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随着经济、工业的快速发展,河流污染事件频发,直接威胁着流域的饮用水供水安全及水生态系统的健康,因此对河流突发性污染的环境风险分析显得尤为重要。从我国近几年典型突发性水污染事件看,重金属污染是典型的污染类型。突发事件发生后重金属瞬间、大量地排入水体以及采取的应急处理处置措施,往往对河道水质特征有强烈的扰动作用,使得河流水质转化过程呈现出多介质、多相态、反应机理复杂的特点,而目前基于单一介质的环境质量评价方法不能真实反映多途径暴露对生态环境和人体健康的风险。为此,本论文将探讨突发性重金属污染多介质迁移转化—多途径暴露—多受体响应过程中的环境风险转移及耦合过程,以期全面地评估突发事件环境风险的时空变化,为污染物的消减、风险损害防护与水质的恢复提供指导。 龙江是柳江最大的一级支流,是西江重要的二级支流,其环境风险事关下游亿万人口的水源安全,而2012年龙江镉污染事件中镉入河总量大、超标倍数高、污染时间较长、事件影响大。为此,本论文以之为例,对龙江20个监测断面的水体、沉积物、鱼类等开展为期2年调查、监测与研究。论文从河流突发事件处理处置过程中重金属在水相、沉积相和生物相多介质迁移转化过程入手,将河流突发性重金属污染的环境风险分解为水体、沉积物重金属污染的生态风险以及鱼类、水体重金属污染的健康风险,运用物种敏感性分布法、基于环境基准的风险商、健康风险评价模型、模糊可拓综合指数、GIS技术等模型方法以及Bootstrap抽样、非参数拟合、Monte Carlo模拟等数理统计方法研究了重金属多介质环境风险的时空分布、“风险转移”以及“风险耦合”过程,从而构建起河流突发性重金属污染多介质—多途径—多受体的环境风险评估框架。本论文的主要研究成果和结论包括以下内容: (1)运用物种敏感性分布法(SSD)确定水体镉的急性和慢性双值基准建议值分别为30.98μg/L和6.36μg/L。龙江镉污染事件发生时25km污染团中镉浓度最高达405μg/L,超过《地表水环境质量标准》Ⅲ类水质标准(5μg/L)约80倍,超过急性水质基准(30.98μg/L)12倍。通过现场采取化学沉淀法、调水稀释等处理处置措施,镉从水相向沉积相转移,水体中的镉浓度迅速下降至慢性水质基准(6.36μg/L)以下。2012年3月以后龙江各监测断面水体镉污染的风险商均小于1,龙江水生生物长期暴露于该水体中镉的生态风险在可接受风险水平之内。 (2)利用生态毒理数据,构建了沉积物镉SSD曲线,推算出沉积物镉对底栖生物系统的质量基准参考值为2.15mg/kg。由于龙江河道应急工程采取了“弱碱性化学沉淀法”,大量含镉絮体沉积到河床,含镉沉积物成了次生风险源。在空间上,由于河道流速与底质等空间分异性,不同河段含镉絮体沉积量分布不均,导致各监测断面沉积物中镉含量存在差异。在时间上,2012年2月应急工程实施期间沉积物镉含量较高,其平均生态风险商高达41.45,随后在5~7月份主汛期洪峰的冲刷稀释以及泥沙的携带输移共同作用下,龙江表层沉积物镉含量持续下降,但仍超过沉积物镉对底栖生物的质量基准(2.15mg/kg)。2013年12月龙江表层沉积物中镉的平均生态风险商下降至3.60,但仍有41%监测断面的风险水平处于Ⅱ级以上,龙江沉积物仍存在潜在生态风险。与水体相比,龙江表层沉积物中镉的生态风险表现出时滞效应,且仍不容乐观,应引起重视。 (3)龙江鱼类通过呼吸、摄食等途径从污染水体和沉积物中蓄积镉。龙江鱼类不同组织镉含量水平为:肾>肝>肠>鳃>卵>鳞>肌肉,鱼类肌肉镉的富集程度为:杂食性>肉食性>草食性、底层鱼类>中下层鱼类>中上层鱼类,这可能与鱼类栖息环境、摄食习惯、食物链的位置以及代谢能力等多种因素有关。根据食品安全国家标准《食品中污染物限量》(GB2762-2012)的标准限值(0.1 mg/kg),2012年2~7月期间鱼类肌肉平均污染指数均大于4.27,处于“严重污染”水平,到2013年12月平均污染指数下降至0.14,处于“微污染”水平。龙江鱼类肌肉中镉的健康风险未超过US EPA推荐的最大可接受风险值1.0×10-4·a-1,当地居民长期摄食这些鱼类暴露镉的潜在健康风险很小。 (4)综合考虑水体镉通过饮水和皮肤接触2种暴露途径对人体健康所造成的致癌风险和非致癌风险,结果表明从暴露途径看,饮水途径摄入镉的健康风险比例高达99.12%,大于皮肤接触途径的健康风险,可见饮水摄入途径是水体镉可能导致健康威胁的主要暴露途径。从风险类型看,致癌风险大于非致癌风险。水体中镉的浓度是健康风险的主要影响因子,其他因子的贡献较小。2012年2月~2013年12月期间7次调查监测的20个监测断面中仅2012年2月S8断面(其健康风险值为1.34×10-4·a-1)超过US EPA规定的最大可接受风险值1.0×10-4·a-1,这表明在镉污染发生后,高浓度的镉污染水团在一定程度上可能威胁居民的用水安全,但在采取应急处理措施后,水体镉的健康风险很小。 (5)运用模糊可拓综合指数法(FEQI)对龙江水体、沉积物镉污染的生态风险以及鱼类、水体多暴露途径镉污染的健康风险进行风险耦合,结果表明:尽管龙江水环境中镉的环境风险持续下降,2013年比2012年下降了35.65%,但截至2013年12月龙江平均FEQI为1.77,且仍有25%监测断面风险程度为Ⅱ级,处于中风险水平,龙江仍存在潜在环境风险。这主要来自沉积物镉生态风险的贡献。 本论文应用河流突发性重金属污染多介质—多途径—多受体环境风险评估方法体系对突发事件污染物多介质环境风险转移及耦合进行研究,并以广西龙江镉污染事件为例,验证了本方法体系的科学性和实用性,可为处置突发性重金属污染事件对流域水环境影响提供理论和方法,以实现损害最小化。