泰安市城区地下水“三氮”污染特征与健康风险评价_孟令华.pdf

为探究泰安城区地下水“三氮”污染现状及对人体健康的影响，对118组地下水样品中NO3-N、NO2-N、NH4-N的浓度进行检测，采用美国环保署（USEPA）推荐的健康风险评价模型对成人和儿童开展健康风险评价。研究结果表明：地下水中NO3-N、NO2-N、NH4-N的检出率分别为100%、81.36%和37.29%，其中NO3-N超标严重，超标率达50.85%，最大浓度值为111.07 mg L-1，是标准值的5.56倍，说明研究区地下水普遍存在较严重的NO3-N污染，污染程度大小顺序依次为孔隙水岩溶水裂隙水。NO2-N和NH4-N通过饮水途径引起的非致癌风险指数远小于1.0，不会对人体产生危害；NO3-N对成人非致癌风险指数范围为0.012.73，平均值0.62，儿童非致癌风险指数范围0.013.16，平均值0.71，成人和儿童分别有14.41%和23.73%的样点健康风险水平超过了可接受水平，会对人体产生较大危害，应引起重视。关键词：地下水；污染特征；三氮；健康风险；泰安市Characteristics and health risk assessment of three nitrogen groundwater pollution in Taian CityMENG Linghua（Shandong Geological Prospecting Institute of China Chemical Geology and Mine Bureau,Tai an 271000,Shandong,China）Abstract:In order to explore the present situation of three nitrogen pollution of groundwater in Taian City and its impact on human health,the concentrations of NO3-N,NO2-N and NH4-N in 118 groups of groundwater samples were detected,and the health risk assessment model recommended by the US Environmental Protection Agency(USEPA)was used to assess the health risk to both adults and children.The research results show that the detection rates of NO3-N,NO2-N and NH4-N in groundwater are 100%,81.36%and 37.29%respectively.Among them,NO3-N exceeds the standard to a large extent,with an exceeding rate of 50.85%.The maximum concentration value is 111.07 mgL-1,which is 5.56 times of the standard value.It indicates that there is serious groundwater NO3-N pollution in the study area.The pollution severity is in the order of pore water karst water bedrock fissure water.The non carcinogenic risk index caused by NO2-N and NH4-N through drinking water is far less than 1.0,which will not harm human health.The non carcinogenic risk index of NO3-N for adults ranges from 0.01 to 2.73,with an aver-age value of 0.62.The non carcinogenic risk index for children ranges from 0.01 to 3.16,with an average value of 0.71.The health risk levels of 14.41%and 23.73%of the samples exceed the acceptable level for adults and children respectively,which will cause great harm to the human health and must be treated seriously.Keywords:groundwater;pollution characteristics;three nitrogen;health risks;Taian City收稿日期：2023-02-03；修回日期：2023-04-07基金项目：泰安市财政项目“山东省泰安市城区城市地质调查项目（SDGP370900202002000094、SDGP370900202102000047）”资助作者简介：孟令华（1984-），男，硕士，高级工程师，主要从事城市地质调查及地质勘查工作。E-mail：引用格式：孟令华，2023.泰安市城区地下水“三氮”污染特征与健康风险评价J.城市地质，18（2）：153-159153第 18 卷 第2期 2023 年 6 月地下水中的“三氮”是指硝酸盐氮（NO3-N）、亚硝酸盐氮（NO2-N）和氨氮（NH4-N），饮用“三氮”含量过高或超标的地下水，会引发多种疾病（Sindelar et al.，2012；Organization，2008），甚至在一定条件下可能产生致癌因子（赵仑山等，2019）。地下水氮污染是农业活动与生活污染的主要特征之一（杜新强等，2018），随着城市规模的扩大和经济社会的不断发展，我国地下水中“三氮”污染问题日趋严重（Gu et al.，2013）。近年来，城市地下水污染防治工作得到不断重视，人们对污染物健康风险意识不断加强，评价地下水污染物对人体的危害程度得到极大关注，为此，国内外诸多学者已在地下水重金属健康风险评价（林丽等，2020；谢浩等，2021；孟令华等，2022）、有机污染物健康风险评价（Baytak et al.，2008；Pardakhti et al.，2011）、“三氮”健康风险评价（李兰芳等，2012；张艳等，2018；葛婷婷等，2021）等方面取得大量成果。健康风险评价可以将地下水污染问题与人体健康联系起来，以健康风险指数或风险值的量化形式反映地下水中不同类型污染物对人体健康的影响（杨丽芝等，2021），对城市地下水污染防治具有积极意义。泰安市区位于泰山脚下，地下水资源较丰富，是重要的供水水源地，用水安全显得尤为重要。目前针对泰安市城区地下水污染物人体健康风险评价的研究尚未见相关报道。本文以“山东省泰安市城区城市地质调查”项目为依托，采集地下水样品进行分析测试，并开展“三氮”健康风险评价研究，为泰安市地下水供水安全和污染防治提供依据。1 材料与方法1.1 地理环境条件研究区为泰安市城区，地处鲁中山区西北部，地势西北高、东南低，属暖温带半湿润大陆性季风气候，多年平均气温12.9，多年平均降水量1 119.70 mm，降水年内分配不均，68 月份降水量占全年降水量的61.63%。区内地下水类型分为松散岩类孔隙水、岩溶水和裂隙水。松散岩类孔隙水主要分布于泰山山前倾斜平原及河谷两侧的冲洪积平原，受季节性影响明显；寒武奥陶系碳酸盐岩类岩溶水是城区工农业用水的主要目的层，水量丰富，自北西向南东径流，主要接受大气降水入渗补给、第四系孔隙水越流补给和河流渗漏补给；裂隙水分布于城区西部和北部侵入岩及泰山岩群变质岩区，富水性较差。1.2 样品采集与测试2021年1月和11月，采集了118组地下水水样（包括孔隙水35组、岩溶水44组和裂隙水39组），地下水采样点水井深度7249 m，采样点分布见图1。现场用潜水泵采集地下水样品，待水温、pH值、电导率、氧化还原电位、溶解氧等指标稳定后开始采样。取样瓶先用蒸馏水冲洗，采样时再用新鲜水冲洗至少3次，采样后立即送往山东省鲁南地质工程勘察院实验测试中心进行检测。NO3-N采用ICS-Aquion离子色谱仪测试，检测下限为0.02 mgL-1；NO2-N采用TU-1900紫外可见分光光度计测试，检测下限为0.003 mgL-1；NH4-N采用BDFIA-8000全自动流动注射分析仪测试，检测下限为0.01 mgL-1。1.3 健康风险评价方法本文以目前国内外公认的美国环保署（USEPA）推荐的健康风险评价模型为基础（US Environmental Protection Agency，1989；National Research Council，1983），针对研究区地下水中的“三氮”，对成人和儿童分别开展人体健康风险评价。根据USEPA风险评价体系，污染物对人体造成的健康风险可分非致癌风险和致癌风险。氮污染物引发的主要是非致癌风险，用非致癌风险指数（HI）表征，当非致癌风险指数HI1.0时，非致癌风险较低，属于风险可接受范围；当非致癌风险指数HI1.0时，则认为污染物会对人体产生非致癌效应。HI值越大，对人体健康产生的危害就越大（Chen et al.，2015；张春艳等，2016）。地下水中的污染物进入人体造成健康风险的途径主要包括饮水摄入和皮肤接触，但经前人研究发现，皮肤接触途径引起的健康风险较饮水摄入途径差23个数量级（张艳等，2018；盛丹睿等，2019），可忽略不计，因此本文只考虑地下水饮水摄入途径引起的健康风险。模型计算公式为：HI=CDI/RfD（1）CDI=CW IR EF ED fBW AT（2）式中：CDI为饮水途径长期日摄入剂量，mgkg-1d-1；154孟令华 泰安市城区地下水“三氮”污染特征与健康风险评价http:/ 为污染物的非致癌参考剂量，NO3-N、NO2-N、NH4-N的取值分别为1.60、0.10、0.97，单位mgkg-1d-1；Cw为地下水中污染物的实测浓度，mgL-1；IR为日饮水量，成人取 2.2 Ld-1，儿童取 1.0 Ld-1（张清华等，2018）；EF为暴露频率，取365 da-1；ED为暴露延时，成人取30 a，儿童取12 a（葛婷婷等，2021）；BW为人体平均体重，成人取56 kg，儿童取22 kg；AT为平均暴露时间，成人取10 950 d，儿童取4 380 d；f为肠道吸附比率，取1。2 结果与分析2.1 地下水“三氮”污染特征研究区地下水样品“三氮”浓度统计结果见表1。在118组地下水样品中，“三氮”均有检出，其中NO3-N为 100%检 出；其 次 为 NH4-N，检 出 率 为 81.36%；NO2-N 检出率最低，为 37.29%。与 GB/T 14848-2017地下水质量标准类水标准限值相比，区内地下水中NO2-N浓度未超标，NO3-N和NH4-N均有超标，其中NO3-N超标严重，超标率达50.85%，最大浓度值为111.07 mgL-1，是标准限值的5.56倍；NH4-N有3组样品超标，超标率为2.54%，最大浓度值为0.723 mgL-1，是标准限值的1.45倍。从地下水类型上看，孔隙水中 NO3-N、NO2-N、NH4-N 的检出率分别为 100%、40%、80%，NO3-N 和NH4-N超标率分别为62.86%、5.71%；岩溶水中NO3-N、NO2-N、NH4-N的检出率分别为100%、40.91%、84.09%，NO3-N超标率为56.82%，NO2-N和NH4-N未超标；裂隙水中NO3-N、NO2-N、NH4-N的检出率分别为100%、图1 研究区地下水采样点位置图Fig.1 Location map of groundwater sampling points in the study area155第 18 卷 第2期 2023 年 6 月30.77%、79.49%，NO3-N 和 NH4-N 超 标 率 分 别 为33.33%和2.56%，NO2-N未超标。由此看出，研究区地下水普遍存在较严重的NO3-N污染，超过类水标准的区域呈面状分布于城区中东部及西部的局部地区，分布面积达54%（图2），污染程度大小顺序依次为孔隙水岩溶水裂隙水。NO2-N 和 NH4-N 的污染较轻，NO2-N没有超标点，88.14%的样点的NO2-N达到类水标准（0.01 mgL-1），NH4-N 仅存在 3 个超过类水标准的采样点，其中 2 个为孔隙水点，1 个为裂隙水点，零星分布于徐家楼街道、财源街道和天平街道（图2）。2.2 人体健康风险评价按公式（1）和公式（2）分别计算118组地下水采样点的成人及儿童非致癌风险指数，并按不同地下水类型进行统计，结果见表2。可以看出，研究区地下水中NO2-N和NH4-N通过饮水途径引起的成人非致癌风险指数和儿童风险指数的数量级为10-310-2，均远小于1.0，说明地下水中的NO2-N和NH4-N不会对人体产生危害。地下水中的NO3-N通过饮水途径引起的成人非致癌风险指数范围为0.012.73，平均值0.62，儿童非致癌风险指数范围为0.013.16，平均值0.71。成人和儿童非表1研究区地下水“三氮”浓度统计结果Tab.1Statistical results of groundwater three nitrogen concentration in the study area地下水类型孔隙水岩溶水裂隙水全部样品/组354439118指标NO3-NNO2-NNH4-NNO3-NNO2-NNH4-NNO3-NNO2-NNH4-NNO3-NNO2-NNH4-N最小值/(mgL-1)5.23NDND0.36NDND0.24NDND0.24NDND最大值/(mgL-1)111.070.1640.72361.990.1860.27097.660.0370.65111.070.1860.723平均值/(mgL-1)32.730.0150.05323.190.0070.03320.570.0040.03525.150.0080.040变异系数0.732.743.020.523.851.741.042.272.890.803.222.80检出率/%100408010040.9184.0910030.7779.4910037.2981.36超标率/%62.8605.7156.820033.3302.5650.8502.54标准值/(mgL-1)2010.52010.52010.52010.5注：“标准值”为GB/T 148482017 地下水质量标准 类水标准限值，“ND”表示未检出。图2 研究区地下水“三氮”浓度分区图Fig.2 Spatial distribution map of three nitrogen content in groundwater in the study area156孟令华 泰安市城区地下水“三氮”污染特征与健康风险评价http:/ 地下水“三氮”经饮水途径所致的非致癌风险指数Tab.2 Non carcinogenic risk index of groundwater three nitrogen through drinking water intake地下水类型孔隙水岩溶水裂隙水全部污染指标NO3-NNO2-NNH4-NNO3-NNO2-NNH4-NNO3-NNO2-NNH4-NNO3-NNO2-NNH4-N成人范围0.082.7306.4410-202.9310-20.011.5207.3210-201.0910-20.012.4001.4510-202.6310-20.012.7307.3210-202.9310-2平均值0.805.8610-32.1510-30.572.8410-31.3310-30.511.5110-31.4310-30.623.3010-31.6010-3儿童范围0.093.1607.4510-203.3910-20.011.7608.4710-201.2710-20.012.7701.6810-203.0510-20.013.1608.4710-203.3910-2平均值0.936.7810-32.4810-30.663.2910-31.5410-30.581.7510-31.6510-30.713.8210-31.8610-3图3 研究区地下水NO3-N对成人和儿童的非致癌风险分布图Fig.3 Non carcinogenic risk distribution map of nitrate nitrogen in groundwater to adults and children in the study area157第 18 卷 第2期 2023 年 6 月致癌风险空间分布差异。可以看出，成人与儿童的非致癌风险空间分布形态基本一致，非致癌风险指数大于限值1.0的区域分别占总面积的12.33%和19.15%，NO3-N对儿童非致癌健康风险指数最高可达3.16，这些区域被界定为暴露人群患病潜在区域，人体健康已受到NO3-N的严重威胁。地下水“三氮”的来源与居民生活和农业生产息息相关（陈劲松等，2020），这些潜在风险区域零散分布在泰安市中心城区外围边缘的城乡结合部位，分析原因可能是由于生活垃圾及污水的无序排放、农田及林地化肥的长期过量施用，使NO3-N淋溶下渗进而污染地下水，且首先受到污染的是浅层孔隙水。因此，需要加强控制风险区域污染物的排放及化肥的过度施用，有效降低地下水中 NO3-N 对人体的非致癌健康风险。需要说明的是，本文仅评估了地下水“三氮”通过饮水摄入途径产生的健康风险，没有考虑皮肤接触等其他暴露途径产生的影响，因此，计算的非致癌风险指数会存在偏差，但评价结果是有效的，对地下水供水安全和污染防治具有指导意义。3 结论1）研究区地下水中NO3-N、NO2-N、NH4-N的检出率分别为100%、81.36%和37.29%。与GB/T 148482017地下水质量标准类水标准限值相比，NO3-N超标严重，超标率达50.85%，最大浓度值为111.07 mgL-1，是标准限值的5.56倍，说明地下水普遍存在较严重的NO3-N 污染，污染程度大小顺序依次为孔隙水岩溶水裂隙水。2）健康风险评价显示，研究区地下水中NO2-N和NH4-N通过饮水途径引起的非致癌风险指数远小于1.0，不会对人体产生危害；NO3-N对成人非致癌风险指数范围为0.012.73，平均值0.62，儿童非致癌风险指数范围为0.013.16，平均值0.71，成人和儿童分别有14.41%和23.73%的样点健康风险水平超过了可接受水平，会对人体产生较大危害，且儿童的健康风险大于成人。参考文献陈劲松，周金龙，魏兴，范薇，曾妍妍，2020.新疆喀什噶尔河流域平原区地下水“三氮”含量分布特征及影响因素分析 J.环境化学，39（11）：3246-3254.杜新强，方敏，冶雪艳，2018.地下水“三氮”污染来源及其识别方法研究进展 J.环境科学，39（11）：5266-5275.葛婷婷，周金龙，曾妍妍，2021.新疆和田地区地下水“三氮”污染特征及健康风险评价 J.水资源与水工程学报，32（5）：126-134.李兰芳，陈海珍，潘翊，凌东辉，2012.广州市主城区饮用水中“三氮”含量及健康风险评价 J.环境与健康杂志，29（10）：923-925.林丽，范薇，周金龙，曾妍妍，2020.喀什地区浅层地下水重金属污染健康风险评价 J.节水灌溉（5）：93-98.孟令华，孔德金，王磊，杜小亮，邢香粉，吴树明，2022.泰安市城区地下水重金属含量及健康风险评价 J.干旱区资源与环境，36（12）：113-118.盛丹睿，温小虎，冯起，武君，司建华，吴敏，2019.张掖盆地地下水硝酸盐污染与人体健康风险评价 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