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城市地表水是城市生态系统的重要组成,由于城市普遍存在水利建设落后于城市发展速度的问题,城市内河水体污染、湖泊淤积情况愈发恶化,重大污染事件频繁发生。对于城市地表水,众多研究的重点多偏向于氨氮、总氮、总磷等常规污染物,而忽略了重金属污染。虽然水体中重金属含量普遍较低,但自来水厂常规工艺难以去除水中微量重金属且会经食物链富集,尤其砷、镉等还具有致癌性,因此开展地表水重金属污染的研究和评价刻不容缓[1- 2]。北京、杭州等多个城市采用USEPA的人体健康暴露风险评价模型,开展了城市地表水的重金属调查,对其重金属健康风险进行了评价[3-6]。鉴于此,本研究以苏州为例,探讨了苏南典型城市地表水重金属污染的潜在风险。同时采用地理信息系统(GIS)进行风险空间差异分析,力求获取更全面的评价结果;采用蒙特卡洛随机模拟法分析生态安全和健康风险的不确定性,减少参数不确定性产生的结果偏差,为进一步的水质评价和风险管理工作提供科学依据。
城市地表水重金属污染特征及风险评价
——以苏州市为例Characteristics and risk assessment of heavy metal pollution of urban surface water ——A case study of Suzhou
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摘要: 为考察苏州市主城区地表水的重金属污染状况,选取18个采样点获得水样并分析了铬、镉、砷、铅、汞、铜和锌的浓度,在分析地表水重金属污染特征和评估其生态及健康风险的过程中,引入了地理空间系统分析和基于蒙特卡洛随机模拟系统的不确定性分析。结果表明:7种重金属浓度都低于渔业水质标准和饮用水水源标准限值,空间分布差异性较大,总体生态风险程度为轻微;重金属的非致癌风险低于有风险限值1E-06,致癌风险低于显著风险限值1E-04;生态风险和非致癌风险的模拟预测值的概率范围偏差较小,而致癌风险的预测结果有12%的概率大于1E-04。敏感性分析中铜、汞、砷和铬浓度的贡献值最高,体重对儿童健康风险的影响高于成人。Abstract: Water samples were obtained at 18 sampling points and the concentrations of chromium, cadmium, arsenic, lead, mercury, copper and zinc were analyzed to evaluate the heavy metal pollution in Suzhou urban surface water. In the process of analyzing the characteristics of heavy metal pollution and assessing their ecological and health risks, GIS system and Monte-Carlo simulation were performed. Results showed that the contents of 7 heavy metals were all lower than the limit level of fisheries water quality standards and drinking water source standards. There was a great difference of the spatial distribution for each heavy metal. The ecological risk assessment indices were in the slightly-polluted range. The non-carcinogenic risk of heavy metals in Suzhou surface water was lower than the risk limit 1E-06, and the carcinogenic risk was lower than the significant limit 1E-04. The probability range deviation of simulated values of the ecological risk and non-carcinogenic risk was small, while the probability of significant carcinogenic risk was greater than 12%. The contribution value of Cu, Hg, As and Cr concentration was the highest in the sensibility analysis, and the body weight had a higher impact on children's health risk than that of adults.
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Key words:
- heavy metals /
- surface water /
- ecological risk /
- health risk /
- uncertainty analysis
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表 1 常用重金属的毒性系数
重金属 Tr Cr 2 Cu 5 Zn 1 As 10 Cd 30 Pb 5 Mn 1 Hg 40 Ni 5 表 2 潜在生态风险系数(Eri)和潜在生态风险指数(RI)与污染程度的关系
指标类型 范围 生态风险程度 潜在生态危险系数Eri Eri<40 轻微 40≤Eri<80 中等 80≤Eri<160 强 160≤Eri<320 很强 Eri≥320 极强 潜在生态危险指数RI RI<150 轻微 150≤RI<300 中等 300≤RI<600 强 RI≥600 很强 表 3 内梅罗综合污染指数和重金属污染等级划分
内梅罗综合污染指数 污染等级 污染程度 P<0.7 I 无污染 0.7≤P<1 II 轻微污染 1≤P<2 III 轻度污染 2≤P<3 IV 中度污染 P≥3 V 重度污染 表 4 常见重金属毒理学参数
重金属 $ {RfD}_{\mathrm{i}}/\mathrm{m}\mathrm{g}\cdot {\left(\mathrm{k}\mathrm{g}\cdot \mathrm{d}\right)}^{-1} $ $ SF/\left(\mathrm{k}\mathrm{g}\cdot \mathrm{d}\right)\cdot {\mathrm{m}\mathrm{g}}^{-1} $ As 0.003 15.1 Cd 0.001 6.1 Cr 0.003 41 Cu 0.005 * Hg 0.000 3 * Pb 0.001 4 * Zn 0.3 * 注:*为该物质无致癌毒性 表 5 重金属日均暴露量计算参数取值
计算参数 单位 成人取值 儿童取值 日均饮水量 L/d 1.7 1.0 体重 kg 57.0 22.9 人体表面积 cm2 16 000 6 660 洗澡频率 次/d 0.3 0.3 肠道吸附比率 - 1 1 皮肤吸附参数 cm/h 0.001 0.001 延滞时间 h 1 1 洗澡时间 h 0.56 0.56 暴露频率 d/a 350 350 暴露延时 a 35 70 平均暴露时间 d 35×365 70×365 表 6 水体重金属浓度检测结果 μg·L-1
值 铜 锌 铅 汞 镉 六价铬 砷 平均值 2.52 8.21 0.68 0.03 0.07 2.93 1.63 标准差 3.38 7.26 1.10 0.02 0.11 2.12 1.33 渔业水质标准 10 100 50 0.5 5 100 50 饮用水水源水质
标准一级限值1 000 1 000 50 1 10 50 50 表 7 重金属浓度相关性分析
铜 锌 铅 汞 镉 铬 砷 铜 1 −0.034 0.144 0.006 −0.021 −0.125 −0.203* 锌 1 0.506** 0.085 0.591** 0.173 −0.045 铅 1 0.199* 0.720** 0.221* −0.079 汞 1 0.032 0.095 −0.612** 镉 1 0.263** 0.202* 铬 1 0.048 注:*为在0.05水平上显著相关 (双尾);**为在0.01水平上显著相关 (双尾)。 表 8 旋转主成分分析
重金属 主成分1 主成分2 主成分3 Cu 0.147 0.122 −0.851 Zn 0.770 0.050 0.093 Pb 0.875 0.143 −0.069 Hg 0.100 0.890 0.131 Cd 0.899 −0.143 0.116 Cr 0.322 0.091 0.606 As 0.055 −0.896 0.181 特征值 2.305 1.662 1.169 可释方差/% 32.934 23.743 16.703 表 9 苏州地表水重金属的健康风险值
重金属 成人非致
癌风险成人致
癌风险儿童非致
癌风险儿童致
癌风险铜 3.92E-10 4.89E-10 锌 2.13E-11 2.66E-11 铅 3.78E-10 4.72E-10 汞 7.08E-11 8.83E-11 镉 1.08E-10 1.63E-07 1.35E-10 1.43E-07 六价铬 7.59E-10 4.61E-05 9.47E-10 4.03E-05 砷 4.23E-09 9.42E-06 5.28E-09 8.24E-06 合计 5.96E-09 5.57E-05 7.44E-09 4.87E-05 表 10 金属浓度的拟合结果
重金属含量 平均值 中位值 标准差 最大值 最小值 分布特征 Cu 0.002 59 0.002 00 0.003 38 0.025 00 0 Student’s t Zn 0.009 05 0.006 90 0.007 26 0.040 60 0 Extreme Pb 0.001 13 0.000 16 0.001 10 0.005 00 0 Gamma Hg 0.000 03 0.000 02 0.000 02 0.000 07 0 Lognormal Cd 0.000 11 0.000 03 0.000 11 0.000 50 0 Pareto Cr 0.003 82 0.002 00 0.002 12 0.009 00 0 Weibull As 0.002 08 0.001 10 0.001 33 0.005 72 0 Beta 表 11 健康风险评价重点参数分布特征
参数 单位 平均值 标准差 最小值 最大值 分布特征 成人体重 kg 57 5.8 42.1 71.6 正态分布 儿童体重 kg 22 10.98 5.35 38.15 正态分布 成人直接饮水量 L/d 1.7 0.3 3 三角分布 儿童直接饮水量 L/d 0.6 0.2 1.4 三角分布 成人经口摄入量 mg/d 100 20 200 三角分布 儿童经口摄入量 mg/d 200 85 300 三角分布 成人呼吸摄入量 m3/d 14.7 6.24 114 三角分布 儿童呼吸摄入量 m3/d 7.63 2 34.32 三角分布 成人皮肤面积 m2 16 000 12 000 19 000 三角分布 儿童皮肤面积 m2 6 600 3 400 16 100 三角分布 成人暴露面积 m2 5 700 760 8 800 三角分布 儿童暴露面积 m2 2 800 430 5 200 三角分布 寿命 a 70 7.1 正态分布 -
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