基于GIS和风险评估模型对矿区农用地土壤重金属污染和学龄儿童健康的研究

发布时间：2020-10-21 14:19

　　 环境与健康标准被正式纳入到国家环境保护标准体系,保障公众健康理念正逐渐融入到了环境保护政策。在国家环境与健康工作发展政策的导引下,本论文在誉有“世界有色金属博物馆”的湖南南部某市选取具有典型性的环境健康高风险有色金属矿区为研究区域,参照《场地污染风险评估技术导则HJ25.3-2014》(C-RAG)的程序,开展了以学龄儿童健康危害和健康风险评价为基础的矿区重金属污染的风险评估,为制订基于保障人群健康的环境防治决策和管理措施提供依据,以更有效地预防控制与环境因子相关的健康损害和疾病。论文综合了地理信息系统、Meta分析、现场调查、实验室检测、儿童健康指标检测和分析、以及健康风险评估模型等技术,评估了区域内农用地土壤和对应蔬菜的重金属污染情况,检测了不同土壤污染暴露情况下学龄儿童体内血液和尿液重金属负荷,统计分析了重金属污染与学龄儿童健康的关联,以铅(Pb)、镉(Cd)、砷(As)等为主要重金属污染物建立了儿童暴露情景,通过资料收集、现场监测和暴露模型模拟预测等获得了当地学龄儿童暴露参数,计算出暴露水平,应用健康风险评估和随机模型评估了学龄儿童经土壤及蔬菜摄入Pb、Cd、As重金属污染的致癌和非致癌健康风险表征,并以Monte Carlo模拟方法进行了不确定性和敏感性分析。主要研究内容和结果如下。1研究区域土壤典型重金属污染来源及污染特征研究目的:从重金属污染源空间分布、环境治理情况、区域内河水重金属监测数据时间变化、居民健康基本情况、土壤历史重金属典型污染物等多方面分析,了解研究区域重金属污染特征,确定关注污染物;了解农用地土壤历史污染及其GIS分布;初步识别暴露危害和暴露情景。为下阶段开展健康风险评估提供依据和基础;为当地相关部门开展重金属污染治理,促进居民健康提供依据和基础。方法:通过收集2015年以前的历史资料和现场考察,分析了研究区域污染源和突发环境事件;运用系统综述和GIS分析相结合的模式对研究区域内D河受尾砂影响的周边重金属污染情况进行了分析;采用问卷调查收集当地居民生活行为特征及慢性疾病发生情况,并抽样检测居民血液铅浓度。结果:GIS分布图显示沿研究区域内的的D河两岸农用地土壤历史重金属污染严重。2008年到2015年D河断面铅、镉、砷监测点超标数据逐年减少,至2015年除一个监测点砷轻度超标外,其他4年监测数据均未超标。被调查人群的慢性病患病率(30.1%)明显高于全国中部地区15岁及以上农村居民慢性病患病率水平(23.15%)。调查的儿童血铅浓度均值为74.2μg/L高于湖南省平均水平(本文Meta分析结果:湖南省平均值66.95±27.93 μg/L)。GIS分布图显示了污染源与学校、居民区相邻关系。区域内无稻谷等粮食种植,居民食用的蔬菜90%来自区域内零星菜地种植的自给和自供蔬菜,饮用自来水。结论:①研究区域的主要污染源为采矿业生产过程产生的尾砂和废水、整治后关停的采选矿废址和尾矿库倒塌突发环境事件冲向D河及两岸的尾砂;②尾砂库特征污染物为铅(Pb)、镉(Cd)、砷(As)、铜(Cu)、锌(Zn)等,农用地土壤污染严重,主要污染物依次为Pb、Cd、As、Cu、Zn,GIS分布显示靠近河道污染重;③研究区域污染治理效果明显,目前河道及其两岸无尾砂和废渣,河水监测基本无超标现象;④本研究区域内人群存在一定的健康危害;⑤建立基于敏感用地的暴露情景假设:在此情景下,学龄儿童主要经土壤和蔬菜路径暴露可能会长时间暴露于场地污染而产生健康危害,很有必要开展进一步的危害效应、暴露评估和风险表征研究。2基于GIS的农用地土壤及其对所产蔬菜重金属污染分析目的:现场监测研究区域农用地土壤及其所产蔬菜的重金属浓度,分析其污染特性,为进一步的风险表征提供环境暴露参数,为当地环境管理部门制定基于公众健康基础上的农用地土壤污染标准和治理政策及措施提供科学依据。方法:在研究区域抽取了 16个采样区,获16个表层土壤样本和对应土壤上的9类共129个蔬菜样本。ICP-MS法测定了样品中Cr、Cu、Zn、As、Cd、Pb等6种重金属浓度。描述了土壤和蔬菜中重金属浓度的分布;引入了管制值理念和地理信息系统(GIS),对土壤环境质量和蔬菜中重金属污染进行了评价和关联性分析。结果:16个土壤样6种重金属的超标率排序为Cd(100%)As(93.75%)Pb(62.50%)Zn(43.75%)Cu(12.50%)Cr(0%%),Pb、Cd、As 重金属平均浓度都显著超出了湖南省土壤元素背景值和风险筛选值,相应的污染程度排序为:CdPbAsZnCu。蔬菜类别污染程度排序为:根茎类叶菜类瓜茄果类豆类及其他类,污染综合指数平均值分别为5.606、2.889、2.137和1.052。叶菜类、根茎类对As、Cd、Pb的富集能力高于瓜茄果类蔬菜及豆类及其他类蔬菜,污染程度高的土壤对应的蔬菜污染超标率显著性高于污染程度低的土壤对应的蔬菜。结论:研究区域的农用地土壤主要重金属污染为As、Cd、Pb,除个别采样位点土壤重金属污染水平为中度,其余采样位点均为重度污染水平;蔬菜中的重金属浓度较高,对人群健康危险风险高;该地区的农用土壤除少数可采取安全利用外,大部分应采取严格管控措施。3重金属污染物学龄儿童负荷水平及其健康效应的研究目的:探讨居住环境重金属土壤污染级别、儿童体内重金属负荷与健康效应的剂量反应关系,确定研究区域重金属污染对儿童健康的危害。为下一步风险表征研究提供暴露人群信息,为当地环境保护部门制定基于儿童健康的环境重金属基准值提供参考,为卫生健康部门对当地儿童主要健康问题开展针对性预防控制提供依据。方法:2017年3月～8月对研究区域的三所小学1～3年级学龄儿童241人(男123人,女118人,平均年龄为7.82±1.02岁)进行了 Rutter儿童行为量表(家长版)评估;采用韦氏儿童智力量表第四版评价了儿童的智商;现场测量了儿童生长发育指标并收集了尿液和静脉血。检测和分析了不同重金属污染类别的土壤居住环境下,学龄儿童体内重金属负荷和生长发育、行为智力、血液尿液常规指标等健康效应的差异及其关联。结果:共招募儿童241名,其中159名儿童家长同意抽血以及收集尿样,自愿参加智力测试的有70名。调查地区儿童血Pb浓度几何均数为46.96μg/L,血Pb浓度≥50μg/L的占61.01%,血Pb浓度≥100μg/L占10.06%。儿童血Cd浓度(2.32±2.34μg/L)、尿 Cd 浓度(1.20±1.02μg/L)、尿 As 浓度(73.46±64.50μg/L)显著性超过湖南省或全国平均水平,血Cd、尿Cd与肾功能指标呈负相关。以内梅罗综合污染指数划分居住地农用地土壤,儿童的血Pb浓度在中度污染区(n=19,39.80±21.24μg/L)和重度污染区(n=140,61.75±33.55μg/L)有显著性差异(P0.05)。居住地土壤Pb浓度与儿童高Pb血症发生率,土壤Cd浓度与儿童尿Cd浓度和RBP浓度有关联。参加测试的学龄儿童总智商平均值为93.93±9.72,与全国水平比较处于中等偏下;血Pb浓度≥50μg/L组的学龄儿童总智商、知觉推理指数以及工作记忆指数显著性低于血Pb浓度50μg/L组(P0.05);随着尿铬、尿锰、血锰水平升高智商中某些指数得分越低(P0.05);血铜浓度与工作记忆指数呈正相关,尿Cd和尿As浓度与加工速度指数呈现负相关(P0.05)。Rutter行为量表结果显示,儿童有行为问题的检出率为21.61%,以A行为为主。结论:研究区域内儿童血液尿液重金属Pb、Cd、As浓度高于湖南省或全国平均水平。学龄儿童体内Pb、Cd、As负荷水平与居住地土壤重金属污染程度相关。体内Pb、Cd、As负荷水平与儿童的肾功能及言语理解、工作记忆、加工速度及总智商的损害程度有关联。可认为该矿区周边儿童受到重金属的污染的危害,有必要对污染的长期健康效应开展进一步的健康风险评估。4学龄儿童经土壤/灰尘和蔬菜摄入途径铅镉砷暴露的健康风险评价目的:运用非致癌风险模和致癌模型,评价了研究区域内经土壤铅镉砷暴露学龄儿童的健康风险,为卫生健康和环境保护部门制订基于保障人群健康的环境防治决策和管理措施制订提供依据,更有效地预防控制与环境因子相关的健康损害和疾病。方法:通过对研究区域内学龄儿童人体特征和膳食问卷调查与测量、国内文献综述筛选、资料收集分析、现场监测和模拟预测获得环境数据和暴露信息数据,运用UEPA推荐的致癌和非致癌风险评估模型和判别依据,分别计算并评价了学龄儿童经土壤暴露铅镉砷所产生的非致癌与致癌风险和风险商,运用Crystal Ball模型和Monte Carlo模拟,进行了不确定性与敏感性分析。结果:学龄儿童经土壤来源的铅镉砷污染暴露共7个途径,即经土壤、灰尘及自产/自供蔬菜三种介质通过呼吸、口和皮肤摄入。非致癌风险值只有经口和皮肤途径通过介质土壤和灰尘摄入As大于1,其余途径和Cd和Pb都小于1。通过土壤和灰尘介质的各途径致癌风险为AsCdPb,除了经呼吸吸入外其他途径As在各百分位点致癌风险都超过了 UEPA建议的最低限值1.0×10-6,Cd在P50时致癌风险大于1.0×10-6,Pb在经口直接摄入途径的P75时才稍微超出最低限值;所有致癌风险值未超过UEPA推荐的上限值1.0×10-4 土壤铅镉砷经蔬菜介质摄入非致癌风险值小于1。结论:研究区域内学龄儿童经蔬菜介质摄入尚不能认为有致癌和非致癌风险。但经其他途径土壤铅镉砷污染已对当地学龄儿童健康构成了一定的威胁,其风险大小依次是As、Cd、Pb。
【学位单位】：武汉大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：R179;X53
【部分图文】：

矿库环境风险评估技术原则（试行）［ＲＪ７４０－２０１５］中环境风险受体调查评估范围??要求，我们将研宄区域选定在从倒塌的尾矿库开始沿Ｄ河下游１０公里内及其??两岸２公里内（见图１）。??Ａ??（??１：０，ＵＵＵ，ＵＵＵ?丨?！?＼??ｊ?ｍ?７?；Ｈｎｉｌｕｉ＾｜?？ＳｈｉＫｈｕｙｕｎｎ?１??＾?＼／??１＇?Ａ?＾?Ｌｅｇｅｎｄ?——＼?Ｂａｉｌｕｔａｎｇ?＼?／??来?ｃｏｌｌａｐｓｅｄ?ＹｊＷ?ｔａｉｌｉｎｇ?ｄａｍＪ?／??ＴＵ?）??＼?ｗａｔｅｒ?ｍｏｎｉｔｏｒｅｄ?ｓｅｃｔｉｏｎｓ?＾／?＼?ｗ＊ｉ？??＊?，Ｕａｄ?ｚｉｎ＜：?ｍｉ？?＼?Ｔ?＾??ｓｍａｌｌ?ｍｉｎｅｓ?ａｎｄ?ｓｍｅｌｔ?ｐｌａｎｔｓ?１?Ｌ—??ｔｈｅ?Ｃｈｅｎｚｈｏｕ?Ａｖｅｎｕｅ?Ｊ???ｂｏｕｎｄｒｙ?，?’??ｔａｉｌｉｎｇ?ｄａｍｓ??１：２，０００，０００?ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ?１．１００，０００??ｉ?■?？?１?ｉ?ｉ?ｉ?ｉ?ｉ??ｓｃｈｏｏｌ?０?２５?５?１０??图１研究区域内矿业、环境污染事件发生的尾矿库及学校、村庄分布ＧＩＳ图??５??

重金属不能降解，不断积累导致重金属污染对矿区及其周边地区生态??系统破坏严重，通过食物链影响人体健康。经治理后，目前Ｄ河流域分布着某??矿区（ＳＺＹ１、ＳＺＹ２）、（ＨＱＬ）和（ＤＢ）等大型矿区（见图１）以及小型开釆??及加工区（见图１－１）。某矿区有色金属有限责任公司是一家集探矿、采矿、选??矿、冶炼、贸易为一体的国有大型企业，是世界五百强企业中国五矿集团旗下的??重要成员企业。２０１４年通过查阅当地矿业网及环保部门的资料及相关文献［４４］，??在本研宄区域尚有〗〇多家选矿、采矿企业，见表１－１和１－１图。从分布图可以??看到这些环境重金属污染源主要分布于Ｄ河的中上游地区，以ＢＬＴ镇、ＴＸ乡较??９??

准值（另４个采样点缺少Ｃｕ含量数据）。??２．３．３基于历史数据的农用地土壤重金属污染及空间分布趋势??空间趋势分析中（见图１－２），Ｚ轴高度表示重金属元素含量均值，与Ｚ轴平??行的“火柴棍型线”表示各采集点重金属浓度均值，而Ｘ轴和Ｙ轴分别表示东边和??北边方向。蓝色曲线表示各采集点重金属元素含量在Ｄ河横断面（东西走向）的??投影线，红色曲线表示其在Ｄ河平行面（南北走向）的投影线。在Ｄ河横断面方??向，Ｐｂ、Ｃｄ、Ａｓ和Ｚｎ都呈现出两边低、中间高的趋势，Ｚｎ元素尤其明显；而Ｃｕ??却表现为中间低、两边高的趋势。在Ｄ河平行面方向，Ｐｂ元素则是表现为上游高、??沿下游逐渐下降的趋势，Ｃｄ和Ａｓ呈现出中间高，而上游和下游含量较低；而Ｚｎ??和Ｃｕ则为中间低、上游和下游含量较高的趋势。??Ｐｂ?Ｃｄ?Ａｓ??？个?ｆ?ｄ??ｉ＇ｌｌ?ｉ?Ｉ?＇?！?Ｉ?＾?＜ｊｌｌ?１１１?Ｉ?Ｉ????，＇．?＊?二二二氣：；．??］—ｊ??乙?：￣??－Ｖｘ?１／?￣?－?．１?＾￣?＾－Ｘ??Ｚｎ?Ｃｕ??ｚ??Ａ?／Ｉ??Ｌｅｇｅｎｄ??Ｓ．?＾?■?ｈ?．?］／?Ｘ－ａｘｉｓ?Ｗｅｓｔ?ｔｏ?Ｅａｓｔ??ｆ＾１?广?Ｖ?丨?卜ａｘｉｓ?Ｓｏ—ｔｈ??Ｉ?＾?＾?＾?－?／Ｉ／?＊／?；?＼?Ｊｊ；Ｉ?ｊ?：?Ｚ￣ａｘｉｓ?Ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｓ??…口一－丄－－，?／?／?／?１?ｉ??
【参考文献】

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本文编号：2850230