(fēng)險逐步發(fā)展為不確定性風(fēng)險的研究，并且在該研究領(lǐng)域取得了一定的研究成果.近年來(lái)，模糊集理論被廣泛用于降低環(huán)境系統不確定性的研究與實(shí)踐中，其通過(guò)隸屬度函數描述污染狀況的模糊性和漸變性，使評價(jià)結果更加準確可靠，其中，三角模糊數處理技術(shù)對于數據資料不足具有很好的適用性，部分學(xué)者已將該技術(shù)應用于環(huán)境污染評價(jià)或環(huán)境風(fēng)險評價(jià)中.

　　本文通過(guò)運用模糊集理論將健康風(fēng)險評價(jià)模型的部分參數三角模糊化，利用α-截集技術(shù)，選擇置信度水平為0.8，得出各風(fēng)險指標的健康風(fēng)險區間值.同時(shí)對評價(jià)標準進(jìn)行模糊化分級并對各個(gè)等級賦值，運用一級綜合評判法得出健康風(fēng)險評價(jià)的等級.最后將該模型應用于淠河灌區集中式飲用水源地水質(zhì)健康風(fēng)險研究中，為淠河灌區飲用水源水環(huán)境管理提供科學(xué)依據.

　　2 材料與方法

　　2.1 研究區概況

　　淠史杭灌區位于安徽省中西部江淮之間的丘陵地區，橫跨淮河、長(cháng)江兩大流域，是淠河、史河、杭埠河3個(gè)灌區的全稱(chēng)，為全國3個(gè)特大型灌區之一，是一個(gè)兼具灌溉、城鎮供水、航運、水產(chǎn)、旅游等功能的綜合性水利工程.范圍包括六安市所轄的金安區、裕安區、霍山、金寨、舒城、壽縣、霍邱和葉集8個(gè)縣區，以及合肥市郊區及所轄肥西、肥東、長(cháng)豐、廬江四縣.總控制面積近1.4萬(wàn)km2，其中，六安地區近0.8萬(wàn)km2.淠河灌區是其中最大的灌區，控制面積達 7750 km2，佛子嶺、磨子潭、響洪甸、白蓮崖四座大型水庫是淠河灌區的主要水源，淠河總干渠為淠河灌區的輸水大動(dòng)脈，全長(cháng)104.5 km，六安境內長(cháng) 56.8 km.淠河灌區作為重要的水源保護地之一，區域位置十分重要，它不僅是安徽省六安市的唯一水源，也是省會(huì )城市合肥的重要水源，承擔著(zhù)300 多萬(wàn)城市人口和灌區 900多萬(wàn)農村人口飲用水安全的重任，因此，加強對淠河灌區飲用水源地的水質(zhì)健康風(fēng)險研究意義重大.

　　2.2 樣品采集和分析

　　選擇淠河灌區集中式飲用水源地為取水點(diǎn)，于 2011年逐月對水源地水樣進(jìn)行采集和分析.取水點(diǎn)包括舒城縣的萬(wàn)佛湖、霍山縣的觀(guān)音崖、六安市的解放南路橋、裕安區的分路口和固鎮、金安區的三十鋪上游1000 m和三十鋪，共計7處，飲用水源取水口示意圖如圖 1所示.樣品的采集、運輸、保存具體參照國家關(guān)于水和廢水監測分析標準.每個(gè)點(diǎn)采集水面0.5 m以下處的水樣于5 L聚乙烯塑料桶中(10%硝酸浸泡24 h，去離子水沖洗).水樣運回實(shí)驗室后分出幾組(250 mL)進(jìn)行硝酸(pH<2)處理，同時(shí)經(jīng)過(guò)0.45 μm微孔濾膜的過(guò)濾，置于4 ℃ 冰箱密封保存.

　　圖 1 集中式飲用水源取水口示意圖

　　水源地有毒污染物按照水樣檢出與否，選取Cr6+、As、Cd、Pb、Mn、Cu、Zn、Fe、F、NH+4-N等10項檢出污染物作為健康風(fēng)險指標，其中，Cr6+、As、Cd為化學(xué)致癌物，Pb、Mn、Cu、Zn、Fe、F、NH+4-N為非致癌化學(xué)有毒物.As采用原子熒光光譜儀測定，Cr、Cd、Pb、Mn、Cu、Zn、Fe采用原子吸收光譜儀測定，NH+4-N采用納氏試劑分光光度法測定，F采用離子色譜儀測定.為了保證數據的準確性，進(jìn)行了平行樣的測定，結果表明，RSD均小于10%，準確程度符合要求.具體監測濃度統計結果如表 1所示.

　　表 1 淠河灌區集中式飲用水源地水質(zhì)監測濃度

　　2.3 水質(zhì)健康風(fēng)險等級評價(jià)方法

　　2.3.1 各污染指標的健康風(fēng)險區間值

　　以美國環(huán)保署推薦的環(huán)境健康風(fēng)險評價(jià)基本模型為“藍本”，將模型的部分參數三角模糊化，取平均值作為三角模糊參數的最可能值，取最小值和最大值分別表示模糊數的下限和上限，再利用α-截集技術(shù)構建了水質(zhì)健康風(fēng)險區間數.模型如下：

　　式(1)為化學(xué)致癌物水質(zhì)健康風(fēng)險的模糊評價(jià)模型;式(2)為非致癌化學(xué)有毒物水質(zhì)健康風(fēng)險的模糊評價(jià)模型;式(3)為水環(huán)境中化學(xué)有毒物總健康風(fēng)險模糊評價(jià)模型.Rc，α為化學(xué)致癌物(共k種)經(jīng)飲水途徑對個(gè)人產(chǎn)生的致癌年風(fēng)險(a-1);Rn，α為非致癌化學(xué)有毒物(共h種)經(jīng)飲水途徑對個(gè)人產(chǎn)生的健康危害年風(fēng)險(a-1). qig為化學(xué)致癌物i經(jīng)飲水途徑的致癌強度系數(mg · kg-1 · d-1);RfDig為非致癌化學(xué)有毒物j經(jīng)飲水途徑的參考劑量(mg · kg-1 · d-1);S為人群平均壽命;�岜硎救�角的乘法運算.

　　上述公式中[QαL，QαR]、[Cαi，L，Cαi，R]、[WαL，WαR]分別表示成人每日飲水量、污染物濃度、成人體重由α-截集技術(shù)確定的區間值.區間值計算方法如下：假設a1、a2、a3分別為模糊變量的下限、最可能值和上限，則將模糊數= a1，a2，a3 定義為三角模糊數.令α為置信度且α∈[0，1]，稱(chēng)α為的α-截集，α指置信度水平不低于α的數據集合，通常表示為α=[aαL，aαR]=[ a2-a1 α+a1，a2-a3 α+a3]. 不確定模糊參數作如下確定：各污染物濃度參數按不同采樣點(diǎn)位取其平均值作為最可能值，最小、最大值分別作為模糊參數的下限、上限，如1#采樣點(diǎn)位Cr6+的濃度參數為Cr=[0.0040，0.0043，0.0049] mg · L-1.成人每日飲水量的多少按照U.S. EPA推薦的數據為2.2 L，成人體重的大小推薦的數據為70 kg，參照相關(guān)文獻并作修正，本文將成人每日飲水量區間值確定為=[1.7，2.2，2.7] L，將成人體重區間值確定為=[50，70，90] kg.本研究中將人群壽命S、化學(xué)致癌物致癌強度系數qig和非致癌物參考劑量RfDig假設為確定性參數，平均壽命S=70 a，化學(xué)致癌物致癌強度系數qig和非致癌物參考劑量RfDig采用國際癌癥研究機構(IARC)的推薦值，結果如表 2所示.

　　表 2 化學(xué)致癌物的致癌強度系數和非化學(xué)致癌物的參考劑量

　　2.3.2 水質(zhì)健康風(fēng)險模糊等級模型

　　為了能客觀(guān)地確定水質(zhì)健康風(fēng)險等級，首先將風(fēng)險評價(jià)標準進(jìn)行模糊化分級，在數學(xué)模型中常用[a1，b1]、[a2，b2]、[a3，b3]……[an，bn]來(lái)表示不同級別的風(fēng)險標準等級，并對各個(gè)等級賦值.目前，對于環(huán)境健康風(fēng)險，國內外尚缺乏一套公認的評價(jià)標準.本文參考文獻7級的劃分方法，同時(shí)認為當個(gè)人年均風(fēng)險值<1.0×10-7時(shí)將不再考慮風(fēng)險等級，各個(gè)等級從低到高依次賦值，具體如表 3所示.

　　表 3 風(fēng)險評價(jià)標準等級與分值

　　對評價(jià)標準進(jìn)行模糊化分級并對各個(gè)等級賦值之后，運用一級綜合評判法得出環(huán)境健康風(fēng)險評價(jià)的等級，水質(zhì)健康風(fēng)險模糊等級模型如下.

　　式中，∩表示兩個(gè)區間的交集;‖表示區間的幾何長(cháng)度;[al，bl]表示評價(jià)標準的第l個(gè)等級，l=1，2，3，…，n;A(l)表示[a，b]對[al，bl]的隸屬度.

　　由式(4)得到[a，b]對各個(gè)等級的隸屬度后，根據一級綜合評判得出[a，b]的總風(fēng)險值，具體見(jiàn)式(5).

　　式中，R為總風(fēng)險值，V(l)為各等級的分值.

　　3 結果與分析

　　3.1 化學(xué)致癌物和非致癌化學(xué)有毒物健康風(fēng)險區間值

　　根據水質(zhì)健康風(fēng)險三角模糊評價(jià)模型，由公式(1)、(2)可以得到對應于不同置信度水平α的健康風(fēng)險區間值，而取α≥0.8為高信度置信水平，是易被人們更為關(guān)注的置信度水平，故本文中對評價(jià)模型進(jìn)行α-截集處理時(shí)取α=0.8.化學(xué)致癌物和非致癌化學(xué)有毒物健康風(fēng)險區間值計算結果分別見(jiàn)表 4和表 5.

　　表 4 化學(xué)致癌物健康風(fēng)險區間值(α=0.8)

　　表 5 非致癌化學(xué)有毒物健康風(fēng)險區間值(α=0.8)

　　3.2 水質(zhì)健康風(fēng)險模糊等級

　　由公式(4)可以確立各個(gè)采樣點(diǎn)的污染指標對各個(gè)評價(jià)等級的隸屬度，再由公式(5)得到各個(gè)采樣點(diǎn)的污染指標的風(fēng)險值及其風(fēng)險等級.化學(xué)致癌物健康風(fēng)險隸屬度及風(fēng)險值結果如表 6所示.

　　表 6 化學(xué)致癌物健康風(fēng)險隸屬度及風(fēng)險分值

　　由表 4、表 6可知，Cr6+風(fēng)險區間值在7個(gè)采樣點(diǎn)介于[5.464，9.099]×10-5，健康風(fēng)險隸屬度均100%隸屬于Ⅳ級(一般)，風(fēng)險分值均為4，說(shuō)明淠河灌區集中式飲用水源地水環(huán)境中的Cr6+濃度在空間上變化不大，但具有一定的負面效應，作為飲用水源時(shí)應給予必要的關(guān)注.As風(fēng)險區間值在7個(gè)采樣點(diǎn)介于[0.057，0.278]×10-5，健康風(fēng)險隸屬度介于Ⅰ~Ⅱ級(極低~很低)，風(fēng)險分值介于1.04~2，作為飲用水源時(shí)，As具有很低的負面效應，基本不會(huì )影響人類(lèi)健康;空間變化上3#、5#、7#點(diǎn)As的濃度較大，隸屬度均100%隸屬于Ⅱ級，1#、2#、4#、6#點(diǎn)As的濃度相對較小. Cd風(fēng)險區間值在7個(gè)采樣點(diǎn)介于[0.062，0.127] ×10-5，健康風(fēng)險隸屬度介于Ⅰ~Ⅱ級(極低~很低)，風(fēng)險分值介于1~1.78，作為飲用水源時(shí)，同樣具有很低的負面效應，基本不會(huì )影響人類(lèi)健康;空間變化上5#、6#點(diǎn)Cd的濃度較大，1#、2#、3#、4#、7#點(diǎn)Cd的濃度相對較小.3種化學(xué)致癌物健康風(fēng)險總合計在7個(gè)采樣點(diǎn)介于[5.586，9.365] ×10-5，低于美國環(huán)保署推薦的有毒有害物質(zhì)個(gè)人年風(fēng)險最大可接受水平1.0×10-4.健康風(fēng)險隸屬度均100%隸屬于Ⅳ級(一般)，風(fēng)險分值均為4，濃度在空間上變化不大，具有一定的負面效應.造成3種化學(xué)致癌物健康風(fēng)險總體達到Ⅳ級的原因是Cr6+風(fēng)險區間值較大，風(fēng)險等級較高.另由表 6可見(jiàn)，各采樣點(diǎn)3種化學(xué)致癌物中，健康風(fēng)險分值由高到低的順序依次為: Cr6+>As>Cd，因此，Cr6+是淠河灌區水環(huán)境中重金屬類(lèi)首要污染物，應優(yōu)先考慮防控.本文僅污染物通過(guò)飲水途徑對人體健康產(chǎn)生的風(fēng)險等級進(jìn)行了研究，沒(méi)有考慮其它有毒物質(zhì)(如持久性有機污染物)和暴露途徑(如皮膚接觸、食入水生食物等)，因此，實(shí)際環(huán)境中總的暴露風(fēng)險可能會(huì )大于該研究的風(fēng)險值.

　　由表 5可知，各個(gè)采樣點(diǎn)的非致癌化學(xué)有毒物健康風(fēng)險區間值均很小，各單項指標和合計值均<1.0×10-7，評價(jià)分值為0，說(shuō)明本研究區各個(gè)采樣點(diǎn)非致癌化學(xué)有毒物沒(méi)有風(fēng)險，負面效應可忽略不計，很適合人類(lèi)作為飲用水源.由此可知，非致癌風(fēng)險明顯低于致癌風(fēng)險.最后由式(3)得出淠河灌區集中式飲用水源地水質(zhì)總健康風(fēng)險值為4，風(fēng)險等級為Ⅳ級(一般).

　　目前，淠河灌區對于城鎮和農村存在不同的供水方式，灌區范圍內供應1000人以上的集中式飲用水主要服務(wù)城鎮人口，地方環(huán)保局每年對水質(zhì)進(jìn)行例行監測;灌區內農村基本屬于分散式取水，有取自地表水的，也有取自地下水的，因為過(guò)于分散不集中，地方環(huán)保局對農村飲用水尚未進(jìn)行例行監測.因此進(jìn)一步加強灌區內農村飲水安全工程建設與管理十分必要，不僅要衡量水量、用水方便程度等指標，更要加強農村水質(zhì)檢測能力建設，確保飲水安全工程發(fā)揮效益，農村人口真正受益.

　　本文采用三角模糊數的α-截集技術(shù)，得到評價(jià)模型中不同參數的區間值，比單一采用平均值包含了更多信息，能真實(shí)反映各參數的不確定性，同時(shí)根據選擇的置信度水平大小，計算出健康風(fēng)險區間值.目前國內大多數研究者常采用各參數的平均值作為確定性值，來(lái)進(jìn)行健康風(fēng)險研究，其實(shí)這是按照置信度水平為100%的情景進(jìn)行計算得出評價(jià)結論，雖說(shuō)置信度極高，但由于平均值掩蓋了水環(huán)境真實(shí)的變化特征，使得評價(jià)結果難以客觀(guān)、準確地刻畫(huà)實(shí)際風(fēng)險狀態(tài).而僅僅采取監測值的最小值和最大值作為參數的區間值來(lái)進(jìn)行健康風(fēng)險研究，此時(shí)是按照置信度水平為0的情景進(jìn)行計算得出評價(jià)結論，最終得出的風(fēng)險值會(huì )較大，風(fēng)險等級會(huì )偏高.一般情況下高置信度水平確定的風(fēng)險區間值更能讓人們接受及引起關(guān)注，置信度太低的情景一般僅會(huì )偶然發(fā)生，因此，削弱了水源地水質(zhì)環(huán)境管理的有效性和可操作性.

　　目前關(guān)于環(huán)境健康風(fēng)險評價(jià)標準等級的研究很少，國內外都還沒(méi)有一套公認的評價(jià)標準.本文將個(gè)人年均風(fēng)險值定在1.0×10-7~5.0×10-3 a-1之間，確定了7個(gè)風(fēng)險等級.此等級界定范圍更為寬泛，對那些年均風(fēng)險值偏小(1.0×10-7~1.0×10-6 a-1)的污染指標也能予以確定風(fēng)險等級，這不僅利于各污染指標風(fēng)險等級的比較，以及不同采樣點(diǎn)位的空間范圍風(fēng)險等級的比較，也利于引起水質(zhì)環(huán)境管理部門(mén)對微量有毒化學(xué)物的格外關(guān)注，從而加強對飲用水源地水環(huán)境的保護與治理.關(guān)于如何構建更加科學(xué)合理的環(huán)境健康風(fēng)險評價(jià)標準等級體系，將來(lái)可做進(jìn)一步深入研究.具體參見(jiàn)污水寶商城資料或http://www.sharpedgetext.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　4 結論

　　1)根據建立的健康風(fēng)險模糊評價(jià)模型和標準等級體系得出，淠河灌區集中式飲用水源地健康危害的個(gè)人年均風(fēng)險值較高，介于[5.586，9.365] ×10-5，總健康風(fēng)險值為4，風(fēng)險等級為Ⅳ級(一般).

　　2)淠河灌區集中式飲用水源地3種化學(xué)致癌物中，健康風(fēng)險值由高到低的順序依次為：Cr6+>As>Cd，尤其是Cr6+風(fēng)險區間值較大，風(fēng)險等級明顯較高，導致有毒化學(xué)物總體健康風(fēng)險達到Ⅳ級.因此，Cr6+是灌區水環(huán)境中重金屬類(lèi)首要污染物，應將Cr6+作為首要的環(huán)境健康風(fēng)險管理控制指標.各個(gè)采樣點(diǎn)的非致癌化學(xué)有毒物健康風(fēng)險區間值均很小，沒(méi)有風(fēng)險，負面效應可忽略不計.