巢湖市河流表層沉積物重金屬污染和風險評價

李飛鵬，陳 玲，張海平，王嘉瑩

（1.同濟大學 環(huán)境科學與工程學院，上海 200092；2.同濟大學 污染控制與資源化研究國家重點實驗室，上海 200092）

水體沉積物是污染物的源和匯，是影響水環(huán)境質量的主要因素之一.進入到水體的重金屬有相當一部分通過吸附、絡合或沉淀等作用蓄存于沉積物中，一旦水體環(huán)境發(fā)生變化，沉積在底泥中的重金屬會重新釋放出來進入水體，形成二次污染.沉積物中重金屬污染具有隱蔽性、累積性、不可逆性和治理難而周期長等特點，可通過食物供給動物和人類從而造成健康危害.大量研究表明，在受重金屬污染的水體環(huán)境中沉積物中重金屬的含量比相應水相中的重金屬含量高很多倍，并表現出較明顯的空間分布規(guī)律性［1］.沉積物中的重金屬被認為是水體污染的敏感指示劑，具有反映水生態(tài)系統狀況的意義［2］.因此，對沉積物中重金屬污染的研究及評價很有必要，也很有價值.

我國城市河道通常是污水及雨水徑流的匯集地和排泄通道，接納了大量點、面源污染物，河道污染對居民生活和城市景觀造成了嚴重的影響，因此城市河道的水力調度、底泥疏浚等污染整治工程備受關注.然而，這些工程措施往往忽略了沉積物中污染物釋放帶來的影響，對生態(tài)系統和人體健康的潛在生態(tài)風險缺乏有效評估.目前，盡管國內外對水體沉積物中重金屬的污染進行了大量的研究，但是，這些研究多以大江大河、湖泊、水庫、河口及海灣沉積物作為研究對象［3］，關于城區(qū)河道沉積物的研究相對較少［4］，尤其對城市中小河道沉積物的研究和評價尚鮮見報道.為此，筆者選擇巢湖市典型城區(qū)河道為研究對象，采集代表河道不同區(qū)域的沉積物樣品，分析重金屬含量水平及污染特性，應用地累積指數（index of geoaccumulation）［5］Igeo對污染程度進行評價，并采用潛在生態(tài)風險指數（potential ecological risk index）RI法［6］定量計算出沉積物中重金屬的潛在生態(tài)風險值，以期為巢湖城市河道沉積物及水體重金屬污染防治和決策管理提供科學依據.

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)域

巢湖市位于安徽省中部，屬合肥市下轄縣級市，瀕臨長江，環(huán)抱巢湖，是巢湖流域的重點城市（如圖1所示）.巢湖市城市河道主要有西環(huán)城河、丁崗河、東環(huán)城河、陸家河、天河和1個人工水體洗耳池，其中，天河較寬，與裕溪河相連，是巢湖水排入長江的主要通道，其他河道多為狹長形，平均寬度僅為23.8～42.2m，由于毗鄰生活區(qū)、商業(yè)區(qū)，這些中小型河道長期受納生活污水、地表徑流和生活垃圾，水質惡化嚴重.為此，該市開展了活水工程，并配合大規(guī)模的底泥疏浚工程，期望通過工程實施，增強水體流動，提高河道釋污、調蓄能力.然而，水體流動會引起底泥擾動，從而使底泥中的金屬進入水體，最終引起的生態(tài)風險不容忽視.

1.2 樣品采集與分析

根據代表性原則在巢湖市各個河道布設了9個斷面，采樣點分布如圖1所示，其中，巢湖口（CH1）和裕溪河（CH3）各布設1個采樣點，西環(huán)城河由于較長，布設2個采樣點，分別為CH7和CH8，其他河道和洗耳池由于污染分布比較單一，分別布設1個采樣點，分別為天河（CH2）、洗耳池（CH4）、陸家河（CH5）、丁崗河（CH6）和東環(huán)城河（CH9）.于2010年7月在各個采樣點采集表層（0～5cm）沉積物樣品3次，然后用孔徑0.2mm的尼龍篩現場擠壓過篩，去除雜物和粗顆粒，靜置，倒掉上覆水，并將該點位3個沉積物樣品充分混合均勻，封存于干凈的聚乙烯袋中，帶回實驗室冷凍保存.樣品風干后，碾碎，通過200目（0.076mm）尼龍篩，充分混合均勻.稱取約0.25g樣品，采用微波消解法進行預處理（參考EPA Method 3052中土壤消解方法）.重金屬元素（Cu，Pb，Zn，Cr，Ni，As）的含量使用美國Perkin Elmer（Optima 2100DV）電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀進行檢測，Hg采用意大利Mile Stone公司DMA 80型直接汞分析儀測定.

圖1 采樣點分布示意Fig.1 Map of sampling sites

1.3 沉積物污染狀況及生態(tài)風險評價方法

沉積物中重金屬的評價方法很多，各有優(yōu)缺點和特定適用范圍.由于沉積環(huán)境的復雜性，采用單一方法很難準確地反映沉積物的污染狀況及程度［2］.Igeo是沉積物中重金屬污染程度評價的常用指標，其優(yōu)點是給出很直觀的重金屬污染級別，缺點是側重于單一金屬，未引入生物有效性和相對貢獻比例以及地理空間差異；而RI則體現了生物有效性和相對貢獻比例及其地理空間差異等特點，是綜合反映底泥中重金屬對生態(tài)環(huán)境影響潛力的指標，但其毒性加權系數往往帶有主觀性，因此需要2種方法的互相補充和借鑒.

1.3.1 地累積指數法

地累積指數是德國海德堡大學沉積物研究所Müller教授提出的用于評價沉積物中重金屬污染程度的定量指標，其計算方法如式（1）所示：

式中：Cn為樣品中元素n的含量；k為修正系數，通常用來表征沉積特征、巖石地質及其他影響，一般取1.5；Bn為元素基線濃度.在本研究中元素基線濃度取王永華等［7］對巢湖底泥的研究背景值，其中，As取長江流域沉積物背景值［8］.

在Igeo的級別參考上，由于F?rstner等［5］的7級劃分法較為詳細，考慮了過渡級別，所以本研究中也以7級劃分法作為參考.Igeo＜0，Igeo為0～1，1～2，2～3，3～4，4～5，Igeo＞5對應的污染等級分別為0，1，2，3，4，5，6級，對應的污染程度分別為無污染、無污染到中污染、中污染、中污染到強污染、強污染、強污染到極強污染、極強污染.

1.3.2 潛在生態(tài)風險指數法

潛在生態(tài)風險指數由瑞典科學家Hakanson于1980年提出［6］，主要用于對重金屬進行潛在生態(tài)風險評價，根據此法，某一區(qū)域沉積物中第i種重金屬的潛在生態(tài)危害系數Er，i及沉積物中多種重金屬的潛在生態(tài)危害指數RI可分別用式（2）和式（3）表示：

式中：Cf，i為重金屬富集系數，Cf，i＝Cs，i／Cn，i，Cs，i為重金屬i質量分數實測值，mg·kg-1，Cn，i為第n種金屬所需參比值，mg·kg-1；Tr，i為重金屬i的毒性系數，主要反應重金屬的毒性水平和生物對重金屬污染的敏感程度，毒性系數取Hg為40，Pb為5，Cu為5，Ni為5，Cr為2，Zn為1，As為10［9］.單項潛在風險和綜合潛在風險等級參照 Hakanson［6］的劃分標準：Er，i＜40，RI＜150為輕微污染，40≤Er，i＜80，150≤RI＜300為中等污染，80≤Er，i＜160，300≤RI＜600為強污染，160≤Er，i＜320，RI≥600為很強污染，Er，i≥320為極強污染.

2 結果與討論

2.1 污染水平和分布特征

表1列舉了巢湖市城市河道沉積物中重金屬的平均值、沉積物基準限值和中國其他水體的研究結果.沉積物基準是評價沉積物污染及其生態(tài)效應的基礎，由于區(qū)域沉積物污染濃度和背景濃度的不同會導致沉積物基準限值的差異，且巢湖流域尚未發(fā)現沉積物中重金屬基準值的報道，因此本文采取Wang等［9］推薦的長江流域的沉積物基準值下限（threshold effect level，TEL）和基準值上限（probable effect level，PEL），當重金屬元素濃度低于TEL時，不利生物毒性效應很少發(fā)生，而重金屬元素濃度高于PEL時，不利生物毒性效應將頻繁發(fā)生.從表1可以看出，巢湖河流沉積物中Hg和As的平均含量超出了PEL，Cu，Zn，Cr，Pb，Ni均已超出TEL，這說明巢湖市城市河道表層沉積物中重金屬含量已經處于一個相當高的水平，部分重金屬可能會產生嚴重的生態(tài)風險.與國內較大的河流（長江［9］、珠江［10］和黃浦江［11］）和湖泊（洪澤湖［12］）比較發(fā)現，城市河道沉積物中重金屬含量總體高于較大水體，與鄰近的巢湖［13］相比，除Ni相當外，其他重金屬含量均顯著高于巢湖，這可能是由于城市河道受人為干擾較大，生活污水、生活垃圾及地表徑流沖刷給河道帶來了大量的重金屬污染物，再加上城市河道的斷面狹窄、淤積嚴重、閘門和路涵較多等特點，導致水流速度放緩，加速了重金屬等污染物在河道中積累.

2.2 重金屬污染程度分析

采用地累積指數法計算了各點重金屬的Igeo，如表2所示.巢湖市河道表層沉積物中重金屬污染程度大小依次為Ni，Hg，Cu，As，Cr，Zn，Pb，其中，Ni為主要污染物，達到極強污染；Hg的污染程度平均為中污染狀態(tài)；Zn和Pb的Igeo級別在多數采樣點均為零，說明該區(qū)域幾乎不存在Pb和Zn污染的風險；9個采樣點的6種重金屬（Hg，Cu，Zn，Cr，Pb，Ni）的Igeo的空間差異不太明顯，As在CH1附近達到強污染水平，而在CH2為無污染，其他點位為無污染到中污染水平，說明CH1附近As的強污染與巢湖市自身的污染無關，可能與巢湖沉積物中較大As含量密切相關［13］；Hg，Cu和Cr在CH1和CH2略有污染，在其他采樣點基本達到中級污染水平；CH8附近Hg，Cu，Zn，Cr均達到中級污染水平，可能受到第一塑料廠的影響.

表1 巢湖市城市河道沉積物中重金屬的干重平均值及與中國其他水體的比較Tab.1 Comparison of mean heavy metal concentrations in river sediments from various urban areas in China （mg·kg-1）

表2 巢湖城市河道沉積物重金屬的地累積指數級別Tab.2 The pollution grades of sediment heavy metals__________in urban rivers of Chaohu City

2.3 潛在生態(tài)危害評價

采用RI評價巢湖市城市河道表層沉積物中重金屬的潛在生態(tài)影響.表3反映了沉積物中單項重金屬的生態(tài)風險指數，重金屬單項生態(tài)風險程度除Hg外多數為低風險程度，比Igeo更為清晰地反映了單項重金屬的污染程度及分布特征.Hg的全水域平均生態(tài)風險指數為98，為較重風險，其中CH8達到重風險水平，CH6和CH7表現為較重風險；Cu在CH8點顯示為中等風險，這幾個點位于巢湖市西面水體CH7和CH8和CH6，都屬于淤積較為嚴重、受人類活動影響較大的水體；As在CH1為較重風險，而在其他采樣點均為低風險，其他幾種金屬在所有采樣點都為較低風險.根據單項金屬的平均生態(tài)風險指數，巢湖市河道表層沉積物中主要重金屬的潛在生態(tài)風險程度的大小順序為：Hg，As，Cu，Pb，Cr，Ni，Zn.Hg的單項潛在生態(tài)風險指數遠遠大于其他重金屬，是最主要的潛在生態(tài)風險因子.

表3 各采樣點的沉積物單項潛在生態(tài)風險指數Tab.3 Individual indices of potential ecological risk at each sampling site in surface sediments

圖2 多項金屬的綜合潛在生態(tài)風險指數及潛在風險等級Fig.2 General indices and grades of potential ecological risk assessment at each sampling site in surface sediments

巢湖市河道多項金屬的綜合潛在生態(tài)風險指數如圖2所示，除CH8為重生態(tài)風險外，其他8個點位中3個為中等風險、5個為低風險，整體表現為中等風險，綜合潛在生態(tài)風險指數的空間分布特征與Hg的單項生態(tài)風險空間分布類似.CH8位于西環(huán)城河靠近巢湖閘附近水域，重金屬生態(tài)風險等級表現為重風險，該區(qū)域周圍分布大量畜禽養(yǎng)殖戶，靠河岸布設的大量豬舍對附近水域造成嚴重污染，CH8西面有巢湖市第一塑料廠，可能是造成水體沉積物中重金屬積累較多的重要原因；此外，該區(qū)域位于CH1和CH2之間，多數時間為滯水區(qū)，淤積嚴重，加速了重金屬的沉淀和積累.

3 結論

（1）巢湖市河道表層沉積物中重金屬含量處于相當高的水平，Hg和As的平均含量已經超過沉積物質量基準上限.7種重金屬（除As外）的含量水平與國內其他城市河道的研究數據相當，但是比大水體沉積物中的重金屬含量高.這與城市河道斷面狹窄、淤積嚴重、閘門和路涵較多、受人為污染干擾相對較大等特點具有重要關系.

（2）巢湖市河道表層沉積物中重金屬污染程度大小依次為Ni，Hg，Cu，As，Cr，Zn，Pb，巢湖市河道多數為低生態(tài)風險程度，個別區(qū)域達到中等和重生態(tài)風險程度.單項重金屬潛在生態(tài)風險程度的大小順序為 Hg，As，Cu，Pb，Cr，Ni，Zn，重金屬污染可能存在的主要風險區(qū)域為西環(huán)城河，應當引起相關部門足夠重視，加大力度改善該區(qū)域存在的河道淤積等問題，規(guī)范畜禽養(yǎng)殖和生活污水排放，提高附近居民的環(huán)保意識.

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