東江下游水環(huán)境重金屬污染特征及現(xiàn)狀評價

王艷捷，宋乾武，陳洪偉，代晉國，張 玥，姜 萍

(1.中國環(huán)境科學研究院，北京 100012;2.東莞理工學院，廣東東莞 523808)

東江是珠江三大水系之一，發(fā)源于江西省贛州市尋烏縣，其干流廣東省河源市、惠州市至東莞市，注入獅子洋，經(jīng)虎門出海。東江流域作為我國最重要的水源供給區(qū)和率先發(fā)展區(qū)，具有“高經(jīng)濟密度、高發(fā)展速度、高水質(zhì)要求、高強度控污”的典型特征[1-3]。東江是我國華南地區(qū)最為重要的飲用水水源地之一，為香港、深圳、廣州、東莞等重要城市提供高品質(zhì)飲用水。改革開放以來，隨著深圳、東莞、廣州等城市經(jīng)濟的快速發(fā)展，東江流域經(jīng)濟平均密度超過8000萬元/km2。工業(yè)經(jīng)濟的迅速增長致使東江水環(huán)境安全受到了威脅，水污染正面臨從下游向上游乃至全流域蔓延、從常規(guī)污染向復合污染演變的嚴峻態(tài)勢。東江水系的“高功能水質(zhì)要求”正面臨“高控污強度”的挑戰(zhàn)，水質(zhì)保護任務(wù)十分艱巨。

重金屬作為一類重要的有毒有害物質(zhì)，具有生物毒性強、生物蓄積且長期殘留在生物體內(nèi)等特征，對人體健康和水生生物構(gòu)成很大的威脅。而重金屬涉及的工農(nóng)業(yè)廣泛，尤其是現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展造成了大量重金屬物質(zhì)進入水體。相關(guān)研究[4-5]表明，東江等水系的入?？凇榻诘某练e物中已存在相當嚴重的重金屬積累。但針對東江本身的相關(guān)報道尚不多，因此，開展東江水系的重金屬污染評價對保護東江飲用水源具有實際意義。

筆者結(jié)合相關(guān)研究成果，對東江流域下游區(qū)段的重金屬污染特征進行分析和評價，旨在為保護東江飲用水源和制定相應(yīng)的水環(huán)境管理措施提供決策依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣品的采集與測試

根據(jù)東江下游水系特點和重金屬污染途徑，設(shè)置包括東江干流、支流和沿東江截污運河等在內(nèi)的8處采樣位置，其中東江干流設(shè)上、中、下3個采樣斷面:惠州汝湖、東莞橋頭(省環(huán)境監(jiān)測站)和東莞樟村(市環(huán)境監(jiān)測站)，支流設(shè)增江和沙河2個河口采樣點，石馬河、小海河和寒溪河3個東莞運河排澇口采樣點。各采樣位置分布見圖1。采樣位置選擇在河流中心區(qū)，底泥樣為采泥器采集的表層沉積物。實地采樣分別于2010年的豐水期(8月)和枯水期(12月)2個時期進行，豐水期采集的樣品為水樣，枯水期采集的樣品為水樣和底泥樣。

圖1 東江下游采樣點分布

樣品的前處理采用微波密封溶樣消解法進行消解處理，As、Ni、Pb、Cd、Cu、Zn、Cr用 ICP-AES 進行測定，Hg用ICP-MS進行測定。具體測試工作委托清華大學深圳研究生院工業(yè)生態(tài)與環(huán)境檢測中心和東莞市中鼎檢測技術(shù)有限公司進行。

1.2 重金屬指標評價方法

1.2.1 水質(zhì)評價方法

采用單因子污染指數(shù)法進行水質(zhì)評價，即將水體各監(jiān)測項目的監(jiān)測結(jié)果與GB3838—2002《國家地面水環(huán)境質(zhì)量標準》相應(yīng)的功能區(qū)分類標準進行比較，以確定水質(zhì)污染特征，判斷該區(qū)域的水質(zhì)類別。

1.2.2 沉積物評價方法

沉積物作為重金屬污染物的匯集地和次生污染源，可以反映水系狀況以及水體被重金屬污染的程度[6-7]。由于對沉積物中的重金屬質(zhì)量比評價沒有相應(yīng)的標準作為參照，因此，筆者采用地積累指數(shù)和潛在生態(tài)危害指數(shù)進行評價。地積累指數(shù)反映沉積物中重金屬的積累程度;潛在生態(tài)危害指數(shù)則考慮重金屬的生態(tài)毒性，反映沉積物中重金屬的潛在生態(tài)風險程度。

a.地積累指數(shù)評價法[8]。地積累指數(shù)是德國科學家Muller提出的一種定量研究水環(huán)境沉積物中重金屬污染情況的指標，計算公式為

式中:Igeo為地積累指數(shù);Cn為元素n在沉積物中的質(zhì)量比，為實測值;Bn為沉積物中該元素的地球化學背景值，采用廣東省土壤重金屬背景值(即As，Ni，Pb，Cd，Cu，Zn，Hg，Cr在土壤中的質(zhì)量比分別為15 mg/kg，68 mg/kg，70 mg/kg，1 mg/kg，50 mg/kg，175 mg/kg，0.25 mg/kg，90 mg/kg)作為參照值[9];1.5為常數(shù)，是考慮各地巖石差異可能會引起背景值的變動而取的系數(shù)。

地積累指數(shù)共分為7級(0～6級)，反映重金屬污染程度由無至極強。Igeo值與重金屬污染程度的關(guān)系見表1。

表1 地積累指數(shù)Igeo與污染程度分級

b.潛在生態(tài)危害指數(shù)評價法。潛在生態(tài)危害指數(shù)評價法是由瑞典學者Hakanson[10]提出的定量評價沉積物潛在生態(tài)危害程度的方法，該方法考慮了重金屬的生態(tài)毒性。潛在生態(tài)危害指數(shù)的計算公式為

式中:RI為潛在生態(tài)危害指數(shù);為第i種重金屬的潛在生態(tài)危害指數(shù)為第i種重金屬的毒性系數(shù)[11-12]，反映其毒性水平和生物對其污染的敏感程度;為元素i在沉積物中的質(zhì)量比，為實測值;為參照值，為工業(yè)化以前沉積物中重金屬最高背景值[12-13]。

表2 潛在生態(tài)危害評價的參照值和毒性系數(shù)

表2 潛在生態(tài)危害評價的參照值和毒性系數(shù)

重金屬 cin/(mg·kg－1)Ti r 重金屬 ci n/(mg·kg－1)Tir As 8.80 10 Cu 22.78 5 Ni 29.12 5 Zn 73.02 1 Pb 20.39 5 Hg 0.163 40 Cd 0.11630 Cr 65.72 2

表3 和RI值相應(yīng)的污染程度及潛在生態(tài)風險程度

表3 和RI值相應(yīng)的污染程度及潛在生態(tài)風險程度

Eir范圍 單因子生態(tài)風險程度 RI范圍 總潛在生態(tài)風險程度＜40 低度 ＜150低度40～80 中度 150～300 中度80～160 較重300～600 重度160～320 重度 ≥600 嚴重≥320嚴重

2 結(jié)果與分析

2.1 東江下游水體中的重金屬分析

根據(jù)豐水期和枯水期水體中的重金屬監(jiān)測結(jié)果，豐水期的水質(zhì)要明顯優(yōu)于枯水期。豐水期水樣中重金屬的檢出率較低，已檢出的重金屬Cu、Zn、Sn、Ni等的質(zhì)量濃度不高，均低于地表水Ⅲ類水質(zhì)標準值。枯水期水樣中檢出的重金屬類污染物種類明顯增多，Hg、Cd、Cr、Pb、Cu 和 Zn 在各采樣點均有檢出，但相比水質(zhì)標準值，除Hg外，其他重金屬的質(zhì)量濃度均不高。在東江干流的惠州汝湖和東莞橋頭、支流的沙河以及東莞運河3處等6個采樣點的水樣中，Hg的質(zhì)量濃度均超出地表水Ⅲ類水質(zhì)標準，且東江干流中東莞橋頭采樣點的Hg質(zhì)量濃度最高，下游東莞運河的Hg污染程度整體上高于東江干流和支流，表明東江惠州段的Hg污染影響較大，進入東江東莞段后，由于東莞運河的截污作用，干流Hg污染程度略有降低。

2.2 沉積物中的重金屬分析

2.2.1 地積累指數(shù)評價結(jié)果

進入水體中的重金屬污染物可以通過吸附、沉降作用進入底泥，并在底泥沉積物中不斷聚集，因此，沉積物中重金屬質(zhì)量比的變化能反映水體受重金屬污染的情況。

底泥沉積物中重金屬的地積累指數(shù)表明，東江下游河流表層沉積物中的重金屬存在一定程度的沉積，多種重金屬的質(zhì)量比明顯超過背景值，但不同重金屬的地積累指數(shù)存在較大差異。Cd在各采樣點表層沉積物中的地積累指數(shù)均為6，屬于極強污染;Hg在各采樣點表層沉積物中的地積累指數(shù)基本在3～4，屬于中度、接近強度的污染;Cu在東江支流和東莞運河的表層沉積物中的地積累指數(shù)均在3以上，在寒溪河和沙河分別達到5和6，屬于強至極強污染，但東江干流中Cu的地積累指數(shù)要低于支流和運河，屬于中等污染以下;Zn與Cu類似，在支流和運河的積累程度要高于東江干流;Cr、Ni、As和Pb盡管也存在一定的富集，但整體污染程度不高。各采樣點表層沉積物中重金屬的地積累指數(shù)及相應(yīng)的指數(shù)分級見表4。

2.2.2 潛在生態(tài)風險評價結(jié)果

潛在生態(tài)風險評價結(jié)果就是考慮了污染物毒性水平后的潛在生態(tài)危害程度。由表5可知，東江下游區(qū)段包括干流、支流和運河的各采樣點的潛在生態(tài)危害指數(shù)均接近或超過300，表明重金屬引起的總潛在生態(tài)風險程度接近或達到了重度。從污染的重金屬種類看，主要有Cd、Hg和Cu的潛在生態(tài)風險較高，其中Cd的潛在生態(tài)風險程度最高，在各采樣點均達到了重度;Hg在干流的東莞橋頭和東莞樟村、支流的增江河口、東莞運河的小海河和石馬河等5個點位的潛在生態(tài)風險均被評定為較重，在惠州汝湖、沙河河口和寒溪河為低度～中度風險;Cu則在支流和運河中的富集程度較高，但其潛在生態(tài)風險除在沙河河口為中度外，在其他點位均為低度。各采樣點表層沉積物中重金屬的Eir和RI值見表5。

表4 東江下游沉積物中重金屬地積累指數(shù)Igeo及其分級

表5 各采樣點位的生態(tài)風險評價結(jié)果

2.2.3 東江下游重金屬污染特征分析

東江的工業(yè)在上游地區(qū)主要以一些重要的金屬礦山開采業(yè)、冶煉加工業(yè)為主;在中游以IT產(chǎn)業(yè)為主，其次是塑膠行業(yè)和紡織服裝行業(yè);下游的工業(yè)高度集中，涵蓋了通信設(shè)備、計算機、電氣機械及儀器儀表、紡織服裝鞋帽業(yè)、紙制品、家具、玩具、食品飲料和化工制品等制造行業(yè)，以及造紙、紡織和電鍍等高污染行業(yè)，這些行業(yè)大多存在重金屬污染的隱患。

綜合水質(zhì)和沉積物的重金屬檢測結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)，Hg、Cd、Cu和Zn是東江下游需要重點關(guān)注的幾種重金屬污染物，但它們的危害程度和污染特征不盡相同，因此，制定相應(yīng)的環(huán)境管理措施時需要區(qū)別對待。如Hg和Cd的生態(tài)毒性均較大，且枯水期Hg在多處采樣點出現(xiàn)水質(zhì)超標，Cd的潛在生態(tài)風險程度在多處采樣點達到重度，因此，二者的污染及危害程度高;而Zn由于生態(tài)毒性小，屬于低度潛在生態(tài)風險，其危害程度要遠低于Hg和Cd。

比較不同重金屬的污染程度，可以發(fā)現(xiàn)其污染特征的差異。東江下游干流最上段的惠州湖采樣點受到了較重程度的Cd污染，說明惠州以上的東江中上游已存在相當程度的Cd污染。Hg在干流采樣點位的惠州汝湖和東莞橋頭有較大差異，處于惠州下游的東莞橋頭采樣點的Hg污染明顯要高于惠州上游的惠州汝湖采樣點，表明東江干流在惠州段已受到相當程度的Hg污染。由于多個飲用水的取水口均處于干流惠州段的下游，因此干流惠州段下游的污染問題對飲用水源水質(zhì)安全的影響很大。Cu和Zn等重金屬對東江支流和東莞運河的污染程度明顯要高于對東江干流的污染，尤其東莞運河水體中有機污染嚴重，表層沉積物中的有機質(zhì)成分含量較高，弱化了底泥重金屬的積累程度，但實際上，該性質(zhì)的表層沉積物更容易形成次生污染源，尤其在豐水期會影響東江干流水質(zhì)。

3 結(jié)論

a.水質(zhì)檢測結(jié)果顯示，豐水期重金屬的污染尚未對東江下游水質(zhì)安全構(gòu)成威脅，但枯水期Hg污染較為突出，多處超出了地表水Ⅲ類水質(zhì)標準。

b.對表層沉積物的分析表明，東江下游表層沉積物中重金屬積累明顯，其中Cd達到極強污染程度;Hg為中度接近強度污染;Cu、Zn在東江干流的積累為中度污染，在東江支流和東莞運河的積累程度達到強或極強污染。潛在生態(tài)風險指數(shù)反映存在潛在生態(tài)風險的重金屬類物質(zhì)主要是 Cd、Hg和Cu，其危害程度由大至小依次為:Cd＞Hg＞Cu。重金屬引起的總潛在生態(tài)風險在東江下游區(qū)段(包括干流、支流和運河)均達到了重度。

c.不同重金屬的污染方式存在差異，東江干流的惠州上游受到Cd污染，Hg在惠州段的污染貢獻率較大;東江支流和東莞運河的Cu和Zn污染程度明顯要高于東江干流，但Cu和Zn仍然對東江干流的飲用水源構(gòu)成了一定程度的潛在威脅，需要加強管理。

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