Radioactivity levels and health risk assessment of drinking water around a uranium mine and control area

MPC9604型流气式低本底α、β测量仪购自美国ORTEC公司；GEM50195型高纯锗γ能谱仪[相对3"×3"NaI（Tl）晶体探测效率为53%，对⁶⁰Co 1332 keV γ射线的能量分辨率为1.71 keV，测量范围为50~2000 keV，积分本底为179 计数/s，软件系统为Gamma Vision 6.08，8192道分析器]购自美国ORTEC公司；FP-40型陶瓷纤维马弗炉购自北京市永光明医疗仪器厂；一次性高密度聚丙烯扁桶（5 L，带密封盖）购自上海龙程塑料桶厂；玻璃烧杯（5 L，蜀牛牌）购自上海晖创仪器店；陶瓷蒸发皿（250 ml）购自思科实验器材；优级纯HNO₃和H₂SO₄均购自天津市科密欧化学试剂有限公司；水残渣中总α监测标准物质（FM241-017，²⁴¹Am，比活度：14.7 Bq/L）、水残渣中总β监测标准物质（FM40-023，⁴⁰K，比活度：16.1 Bq/L）、φ75 mm×70 mm模拟水体效率校准源（规格编号：12NST180101，证书编号：DYhd2018-0436）均由中国计量科学研究院购买和认证。

（1）铀矿区：在铀矿周围25 km半径内，完全随机采集饮用水51份。（2）对照区：随机采集察布查尔县饮用水73份和乌鲁木齐市饮用水52份。上述176份水样中，根据水源分为地表水96份、地表水+地下水10份、地下水70份。采样时间为2020—2022年。所有水样的采集均按照我国《生活饮用水标准检验方法 水样的采集与保存》 （GB/T 5750.2-2006）^[5]推荐的采样指南和相关标准进行。

采样时先将水龙头打开至中速水流，保证流水3 min后采样。先取1 L水样涮洗一次性高密度聚丙烯扁桶内壁2~3次后，再装样、标记、密封、记录、GPS定位。样品采集完成后24 h内验样，记录性状、pH值，按照1 L水样加入10 ml HNO₃的比例处理5 L扁桶中水样，摇匀、静置。样品容器的标记、记录单和GPS定位要保证一致，常温运输。

取上述已按照比例加入HNO₃的水样1 L加入玻璃烧杯中，加入10 ml HNO₃，混匀，加热蒸发至5 ml，转移到已称重的陶瓷蒸发皿中，冷却至室温；加入1 ml H₂SO₄，充分混匀后，至红外线灯下加热、蒸干至烟雾赶尽，再将瓷蒸发皿和残渣放入350℃马弗炉灼烧1 h，置于干燥容器内冷却至室温。称重、铺样后，采用MPC9604型流气式低本底α、β测量仪进行总α和总β放射性测量，样品测量前后均进行本底测量。仪器校验采用水残渣中总α和总β监测标准物质，分别用50、100、150、180、200、300 mg标准物质进行仪器各道的校验，并形成校验报告。

饮用水中总α放射性活度浓度的计算公式见（1）：

式（1）中，A_α为饮用水样品中总α的放射性体积活度，单位为Bq/L；n_xα、n₀分别为饮用水样品的计数率、本底计数率，单位为计数/s；m₁为饮用水样品中水样残渣的总质量，单位为mg；V为分析水样的体积，单位为L；m₂为制备样品源的水残渣质量，单位为mg，本实验取样量为150 mg；ε_αi为与样品源质量厚度相对应的计数系统α的计数效率；F_α为总α放射性回收率。

饮用水中总β放射性活度浓度的计算公式见（2）：

式（2）中，A_β为饮用水样品中总β的放射性体积活度，单位为Bq/L；n_xβ和n₀分别为样品计数率、本底计数率， n_xα为饮用水样品的总α放射性活度浓度计数率，单位为Bq；δ为测量仪器α道到β道的窜道率；m₁为饮用水样品中水样残渣的总质量，单位为mg；V为分析水样的体积，单位为L；m₂为制备样品源的水残渣质量，单位为mg，本实验取样量为150 mg；ε_βi为与样品源质量厚度相对应的计数系统β的计数效率；F_β为β的放射性回收率。

从5 L扁桶中取4 L水样，浓缩至265 ml，装入φ75 mm×h70 mm的圆柱型聚乙烯样品盒中（提前记录样品盒空重）称重，求样品净重，密封，放置30 d后待²²⁶Ra与子体平衡后，使用GEM50195型高纯锗γ能谱仪测量样品。所用水样均测量24 h，样品测量前后均进行本底测量24 h。

能量和效率刻度均采用φ75 mm×70 mm模拟水体效率校准源。样品和水体校准源的规格重量相同，测量条件相同，测量时间均为24 h。²³⁸U、²³²Th、²²⁶Ra、⁴⁰K的活度浓度分别由 ²³⁴Th（92.8 keV）、²²⁸Ac（911.2 keV）、²¹⁴Bi（609.3 keV）、⁴⁰K（1460.8 keV）获得。测量后若结果低于探测下限，则取探测下限的1/2量值^[6]，并用量值对周围居民产生的年有效剂量和终身致癌风险进行估算。

饮用水样品中放射性核素 ²³⁸U、²³²Th、²²⁶Ra 和 ⁴⁰K活度的计算公式^[7]见（3）：

式（3）中，A_j为饮用水样品中第j种核素的活度浓度，单位为Bq/L；S_j为第j种核素效率刻度源的活度，单位为Bq；A_ji为样品谱中第j种核素的第i个特征峰的计数率，单位为计数/s；A_jih为本底谱中第j种核素的第i个特征峰的计数率，单位为计数/s；A_jis为第j种核素效率刻度源的第i个特征峰的计数率，单位为计数/s；V为被测样品的体积，单位为L；DF_j为放射性核素j的衰变校正因子。

探测下限的计算公式^[7]见（4）：

式（4）中，LLD为探测下限；K=1.645，为95%CI的取值；t_b为本底谱测量时间，单位为s；N_b为本底谱中相对于某一全能峰的本底计数。

水中放射性核素尤其是α放射性核素被人体摄入后，会对人体造成内照射剂量。目前饮用水的放射性对人体造成的年有效剂量可通过2种方法计算：（1）采用美国国家环境保护局的通用计算方法^[8]；（2）采用国际放射防护委员会和WHO推荐的计算方法^[9]。成年人的日平均饮水量引自《中国人群暴露参数手册（成人卷）》^[10]，城乡为2.799 L/d，城市为2.778 L/d。按照成年人计算年有效剂量估算风险时取50年^[11]。

成年人饮用该饮用水所致年有效剂量的估算公式见（5）：

式（5）中，AED₁为饮用饮用水所致年有效剂量，单位为mSv/年；D_α为总α剂量转换系数（3.58×10⁻⁴），单位为mSv/Bq；V为成年人日平均饮水量，单位为L；A_α为饮用水中总α放射性体积活度，单位为Bq/L。

成年人饮用该饮用水所致年有效剂量的估算公式见（6）：

式（6）中，AED₂为饮用饮用水中放射性核素j所致年有效剂量，单位为mSv/年；V为成年人日平均饮水量，单位为L；D_j为各放射性核素j的剂量转换系数，单位为mSv/Bq；A_ij 为饮用水中放射性核素j的体积活度，单位为Bq/L。

居民饮用该饮用水导致终身致癌风险的估算公式见（7）：

式（7）中，LTRA为终身致癌风险；AED为年有效剂量，单位为mSv/年；DL为寿命，50年^[11]；RF为致癌风险转换因子，单位为/Sv。

检测所用仪器均经过中国计量科学研究院检定合格，并且在检定有效期范围内使用。

应用SPSS 25.0软件对数据进行统计学分析。符合正态分布的数据以$ \bar {x} $±s表示。对不同区域、不同水源、距铀矿不同距离的饮用水中总放射性水平进行单因素方差分析，若分析显示差异存在统计学意义时，进一步采用最小显著性差异法（LSD）进行多重比较。Ρ<0.05为差异有统计学意义。

不同区域饮用水样品中总α和总β放射性水平见表1。不同区域饮用水样品中总α放射性水平差异有统计学意义（F=9.854，Ρ<0.01）；铀矿周围和察布查尔县饮用水样品中总α放射性水平均高于乌鲁木齐市，且差异有统计学意义（均Ρ<0.01，表1）；不同区域饮用水样品中总α放射性水平从高到低依次为铀矿周围>察布查尔县>乌鲁木齐市。不同区域饮用水样品中总β放射性水平差异有统计学意义（F=10.522，Ρ<0.01）；铀矿周围饮用水样品中总β放射性水平高于察布查尔县和乌鲁木齐市，且差异有统计学意义（均Ρ<0.01，表1）；不同区域饮用水总β放射性水平从高到低依次为铀矿周围>察布查尔县>乌鲁木齐市。不同区域饮用水样品中总α放射性水平超标1份，超标率为0.5%（在察布查尔县）；总β放射性水平均在国家标准范围内。

项目	区域	样品数（份）	$ \bar {x} $±s（Bq/L）	$ \bar {x} $的 95% CI		最小值（Bq/L）	最大值（Bq/L）	超标样品数（份）	超标率（%）
				下限	上限
总α放射性水平	铀矿周围	51	0.13±0.04a	0.12	0.14	0.05	0.19	0	0
	察布查尔县	73	0.12±0.08a	0.10	0.14	0.01	0.57	1	1.37
	乌鲁木齐市	52	0.08±0.03	0.07	0.09	0.04	0.14	0	0
	合计	176	0.11±0.06	0.10	0.12	0.01	0.57	1	0.50
总β放射性水平	铀矿周围	51	0.17±0.06	0.15	0.18	0.06	0.27	0	0
	察布查尔县	73	0.13±0.10a	0.11	0.15	0.01	0.55	0	0
	乌鲁木齐市	52	0.10±0.03a	0.09	0.11	0.07	0.20	0	0
	合计	176	0.14±0.08	0.12	0.14	0.01	0.55	0	0
注：在总α放射性水平中，a表示与乌鲁木齐市比较，差异均有统计学意义（t=4.057、3.703，均P<0.01）；在总β放射性水平，a表示与铀矿周围比较，差异均有统计学意义（t=2.788、4.573，均P<0.01）。饮用水样品中总α放射性水平≥0.5 Bq/L为超标；总β放射性水平≥1 Bq/L为超标。CI为置信区间

Table 1.  Total α and total β radioactivity levels in drinking water samples from different regions

不同水源来源的饮用水样品中总α和总β放射性水平见表2。不同水源来源的饮用水样品中总α和总β放射性水平差异均无统计学意义（F=2.849、1.352，均Ρ>0.05）。不同水源来源的饮用水样品中，总α放射性水平从高到低依次为地下水>地表水>地表水+地下水。总β放射性水平从高到低依次为地表水>地下水>地表水+地下水。

项目	水源类型	样品数（份）	$ \bar {x} $±s（Bq/L）	$ \bar {x} $的 95%置信区间		最小值（Bq/L）	最大值（Bq/L）
				下限	上限
总α放射性水平	地表水	96	0.11±0.04	0.10	0.11	0.04	0.25
	地表水+地下水	10	0.08±0.02	0.06	0.09	0.06	0.12
	地下水	70	0.12±0.08	0.10	0.14	0.01	0.57
	合计	176	0.11±0.06	0.10	0.12	0.01	0.57
总β放射性水平	地表水	96	0.14±0.07	0.12	0.15	0.06	0.49
	地表水+地下水	10	0.11±0.05	0.08	0.14	0.08	0.20
	地下水	70	0.12±0.09	0.10	0.14	0.01	0.55
	合计	176	0.14±0.08	0.12	0.14	0.01	0.55

Table 2.  Total α and total β radioactivity levels in drinking water samples from different water sources

距铀矿不同距离的饮用水中总α和总β放射性水平见表3。距铀矿不同距离的饮用水中总α和总β放射性水平差异均有统计学意义（F=21.720、46.364，均Ρ<0.01）。距铀矿5 km处的饮用水中总α和总β放射性水平均值均最高。距铀矿不同距离的饮用水中总α放射性水平从大到小依次为：5 km处>20 km处>25 km处>15 km处>10 km处；总β放射性水平从大到小依次为：5 km处>15 km处>20 km处>25 km处>10 km处。

项目	距铀矿距离（km）	样品数（份）	$ \bar {x} $±s（Bq/L）	$ \bar {x} $的95%置信区间		最小值（Bq/L）	最大值（Bq/L）
				下限	上限
总α放射性水平	5	11	0.16±0.02	0.15	0.17	0.13	0.19
	10	10	0.07±0.02	0.06	0.09	0.05	0.10
	15	10	0.11±0.02	0.10	0.13	0.08	0.14
	20	10	0.15±0.03	0.12	0.17	0.09	0.19
	25	10	0.14±0.03	0.12	0.16	0.09	0.17
	合计	51	0.13±0.04	0.12	0.14	0.05	0.19
总β放射性水平	5	11	0.24±0.04	0.21	0.26	0.15	0.27
	10	10	0.09±0.01	0.08	0.10	0.06	0.11
	15	10	0.19±0.01	0.18	0.21	0.17	0.21
	20	10	0.17±0.03	0.15	0.19	0.13	0.20
	25	10	0.13±0.04	0.11	0.16	0.09	0.20
	合计	51	0.17±0.06	0.15	0.18	0.06	0.27

Table 3.  Total α and total β radioactivity levels in drinking water samples at different distances from uranium deposits

环境放射性核素主要通过吸入、食入和皮肤3种途径对人体产生放射性剂量，饮用水主要通过经口饮水途径对人体产生放射性剂量。若饮用水存在放射性核素的污染，对人类生存存在一定的风险。可通过对饮用水中的放射性核素²³⁸U、²³²Th、²²⁶Ra和⁴⁰K的估算来评估饮用该饮用水所致居民的终身致癌风险。由表4可知，饮用不同区域的饮用水，其放射性核素²³⁸U和²³²Th所导致的年有效剂量从高到低的区域为铀矿周边>察布查尔县和乌鲁木齐市；放射性核素²²⁶Ra所致的年有效剂量从高到低的区域为铀矿周边>察布查尔县>乌鲁木齐市；放射性核素⁴⁰K所致的年有效剂量从高到低的区域为察布查尔县>乌鲁木齐市>铀矿周边。

指标	238U	232Th	226Ra	40K	总α剂量转换系数
致癌风险转换因子（/Sv）[8]	4.5×10−5	2.3×10−4	2.8×10−4	6.2×10−6	3.58×10−4
剂量转换系数（mSv/Bq）[11]	1.73×10−9	2.73×10−9	1.04×10−8	6.68×10−10	−
年有效剂量（mSv/年）
察布查尔县	0.029±0.003	0.017±0.003	0.081±0.020	0.007±0.003	0.044±0.007
铀矿周边	0.034±0.002	0.020±0.003	0.106±0.010	0.003±0.002	0.046±0.006
乌鲁木齐市	0.029±0.003	0.017±0.002	0.065±0.040	0.005±0.003	0.029±0.005
$ \bar {x} $±s	0.030±0.004	0.018±0.003	0.084±0.040	0.005±0.003	0.040±0.003
终身致癌风险
察布查尔县	2.50×10−12	2.27×10−12	4.20×10−11	2.23×10−13	−
铀矿周边	2.93×10−12	2.68×10−12	5.52×10−11	1.04×10−13	−
乌鲁木齐市	2.49×10−12	2.26×10−12	3.64×10−11	1.77×10−13	−
$ \bar {x} $±s	2.62×10−12	2.39×10−12	4.35×10−11	1.75×10−13	−
注：−表示无此项数据

Table 4.  Annual effective dose and lifetime cancer risk caused by radioactive isotopes in drinking water from different regions

此次调查的176份饮用水样品的总α放射性水平的平均值为（0.11±0.06） Bq/L，高于2002—2004年乌鲁木齐市饮用水中总α放射性水平（0.05 Bq/L）^[12]，高于1995—2019年兰州市生活饮用水枯水期总α放射性水平[（0.041±0.032） Bq/L]和丰水期总α放射性水平[（0.054±0.040） Bq/L]^[13]，高于2021年海阳核电站30 km范围内饮用水中枯水期总α放射性水平[（0.034±0.023） Bq/L]和丰水期总α放射性水平[（0.054±0.074） Bq/L]^[14]。此次调查的176份饮用水的总β放射性水平的平均值为[（0.14±0.08） Bq/L]，高于2002—2004年乌鲁木齐市饮用水中总β放射性水平（0.06 Bq/L）^[12]，高于1995—2019年兰州市生活饮用水枯水期总β放射性水平（0.086 Bq/L）^[13]；低于2021年海阳核电站30 km范围内饮用水中丰水期总β放射性水平[（0.18±0.036） Bq/L]^[14]。饮用水中的总α放射性主要来源于天然铀、钍和²²⁶ Ra，总β放射性主要来源于长寿命核素⁴⁰K等。本研究结果显示，不同区域饮用水中放射性核素²³⁸U、²³²Th和²²⁶Ra所致的年有效剂量最高的区域均为铀矿周围，这说明铀矿周围饮用水的总α放射性水平主要来源于其放射性核素²³⁸U、²³²Th和²²⁶Ra。而放射性核素⁴⁰K所致的年有效剂量最低的区域为铀矿周围，铀矿周围饮用水总β放射性水平最低，反映其放射性核素⁴⁰K仅是其放射性贡献的一部分。本研究结果显示，饮用水的总α和总β放射性水平的平均值和不同区域的平均值均高于2002—2004年乌鲁木齐市和兰州市数据。本次调查结果高于既往数据（2002—2004年乌鲁木齐市数据）。原因一方面是，检测设备从2002—2004年的国产设备到现在使用的进口流气式低本底测量设备，探测的灵敏度有所提高，样品采集后及时加HNO₃处理，减少了储存容器（扁桶）对饮用水的放射性吸附。另一方面，乌鲁木齐市的水资源主要由两部分组成，地下水和地表水资源，由于乌鲁木齐市地处祖国内陆，海洋湿气难以到达，所以乌鲁木齐市常年干旱少雨，再加上蒸发旺盛，导致乌鲁木齐市水资源总量较少。同时，据《新疆统计年鉴》 （2011—2018年）^[15]记载，2011—2017年新疆维吾尔自治区水资源中，地表水量从1063.00亿m³下降至963.96亿m³，地下水量从624.30亿m³下降至586.98亿m³，新疆饮用水的水量在逐年减少，其放射性有一定的浓集。与兰州市的差异，可能与不同的地质地貌有关。需进一步的探讨，继续扩大调查样品量和样品的种类（结合对土壤和岩石等的分析），并连续的监测与比较，方可追溯数据差异的缘由。

不同水源来源的饮用水中，以地表水为水源的饮用水的总α放射性水平的平均值[（0.11±0.04） Bq/L]，高于2011—2017年北京市地表水总α放射性水平的平均值[（0.080±0.078） Bq/L]^[16]；其总β放射性水平的平均值[（0.14±0.07） Bq/L]，低于2011—2017年北京市地表水总β放射性水平的平均值[（0.23±0.30） Bq/L]^[16]。以地下水为水源的饮用水，其总α放射性水平的平均值[（0.12±0.08） Bq/L]，高于2018—2019年北京市乡镇地下饮用水总α放射性水平[0.050（0.052） Bq/L]^[17]，高于2018年南京市地下水总α放射性水平的平均值（0.081 Bq/L）^[18]，高于山东省淄博市部分地区地下水总α放射性水平均值（0.079 Bq/L）^[19]，其总β放射性水平的均值[（0.12±0.09） Bq/L]，高于2018—2019年北京市乡镇地下饮用总β放射性水平[0.048（0.038） Bq/L]^[17]，低于2018年南京市地下水总β放射性水平的均值（0.268 Bq/L）^[18]，高于山东省淄博部分地区地下水总β放射性水平的均值（0.11 Bq/L）^[19]。与地表水相比，地下水由于与外界交换较少，相对不易污染的埋藏特点，水中的总放射性主要受补给与排泄影响。地下水补给来源主要有大气降水、河水入渗补给、河渠入渗补给、侧向径流补给等。通过补给与排泄，地下水获得、消耗放射性核素，保持不断循环交替^[20]。对于地下水为主要水源的饮用水，需追踪当地降水和补给河流的水样进行放射性分析。

距铀矿5~25 km范围内采集的51份饮用水水样，总α和总β放射性水平均在国家限值范围内，距铀矿5 km处总α和总β放射性水平均最高[（0.16±0.02） Bq/L、（0.24±0.04） Bq/L]。本研究结果显示，大型新型工艺开采下的铀矿，虽然其周围5 km内的饮用水的总放射性最高，但均在国家限制范围内，其周围饮用水的放射性是安全的。

本研究以饮用水样品中总α放射性水平估算饮用该饮用水所致年有效剂量均值为0.040 mSv/年，以各放射性核素估算饮用该饮用水所致年有效剂量均值为0.005~0.084 mSv/年，饮用该饮用水其放射性核素²³⁸U、²³²Th、²²⁶Ra所致年有效剂量均值分别为0.030、0.018、0.084 mSv/年，均高于山东省淄博市部分地区地下水其放射性核素²³⁸U、²³²Th和²²⁶Ra所致年有效剂量（0.0013、0.013、0.016 mSv/年）^[19]，但均低于WHO建议的个人剂量控制值（0.1 mSv/年），按照WHO根据环境中天然放射性核素引起的人群长期受照个人剂量研究结果和辐射引发癌症风险的测算认为：饮用水中放射性核素所致个人受照剂量在 0.1 mSv/年时，不会造成可观测到的不良健康效应^[21]。故饮用此次调查的饮用水不会造成居民可观测到的不良健康效应。同时此次调查的饮用水中各放射性核素所致居民终身致癌风险为1.75×10⁻¹³~4.35×10⁻¹¹，远低于国际辐射防护委员会推荐的最大可接受风险水平（5.0×10^−5）]]^[22]，美国国家环境保护局推荐的最大可接受风险水平为1.0×10^−4[23]。

综上，铀矿周围和对照区（察布查尔县和乌鲁木齐市）的饮用水放射性水平较低，饮用该区域的饮用水所致年有效剂量和终身致癌风险较低，不会造成可观测到的不良健康效应，对周围居民所造成的健康风险较低。

利益冲突　所有作者声明无利益冲突

作者贡献声明　孙小娜负责样品采集地点的确定，样品的采集、前处理、测量，数据的处理、统计、分析，论文的撰写及修改；拓飞负责论文的指导；陈玉琴和朱伟寿负责部分样品的采集、前处理、测量和数据的处理；林燮钊负责部分数据的分析；张娜负责部分样品的采集和前处理