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随着经济社会和城市工业化的发展，水源污染问题日益显著[1]. 地表水作为我国主要的地表水源，其水质受人类活动、地质构造等因素的影响有所下降[2 − 4]. 从流域分布情况来看，我国各地表水环境受污染的程度有所不同，且主要表现为重金属含量超标，其中海河流域和珠江流域污染较为严重，长江流域污染最轻[3 − 8]. 从重金属污染情况来看，不同水源的主要污染物存在一定的差异，如黄河[5]、松花江[6]、海河[3]和珠江[7]主要污染物为As和Cd，淮河干流水系[4]主要污染物为Cd，而辽河、长江[8]主要污染物为Hg. 受地质高背景值及水岩相互作用等自然因素的影响，地下水源同样存在重金属污染现象[9]. Guo等[10]在对我国河套盆地和呼和浩特盆地地下水的研究中发现，受As和Cr含量的影响，地下水水质较差；Bian等[11]研究发现，松嫩平原地下水Cr和Cd含量超标；师环环等[12]认为雷州半岛地下水主要污染物为Mn和As. 而地表水和地下水作为我国主要的饮用水水源，摄入是重金属进入人体的重要途径之一，相较其他污染物，重金属污染物具有高毒性、持久性和不可降解等特点，伴随生物富集效应，会对人体健康造成不利影响，如出现肾脏损伤、皮肤癌和食道癌等疾病[13 − 14]. 因此，对地表水和地下水重金属进行健康风险评价是十分必要的. 但由于不同重金属的毒性存在差异，将重金属含量与指导值进行单一比较不足以评估其对人体产生的潜在健康风险. 目前相关学者对重金属的健康风险评价通常采用美国国家环保署（US EPA）的水环境健康风险评价模型[15]，该模型是以重金属的平均含量为指标，基于对日平均剂量和暴露水平的评估，科学地表征重金属对人体所产生的潜在健康风险. 此外，再通过蒙特卡洛模拟的概率分析来量化评价过程中产生的不确定性，可以更真实地反映重金属的风险状况[16].
新疆地处中国西北内陆，受降水季节分布不均和蒸发量大的影响，水资源相对缺乏[17 − 18]. 在“一带一路”背景下，新疆城镇化进程不断推进，经济得到了快速发展，但同时也带来了一系列水源重金属污染问题[19 − 20]. 目前，相关学者对新疆地区不同水体（地表水或地下水）或不同区域水源的重金属污染情况已进行了相关研究，如吴丽娜等[19]在对乌鲁木齐周边地表水调查中发现，受工农业活动的影响，其地表水源存在一定的As和Cd污染；王楠等[21]和魏兴等[22]的研究发现，石河子和喀什地区地下水存在一定的Mn和As污染，且具有空间异质性；韩芹芹等[23]对乌鲁木齐主要饮用水源地水质进行了研究，发现乌鲁木齐地表水和地下水均存在重金属污染现象. 但由于新疆地区地表水和地下水具有同源性，在水循环过程中存在一定的交互过程[24]，而这种交互过程是否会对地表水和地下水中重金属含量的再分布产生影响尚不清晰. 因此，全面而系统地分析和评价新疆主要水源的水质对于了解新疆地区地表水和地下水中重金属的分布特征和对人体的健康风险进行评价是十分必要的.
本研究主要收集了近16年（2007 — 2023）国内外已发表的学术论文，以新疆地区不同流域地表水和地下水中重金属的平均含量为基准，探究其空间分布特征及健康风险，旨在明晰新疆各流域地表水和地下水中重金属空间分布和污染程度，以期为保障新疆地区居民的饮水安全及水资源的科学利用提供理论依据.
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如图1所示，研究区位于新疆中部和南部，四季分明，降水稀少，气候干燥，年平均降水量为162.2 mm，属于典型的温带大陆性干旱气候. 研究区中部饮用水水源主要分布在由山区降水和冰川融雪水汇聚形成的河流和湖泊，以地表水为主，包括博斯腾湖（86°5′N — 87°3′N、 41°5′E — 42°E）、巩乃斯河、乌拉泊水库、天山地表水、博尔塔拉河等流域，其中博斯腾湖是我国最大的内陆淡水湖；而地下水源则主要分布在南部绿洲平原区，包括喀什地区、叶尔羌河流域、焉耆盆地、若羌-且末、塔里木盆地（37°N — 42°N、 75°E — 90°E）等地，属典型干旱区，其中塔里木盆地是我国面积最大的内陆盆地.
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本研究从公开发表的文献中，收集了2007 — 2023年新疆典型流域水体重金属含量统计数据，共计404组地表水和552组地下水水样. 样品点主要分布在博斯腾湖、博尔塔拉河、塔里木河、叶儿羌河和巩乃斯河等流域，除新疆奎屯垦区地下水为承压水（H > 200 m）外，其余均为地表水或浅层地下水，样品点的流域具体分布如图1所示. 本研究根据流域特点和样品点的平均检测周期（地表水和地下水样品点的平均监测周期分别为半年和一年），选择具有代表性的若干样品点并统计其相关数据，人工剔除数据中重金属含量明显超出其附近值的样本（可能受工农业活动等因素的影响而导致高值），并将重金属含量的平均值作为分析值. 根据相关文献显示，每个样品点均采集3个平行样品，并用浓硝酸酸化（pH < 2），运回实验室置于4℃冰箱密封保存. 其中，Cu、Pb、Zn、Cd、Cr和Ni的含量采用等离子体质谱法（ICP-MS
7500 ，美国）测定；As和Hg的含量采用原子荧光光谱法（AFS8330 ，北京）进行测定. 测定过程中重金属的测试准确度和精密度均在国家标准参比物质的允许范围内. -
一般而言，重金属可通过直接摄入、皮肤入渗和呼吸方式进入人体，其中直接摄入及皮肤入渗是水源重金属进入人体的主要方式[15, 25]. 本研究采用美国环保署（US EPA）推荐的健康风险评价模型，主要通过非致癌风险（Pb、Cu、Ni和Zn）和致癌风险（Cr、As和Cd）两种评价方式进行评价.
根据US EPA（2012）[15]推荐的修正公式计算直接摄入（ADDingestion）和皮肤入渗（ADDdermal）的平均日剂量（ADD）:
其中，ADDingestion和ADDdermal分别是摄入量和皮肤入渗日平均剂量（μg·（kg·d）−1）；BW为平均体重（kg）（成人和儿童分别取70、15 kg）；AT为平均暴露时间（d）（成人和儿童均为
25550 d）；CW为水中重金属的平均含量（μg·L−1）；IR为摄食率（L·d−1）（成人和儿童分别取2、0.64 L·d−1）；EF表示金属元素的暴露频率（d·a−1）（成人和儿童均为350 d·a−1）；ED为暴露持续时间（a）（成人和儿童分别为30、6 a）；SA为暴露的皮肤面积（cm2）（成人和儿童分别为18000 、6600 cm2）；PC表示水体金属元素在皮肤上的渗透常数（cm·h−1），参数取值见表1；ET为暴露时间（h·d−1）（成人和儿童分别为0.58、1 h·d−1）. -
非致癌风险评价采用危险商（HQ）进行量化，HQ为各个途径的暴露量与参考剂量（RfD）的比率，危害指数（HI）是所有重金属危害商之和，表示所有重金属潜在的非致癌风险. HQ和HI的计算方法如下：
其中RfD是重金属的摄入毒性参考剂量和皮肤吸附参考剂量（μg·（kg·d）−1），参数取值见表1. 当HI < 1时，不存在有害影响；当HI > 1时，可能会对健康产生有害影响.
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式中，CR是人体暴露于导致癌症的元素的概率；SF为本研究中污染物致癌强度系数的参考剂量（μg·（kg·d）−1）（见表2）. 中华人民共和国环境保护部推荐的可接受范围CR < 1.0×10−6，美国环保局推荐的可接受或可容忍的致癌风险范围在10−6 — 10−4之间.
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采用蒙特卡洛法进行整体的不确定分析及各参数的敏感度分析，敏感度的绝对值越大则其对风险结果的影响越大，且敏感度为正值，则表示与风险结果正相关[26]. 蒙特卡洛法是根据变量的分布函数，采用内置于Excel的Oracle Crystal Ball软件进行数据处理，并输出仿真结果的概率分布，每次运行迭代次数设置为100000，置信水平确定为95%，求出风险评价的近似解. 相关参数含义、分布类型见表3.
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新疆各主要地表水中重金属的含量统计见表4. 从表4可见，各地表水源重金属的平均含量与法国塞纳河、美国密西西比河等主要流域重金属含量接近，普遍高于世界平均水平（Cd、Pb除外），但整体属于我国《地表水环境质量标准》（GB
3838 -2002）Ⅰ类地表水（博尔塔拉河除外）. 从水质上来看，除博斯腾湖中As、博尔塔拉河中Pb外，其他各地表水重金属的平均含量整体符合我国《生活饮用水卫生标准》（GB5749 -2022）、WHO和US EPA要求的饮用水标准. 具体而言，博斯腾湖中As的平均含量为21.13 μg·L−1、博尔塔拉河中Pb的平均含量为45 μg·L−1，分别是我国饮用水标准规定值的2.1倍和4.5倍. 其中博尔塔拉河中各重金属的含量主要受人为因素的影响（如工农业污水及交通运输）[34, 46]，而博斯腾湖及其他水体则主要源于自然背景值[30 − 33, 35 − 37]. 此外，受高蒸发、少降雨等自然因素的影响，加之水库水体更新周期缓慢等原因，地表水源各重金属的含量整体表现为湖库水略高于河流水（博尔塔拉河除外）.从空间分布来看，各重金属的平均含量在各流域水体中未表现出明显的地域差异性. 新疆各主要地表水重金属的含量主要受人为和自然因素的共同影响[30 − 37]. 受沿岸工业生产、城镇生活、交通运输及农业生产中污染物排放的影响，博尔塔拉河中Cd、Cr和Pb的含量明显高于其他流域 [34, 46]；而受自然背景值（高砷富集地质和水热条件）的影响，As在博斯腾湖中的含量显著高于其他流域[47].
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新疆各主要流域地下水中重金属的含量统计见表5. 由表5可知，各地下水源重金属的平均含量远低于世界绝大部分典型流域地下水源（如巴基斯坦和印度旁遮普邦），且整体符合我国《地下水质量标准》（GB/T
14848 -2017）Ⅲ类地下水标准（奎屯垦区As除外）；从饮水安全来看，除奎屯垦区的As（平均含量为210.2 μg·L−1）和塔里木地中的Cd（平均含量为20 μg·L−1）外，新疆各流域地下水中所考察的重金属的整体含量亦符合《生活饮用水卫生标准》（GB5749 —2022）、WHO和US EPA规定的标准限值. 但由于地下水环境的空间异质性，重金属的平均含量并不能代表整个流域地下水的水质情况，如叶尔羌河流域地下水中As的平均含量虽然满足我国饮用水标准，但最大值达136 μg·L−1（约为规定值的14倍）；此外，奎屯垦区地下水As含量也明显高于其他流域，其主要原因为该水样为深层承压水（ H > 200 m），且该地区地下水具有碱性和还原性[57]、地下径流更替缓慢和相对封闭的水文地质条件[50, 58 − 59].受新疆原生地下水的影响，地下水中镉污染一直是学者关注的重点. 但令人意想不到的是，塔里木盆地中的浓度相对突出，其Cd的含量远高于其他流域，其最大值为
1340 μg·L−1，约为饮用水规定值的268倍. Fan[52]的研究认为含镉岩石的地质侵蚀、风化作用和入渗等自然因素是造成塔里木盆地地下水Cd富集的主因，其次，农业灌溉的淋滤作用是造成地下水Cd富集的主要人为因素[60]. 受缓慢的地下水径流和相对封闭的水文地质环境的影响，塔里木盆地地下水重金属含量约高出地表水1— 3个数量级. 因此，本地区在饮用水水源选取过程中，应尽量避免选用地下水作为饮用水源. -
根据美国环保署（US EPA）推荐的健康风险评价模型和参数，计算出新疆各地表水中重金属分别通过摄入途径和皮肤入渗途径对成人和儿童暴露的非致癌健康风险，见表6. 整体而言，新疆各主要地表水中由重金属引起的非致癌风险指数大部分在安全范围之内（HI < 1），说明地表水中重金属含量对人体无显著的健康影响. 但是，博斯腾湖中As（成人和儿童的HI分别为1.94和2.88）和博尔塔拉河中Pb（成人和儿童的HI分别为0.88和1.32）的风险危害指数较高，对人体存在较高的潜在非致癌健康风险. 除上述地区As和Pb，各重金属在所研究流域对人体的非致癌健康风险整体排序为：As > Cr > Cd > Ni > Pb > Cu > Zn. 从非致癌健康风险排序中可以看出，As是新疆地区引起人体健康危害的主要重金属元素，特别是在博斯腾湖流域；此外，在博尔塔拉河流域，除Pb外，As、Cd和Cr均表现出较高的非致癌风险，表明该地区存在一定的重金属污染，需格外关注饮用水源水质的安全.
除博斯腾湖中As和博尔塔拉河中Pb之外，通过不同途径进入人体所产生的健康风险不同. 从摄入途径来看，成人和儿童的HQingestion范围值分别为1.22×10−4 — 5.40×10−1和1.82×10−4 — 8.05×10−1；从皮肤入渗途径来看，成人和儿童的HQdermal范围值分别为6.83×10-10 — 6.45×10−4和2.01×10−9 — 1.90×10−3. 虽然重金属通过两种途径对人体的非致癌健康风险均处于安全阈值内，但摄入途径的HQ值约高于皮肤入渗途径2 — 4个数量级，说明摄入途径是引起人体非致癌风险的主要途径[61]. 而对于同一流域而言，受儿童免疫能力和行为习惯的影响[62 − 63]，地表水中重金属对儿童产生的健康风险明显高于成人（HI儿童 > HI成人），同样需要引起一定的关注.
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新疆各主要流域地下水中各重金属通过不同途径对成人和儿童的非致癌健康风险见表7. 从表中可以看出，奎屯垦区地下水中As的HI值异常高，成人和儿童的HI值分别高达19.25和28.67，远远超出美国环保署（US EPA）规定的风险阈值. 究其原因主要是奎屯垦区属于典型的新疆原生高砷地下水区域，且采集的地下水样本为深层地下水[59, 64]. 除奎屯垦区以外，其他流域各重金属对成人和儿童的HI值范围分别为9.16×10−5 — 1.1和1.36×10−4 — 1.64，说明地下水对成人和儿童均存在一定的健康风险. 具体来讲，在塔里木盆地南缘地下水中，Cd对成人和儿童的HI值分别为1.1和1.64，表明当地地下水存在一定的健康风险. 而叶尔羌河流域地下水As对儿童的HI值为1.23，说明该流域地下水中As可能对儿童产生较高的健康风险. 因此，若以上两地区居民在以地下水作为饮用水源时，需警惕其对人体带来的健康风险.
在所研究的地下水区域中，各重金属对人体的非致癌风险整体排序为：As > Cd > Cr > Pb > Ni > Cu > Zn. 与地表水相比，地下水中Cd对人体的HI值约高出地表水1个数量级，As的HI值也整体略高于地表水，说明新疆地区地下水重金属产生的非致癌健康风险较地表水略高，这可能是因为新疆地区属于干旱内陆盆地典型的高砷地下水分布区域，同时受地质源和水文地球化学双重作用的影响，造成重金属As在地下水中富集[65, 66]. 综上所述，无论地下水还是地表水，由As引起的健康风险需格外引起关注.
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为探究地表水中重金属对人体的致癌风险，本研究选取对人体有致癌风险的3种重金属元素（As、Cd和Cr）进行分析，其CR计算结果见图2. 成人和儿童在各流域中由As引起的CR值排序为博斯腾湖（成人：3.72×10−4，儿童：1.11×10−4） > 天山地表水（成人：9.46×10−5 ，儿童：2.82×10−5） > 博尔塔拉河（成人：7.40×10−5，儿童：2.21×10−5） > 塔里木河（成人：5.41×10−5，儿童：1.61×10−5） > 乌拉泊水库（成人：3.87×10−5，儿童：21.161×10−5） > 昌吉沙湾融雪水（成人：2.78×10−5，儿童：8.30×10−6）；由Cd引起的CR值排序为博尔塔拉河（成人：5.37×10−4，儿童：1.60×10−4） > 巩乃斯河（成人：2.44×10−5，儿童：7.29×10−6） > 博斯腾湖（成人：8.59×10−6，儿童：2.57×10−6） > 乌拉泊水库（成人：7.16×10−6，儿童：2.14×10−6） > 乌鲁木齐地表水（成人：7.16×10−6，儿童：2.14×10−6） > 天山地表水（成人：4.44×10−6，儿童：1.33×10−6） > 昌吉沙湾融雪水（成人：2.44×10−6，儿童：7.27×10−7） > 塔里木河（成人：1.43×10−6，儿童：4.28×10−7）；由Cr引起的CR值排序为博尔塔拉河（成人：2.84×10−2，儿童：8.48×10−3） > 博斯腾湖（成人：2.39×10−3，儿童：7.15×10−4） > 乌鲁木齐地表水（成人：2.31×10−3，儿童：6.90×10−4） > 乌拉泊水库（成人：2.07×10−3，儿童：6.18×10−4） > 巩乃斯河（成人：7.40×10−3，儿童：2.21×10−4） > 昌吉沙湾融雪水（成人：6.92×10−4，儿童：2.07×10−4） > 塔里木河（成人：2.07×10−4，儿童：6.18×10−5）. As、Cd和Cr等3种重金属通过摄入途径引起的CR值均高于皮肤入渗途径4个数量级以上，而通过皮肤入渗引起的CR值在安全范围内（1.0×10−6），引起的致癌健康风险较小. 相反，3种重金属元素通过摄入途径引起的CR值均高于我国规定限值（1.0×10−6），其中，As和Cd引起的CR值尚在US EPA推荐的可接受范围（10−6 — 10−4）[15]，而Cr的CR值明显超出了US EPA的推荐值，表明As、Cd和Cr均可通过饮用水摄入对成人和儿童构成健康风险，在未来研究和监管中应侧重对Cr的监测和评估.
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地下水源中重金属（As、Cd和Cr）的CR计算结果见图3. 成人和儿童在各流域中由As引起的CR值排序为：奎屯垦区（成人：3.70×10−3，儿童：1.11×10−3） > 喀什地区（成人：1.23×10−4，儿童：3.68×10−5） > 叶尔羌河流域（成人：1.58×10−4，儿童：4.7×10−5） > 塔里木盆地（成人：8.81×10−5，儿童：2.63×10−5） > 焉耆盆地（成人：3.52×10−5，儿童：1.05×10−5） > 若羌-且末地区（成人：1.76×10−5，儿童：5.26×10−6）；由Cd引起的CR值排序为塔里木盆地（成人：1.43×10−3，儿童：4.27×10−4） > 博斯腾湖流域（成人：5.01×10−4，儿童：1.49×10−4） > 喀什地区（成人：2.15×10−4，儿童：6.42×10−5） > 奎屯垦区（成人：1.50×10−4，儿童：4.49×10−5） > 叶尔羌河流域（成人：7.16×10−5，儿童：2.14×10−5）；由Cr引起的CR值排序为塔里木盆地（成人：9.63×10−3，儿童：2.87×10−3） > 博斯腾湖流域（成人：5.78×10−3，儿童：1.73×10−3） > 焉耆盆地（成人：9.63×10−4，儿童：2.88×10−4） > 若羌-且末地区（成人：1.44×10−3，儿童：4.31×10−4） > 奎屯垦区（成人：9.63×10−4，儿童：2.87×10−4） > 叶尔羌河流域（成人：9.63×10−4，儿童：2.87×10−4）. As、Cd和Cr经皮肤暴露引起的CR值在安全范围内（1.0×10−6），由此引起的致癌健康风险相对较小，这与地表水结果一致. 但在摄入途径方面，所研究的重金属元素所引起的致癌风险却呈现出明显的地域差异性. 具体来讲，受地质因素和深层地下水的影响，奎屯垦区是我国典型的饮用水型地方性砷中毒地区，As产生的致癌健康风险较高（图3）；而Cd 和Cr在塔里木盆地地下水源中表现出较高的致癌风险. 因此，在以地下水作为主要饮用水水源时，需要同时对As、Cd和Cr进行监管和评估.
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在本研究中，主要的健康风险是奎屯垦区成人和儿童摄入砷的致癌风险. 因此，采用蒙特卡洛法来量化健康风险评估中的不确定性，并对随机变量进行敏感性分析. 在成人CR的计算中，90%的迭代概率范围为
3.103022 ×10−3 —6.275147 ×10−3（平均值：4.492248 ×10−3）；对于儿童，90%的迭代概率为9.276690 ×10−4 —1.877081 ×10−3（平均值：1.343122 ×10−3）. 成人和儿童的CR值均高于我国规定的安全阈 值（<1×10−6）和美国环保署建议的最大可接受范围（10−6 — 10−4），与致癌健康风险评价结果一致. 因此，有必要对奎屯垦区地下水As进行优先调查和长期监测. 而敏感性分析结果表明（图4），奎屯垦区As的平均含量在成人和儿童中的敏感度最高，是影响致癌风险水平的主要因素. 其次，对成人影响最大的不确定因素是平均暴露时间AT和暴露频率EF，而儿童是暴露持续时间ED、平均体重BW和摄食率IR，儿童对地下水中As含量的变化更为敏感. -
本研究通过对新疆各典型流域地表水和地下水中七种典型的重金属元素（As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb和Zn）进行归纳分析，并采用美国环保署（US EPA）推荐的健康风险评价模型进行评价，得出以下结论：
1）研究区域内地表水及地下水中重金属元素的平均含量整体分别符合我国地表水质量标准Ⅰ类水标准和地下水质量标准III类水标准. 地表水中重金属含量主要受人为和自然因素的共同影响，而地下水则主要受自然因素的影响.
2）从空间分布来看，地下水中重金属的含量明显高于地表水，且湖泊水略高于河流水. 在地表水源中，局部流域呈现出一定程度的As、Pb超标；而地下水源中则呈现出一定的As、Cd超标，且主要集中在塔里木盆地.
3）在地表水源中，重金属元素通过摄入途径和皮肤入渗途径对成人和儿童引起的非致癌风险大小排序为：As > Cr > Cd > Ni > Pb > Cu > Zn；在地下中的排序为：As > Cd > Cr > Pb > Ni > Cu > Zn. 无论地表水还是地下水，As均是造成人体健康风险的主要元素，且儿童的健康风险高于成人，其健康风险主要源于摄入途径.
4）致癌风险评价结果显示，摄入是造成人体致癌风险的主要途径. 新疆地区地表水中存在一定程度的Cr致癌风险，地下水源中则呈现出明显的地域差异性，如奎屯垦区表现为As致癌风险，而塔里木盆地表现出Cd和Cr致癌风险. 不确定分析表明，奎屯垦区成人和儿童As的不确定分析结果与健康风险评估结果一致. 总体而言， As的平均含量C、成人变量中EF、BW以及儿童变量中ED均需要在调节和管理方面给予额外的关注.
新疆典型地区地表水与地下水重金属分布特征及健康风险评价
Distribution characteristics and health risk assessment of heavy metals in surface water and groundwater in typical areas of Xinjiang
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摘要: 水源水质是影响社会稳定和经济发展的主要因素. 为综合分析评价新疆典型地区地表水和地下水中重金属的分布特征及对人体的健康风险，本研究选取了8处典型流域地表水(404组水环境样品)和7处典型流域地下水(552组水环境样品)中的7种典型重金属元素(As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb和Zn)进行统计，分别运用多元统计分析、健康风险评价及其不确定性分析以揭示新疆典型地区地表水和地下水重金属的分布状况和对人体产生的健康风险. 结果表明，新疆各研究区域地表水和地下水重金属的平均含量均符合我国现行的饮用水卫生标准. 各重金属的含量分布在地表水源中并未表现出明显的地域特征，但在地下水源中主要表现为塔里木盆地As和Cd富集的特点；健康风险评价结果表明，健康风险主要来源于摄入途径且儿童的健康风险较高. 非致癌健康风险(HI)主要由金属元素As引起，具体体现在地表水源的博斯腾湖流域和地下水源的奎屯垦区、叶尔羌河流域. 其中，地表水源中各重金属对人体非致癌风险的排序为： As >Cr >Cd >Ni >Pb >Cu >Zn；地下水源中的排序为：As >Cd >Cr >Pb >Ni >Cu >Zn . 致癌风险评价结果显示，As和Cr是新疆各水源中影响人体健康的主要重金属元素，尤其是地下水源. 因此，当地政府在饮用水源的选取过程中，应同时加强对水体中As和Cr的监管和控制.Abstract: Water quality of source water is an important factor, which affects the social stability and economic development. In order to comprehensive analyze and evaluate the distribution characteristics and health risk to humans of heavy metals in surface water and groundwater in typical areas of Xinjiang, seven typical heavy metals (As, Cd, Cr, Cu, Ni, Pb and Zn) were selected from eight typical catchment surface water (404 groups of water environment samples) and seven typical catchment groundwater (552 groups of water environment samples) in the research, and used Multivariate statistical analysis, health risk assessment and uncertainty analysis to reveal the distribution and health risk of heavy metals in surface water and groundwater in typical areas of Xinjiang. The results revealed that: The average concentrations of heavy metals in surface water and groundwater of various research areas in Xinjiang were coincidenced the current drinking water hygienic standard. The content distribution of heavy metals in surface water show unobvious regional characteristics, but it mainly manifested as As and Cd were enrichmented in Tarim Basin in groundwater; The health risk assessment showed that the health risks were mainly from ingestion routes, and the health risks to children was higher than that to adults. The non-carcinogenic health risk(HI) was mainly caused by As, and were specific reflected in the Bosten Lake basin of surface water and the Kuitun Reclamation area、the Yerqiang River basin of groundwater. the non-carcinogenic health risk of heavy metals in surface water were in order: As > Cr > Cd > Ni > Pb > Cu > Zn; in groundwater were in order: As > Cd > Cr > Pb > Ni > Cu > Zn; Carcinogenic health risk assessment results show that As and Cr were the main heavy metal element affecting human health in water sources in Xinjiang, especially in groundwater. Therefore, the local government should strengthen the supervision and control of As and Cr in water during the selection of drinking water sources.
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Key words:
- surface water /
- groundwater /
- heavy metals /
- health risk assessment.
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图 1 研究区域地表水及地下水样品流域示意图
Figure 1. Schematic diagram of surface water and ground water Sampling watershed in the study area
图 2 地表水中As、Cd和Cr通过皮肤入渗和摄入途径对成人和儿童引起的癌症风险值
Figure 2. Cancer risk values caused by As、Cd and Cr in surface water to adults and children through skin infiltration and ingestion routes
图 3 地下水中As、Cd和Cr通过皮肤入渗和摄入途径对成人和儿童引起的癌症风险值
Figure 3. Cancer risk values caused by As、Cd and Cr in groundwater to adults and children through skin infiltration and ingestion routes
图 4 奎屯垦区地下水中As对成人和儿童引起癌症风险的敏感性分析
Figure 4. Sensitivity Analysis of As in Groundwater of Kuitun Reclamation Area on Cancer Risk in Adults and Children
表 1 水体中重金属元素在皮肤上的渗透常数和参考剂量
Table 1. Permeability constant and reference dose of heavy metals on skin in water
重金属
MetalsAs Cd Cr Cu Pb Ni Zn 渗透常数PC/（cm·h−1） 1×10−3 1×10−3 2×10−3 1×10−3 1×10−4 2×10−4 6×10−4 参考剂量RfD/（μg·（kg·d）−1） RfDingestion 0.3 0.5 3 40 1.4 20 300 RfDdermal 0.285 0.025 0.075 12 0.42 0.8 60 
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表 2 水体中重金属通过直接摄入和皮肤入渗的致癌强度系数
Table 2. Carcinogenic intensity coefficient through direct ingestion and skin penetration of heavy metals in water
重金属
MetalsAs Cd Cr SF/（μg·（kg·d）−1） SFingestion 1.5 6.1 0.5 SFdermal 3.66 0.38 0.5
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表 3 基于蒙特卡洛法不确定参数的分布类型
Table 3. Distribution types of uncertain parameters based on Monte Carlo method
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表 4 新疆典型地区地表水重金属含量统计
Table 4. The concentration statistics of heavy metals for surface water in typical areas of Xinjiang
地区
Regions重金属元素含量/（μg·L−1）
Contents of heavy metals参考文献
ReferencesAs Cd Cr Cu Ni Pb Zn 博斯腾湖
（N=34）Min 3.55 0.04 3.19 5.48 24.31 0.02 2.10 [30] Max 39.18 0.29 12.56 32.45 64.22 0.19 24.59 Avg 21.13 0.12 4.97 17.03 33.54 0.09 11.16 巩乃斯河
（N=10）Min — 0.024 0.27 0.56 6.48 0.029 1.56 [31] Max — 0.081 1.37 1.47 11.96 0.23 10.96 Avg — 0.048 0.59 0.77 8.48 0.057 5.20 乌拉泊水库
（N=5）Min 1.70 0.07 2.70 1.20 — 0.80 7.00 [32] Max 3.50 0.12 6.20 1.70 — 1.40 13.00 Avg 2.20 0.10 4.30 1.50 — 1.10 9.00 天山地表水
（N=25）Min 0.71 — 0.46 0.27 5.38 — 0.085 [33] Max 22.67 0.28 4.34 11.41 91.88 0.061 4.90 Avg 5.37 0.062 1.17 2.11 24.48 0.007 1.33 博尔塔拉河
（N=21）Min — — — — — — 8.70 [34] Max 8.70 14.0 150.00 7.90 — 81.00 47.00 Avg 4.20 7.50 59.00 3.90 — 45.00 28.00 昌吉沙湾融雪水
（N=180）Min 0.52 0.013 0.78 — 0.72 0.007 0.39 [35] Max 5.73 0.13 2.13 — 1.73 0.466 449.05 Avg 1.58 0.034 1.44 — 0.95 0.072 56.23 塔里木河
（N=56）Min 0.40 0.01 0.07 0.14 0.11 0.02 0.12 [36] Max 14.24 0.17 2.36 11.44 44.80 2.18 43.52 Avg 3.07 0.02 0.43 1.22 1.79 0.45 7.11 乌鲁木齐地表水
（N=73）Min — — 0.40 0.20 — 0.00 — [37] Max — 0.30 31.70 51.60 — 49.00 — Avg — 0.10 4.80 7.20 — 2.70 — Mississippi River, USA Avg 11 — — — — — 15 [38] Seine River, France Avg 0.075 0.031 — 2.23 — 0.354 — [39] Nile River Avg 2.4 0.8 3.3 8 3.3 22 13 [40] Tigris River Avg 0.63 0.044 25.41 17.1 24.52 2.82 12.01 [41] Ganga River, India Avg — 5 — 600 140 120 — [42] World average Avg 0.62 0.08 0.7 1.48 0.8 0.079 0.6 地表水环境质量标准I类 （GB 3838 —2002）50 1 10 10 — 10 50 [43] 生活饮用水卫生标准（GB 5749 —2022）10 5 50 1000 — 10 1000 [44] WHO，2011 10 3 50 2000 70 10 — [45] US EPA，2012 10 5 100 1300 — — — [15] 注：表中“—”代表未检出. Note:The“—”represents not detected in the table.
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表 5 新疆典型地区地下水重金属含量统计
Table 5. The concentration statistics of heavy metals for groundwater in typical areas of Xinjiang
地区Regions 重金属元素含量/（μg·L−1）
Contents of heavy metals参考文献
ReferencesAs Cd Cr Cu Ni Pb Zn 喀什地区
（N=68）Min — — — — — — — [48] Max 34.00 16.00 — — 132.00 — 684.00 Avg 7.00 3.00 — — 62.00 — 35.00 博斯腾湖流域
（N=67）Min — 2.00 5.00 9.00 — — 5.00 [49] Max — 11.00 42.00 108.00 109.00 — 454.00 Avg — 7.00 12.00 27.00 22.00 — 65.00 奎屯垦区
（N=16）Min 45.00 — — — — — — [50] Max 381.00 3.50 3.50 2.80 — 42.50 — Avg 210.20 2.10 2.00 1.50 — 28.20 — 叶尔羌河流域
（N=75）Min — — — — — — — [51] Max 136.00 4.00 5.00 — — 2.00 2435.00 Avg 9.00 1.00 2.00 — — 1.00 65.00 焉耆盆地
（N=42）Min — — — — — — — Max 10 — 25.00 — — 3.00 613.00 Avg 2.00 — 4.00 — — 1.00 18.00 若羌-且末
（N=18）Min — — — — — — — Max 6.00 — 14.00 2.00 — 2.00 4.00 Avg 1.00 — 3.00 1.00 — 1.00 1.00 塔里木盆地
（N=266）Min 1.00 2.00 4.00 10.00 — 1.00 2.00 [52] Max 91.00 1340.00 25.00 670.00 — 50.00 800.00 Avg 5.00 20.00 20.00 30.00 — 4.00 40.00 Southern Italy Min 0.78 0.53 0.83 0.61 0.90 0.85 [53] Max 145.3 6.2 — 85.9 263.8 7.5 786.2 Avg 3.56 2.14 — 3.87 3.66 1.22 12.8 Pakistan Avg — 10 — 310 90 140 610 [54] Ropar wetland, Punjab, India Avg — 3 5 10 — 40 580 [55] 地下水质量标准（GB/T 14848 —2017） III类10 5 50 1000 20 10 1000 [56] 生活饮用水卫生标准（GB 5749 —2022）10 5 50 1000 — 10 1000 [44] WHO, 2011 10 3 50 2000 70 10 — [45] US EPA, 2012 10 5 100 1300 — — — [15] 注：表中“—”代表未检出. Note:The“—”represents not detected in the table.
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表 6 新疆典型地区地表水重金属评价
Table 6. Evaluation of heavy metals for surface water in typical areas of Xinjiang
博斯腾湖
Bosten Lake巩乃斯河
Kunes River乌拉泊水库
Wulabo Reservoir天山地表水
Surface water of
Tianshan Mountains博尔塔拉河
Bortala River昌吉沙湾融雪水
Snowmelt water in
Changji and Shawan塔里木河
Tarim River乌鲁木齐地表水
Surface water
of Urumqi成人 儿童 成人 儿童 成人 儿童 成人 儿童 成人 儿童 成人 儿童 成人 儿童 成人 儿童 HQingestion As 1.94 2.88 — — 2.01×10−1 3.00×10−1 4.92×10−1 7.32×10−1 3.85×10-1 5.73×10−1 1.45×10−1 2.15×10−1 2.81×10−1 4.19×10−1 — — Cd 6.59×10−3 9.82×10−3 1.87×10−2 2.79×10−2 5.49×10−3 8.18×10−3 3.41×10−3 5.07×10−3 4.12×10-1 6.14×10−1 1.87×10−3 2.78×10−3 1.10×10−3 1.63×10−3 5.49×10−3 8.18×10−3 Cr 4.55×10−2 6.78×10−2 1.41×10−2 2.10×10−2 3.94×10−2 5.86×10−2 1.07×10−2 1.59×10−2 5.40×10-1 8.05×10−1 1.32×10−2 1.96×10−2 3.94×10−3 5.86×10−3 4.40×10−2 6.55×10−2 Cu 1.17×10−2 1.74×10−2 1.52×10−3 2.27×10−3 1.03×10−3 1.53×10−3 1.45×10−3 2.16×10−3 312.68×10−3 3.99×10−3 — — 8.38×10−4 1.25×10−3 4.95×10−3 7.36×10−3 Ni 4.61×10−2 6.86×10−2 1.58×10−2 2.35×10−2 — — 3.36×10−2 5.01×10−2 — — 1.30×10−3 1.94×10−3 2.46×10−3 3.66×10−3 — — Pb 1.77×10−3 2.63×10−3 3.30×10−3 4.91×10−3 2.16×10−2 3.21×10−2 1.37×10−4 2.05×10−4 8.83×10−1 1.32 1.41×10−3 2.10×10−3 8.83×10−3 1.32×10−2 5.30×10−2 7.89×10−2 Zn 1.02×10−3 1.52×10−3 1.12×10−3 1.66×10−3 8.24×10−4 1.23×10−3 1.22×10−4 1.82×10−4 2.56×10−3 3.82×10−3 5.15×10−3 7.67×10−3 6.51×10−4 9.70×10−4 — — HQdermal As 3.04×10−5 8.94×10−5 — — 3.16×10−6 9.31×10−6 7.72×10−6 2.27×10−5 6.04×10−6 1.78×10−5 2.27×10−6 6.68×10−6 4.41×10−6 1.30×10−5 — — Cd 1.97×10−6 5.79×10−6 5.59×10−6 1.64×10−5 1.64×10−6 4.82×10−6 1.02×10−6 2.99×10−6 1.23×10−4 3.62×10−4 5.57×10−7 1.64×10−6 3.28×10−7 9.64×10−7 1.64×10−6 4.82×10−6 Cr 5.43×10−5 1.60×10−4 1.68×10−5 4.94×10−5 4.70×10−5 1.38×10−4 1.28×10−5 3.76×10−5 6.45×10−4 1.90×10−3 1.57×10−5 4.62×10−5 4.70×10−6 1.38×10−5 5.25×10−5 1.54×10−4 Cu 5.82×10−7 1.71×10−6 7.57×10−8 2.23×10−7 5.12×10−8 1.51×10−7 7.22×10−8 2.12×10−7 1.33×10−7 3.92×10−7 — — 4.17×10−8 1.23×10−7 2.46×10−7 7.23×10−7 Ni 3.44×10−6 1.01×10−5 1.18×10−6 3.47×10−6 — — 2.51×10−6 7.38×10−6 — — 9.73×10−8 2.86×10−7 1.83×10−7 5.39×10−7 — — Pb 8.78×10−9 2.58×10−8 1.64×10−8 4.82×10−8 1.07×10−7 3.16×10−7 6.83×10-10 2.01×10−9 4.39×10−6 1.29×10−5 7.02×10−9 2.07×10−8 4.39×10−8 1.29×10−7 2.63×10−7 7.75×10−7 Zn 4.57×10−8 1.35×10−7 4.99×10−8 1.47×10−7 3.69×10−8 1.08×10−7 5.46×10−9 1.61×10−8 1.15×10−7 3.37×10−7 2.30×10−7 6.78×10−7 2.91×10−8 8.57×10−8 — — HI As 1.94 2.88 — — 2.01×10−1 3.00×10−1 4.92×10−1 7.32×10−1 3.85×10−1 5.73×10−1 1.45×10−1 2.15×10−1 2.81×10−1 4.19×10−1 — — Cd 6.59×10−3 9.83×10−3 1.87×10−2 2.79×10−2 5.50×10−3 8.19×10−3 3.41×10−3 5.08×10−3 4.12×10−1 6.14×10−1 1.87×10−3 2.78×10−3 1.10×10−3 1.64×10−3 5.50×10−3 8.19×10−3 Cr 4.56×10−2 6.79×10−2 1.41×10−2 2.10×10−2 3.94×10−2 5.88×10−2 1.07×10−2 1.60×10−2 5.41×10−1 8.06×10−1 1.32×10−2 1.97×10−2 3.94×10−3 5.88×10−3 4.40×10−2 6.53×10−2 Cu 1.17×10−2 1.74×10−2 1.52×10−3 2.27×10−3 1.03×10−3 1.53×10−3 1.45×10−3 2.16×10−3 2.68×10−3 3.99×10−3 — — 8.38×10−4 1.25×10−3 4.95×10−3 7.37×10−3 Ni 4.61×10−2 6.86×10−2 1.58×10−2 2.35×10−2 — — 3.36×10−2 5.01×10−2 — — 1.30×10−3 1.94×10−3 2.45×10−3 3.66×10−3 — — Pb 1.77×10−3 2.63×10−3 3.30×10−3 4.91×10−3 2.16×10−2 3.21×10−2 1.37×10−4 2.05×10−4 8.83×10−1 1.32 1.41×10−3 2.10×10−3 8.83×10−3 1.32×10−2 5.3×10−2 7.89×10−2 Zn 1.02×10−3 1.52×10−3 1.12×10−3 1.66×10−3 8.24×10−4 1.23×10−3 1.22×10−4 1.82×10−4 2.56×10−3 3.82×10−3 5.15×10−3 7.67×10−3 6.51×10−4 9.70×10−4 — — 注：表中“—”代表未检出，无法计算相应数据.
Note:The“—”represents not detected in the table, and the corresponding data cannot be calculated.
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表 7 新疆典型地区地下水重金属评价
Table 7. Evaluation of heavy metals for groundwater in typical areas of Xinjiang
喀什地区
Kashgar Region博斯腾湖流域
Bosten Lake Basin奎屯垦区
Kuitun Region叶尔羌河流域
Yarkant River Basin焉耆盆地
Yanqi Basin若羌-且末地区
Ruoqiang-Qiemo Basin塔里木盆地南缘
The southern margin
of the Tarim Basin成人 儿童 成人 儿童 成人 儿童 成人 儿童 成人 儿童 成人 儿童 成人 儿童 HQingestion As 6.41×10−1 9.55×10−1 — — 19.25 28.67 8.24×10−1 1.23 1.83×10−1 2.73×10−1 9.16×10−2 1.36×10−1 4.57×10−1 6.82×10−1 Cd 1.65×10−1 2.45×10−1 3.85×10−1 5.73×10−1 1.15×10−1 1.72×10−1 5.49×10−2 8.18×10−2 — — — — 1.09 1.64 Cr — — 1.10×10−1 1.64×10−1 1.83×10−2 2.73×10−2 1.83×10−2 2.73×10−2 3.67×10−2 5.45×10−2 2.75×10−2 4.09×10−2 1.83×10−1 2.73×10−2 Cu — — 1.85×10−2 2.76×10−2 1.03×10−3 1.53×10−3 — — — — 6.87×10−4 1.02×10−3 2.06×10−2 3.07×10−2 Ni 8.52×10−2 1.27×10−1 3.02×10−2 4.50×10−2 — — — — — — — — — — Pb — — — — 5.53×10−1 8.24×10−1 1.96×10−2 2.92×10−2 1.96×10−2 2.92×10−2 1.96×10−2 2.92×10−2 7.85×10−2 1.17×10−1 Zn 3.20×10−3 4.77×10−3 5.95×10−3 8.86×10−3 — — 5.95×10−3 8.86×10−3 1.65×10−3 2.45×10−3 9.16×10−5 1.36×10−4 3.66×10−3 5.46×10−3 HQdermal As 1.01×10−5 2.96×10−5 0 0 3.02×10−4 8.89×10−4 1.29×10−5 3.81×10−5 2.88×10−6 8.46×10−6 1.44×10−6 4.23×10−6 7.19×10−6 2.12×10−5 Cd 4.92×10−5 1.45×10−4 1.15×10−4 3.37×10−4 3.44×10−5 1.01×10−4 1.64×10−5 4.82×10−5 — — — — 3.28×10−4 9.64×10−4 Cr — — 1.31×10−4 3.86×10−4 2.19×10−5 6.43×10−5 2.19×10−5 6.43×10−5 4.37×10−5 1.29×10−4 3.28×10−5 9.64×10−5 2.18×10−4 6.43×10−4 Cu — — 9.22×10−7 2.71×10−6 5.12×10−8 1.51×10−7 — — — — 3.41×10−8 1.01×10−7 1.02×10−6 3.01×10−6 Ni 6.35×10−6 1.868×10−5 2.254×10−6 6.63×10−6 — — — — — — — — — — Pb — — — — 2.75×10−6 8.09×10−6 9.76×10−8 2.87×10−7 9.76×10−8 2.87×10−7 9.76×10−8 2.87×10−7 3.90×10−7 1.15×10−6 Zn 1.43×10−7 4.22×10−7 2.66×10−7 7.84×10−7 — — 2.66×10−7 7.84×10−7 7.37×10−8 2.17×10−7 4.10×10−9 1.21×10−8 1.64×10−7 4.82×10−7 HI As 6.41×10−1 9.55×10−1 — — 19.25 28.67 8.24×10−1 1.23 1.83×10−1 2.73×10−1 9.16×10−2 1.36×10−1 4.57×10−1 6.82×10−1 Cd 1.65×10−1 2.46×10−1 3.85×10−1 5.73×10−1 1.15×10−1 1.72×10−1 5.49×10−2 8.18×10−2 — — — — 1.10 1.64 Cr — — 1.10×10−1 1.64×10−1 1.83×10−2 2.73×10−2 1.83×10−2 2.73×10−2 3.67×10−2 5.47×10−2 2.75×10−2 4.10×10−2 1.83×10−1 2.73×10−1 Cu — — 1.85×10−2 2.76×10−2 1.03×10−3 1.53×10−3 — — — — 6.87×10−4 1.02×10−3 2.06×10−2 3.07×10−2 Ni 8.52×10−2 1.27×10−1 3.02×10−2 4.50×10−2 — — — — — — — — — — Pb — — — — 5.53×10−1 8.24×10−1 1.96×10−2 2.92×10−2 1.96×10−2 2.92×10−2 1.96×10−2 2.92×10−2 7.85×10−2 1.17×10−1 Zn 3.21×10−3 4.77×10−3 5.95×10−3 8.86×10−3 — — 5.95×10−3 8.86×10−3 1.65×10−3 2.45×10−3 9.16×10−5 1.36×10−4 3.66×10−3 5.46×10−3 注：表中“—”代表未检出，无法计算相应数据. Note: The“—”represents not detected in the table, and the corresponding data cannot be calculated.
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