邕江南寧市區(qū)段表層沉積物重金屬污染評價

李平陽，姜白楊，莫創(chuàng)榮，王英輝，喻澤斌，黎大榮

（廣西大學環(huán)境學院，廣西 南寧 530004）

隨著南寧市工業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展，含有重金屬元素的工業(yè)廢水大量排放，造成城市水體重金屬污染嚴重。重金屬污染具有潛在的和長期的危害性［1］。水體沉積物是重金屬元素在環(huán)境中遷移轉化的主要載體、歸宿地和積蓄庫，是水環(huán)境重金屬污染的指示劑［2］。沉積物中的重金屬通過再懸浮等過程可重新進入上覆水，使上覆水中溶解態(tài)重金屬的濃度大幅提高，造成二次污染［3］。邕江是南寧市最重要的飲用水源水體，其水質(zhì)直接關系廣大市民的身體健康，因此研究邕江水體沉積物中重金屬的污染現(xiàn)狀具有重要的現(xiàn)實意義［4—5］。但目前關于邕江水體沉積物中重金屬污染的研究尚無報道，鑒于此，本文以邕江表層沉積物為研究對象，對表層沉積物中重金屬的濃度水平和分布特征進行了研究，并采用地質(zhì)累積指數(shù)法和潛在生態(tài)危害指數(shù)法對其污染狀況進行了評價，以期為南寧市邕江水體沉積物中重金屬的污染預防及整治提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

邕江，位于我國廣西壯族自治區(qū)南部，是珠江流域西江水系的支流，流經(jīng)廣西首府南寧市市區(qū)，其上游分別是右江（發(fā)源于云南省廣南縣境內(nèi)）和左江（發(fā)源于越南境內(nèi)），下游匯入郁江，直下廣東、港澳而入海。邕江是南寧市的主要河流，也是南寧市重要飲用水水源，其上起江西鄉(xiāng)宋村的左、右江匯合點，下止邕寧區(qū)與橫縣交界的六景鄉(xiāng)道莊村，全長133.8km，上游總集水面積為73 728km2，年均流量為1 292m3／s。

1.2 樣品采集與處理

本研究于2011年6月在邕江南寧市區(qū)段布設了10個采樣點（從上游至下游依次為S1～S10，見圖1），采用抓斗式污泥采集器采集邕江河底0～10cm表層沉積物樣品，用聚乙烯密封袋分裝并貼上標簽，放在塑料桶內(nèi)保存。運回實驗室后將沉積物樣品在室溫下自然風干，研磨粉碎，過100目塑料尼龍篩后儲存于潔凈的聚乙烯密封袋中，待測。

使用WX-4000溫壓雙控密閉微波消解儀對采集的沉積物樣品進行HNO3-HF-H2O2酸式消解，然后采用ICP-OES儀（型號Optima 5300DV 美國珀金埃爾默公司生產(chǎn)）測定Cu、Zn、Cr、Cd、As、Pb和Hg 7種重金屬的含量。其中Hg未被檢出，因此本文在此不做討論。所用測試軟件為WinLab32 for ICP，版本為3.0.0.0103。

圖1 采樣點分布圖Fig.1 Location map of sampling sites

1.3 評價方法

依據(jù)重金屬性質(zhì)及其環(huán)境行為特點，前人提出了多種重金屬污染評價方法，但單一的評價方法很難準確地反映沉積物的污染狀況及程度［6］。因此，本文選用常見的地質(zhì)累積指數(shù)法、潛在生態(tài)危害指數(shù)法對邕江表層沉積物中重金屬的污染水平進行綜合評價。

1.3.1 地質(zhì)累積指數(shù)法

地質(zhì)累積指數(shù)法［7］由德國海德堡大學沉積物研究所的Muller于1969年提出，是一種研究水體沉積物中重金屬污染的定量指標，被廣泛應用于評價水體沉積物中重金屬的污染程度，其計算公式如下：

式中：Igeo為地質(zhì)累積指數(shù)；Ci為元素i 在沉積物中的實測值；Bi為沉積巖（即普通頁巖）中元素i的地球化學背景值；1.5為考慮各地巖石差異可能會引起的背景值的變動而取的系數(shù)。

本文采用魏復盛等［8］提出的中國土壤元素環(huán)境背景值（見表1）作為地球化學背景值對邕江表層沉積物中重金屬污染進行評價。Igeo值與重金屬污染程度的分級詳見表2。

表1 中國土壤元素環(huán)境背景值（mg／kg）Table 1 Environmental background values of some soil elements in China

表2 地質(zhì)累積指數(shù)（Igeo）與重金屬污染程度的分級［7］Table 2 Grading standards of geoaccumulation index（Igeo）and heavy metal pollution extent

1.3.2 潛在生態(tài)危害指數(shù)法

潛在生態(tài)危害指數(shù)法［9］是瑞典學者H?kanson于l980年建立的一套應用沉積學原理評價重金屬污染程度及其生態(tài)危害的方法。該方法考慮了重金屬的毒性及其在沉積物中的遷移轉化規(guī)律、評價區(qū)域對重金屬污染的敏感性以及重金屬區(qū)域背景值的差異，從而消除了區(qū)域差異和異源污染的影響［10］，給出了潛在生態(tài)危害程度的定量劃分方法，目前已成為國內(nèi)外沉積物重金屬污染評價中應用最為廣泛的方法之一［11—12］，其計算公式為

Cd、As、Pb、Cu、Cr和Zn 6種重金屬元素的毒性系數(shù)值分別為30、10、5、5、2、1［9，10，13］，重金屬生態(tài)危害程度的劃分標準見表3。

表3 重金屬污染指數(shù)值與污染程度的分級［9］Table 3 Grading standards of the pollution indexes and pollution extent of heavy metals

2 結果與分析

2.1 邕江表層沉積物中重金屬的含量特征

邕江表層沉積物中6種重金屬含量的測定結果見表4。由表4可以看出：6種重金屬元素的平均含量依次為Zn＞Cu＞Cr＞As＞Pb＞Cd；與《土壤環(huán)境質(zhì)量標準》（GB 15618—1995）中的標準值［14］相比，As和Cd的平均含量高于《土壤環(huán)境質(zhì)量標準》的二級標準值，分別為標準值的1.2倍和3.85倍，其他4種重金屬元素的平均含量均低于《土壤環(huán)境質(zhì)量標準》的二級標準值；除Cr和Pb兩種重金屬元素外，Cu、As、Cd和Zn的平均含量均高于廣西土壤元素背景值，分別為背景值的2.6倍、1.2倍、8.7倍和1.7倍。

為了使評價分析更全面，本文引用加拿大淡水沉積物重金屬質(zhì)量基準［15］：臨界效應濃度值（Threshold Effect Level，TEL）和必然效應濃度值（Probable Effect Level，PEL），來說明沉積物中重金屬的污染水平。由表4可見：As平均含量已超過PEL，其污染較嚴重；Cu、Cd 和Zn 平均含量介于TEL和PEL之間，污染較輕；而Cr、Pb平均含量略小于TEL，污染程度最輕。相對標準差是標準差與平均值的比值，它可以反映各重金屬含量的離散程度。由表4可見：Cu的相對標準差最大，其分布最不均勻；其他5種重金屬元素的相對標準差較小，分布較為均勻。此外，從超標率來看，Cd的超標率為100%，As的超標率為60%，Cu的超標率為10%，其他重金屬元素未超標。綜上分析可見，邕江表層沉積物主要受到重金屬元素Cd和As的污染。

表4 邕江表層沉積物中6種重金屬元素的含量（mg／kg）Table 4 Contents of heavy metals in the surface sediments of the Yongjiang River

2.2 重金屬污染的來源解析

不同重金屬的主要來源各不相同：Cu被廣泛應用于電器制造、化學、制糖、釀酒等工業(yè)，這些工業(yè)產(chǎn)生的廢水可能造成Cu污染，此外養(yǎng)殖場使用的添加了大量Cu元素的飼料也是其重要來源之一，禽畜排泄物排入水體可直接導致沉積物受到Cu 污染［16］；As的可能來源包括鍋爐、焚化爐、玻璃加工及采礦冶煉的廢水排放；Cr污染主要來自電池、玻璃、瓷器、合成染料、制革、紡織等行業(yè)；Pb污染的來源廣泛，包括蓄電池工業(yè)、玻璃制造業(yè)、涂料、顏料、醫(yī)藥、化妝品、農(nóng)藥和化肥等；Cd的污染源主要包括磷肥的施用以及電鍍、電池、顏料等工業(yè)；Zn污染的來源主要包括鍍鋅、干電池、印刷、電子、制革、紡織、醫(yī)藥、陶瓷等工業(yè)。

由表4還可見，6種重金屬含量最高點的分布情況如下：Cu元素含量最高點為S3（西明江），其含量為358.74mg／kg；As元素含量最高點為S6（心圩江），其含量為36.01mg／kg；Cr、Pb、Cd和Zn元素含量最高點為S9（朝陽溪），其含量分別為36.78 mg／kg、35.64 mg／kg、2.74 mg／kg 和209.92 mg／kg。分析其原因是：采樣點S3（西明江）附近分布著較多的養(yǎng)豬場，其沉積物中高含量的Cu元素很可能來源于養(yǎng)豬廠所使用的豬飼料；采樣點S6（心圩江）為心圩江與邕江干流交匯處，而心圩江流經(jīng)南寧主要工業(yè)園區(qū)，沿岸的工業(yè)排污是該處重金屬污染的主要原因；采樣點S9（朝陽溪）為朝陽溪與邕江干流交匯處，而朝陽溪流經(jīng)南寧市中心，其重金屬污染的可能來源包括沿岸分布的印刷廠、涂料廠和醫(yī)院排放的廢水，以及廢舊電池等電子垃圾。

2.3 地質(zhì)累積指數(shù)法評價結果分析

邕江表層沉積物中重金屬污染的地質(zhì)累積指數(shù)法評價結果見表5。由表5可以看出：6種重金屬污染Igeo值的平均值大小依次為Cd＞As＞Cu＞Zn＞Pb＞Cr。其中Cd是污染風險最高的重金屬，多數(shù)采樣點已達到強—極強污染程度，應作為風險決策管理的重點對象；As和Cu次之，屬于中度污染，應引起相關部門的注意；其他3種重金屬為無—中度污染。采樣點S9（朝陽溪）和S3（西明江）為各重金屬污染風險較高的地段?？傮w上看，邕江表層沉積物中重金屬污染等級為中度污染。

表5 邕江表層沉積物中重金屬地質(zhì)累積指數(shù)與污染程度分級Table 5 Grading standards of geo-accumulation index（Igeo）and heavy metal pollution level in the surface sediments of the Yongjiang River

2.4 潛在生態(tài)危害指數(shù)法評價結果分析

邕江表層沉積物中重金屬污染的潛在生態(tài)危害指數(shù)法評價結果見表6。由表6可以看出：從單個重金屬的潛在生態(tài)危害系數(shù)來看，6種重金屬污染值的平均值大小依次為Cd＞As＞Cu＞Pb＞Cr＞Zn，這與地質(zhì)累積指數(shù)法評價結果相似。其中Cd元素污染值的平均值達到171.68，達到較重生態(tài)危害程度；As元素污染的平均值為40.59，為中等生態(tài)危害程度；其他4種重金屬元素的污染均為低等生態(tài)危害程度。此外，從6種重金屬污染的總體潛在生態(tài)危害指數(shù)RI 來看，位于邕江上游的采樣點S1的值較低，為低度潛在生態(tài)危害，其他9個采樣點均達到中度潛在生態(tài)危害。其中采樣點S3（西明江）的RI值最高，超過了200，采樣點S9（朝陽溪）次之，為195.21。因此，邕江表層沉積物中重金屬污染總體上屬于中等潛在生態(tài)危害程度，其中Cd元素污染達到較重生態(tài)危害程度，As元素污染達到中等生態(tài)危害程度，應將Cd和As污染視為該區(qū)的重點預防和整治對象。

表6 邕江表層沉積物中重金屬的潛在生態(tài)危害指數(shù)與危害程度分級Table 6 RI，and grading standards of heavy-metal hazardous effect in the surface sediments of the Yongjiang River

表6 邕江表層沉積物中重金屬的潛在生態(tài)危害指數(shù)與危害程度分級Table 6 RI，and grading standards of heavy-metal hazardous effect in the surface sediments of the Yongjiang River

3 結論

（1）邕江表層沉積物中6種重金屬元素的平均含量大小順序依次為：Zn＞Cu＞Cr＞As＞Pb＞Cd。沉積物主要受到Cd和As元素的污染，這兩種重金屬元素的平均含量均高于《土壤環(huán)境質(zhì)量標準》的二級標準值。

（2）地質(zhì)累積指數(shù)法評價結果表明，邕江表層沉積物中重金屬屬于中度污染，其中Cd污染最為嚴重，為強—極強污染，Cu、As和Zn為無—中等污染，Pb和Cr為無污染。潛在生態(tài)危害法評價結果表明，邕江表層沉積物中重金屬總體上屬于中等潛在生態(tài)危害程度，其中Cd元素污染達到較重生態(tài)危害程度，As元素污染達到中等生態(tài)危害程度。因此，應將Cd和As污染作為邕江南寧市區(qū)段表層沉積物重金屬污染的重點預防和整治對象。

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