湘江長(zhǎng)株潭段底泥重金屬污染現(xiàn)狀評(píng)價(jià)

朱余銀，戴塔根，吳塹虹

（1.中南大學(xué) 地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙，410083；2.西南科技大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，四川 綿陽(yáng)，621010）

湘江是長(zhǎng)株潭（長(zhǎng)沙?株洲?湘潭）地區(qū)的主要供水水源。近年來(lái)，由于湘江沿岸工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展和人口增長(zhǎng)，特別是采選、冶煉、化工等高污染企業(yè)多分布于湘江兩岸，重金屬污染物入江量大幅度增加，湘江水體和底泥中污染物不斷積累，使湘江水體富營(yíng)養(yǎng)化程度日趨嚴(yán)重，湘江流域已成為我國(guó)重金屬污染最嚴(yán)重的區(qū)域，直接影響到流域內(nèi)4 000萬(wàn)人口的生活用水安全。湘江環(huán)境治理已成為十分緊迫的課題。底泥（水體沉積物）作為水環(huán)境中重金屬的主要蓄積庫(kù)，是水環(huán)境重金屬污染的敏感指示劑，底泥中重金屬污染物的濃度可以反映水體的污染程度，因此，底泥的污染狀況是全面衡量水環(huán)境質(zhì)量狀況的重要因素[1?3]。國(guó)內(nèi)外對(duì)底泥重金屬污染的評(píng)價(jià)方法很多，如地積累指數(shù)法[4]、模糊集理論[5]、潛在生態(tài)危害指數(shù)法[6]、回歸過(guò)量分析法[7]等。目前，對(duì)湘江水體沉積物重金屬污染特征的研究較多[8?12]，但這些研究要么未對(duì)沉積物中重金屬污染的種類(lèi)和程度進(jìn)行定量分析，要么數(shù)據(jù)陳舊，方法單一，對(duì)當(dāng)前湘江環(huán)境污染治理不能起到指導(dǎo)意義。為此，本文以長(zhǎng)株潭城市生態(tài)體系為工作單元，以湘江長(zhǎng)株潭段底泥為研究對(duì)象，采用地積累指數(shù)法和潛在生態(tài)危害指數(shù)法對(duì)湘江長(zhǎng)株潭段底泥的重金屬污染以及潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行定量分析評(píng)價(jià)，以便為當(dāng)前湘江水污染防治提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣品采集與制備

本次研究分別在湘江流經(jīng)長(zhǎng)沙、湘潭和株洲三城市的入、出口地段設(shè)置監(jiān)測(cè)斷面，從上游到下游共布設(shè)7個(gè)斷面，18個(gè)底泥采樣點(diǎn)，具體采樣點(diǎn)位見(jiàn)圖1。

圖1 湘江長(zhǎng)株潭段底泥采樣點(diǎn)分布圖Fig.1 Distribution of sampling sites for sediment of Chang—Zhu—Tan section of the Xiangjiang River

利用水底樣品取樣器采集底泥表層0～20 cm沉積物樣品，每點(diǎn)采集3次，然后原地縮分。用聚乙烯保鮮袋包裝，封口并標(biāo)記后帶回實(shí)驗(yàn)室。將采集好的沉積物樣品放于陰涼處自然風(fēng)干，去除植物根系、石塊等雜質(zhì)，過(guò)0.15 mm尼龍篩備用。

1.2 樣品測(cè)試

測(cè)定 Cu，Pb，Zn，Cd，Ni，Cr和 As元素的底泥樣品采用超純硝酸?氫氟酸?高氯酸法進(jìn)行消解，用PQ-EXCELL ICP-MS儀器分析 Cu，Pb，Zn，Cd和Ni元素含量；As和Cr含量由國(guó)土資源部湖南分析測(cè)試中心的PW2440 X熒光光譜儀和PGS2發(fā)射光譜儀測(cè)定。執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為《區(qū)域生態(tài)地球化學(xué)評(píng)價(jià)樣品分析指南》。

2 結(jié)果與討論

2.1 底泥重金屬含量及分布特征

湘江長(zhǎng)株潭段18個(gè)底泥樣品中7種重金屬含量見(jiàn)表1。

從表 1可以看出：與中國(guó)土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB 15618—1995）[13]中三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)相比較，Cd元素每個(gè)樣點(diǎn)含量都超標(biāo)，絕大多數(shù)Zn含量也超標(biāo)，As含量在霞灣、馬家河和暮云市等斷面的個(gè)別采樣點(diǎn)超標(biāo)，Pb含量只在霞灣斷面的右邊采樣點(diǎn)超標(biāo)，Cr，Cu和Ni元素含量在各斷面都不超標(biāo)；其均值與2002年長(zhǎng)株潭地區(qū)土壤背景值相比較[14]，Cd和Zn元素每個(gè)樣點(diǎn)含量都超標(biāo)，絕大多數(shù)As含量也超標(biāo)，Pb元素含量在淥水口上、霞灣、馬家河與三叉磯斷面的個(gè)別采樣點(diǎn)超標(biāo)，Cu含量只在霞灣斷面的右邊采樣點(diǎn)超標(biāo)；Cd和Zn最富集，Cd和Zn含量的均值分別為長(zhǎng)株潭地區(qū)土壤背景值的28.3倍和7.5倍，其次為Pb和As，而Cr和Ni并不富集。Cd，Pb和As的變異系數(shù)分別為2.45，1.63和1.44，相對(duì)較大。而變異系數(shù)越大，表明人為活動(dòng)的干擾作用越強(qiáng)烈或污染程度越嚴(yán)重[15?16]，表現(xiàn)出重金屬元素以外源污染形式進(jìn)入底泥的明顯特征。

圖2所示為湘江長(zhǎng)株潭段底泥中重金屬含量沿程分布情況。從圖2可以看出：7種重金屬含量的分布特征基本相似，其中，Cd，As，Zn，Pb和Cu的含量最高點(diǎn)均在霞灣斷面右邊采樣點(diǎn)，說(shuō)明它們具有相似的重金屬污染物來(lái)源和平面分布，從上游到下游，底泥中重金屬含量受工業(yè)影響明顯；在上游，株洲市清水塘工業(yè)區(qū)內(nèi)的冶煉廠、化工廠、造紙廠等企業(yè)大多通過(guò)霞灣江段將工業(yè)廢水排入湘江，湘江霞灣江段底泥中重金屬主要來(lái)源于排放的工業(yè)污水，重金屬污染物會(huì)逐漸在納污區(qū)附近沉積，沉積后的重金屬遷移能

力較弱，導(dǎo)致納污區(qū)的重金屬較高；而湘江水體自?xún)裟芰^強(qiáng)，所以，中下游重金屬含量較低。

表1 湘江長(zhǎng)株潭段底泥重金屬含量的含量Table 1 Content of heavy metals in sediments of Chang—Zhu—Tan section of the Xiangjiang River mg/kg

圖2 湘江長(zhǎng)株潭段底泥中重金屬含量沿程分布Fig.2 Variation of heavy metal concentrations in sediments of Chang—Zhu—Tan section of the Xiangjiang River

2.2 底泥重金屬污染程度評(píng)價(jià)

地積累指數(shù)法（Index of Geoaccumulation,Igeo）是Müler于 1979年提出的，是一種全球廣泛使用的方法[17?18]。該方法主要是對(duì)沉積物中重金屬污染程度進(jìn)行定量研究，尤其適用于對(duì)現(xiàn)代水環(huán)境沉積物中重金屬污染進(jìn)行評(píng)價(jià)。計(jì)算公式為：

式中：Ci為元素i在沉積物中的含量（指質(zhì)量分?jǐn)?shù)，實(shí)測(cè)值）；Bi為參比值，即該元素的地球化學(xué)背景值或當(dāng)?shù)赝寥辣尘爸担?.5為常數(shù)，是考慮到成巖作用可能會(huì)引起背景值的變動(dòng)系數(shù)。

地積累指數(shù)共分為7級(jí)（0～6級(jí)），Igeo與污染程度的對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)表2。

一般來(lái)說(shuō)，采用所研究河流的實(shí)際顆粒物的平均元素組成作為地積累指數(shù)評(píng)價(jià)法的背景值是最合適的[18?19]。所以，本研究在評(píng)價(jià)過(guò)程采用 2002年長(zhǎng)株潭地區(qū)土壤元素背景值作為參照標(biāo)準(zhǔn)[14]。根據(jù)表2中標(biāo)準(zhǔn)得到重金屬污染級(jí)別，見(jiàn)表 3。為了比較每個(gè)采樣點(diǎn)的重金屬綜合污染程度，本研究采用均方根綜合指數(shù)（RMS）進(jìn)行分析。計(jì)算公式為：

表2 地積累指數(shù)與污染程度分級(jí)Table 2 Index of Geoaccumulation and classification of pollution degree

表3 底泥重金屬污染地積累指數(shù)（Igeo）及分級(jí)Table 3 Index of geoaccumulation and classification of heavy metals pollution of the sediments

從表3可知：幾種重金屬中，Cd的污染程度最大，平均污染級(jí)別達(dá)到 3級(jí)，為中?強(qiáng)度污染，其中霞灣和馬家河斷面右邊采樣點(diǎn)的污染級(jí)別達(dá)到6級(jí)，為極強(qiáng)污染，其他采樣點(diǎn)污染級(jí)別也都大于1級(jí)，從中度污染到強(qiáng)污染；Zn的污染程度也比較大，霞灣斷面的污染級(jí)別為4級(jí)，屬于強(qiáng)污染，其他采樣點(diǎn)的污染級(jí)別為2～3級(jí)，屬于中等?強(qiáng)污染；而As和Pb在霞灣斷面右邊采樣點(diǎn)為中等?強(qiáng)污染，其他采樣點(diǎn)基本上為無(wú)污染和無(wú)～中等程度污染；所有采樣點(diǎn)的Cr，Cu和Ni元素基本無(wú)污染。

綜合分析上述重金屬的地積累指數(shù)分級(jí)可以看出：湘江長(zhǎng)株潭段底泥中各種重金屬的污染程度由大至小依次為：Cd，Zn，As，Pb，Ni，Cu 和 Cr。

從地域分布來(lái)看，從上游到下游，污染物的分布差異較大。株洲市內(nèi)的冶煉廠、化工廠、造紙廠等產(chǎn)生的廢水主要污染物是Cd和Zn，其排放口所在霞灣江段的底泥綜合污染均方根指數(shù)最高，為3.14，是重金屬污染程度中最嚴(yán)重的，其次是馬家河和淥水口上斷面。

2.3 重金屬的潛在生態(tài)危害評(píng)價(jià)

潛在生態(tài)危害指數(shù)法是Hakanson于1980年提出的，是目前國(guó)內(nèi)外進(jìn)行重金屬生態(tài)危害評(píng)價(jià)最廣的一種方法[20?21]。該方法利用沉積物中重金屬相對(duì)于工業(yè)化以前沉積物的最高背景值的富集程度及相應(yīng)重金屬的生態(tài)毒性系數(shù)進(jìn)行加權(quán)求和得到生態(tài)危害指數(shù)[21]。主要受水體沉積物中重金屬的濃度、種類(lèi)、毒性水平以及水體對(duì)重金屬污染的敏感性共4個(gè)因素的控制和影響[19]。潛在生態(tài)危害指數(shù)RI的計(jì)算方法如下:

式中：Csi為表層沉積物中重金屬 i的實(shí)測(cè)含量；Cni為重金屬i的參比值，采用工業(yè)化以前沉積物中重金屬的最高背景值；Cfi為某一重金屬的污染系數(shù)；Ti為重金屬i的毒性響應(yīng)系數(shù)，它主要反映重金屬的毒性水平和生物對(duì)重金屬污染的敏感程度[21]；Ei為重金屬i的潛在生態(tài)危害系數(shù)。

采用工業(yè)化以前沉積物中重金屬的最高背景值，可以在更大程度上反映可能的潛在危害程度[17]，但目前沒(méi)有湖南及至中國(guó)工業(yè)化以前沉積物中重金屬的最高背景值，故本項(xiàng)研究中采用全球工業(yè)化以前沉積物中重金屬的最高背景值。Hankanson根據(jù)大量數(shù)據(jù)分析，提出了重金屬的生物毒性系數(shù)。Cu，Pb，Zn，Cd，Cr和As的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)最大，將這6種金屬作為優(yōu)先考慮對(duì)象[20]。重金屬的參比值、生物毒性系數(shù)和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表4和表5。

經(jīng)計(jì)算，湘江長(zhǎng)株潭段底泥中6種金屬的潛在生態(tài)危害系數(shù)（Ei）和潛在生態(tài)危害綜合指數(shù)（RI）如表 6所示。

從表6可以看出：Cd為湘江長(zhǎng)株潭段主要的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)貢獻(xiàn)因子，其Ei最大；除4個(gè)采樣點(diǎn)外，Cd的生態(tài)危害系數(shù)都大于160，平均值為276.2，達(dá)到很強(qiáng)危害，尤其是霞灣和馬家河斷面右邊采樣點(diǎn)，Ei分別為9 684.0和1 700.4，表明該江段Cd污染為極強(qiáng)生態(tài)危害；As在霞灣斷面右邊采樣點(diǎn)的 Ei為 85.2，屬于強(qiáng)生態(tài)危害，在馬家河斷面左邊采樣點(diǎn)Ei為46.5，屬于中等生態(tài)危害；其余采樣點(diǎn)的Ei都低于40，為輕微生態(tài)危害；Pb在霞灣斷面右邊采樣點(diǎn)Ei為115.8，屬于強(qiáng)生態(tài)危害，其余采樣點(diǎn)Ei值基本上都低于40.0，屬輕微危害危害。雖然Zn的地積累指數(shù)Igeo很高，但其生物毒性系數(shù)低[20]，因此，Zn的污染造成的生態(tài)危害并不大；Cu和Cr的生態(tài)危害系數(shù)（Ei）均小于40，屬輕微生態(tài)危害。

從總體污染程度來(lái)分析，各污染物對(duì)湘江長(zhǎng)株潭段生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)構(gòu)成危害的影響程度由大至小為：Cd，As，Pb，Zn，Cu和 Cr（Pb與 Zn的相當(dāng)），其中 Cd對(duì) RI的貢獻(xiàn)最突出，其次是As和Pb。

表4 重金屬的參比值和生物毒性系數(shù)Table 4 References Cni and toxic coefficient Ti of different heavy metals

表5 生態(tài)危害指數(shù)、系數(shù)和危害程度分級(jí)Table 5 Ecological risk coefficient,risk index and classification of risk intensity

表6 湘江長(zhǎng)株潭段底泥重金屬生態(tài)危害系數(shù)（EI）和生態(tài)危害指數(shù)（RI）Table 6 Ecological risk coefficient（EI）and risk index（RI）in sediments in Chang—Zhu—Tan Section of Xiangjiang River

從潛在生態(tài)危害綜合指數(shù)（RI）來(lái)看，在地域分布上，霞灣和馬家河屬于很強(qiáng)?極強(qiáng)的生態(tài)危害，淥水口上、易家灣、三叉磯屬于強(qiáng)生態(tài)危害，而暮云市、猴子石橋?qū)儆谥械壬鷳B(tài)危害?？傮w而言，湘江長(zhǎng)株潭段從上游到下游都存在污染，只不過(guò)不同江段的污染程度不同，這與沿岸城市的功能布局相一致。

2.4 2種評(píng)價(jià)結(jié)果的比較與分析

地積累指數(shù)法計(jì)算結(jié)果表明湘江長(zhǎng)株潭段底泥中重金屬的污染程度由大至小依次為：Cd，Zn，As，Pb，Ni，Cu和 Cr；而生態(tài)危害指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果認(rèn)為，各污染物的生態(tài)危害系數(shù)排列次序由大至小為：Cd，As，Pb，Zn，Cu和Cr（Pb與Zn的相當(dāng)）。對(duì)比這2種不同的評(píng)價(jià)方法可以看出：二者評(píng)價(jià)結(jié)果既有相同點(diǎn)，也存在差異；相對(duì)于不同的重金屬元素，2種評(píng)價(jià)結(jié)果都表明湘江長(zhǎng)株潭段Cd污染情況最嚴(yán)重，而對(duì)Zn，As和Pb的評(píng)價(jià)結(jié)果不一致；相對(duì)于不同采樣點(diǎn)，二者都表明霞灣江段的重金屬污染最嚴(yán)重，而對(duì)于猴子石橋、暮云市、易家灣、三叉磯的評(píng)價(jià)結(jié)果也不完全一致。

造成這種結(jié)果的原因主要是參比值體系的不同和重金屬毒性系數(shù)的影響[21]。地積累指數(shù)的參比值（Bi）采用的是 2002年長(zhǎng)株潭地區(qū)土壤背景值，而生態(tài)危害系數(shù)的參比值（Cni）為采用全球工業(yè)化以前沉積物中重金屬的最高背景值；重金屬Zn，As和Pb的毒性系數(shù)也有較大差別。總體而言，地積累指數(shù)法主要是對(duì)沉積物中重金屬的含量進(jìn)行對(duì)比評(píng)價(jià)，很難區(qū)分出沉積物中重金屬的來(lái)源；而生態(tài)危害指數(shù)法除了對(duì)比研究重金屬的含量之外，更側(cè)重于重金屬生物毒性差異的影響?？梢?jiàn)：生態(tài)危害指數(shù)法更全面，評(píng)價(jià)結(jié)果更準(zhǔn)確。

3 結(jié)論

（1）與國(guó)家土壤三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)和長(zhǎng)株潭地區(qū)土壤背景值相比較，湘江長(zhǎng)株潭段底泥中出現(xiàn)嚴(yán)重的重金屬?gòu)?fù)合污染，污染物主要為Cd，Zn，As和Pb，其中，Cd含量超標(biāo)最嚴(yán)重；在空間分布上，Cd，As，Zn和Pb的含量最高點(diǎn)均在株洲霞灣江段。

（2）地積累指數(shù)方法評(píng)價(jià)結(jié)果表明，各污染物的污染程度由大至小為:Cd，Zn，As，Pb，Ni，Cu和Cr。

（3）從多種重金屬的潛在生態(tài)危害指數(shù)來(lái)看,各種污染物對(duì)湘江長(zhǎng)株潭段構(gòu)成的潛在生態(tài)危害由大至小依次為：Cd，As，Pb，Zn，Cu和Cr（Pb與Zn的相當(dāng)），其中，Cd的影響占主導(dǎo)地位。

（4）總體而言，株洲霞灣江段重金屬污染程度最嚴(yán)重，這說(shuō)明底泥中重金屬的含量分布和生態(tài)危害程度與湘江沿岸地區(qū)大量重工業(yè)的污水排入水體是密切相關(guān)的?？梢?jiàn)：控制好長(zhǎng)株潭地區(qū)特別是株洲市的重金屬污染源是改善湘江水體環(huán)境質(zhì)量的關(guān)鍵。

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