天津市地表水中氨氮健康風險及生態風險評價

梁增強 楊菁

摘 要：為了科學表征地表水中氨氮對人體健康和生態環境造成的風險，達到精準治污和風險管控的目的，采用USEPA推薦的健康風險和生態風險評價模型，選取2016—2020年天津市地表水中氨氮濃度進行健康風險及生態風險評價。結果表明：天津市地表水中氨氮的健康風險為1.14×10-4～2.35×10-2，遠低于評價標準1；氨氮的生態風險為0.3～25.4，夏季慢性生態風險為有風險或高風險；其余均為無風險或有風險。氨氮的健康風險和生態風險均存在雙峰現象，二者均呈顯著的季節變化特征。氨氮的健康風險和生態風險均存在明顯空間差異。研究采用的評價方法可以客觀地表征地表水中氨氮對人體健康及生態環境造成的風險程度，為我國環境管理部門水質監管和業內同行開展類似研究提供了重要借鑒。

關鍵詞：氨氮；健康風險；生態風險；時空特征；天津

中圖分類號：X824文獻標志碼：A文章編號：1673-9655（2024）02-00-06

0 引言

氨氮作為地表水中主要的污染物之一，一直以來都是我國政府部門環境管理的重點。常規的地表水水質評價方法無法反映水質與人體健康風險或生態風險的關系，然而，健康風險評價方法可以定量反映水質對人體造成損害的可能性[1]；生態風險評價可以量化污染物對環境的生態危害[2]。目前，有學者對我國地表水體中酞酸酯[3]、重金屬[4]、氯代烴[5]、

抗生素[6]、氨氮和氟化物[7]等污染物開展健康風險研究；也有學者對國內地表水中酚類化合物[2]、多環芳烴[8]和氨氮[9-10]等進行生態風險研究。但以天津市地表水作為研究對象的甚少，僅張新波[6]、

符剛[11]、王秋蓮[12]、殷偉[2]、石璇[8]等陸續開展了健康風險或生態風險研究，對全市地表水氨氮風險研究尚未見報道。本研究能夠彌補天津市地表水氨氮健康風險和生態風險研究的空白，對于管理部門開展地表水氨氮評價、績效考核和風險防控等具有參考價值。

1 材料與方法

1.1 研究區域選取

天津市下轄16個區，2018年全市生產總值為18809.64億元。同年，天津市地表水國家考核斷面水質優良比例僅為40%[13]，水環境形勢嚴峻。

1.2 數據來源

研究選取天津市生態環境監測中心官網發布的2016年8月—2020年12月天津市16個行政區的地表水氨氮月均值（http：//www.tjemc.org.cn/html/1//97/16/18/53/index.html）。數據樣本匯總統計結果見表1。

1.3 健康風險評估方法及參數

健康風險評價是于1980年前后在我國新興起的一項新型研究領域，其主要是將污染物和人體健康相關聯，利用人體暴露量與污染物毒性參數來定量描述污染物對人體健康的危害程度[4]，被廣泛用于飲用水中有害物質健康風險評價。通常在評價過程中將毒性物質分為致癌物質、放射性物質和非致癌物質，氨氮則屬于非致癌物質。國內現有研究存在以下特點：①利用美國EPA推薦的風險評價模型進行評價[3-5]，但不同學者采用的模型存在一定差異[1，3]。例如，有學者[1，4]引用的評價模型僅考慮日均飲水量、濃度和體重等參數，忽略了更多的實際限值因素。也有學者[3，14]在前者基礎上增加了暴露頻率、暴露延時、腸胃吸收系數等，使評價結果更貼近實際；②暴露途徑存在差異。地表水主要涉及皮膚接觸和飲用水等暴露途徑，但有學者僅研究飲用水途徑[1，4]，從而低估了污染物的健康風險；③模型參數（毒性參數和暴露參數）尚未完全本土化。多數研究中毒性參數引自美國EPA[3-6]，張清華等[4]引用美國暴露參數進行評價，忽略了人種、行為習慣等差異，這可能與實際情況不符；④風險評價標準不同。有學者[4]

選用國際輻射防護委員會推薦的標準5.0×10-5，也有學者[3，14]選取10-6（致癌風險）和1（非致癌風險）作為評價標準。研究揚長避短，基于美國EPA風險評價模型，選取皮膚接觸和飲用水等暴露途徑，評估參數全部實現中國化，評價模型及計算參數見表2和表3。氨氮不存在致癌風險，非致癌風險評價標準選取1。

1.4 生態風險評估方法及參數

研究采用熵值法評估地表水中氨氮的生態風險。熵值法是一種簡單且保守、使用普遍的生態風險評價方法[9，10]，該方法利用污染物暴露濃度與環境水質基準值的比值來表征污染物的生態風險程度。2013年，美國環境保護署發布了新的氨氮水生生物基準技術文件，提出了新的氨氮基準函數與基準值[18]。不同pH和溫度條件下氨氮對水生生物的毒性作用不同[18]。水中氨氮生態風險分為急性毒性和慢性毒性，應分別計算其生態風險。氨氮水生態風險計算時需要考慮季節變化引起的水溫變化，夏季和非夏季慢性基準存在顯著性差異[9，10]。2016年王一喆等[10]按照夏季和非夏季兩種情況對我國七大流域（松花江、遼河、海河、黃河、長江、珠江）推算了各流域氨氮水生生物基準值，該參數被學者應用推廣[9，17]，均取得了良好效果。

RQ=EEC/WQC

式中：RQ—危害商值；EEC—污染物的水體暴露濃度；WQC—環境水質基準值。根據風險商值判斷風險等級，當RQ＜1時認為基本無風險；1≤RQ＜10時為有風險；RQ≥10時為高風險[9，10]。天津市屬于海河流域，故本研究WQC選取王一喆[10]等研究成果中海河流域氨氮水生生物基準值，即夏季氨氮急性基準為0.48，非夏季氨氮急性基準為0.08，非夏季氨氮急性基準為1.16，非夏季氨氮慢性基準為0.22。

2 結果與討論

2.1 評價結果

2.1.1 健康風險時間變化特征

基于本研究選取的參數、模型和研究數據，計算獲取了天津市各區地表水氨氮的逐月健康風險，其時間變化趨勢繪制成圖，結果見圖1。

分析圖1可知，天津市地表水中氨氮健康風險評價結果有明顯的時間變化周期，存在雙峰現象，為每年2—3月和7—8月；2017年3月，河東地表水氨氮健康風險達到全市最大值，為2.35×10-2；

雙峰現象于2020年5月以后逐漸消失，健康風險一直處于低位狀態。天津市地表水氨氮健康風險為1.14×10-4～2.35×10-2，低于評價標準1，說明天津市地表水氨氮健康風險處于很低水平，基本可以忽略。

對研究獲取的健康風險數據按照季節（6—8月夏季；9—11月秋季；12—2月冬季；3—5月春季）取平均值，再對各區氨氮健康風險取平均值，獲取天津市各季節氨氮健康風險數值，結果見圖2。

分析圖2可知，天津市地表水氨氮健康風險存在顯著季節變化特征，冬季＞夏季＞春季＞秋季。

2.1.2 健康風險空間分布特征

基于ArcGIS10.1軟件對各區地表水氨氮健康風險空間分布特征進行表征，結果見圖3。

由圖3可知，天津市各區不同季節地表水氨氮健康風險存在明顯差異，且隨著季節變化，各區數值變化顯著。春季地表水中氨氮健康風險河東區和西青區數值最高，分別為5.3×10-3和5.1×10-3，東麗區和河北區次之，紅橋區最低，為5.0×10-4；夏季地表水中氨氮健康風險南開區數值最高，為4.5×10-3，河西區、東麗區、武清區次之，紅橋區和薊州區最低，分別為1.2×10-3和1.0×10-3；秋季地表水中氨氮健康風險武清區數值最高，為2.8×10-3，東麗區、濱海新區和南開區次之，紅橋區和靜海區最低，分別為9.0×10-4和9.0×10-4；冬季地表水中氨氮健康風險武清區數值最高，為4.7×10-3，東麗區、西青區和濱海新區次之，紅橋區最低，為1.0×10-3。就各區所有樣本平均值而言，天津市地表水氨氮健康風險存在明顯空間差異，其中東麗區、西青區和武清區數值最高，為3.5×10-3～3.7×10-3，河東區、濱海新區次之，靜海區和薊州區最低，分別為1.1×10-3和1.2×10-3。

2.1.3 生態風險時間變化特征

基于本研究選取的原始數據、模型和計算參數獲取了天津市地表水氨氮的逐月生態風險（急性和慢性），取每月急性風險或慢性風險中最大值表征生態風險時間變化趨勢，結果見圖4。

分析圖4可知，天津市地表水中氨氮生態風險評價結果有明顯的時間變化周期，存在雙峰現象，為每年2—3月（第一峰）和7—8月（第二峰），第一峰生態風險較低，第二峰生態風險較高。2019年10月以來，雙峰現象大幅減弱，總體向好，2020年9月后天津市全部為有風險或無風險，不涉及高風險。

2.1.4 生態風險空間分布特征

基于ArcGIS10.1軟件對各區地表水氨氮生態風險按照夏季、非夏季、急性生態風險和慢性生態風險進行空間表征，結果見圖5。

分析圖5可知，地表水氨氮急性生態風險（非夏季）總體為無風險或有風險，存在空間差異，西青區風險最高，為1.5，武清區、河東區、東麗區和濱海新區次之，紅橋區風險最低，為0.3。地表水氨氮急性生態風險（夏季）總體均為有風險，存在空間差異，南開區風險最高，為4.2，河西區、東麗區和武清區次之，薊州區風險最低，為1.0。地表水氨氮慢性生態風險（非夏季）總體為有風險，存在空間差異，西青區風險最高，為7.9，河東區、東麗區、武清區和濱海新區次之，靜海區最低，為2.2。地表水氨氮慢性生態風險（夏季）總體為有風險或高風險，空間差異顯著，南開區風險最高，為25.4，河西區、東麗區和武清區次之，薊州區風險最低，為6.0。

2.2 分析討論

2.2.1 總體風險水平分析

2016年8月—2020年12月：天津市地表水氨氮健康風險為1.14×10-4～2.35×10-2，遠低于評價標準1，研究結果與符剛[12]、王秋蓮[13]研究的風險水平相符，說明天津市地表水氨氮健康風險水平較低。天津市地表水氨氮生態風險為0.3～25.4，其中，非夏季急性生態風險為無風險或有風險，夏季急性生態風險為有風險，非夏季慢性生態風險為有風險，夏季慢性生態風險為有風險或高風險。研究表明[10]，海河流域氨氮生態風險超標數十倍至百倍，與本研究結果相符，說明天津市地表水夏季氨氮慢性生態風險需引起注意。

2.2.2 時間變化特征分析

天津市地表水氨氮濃度隨季節呈雙峰現象，與楊樂[19]等研究三峽中下游水體氨氮濃度變化特征相符。氨氮的雙峰現象導致其健康風險和生態風險也會出現雙峰現象。2019年10月以來，雙峰現象大幅減弱，總體向好，2020年9月后天津市不涉及高風險。氨氮生態風險變化趨勢與其健康風險變化趨勢基本相符。天津市境內污染主要來源于工業企業、城鎮生活以及農村面源排放[20]，說明天津市于2013—2016年實施的“清水河道行動”、2015年起實施的天津版“水十條”以及2018年實施的城市黑臭水體治理攻堅戰成效顯著，“一河一策”策略治理效果突出，政策的落地有效的化解了天津市地表水安全風險。僅2018年，天津對288家企業、108座污水處理廠完成提標改造及25條黑臭水體治理[13]，這對于減少氨氮排放起到積極作用。

天津市地表水氨氮健康風險和生態風險也存在明顯的季節變化特征。地表水氨氮負荷的輸出量與降雨、徑流量存在較好的相關性，但與徑流量的一致性更高，氨氮負荷的峰值集中在汛期，點源為城鎮生活和工業源，排放量在年內基本均勻[21]。除與地表徑流量有關外，還與硝化菌群的硝化作用有關。冬季地表水溫度低，硝化作用相對緩慢，氨氮去存量速度較慢；加之不斷排放的增量，導致冬季氨氮濃度增高，呈季節性變化趨勢[22]。雖然夏季硝化菌群的硝化作用明顯，對于降低氨氮生態風險起到關鍵作用，但夏季水溫高，氨氮易轉換成毒性較大的游離氨，在一定程度上又增加了氨氮的安全風險。在硝化作用和溫度的正向作用下，秋季成為地表水氨氮健康風險最低的季節。

2.2.3 空間分布特征分析

天津市地表水氨氮健康風險存在明顯空間差異，其中東麗區、西青區和武清區數值最高，

為3.5×10-3～3.7×10-3，河東區、濱海新區次之，靜海區和薊州區最低，分別為1.1×10-3和1.2×10-3。

這與符剛[12]研究結果（郊區＞濱海新區＞市區）基本相符?？臻g差異主要受產業布局、經濟水平及功能定位等因素決定。降雨徑流沖刷硬化路面累積的污染物是天津市區的關鍵源；西青和塘沽部分關鍵源區位于城鎮用地，一部分由于點源污染物的排放引起，一部分是由城鎮徑流攜帶的污染物造成的；塘沽部分和東麗關鍵源區的土地利用類型為水田，污染負荷是由于農業生產過程中大量化肥的施用引起的[21]。

3 結論

（1）2016年8月—2020年12月：天津市地表水氨氮健康風險為1.14×10-4～2.35×10-2，遠低于評價標準1；天津市地表水氨氮生態風險為0.3～25.4，夏季慢性生態風險為有風險或高風險；其余均為無風險或有風險。

（2）天津市地表水中氨氮健康風險和生態風險均存在雙峰現象，每年2—3月和7—8月；2019年10月以來，雙峰現象大幅減弱，總體向好，2020年9月后天津市不涉及高風險；健康風險存在明顯季節變化特征，冬季＞春季＞夏季＞秋季；生態風險夏季與非夏季風險水平差異較大。

（3）天津市地表水氨氮健康風險存在明顯空間差異，其中東麗區、西青區和武清區數值最高，為3.5×10-3～3.7×10-3，河東區、濱海新區次之，靜海區和薊州區最低，分別為1.1×10-3和1.2×10-3；天津市地表水氨氮生態風險存在明顯空間差異，其中東麗區、武清區風險最高，西青區和南開區次之，紅橋區、薊州區和靜海區風險最低。

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