基于蒙特卡罗模拟的岩溶地下水健康风险评价

贾方建

（河南理工大学 资源环境学院，河南 焦作 454000）

北方地区包含100多个岩溶水系统，岩溶水资源总量为108×108m3/a，因具有高度集中和水质良好等特点成为重要的生活和工业水源[1]。北方119个岩溶水系统中，有83个具有“煤在楼上，水在楼下”的水煤共生结构特点，受到气候变化和煤矿开采的影响，岩溶地下水极易遭到污染，水质性缺水已成为现阶段北方岩溶泉域面临的严峻问题[2-3]。目前，对地下水质量的评价一般在参考《地下水质量标准》（GB/T 14848——2017）的基础上，采用单因子评价和内梅罗指数法评价区域地下水水质状况和污染情况。此评价体系忽略了有毒有害金属元素对水环境的影响，无法解释饮用地下水时，是否会产生近期或者长期金属元素造成的健康危害[4]。另外，国内外采用的健康风险评价方法多基于美国国家环境保护局（USEPA）推荐的健康风险模型，此方法适用性较强，但为确定性评价模型，评价结果为单一数值。在取样点较少的情况下，评价区域地下水健康风险存在较大偏差。针对上述问题，本研究将蒙特卡罗模拟技术引入健康风险评价体系中，针对北方典型泉域——许家沟泉域，估算岩溶地下水中金属元素对人体健康造成的潜在危害，并通过敏感性分析判断各微量元素质量浓度和暴露参数对健康风险评估结果的影响程度，为加强泉域岩溶地下水环境保护提供科学依据。

1 研究区概况

本研究以鹤壁市许家沟泉域为研究对象，研究区位于太行山与华北平原过渡带，泉域内存在多个生产或已关闭煤矿，造成地下水污染，给当地居民带来了健康风险。泉域地势大致为西北及西南略高、向东倾斜，属北温带大陆性季风气候区，泉域补给以大气降水和河流侧向渗漏补给为主，受地形和地质构造影响，岩溶地下水向东径流，在巨厚层页岩和砂岩层的阻挡下，转向南径流；受河流切割影响，在淇河北岸许家沟处以泉群形式集中排泄。全年7～9月为丰水期， 12月至次年4月为枯水期。本研究在2018年11月采集岩溶水地下水水样，所取水样均为奥陶系灰岩水。取样前，用待测水样润洗600 mL取样瓶3次，取样后用0.45 μm微孔滤膜过滤，并在水样中加入适量优质HNO3酸化至pH小于2，再进行密封处理，使用ICP-MS测定所有水样中Ba、Ni、Cr、Cu、Pb和Zn 6种金属元素的质量浓度。检测结果如表1所示。

表1 岩溶水金属元素质量浓度

2 基于蒙特卡罗模拟的健康风险评价

2.1 健康风险评价

健康风险评价是用来评估有毒有害物质对人体构成的危害的一种模型，包括危害识别、暴露评估、毒性评估和风险表征。根据世界卫生组织（WHO）和国际癌症研究机构（IARC）的金属元素分析数据，确定Cr为致癌性微量元素，Ba、Ni、Cu、Pb和Zn为非致癌性微量元素[5]。地下水中的金属元素主要通过饮水方式进入人体，故选择饮水途径评估成人及儿童的日均暴露剂量、致癌和非致癌金属元素造成的健康风险[6]。日均暴露剂量计算参照式（1），致癌性和非致癌性金属元素健康风险评价模型参照式（2）和式（3），致癌性金属元素健康风险评价模型参数如表2所示，致癌强度系数和非致癌参考剂量如表3所示。致癌健康风险可接受程度在1×10-4～1×10-6a-1，本研究选用5×10-5a-1作为最大可接受风险水平，选用1×10-8a-1作为可忽略风险水平。

表2 致癌性金属元素健康风险评价模型参数

表3 金属元素致癌强度系数和非致癌参考剂量

饮水摄入的日均暴露剂量：

致癌性金属元素健康风险评价模型：

非致癌性金属元素健康风险评价模型：

总健康风险：

2.2 蒙特卡罗模拟

蒙特卡罗模拟是将所求解的问题同一定概率模型相联系，将自变量转换为概率分布函数，通过随机模拟迭代计算，获得累计概率分布图。具体分析步骤：（1）利用Crystal Ball软件的批次拟合功能，确定各金属元素服从的概率分布。（2）通过分析前人研究成果，确定模型参数中各参数服从的概率分布。（3）根据式（1）～（3）建立评价模型，模拟计算成人、儿童日均暴露剂量以及致癌和非致癌风险评价的概率分布。其中，将随机迭代次数设置为10 000次，置信区间设定为5.00%～95.00%。（4）利用Crystal Ball软件的灵敏度分析功能，分析各微量元素质量浓度及各参数对健康风险水平影响的灵敏度。

3 评价结果与讨论

3.1 致癌健康风险

平水期岩溶地下水致癌健康危害风险值概率分布如图1所示。由图1可知，在[5.00%，95.00%]置信区间，平水期成人和儿童经饮水途径受到致癌性微量元素Cr的健康风险范围为2.28×10-5～1.43×10-4a-1、3.12×10-5～1.53×10-4a-1，均值分别为6.90×10-5a-1、7.84×10-5a-1，超过了最大可接受风险水平5.00×10-5a-1，会对人体健康造成损害；因儿童饮水量和体重等各方面因素，儿童的致癌风险总大于成人，儿童成为更加敏感的风险受体，故在对该区域地下水中的Cr进行优先监测和控制的同时，应对儿童饮用地下水进行更为严格的控制和管理。针对泉域岩溶水，赵庆令等[12]在调查鲁中南双溪村岩溶水时发现，致癌微量元素Cr的个人年风险均值为 7.19×10-5a-1，为区域内首要污染物；在省内其他城市的地下水健康风险评价中，王凡等[13]对商丘市虞城县惠楼村地下水重金属进行了测定和评价，结果表明：所有测试样点化学致癌物Cr和Cd的个人年风险都在1.00×10-4a-1以上，且Cr对总风险的贡献率达到了96.73%，是主要致癌物；刘洋等[14]对郑州市地下饮用水源进行环境健康风险评价指出，由化学致癌性金属元素产生的健康风险在10-6～10-5a-1，且Cr的风险值最高，与本研究结果一致。

图1 平水期岩溶地下水致癌健康危害风险值概率分布

3.2 非致癌健康风险

研究区岩溶地下水中非致癌微量元素的健康危害风险值概率分布如图2所示。由图2可知，成人及儿童经饮水途径受到非致癌性微量元素Ba、Ni、Cu、Pb、Zn的平均年健康风险数量级在10-11～10-9a-1，对数变换后为-12.0～-8.5。即每千万人口中因饮用地下水受到非致癌健康危害（死亡）的不到1人，且最大值远低于可忽略水平10-8a-1（对数变换后为-8.0），不会对暴露人群产生健康危害。

图2 非致癌性金属元素健康风险分布

3.3 敏感性分析

通过敏感性分析判定各微量元素及暴露参数对健康风险评估结果的影响程度。敏感性分析所得敏感度的绝对值越大，表示该参数对风险评估的影响也越大，正值和负值分别代表与最终健康风险的结果呈正相关和负相关。利用Crystal Ball 11.1软件对岩溶水进行敏感性分析，结果如图3所示。对于成人总健康风险，日平均饮水量的敏感度最高，为50.2%，其次为Cr元素质量分数、暴露频率、成人人均体重，分别为21.4%、16.6%和-10.1%；对于儿童总健康风险， Cr元素质量分数敏感度最高，为27.6%，其次为暴露频率、儿童人均体重和日均饮水量，分别为24.9%、-23.5%和22.1%。总健康风险与日平均饮水量（IR）、Cr质量分数和暴露频率（EF）呈正相关，与人均体重（BW）呈负相关。人均体重越小，总健康风险越高。因此，应降低成人和儿童对地下水的暴露频率，适当减少成人饮水量，并将Cr元素作为风险决策管理的重点。

图3 风险模型中的敏感性分析

蒙特卡罗模拟与传统基于质量浓度平均值确定性评价相比，在一定程度上对健康风险模型进行了量化分析，降低了风险评价中的不确定性。但是，本研究仍存在一定不足。首先，在暴露途径上，本研究仅针对金属元素通过饮水摄入途径产生的健康风险，而未完整地评价食入、呼吸和皮肤接触3种方式通过大气、土壤、水和食物链4种途径进入人体的危害；其次，未对全年各个时期进行评价；最后，对于模型参数，仅考虑到暴露参数的不确定性，而毒性阈值（SF和RfD）借鉴了国外现有的研究成果，未考虑误差对计算健康风险的影响。在评价的各个环境均会产生一定的误差和不确定性，而降低风险评价中的不确定性将成为今后工作的重中之重。

4 结论

（1）将蒙特卡罗模拟引入岩溶地下水健康风险评价中，可计算致癌、非致癌风险水平的概率分布，降低结果的不确定性。

（2）成人和儿童受到致癌物Cr的健康风险均值分别达到了6.90×10-5a-1和7.84×10-5a-1，超过了最大可接受风险5×10-5a-1，有较大的健康风险。非致癌性金属元素不会对人体产生健康危害。

（3）敏感性结果分析表明：暴露参数中暴露频率和饮水量对结果的影响较大，金属元素Cr对评价结果的影响最大。因此，将岩溶地下水中的Cr作为风险决策管理重点，适量减少成人饮水量、降低暴露频率，并且重点关注儿童的饮水风险。