渭河陜西段沉積物中重金屬污染綜合評價

黃悅 張風寶 楊明義 李玄添

摘 要：為分析渭河陜西段沉積物中重金屬的污染程度，對沉積物中10種重金屬元素Pb、Zn、Cr、Cu、Co、Ni、Cd、As、Sb、Mn的含量進行分析，采用地累積指數(shù)、富集系數(shù)、污染負荷指數(shù)、內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)及潛在生態(tài)風險指數(shù)對沉積物中重金屬污染進行綜合評價，結果表明：2015年沉積物中除Cr外其他9種重金屬均高出陜西土壤背景值1.49%～91.49%，Cd高出最多;2016年只有Pb、Cu、Co、Cd、Mn分別高出陜西土壤背景值6.21%、2.10%、7.92%、17.02%、4.41%，除Cr、Cd外重金屬含量年際之間差異均不顯著;10種重金屬的污染程度及潛在生態(tài)風險整體較低，其中Cd及清姜河、灞河斷面污染最嚴重，應加強對渭河周邊農(nóng)業(yè)及交通污染的防控，同時密切關注城市生活污水處理及入渭支流對干流的污染輸入影響。

關鍵詞：沉積物;污染評價;重金屬;渭河陜西段

中圖分類號：X522;TV211.1+1 ? 文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.12.016

引用格式：黃悅，張風寶，楊明義，等.渭河陜西段沉積物中重金屬污染綜合評價[J].人民黃河，2021，43（12）：80-85，99.

Abstract： In order to analyze the pollution degree of heavy metals in the sediments of the Shaanxi section of the Weihe River， the contents of 10 heavy metal elements Pb， Zn， Cr， Cu， Co， Ni， Cd， As， Sb and Mn in the sediments were analyzed by using the geoaccumulation index， enrichment coefficient， pollution load index， Nemero comprehensive pollution index and potential ecological risk index for comprehensive evaluation of heavy metal pollution in sediments. The results show that in 2015， except for Cr， the other 9 heavy metals in the sediments are all higher than Shaanxi soil background values of from 1.49% to 91.49% and Cd is the highest; in 2016， only Pb， Cu， Co， Cd and Mn are higher than that the background values of 6.21%， 2.10%， 7.92%， 17.02% and 4.41%. Except for Cr and Cd， the inter-annual differences in heavy metal content are not significant. The pollution levels and potential ecological risks of the 10 heavy metals are generally lower， and the 17 sampling sites are medium in general. Among them， Cd， Qingjiang River and Bahe River are the mostly polluted. The prevention and control of agricultural and traffic pollution around the Weihe River should be strengthened and pay close attention to the urban domestic sewage treatment and the input of pollution from the tributaries to the main river.

Key words： sediment; pollution assessment; heavy metals; Shaanxi section of the Weihe River

重金屬污染因其生物累積能力強、環(huán)境持久性、隱蔽性、高毒性而引起了人們的極大關注[1]。近年來，經(jīng)濟和工業(yè)的迅猛發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)、冶金和采礦等活動正在改變重金屬元素的生物地球化學循環(huán)過程，加劇了環(huán)境污染，造成瀕危物種數(shù)量增加和生態(tài)環(huán)境惡化等問題[2]。大量重金屬通過巖石、土壤風化作用及污水排放等方式進入河流，釋放到水體中的重金屬與懸浮顆粒物相結合并在沉積物中不斷積累，因此沉積物是河流中重金屬的主要儲存庫[3]。一旦環(huán)境條件（氣候、pH值等）發(fā)生變化，重金屬會從沉積物中釋放出來，造成水體二次污染，重金屬還可能被水生動植物吸收，進而通過食物鏈進入人體[4-5]。

渭河流域是我國重要的工業(yè)基地之一，流域內(nèi)擁有機械、電子、煤炭、化工等眾多工業(yè)企業(yè)[6]。隨著沿岸城市化與工業(yè)化的發(fā)展，大量工農(nóng)業(yè)廢水、生活污水、廢棄物未經(jīng)處理或未有效處理直接排入渭河，渭河干流78%的斷面水質(zhì)為劣V類，渭河污染問題日益突出，嚴重制約了當?shù)亟?jīng)濟的發(fā)展[7-8]，因此亟須解決渭河水質(zhì)污染問題。有關學者以往對陜西渭河沉積物重金屬污染的研究多限于部分河段（如西安段、寶雞段、渭南段、楊凌—興平段等）[8-11]，關于渭河陜西段的研究[12-15]因采樣斷面或重金屬元素較少而使得相關評價不夠全面。

沉積物中重金屬污染評價方法的優(yōu)點及適用性各不相同，其中：地累積指數(shù)法、富集系數(shù)法考慮了人類活動對環(huán)境的影響;污染負荷指數(shù)法、內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法能較全面反映沉積物的總體質(zhì)量，但沒有考慮重金屬的遷移特性和重金屬間的生物毒性效應[16-18];潛在生態(tài)風險指數(shù)法綜合考慮了重金屬的毒性、遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律和評價區(qū)域?qū)χ亟饘傥廴镜拿舾行?，可以綜合反映沉積物中重金屬對環(huán)境的潛在影響[17-18]。筆者綜合分析了2015年、2016年汛后渭河陜西段沉積物中10種重金屬的含量，并采用地累積指數(shù)法、富集系數(shù)法、污染負荷指數(shù)法、內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法及潛在生態(tài)風險指數(shù)法對沉積物中重金屬的污染程度及其潛在生態(tài)風險進行綜合評價，以期為渭河陜西段沉積物中重金屬的污染防治及水環(huán)境保護提供依據(jù)。

1 研究方法

渭河是黃河的最大支流，主要流經(jīng)甘肅天水，以及陜西省關中平原的寶雞、咸陽、西安、渭南等地，最后在渭南市潼關港口匯入黃河。渭河流域?qū)儆诘湫偷拇箨懶约撅L氣候區(qū)，采樣以渭河陜西段為主，干流長502.4 km，入渭支流有清姜河、黑河、涇河、灞河、洛河等[15]。

1.1 樣品采集及重金屬含量測定

采樣時間為2015年11月及2016年11月，采樣點設置在渭河流經(jīng)的主要城市及支流入渭口，共設置了17個采樣斷面（見圖1），每個采樣斷面設置3個采樣點，每個采樣點采集表層10 cm的沉積物樣品至少2.0 kg。樣品帶回實驗室陰涼處自然風干3～4周，剔除樣品中的可見侵入物后，使用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（ICP-MS）[19]測定沉積物中Pb、Zn、Cr、Cu、Co、Ni、Cd、As、Sb、Mn等10種重金屬的含量。

1.2 污染評價方法

（1）地累積指數(shù)法。地累積指數(shù)法由德國學者Muller提出，其綜合考慮了自然地質(zhì)過程重金屬背景值及人類活動對重金屬污染的影響，廣泛用于評價河流沉積物中重金屬污染問題，地累積指數(shù)計算公式為

2 結果與討論

2.1 重金屬含量

對2015年、2016年17個采樣點表層沉積物中重金屬元素的含量進行描述性統(tǒng)計分析，得到10種重金屬元素含量的最大值、最小值、平均值、標準差等，見表5。2015年渭河陜西段沉積物中除Cr外其余9種重金屬元素的平均含量均高出陜西土壤背景值1.49%～91.49%，其中Cd高出最多。2016年只有Pb、Cu、Co、Cd、Mn的平均含量高出陜西土壤背景值2.10%～17.02%，Cd高出最多。2015年、2016年Pb、Cu、Co、Cd、Mn的平均含量均超出了土壤背景值，除Cr、Cd外其他8種重金屬元素的平均含量年際之間均無顯著差異（顯著性水平p>0.05）。除2015年Cd為高度變異外，其他重金屬元素均為中低度變異[27]，說明渭河陜西段重金屬含量空間變異性相對較小。

2.2 重金屬污染評價

（1）地累積指數(shù)。2015年、2016年渭河陜西段表層沉積物中10種重金屬整體為無污染狀態(tài)，見圖2。2015年Co、Ni及2016年Cr、Co、Ni、As、Sb在各斷面均無污染;2015年Cd污染最嚴重（林家村、清姜河、虢鎮(zhèn)橋、咸陽鐵橋、草灘、灞河、耿鎮(zhèn)橋、潼關吊橋斷面為輕度污染），Pb次之（清姜河、臥龍寺橋、虢鎮(zhèn)橋、灞河斷面為輕度污染）;2016年Cd污染最嚴重（清姜河、草灘、灞河斷面為輕度污染），其他重金屬的輕度污染斷面占比在12%以內(nèi)，且多為清姜河、灞河斷面。渭河陜西段沉積物中Cd污染最嚴重，且支流的污染程度高于干流，2016年重金屬污染程度較2015年有所改善。

（2）富集系數(shù)。2015年除Cd為中度污染外其他9種重金屬均為輕微污染，2016年除Cr、Sb為無污染外其他8種重金屬均為輕微污染，見圖3。2015年林家村、清姜河、虢鎮(zhèn)橋、草灘、灞河、耿鎮(zhèn)橋、潼關吊橋斷面的Cd，臥龍寺橋、虢鎮(zhèn)橋、灞河斷面的Cu，黑河、虢鎮(zhèn)橋斷面的Mn，臥龍寺橋、灞河斷面的Zn，沙王渡斷面的Sb，清姜河斷面的Pb，咸陽鐵橋斷面的As均為中度污染;2016年只有草灘、灞河斷面的Cd，灞河斷面的Pb為中度污染，其他斷面均為無污染或輕微污染。渭河陜西段沉積物中Cd污染最嚴重，2016年較2015年重金屬污染程度明顯降低。

（3）污染負荷指數(shù)。2015年林家村、清姜河、臥龍寺橋、虢鎮(zhèn)橋、黑河、咸陽鐵橋、草灘、灞河、耿鎮(zhèn)橋、新豐鎮(zhèn)大橋、洛河、潼關吊橋等12個斷面均為中度污染，2016年只有林家村、清姜河、常興橋、黑河、草灘、灞河斷面為中度污染，其他斷面均為無污染，見圖4。2015年渭河陜西段沉積物重金屬總體呈中度污染狀態(tài)，2016年則呈無污染狀態(tài)。從空間分布來看，2015年、2016年中度污染斷面均位于上中游地區(qū)。2016年各采樣斷面沉積物的重金屬綜合污染程度均明顯降低，但清姜河、灞河斷面的污染仍較嚴重。

（4）內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)。2015年渭河陜西段沉積物中Cd污染最嚴重，18%的斷面為重污染、12%的斷面為中污染;Pb、Zn、As、Sb、Mn次之，分別有12%、6%、6%、6%、6%的斷面為中污染;Cu、Co、Ni、Cr污染較輕，各斷面均為無污染或輕污染。2016年Pb、Cd污染較嚴重，均有6%的斷面為中污染;Sb在各斷面均為無污染;其他7種重金屬污染程度較輕，各斷面均為無污染或輕污染，見圖5。渭河陜西段沉積物中Cd污染最嚴重，2016年渭河陜西段重金屬污染程度大幅降低。

2015年、2016年渭河陜西段沉積物中重金屬綜合污染指數(shù)總體為輕污染。2015年潼關吊橋斷面為中污染，清姜河、灞河斷面為重污染;2016年灞河斷面為中污染，其他斷面為警戒線或輕污染，見圖6。從空間分布來看，2015年、2016年渭河陜西段重金屬污染無明顯變化規(guī)律。2016年各采樣斷面沉積物重金屬綜合污染程度均顯著降低，但灞河斷面的污染程度仍較嚴重。

（5）潛在生態(tài)風險指數(shù)。2015年除Cd為中等潛在生態(tài)風險外，其他9種重金屬的潛在生態(tài)風險均為低，Cd有18%的斷面為較高風險，53%的斷面為中等風險;2016年10種重金屬潛在生態(tài)風險等級均為低風險，且潛在生態(tài)風險指數(shù)有所降低（見圖7），僅24%的斷面Cd為中等風險。重金屬Cd對各斷面綜合潛在生態(tài)風險指數(shù)（RI）的平均貢獻率均最高，2015年、2016年分別為55.16%、47.32%，可見Cd是造成渭河陜西段重金屬綜合潛在生態(tài)風險最主要的元素。

2015年渭河陜西段表層沉積物重金屬綜合潛在生態(tài)風險總體為較高風險，2016年則為中等風險。2015年林家村、清姜河、虢鎮(zhèn)橋、咸陽鐵橋、草灘、灞河、潼關吊橋斷面為較高潛在生態(tài)風險，2016年清姜河、灞河斷面為較高潛在生態(tài)風險，其他斷面均為中等潛在生態(tài)風險，見圖8。從空間分布來看，其整體無明顯變化規(guī)律。2016年渭河陜西段沉積物重金屬綜合潛在生態(tài)風險顯著降低，但清姜河、灞河斷面的潛在生態(tài)風險仍較高。

2.3 重金屬污染綜合評價

地累積指數(shù)和富集系數(shù)計算結果均顯示2015年、2016年渭河陜西段表層沉積物中Cd污染最嚴重。污染負荷指數(shù)計算結果顯示，2015年沉積物重金屬綜合污染總體為中度污染，2016年則為無污染，對比發(fā)現(xiàn)兩年中灞河斷面污染均最嚴重，其次為清姜河斷面。內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)計算結果顯示，沉積物重金屬綜合污染等級總體為輕污染，其中Cd污染最嚴重，灞河是污染最嚴重的斷面。潛在生態(tài)風險指數(shù)計算結果顯示，2015年沉積物的重金屬綜合潛在生態(tài)風險總體為較高風險，2016年則為中等風險，其中Cd的潛在生態(tài)風險最高，清姜河、灞河斷面潛在生態(tài)風險最高。

2016年渭河陜西段沉積物的重金屬污染程度較2015年顯著降低，表明對渭河陜西段的污染治理及對污染源的管控效果顯著。10種重金屬的污染程度及潛在生態(tài)風險均較低，其中Cd污染最嚴重，與其他研究結果一致[12-14]。Cd主要來源于農(nóng)業(yè)污染，尤其是化肥、農(nóng)藥的施用，應加強對渭河周邊農(nóng)業(yè)污染的防治;汽車尾氣及輪胎磨損的碎屑中也含有Cd粉塵，同時應注意交通污染的防控[28-29]。17個采樣點的綜合污染程度及綜合潛在生態(tài)風險為中等，其中清姜河、灞河斷面的污染程度最嚴重，表明支流的污染程度高于干流的，應密切關注入渭支流對干流的污染輸入，同時清姜河、灞河分別靠近寶雞市和西安市市區(qū)，表明人類活動對渭河污染有重要影響，應注重城市生活污水處理。

3 結 論

（1）重金屬含量分析表明，2015年渭河陜西段表層沉積物中，除Cr外，Pb、Zn、Cu、Co、Ni、Cd、As、Sb、Mn均高于陜西土壤背景值，其平均值分別高出23.46%、11.60%、20.28%、15.94%、5.73%、91.49%、14.95%、1.49%、15.20%。2016年只有Pb、Cu、Co、Cd、Mn分別高出陜西土壤背景值6.21%、2.10%、7.92%、17.02%、4.41%，其他5種重金屬均低于背景值。2015年、2016年，除Cr、Cd外，其他8種重金屬的平均含量均無顯著差異。

（2）地累積指數(shù)評價結果顯示：重金屬Cd污染最嚴重，且支流的污染程度高于干流的。富集系數(shù)評價結果顯示：2015年除Cd為中度污染外，其他9種重金屬均為輕微污染;2016年除Cr、Sb為無污染外，其他8種重金屬均為輕微污染。污染負荷指數(shù)評價結果顯示：2015年17個采樣斷面沉積物重金屬綜合污染總體為中度污染，2016年則為無污染，兩年中灞河斷面污染均最嚴重，其次為清姜河斷面。內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)評價結果顯示：17個采樣斷面沉積物重金屬綜合污染等級總體為輕污染，其中Cd及灞河斷面污染最嚴重。潛在生態(tài)風險指數(shù)評價結果顯示：2015年17個采樣斷面沉積物重金屬綜合潛在生態(tài)風險總體為較高風險，2016年為中等風險，其中清姜河、灞河斷面的潛在生態(tài)風險最高。

（3）渭河陜西段沉積物中10種重金屬的污染程度及潛在生態(tài)風險均較低，17個采樣斷面的綜合污染程度及潛在生態(tài)風險為中等，其中重金屬Cd及清姜河、灞河斷面的污染程度最嚴重，應加強對渭河周邊農(nóng)業(yè)及交通污染的防控，同時密切關注城市生活污水處理及入渭支流對干流的污染輸入影響。

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【責任編輯 呂艷梅】