水體沉積物重金屬污染風險評價研究進展

陳明，蔡青云，徐慧，趙玲，趙永紅

江西理工大學江西省礦冶環(huán)境污染控制重點實驗室，江西 贛州 341000

水體沉積物重金屬污染風險評價研究進展

陳明，蔡青云，徐慧，趙玲，趙永紅

江西理工大學江西省礦冶環(huán)境污染控制重點實驗室，江西 贛州 341000

摘要：沉積物是水體中重金屬的主要富集地，對水體沉積物中重金屬進行風險評價，是了解水體中重金屬污染狀況的有效手段，可以為管理部門提供決策依據(jù)。文章分析了中國水體沉積物重金屬風險評價的研究對象及評價標準，綜述了國內(nèi)外目前常用的水體沉積物重金屬污染風險評價方法。中國目前水體沉積物風險評價涉及的水體主要為湖泊、河流、水庫及海洋，且對湖泊及河流的重金屬污染風險評價研究多于水庫及海洋。水體沉積物重金屬風險評價涉及的重金屬有Hg、Cd、Cr、Pb、Mn、Cu、Zn、Ni、Co，As等，其中在90%以上的水體沉積物重金屬風險評價中涉及到Pb、Cu、Zn，說明這3種重金屬污染最廣，其次為Cd、Cr、As，重金屬W在水體中的風險性未得到重視。水體沉積物重金屬污染風險評價所涉及的評價指標有重金屬含量、重金屬的形態(tài)分布和空間分布特征等，主要以重金屬的含量作為風險評價的指標，其次是分析重金屬的空間分布特征，對重金屬形態(tài)分布分析較少。中國水體沉積物重金屬風險評價標準還不完善，標準的選擇較為多樣，需根據(jù)評價目地、水體情況選擇合適的評價標準。國內(nèi)外目前常用的水體沉積物重金屬污染風險評價方法主要包括地累積指數(shù)法、沉積物富集系數(shù)法、沉積物質(zhì)量基準法、潛在生態(tài)風險指數(shù)法、污染負荷指數(shù)法、尼梅羅綜合指數(shù)法、次生相與原生相比值法等，并分析了各評價方法的優(yōu)缺點，其中地積累指數(shù)法、沉積物富集系數(shù)法、污染負荷指數(shù)法、尼梅羅綜合指數(shù)法未引入生物有效性，潛在生態(tài)風險指數(shù)法考慮了生物毒理學和生態(tài)學內(nèi)容，但也存在不足之處。指出針對水體沉積物中重金屬毒害的健康風險評價較少，對于不同毒性數(shù)據(jù)的歸一化方法和原理有待進一步研究。

關鍵詞：水體沉積物；重金屬；評價對象；評價標準；評價方法

引用格式：陳明，蔡青云，徐慧，趙玲，趙永紅. 水體沉積物重金屬污染風險評價研究進展[J]. 生態(tài)環(huán)境學報, 2015, 24(6): 1069-1074.

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重金屬是自然界中危害較重的一類污染物，其具有危害持久性、較強的生物毒性及食物鏈的富集放大效應等特點（EDGAR等，2010；張杰等，2014）。重金屬污染物會通過水文循環(huán)過程進入水體系統(tǒng)，經(jīng)過一段時間的絮凝沉淀，最后在受納水體底部沉積物中累積，沉積物中重金屬的濃度一般會比水體中高幾個數(shù)量級（賈振邦等，2000），且不會因為自然退化過程而發(fā)生遷移和降解，而是有可能在沉積物中長期積累儲存下來，成為水體污染的內(nèi)源，通過一系列物理、化學、生物等作用，持續(xù)危害水體生態(tài)環(huán)境，通過食物鏈危害人類健康（KAUSHIK等，2009；尚林源等，2012）。由于水體中重金屬主要富集于沉積物中，所以對水體沉積物中重金屬含量、分布及風險評價等研究，是了解水體中重金屬污染狀況的有效手段，可以反映人為活動對水體污染的程度，為管理部門提供決策依據(jù)（牛燕霞等，2014；宋學兵等，2014）。美國環(huán)保局（EPA）已將水體沉積物重金屬檢測作為評價水體環(huán)境的重要手段（EPA/600/R-12/11）。水體沉積物重金屬污染評價已成為當前水環(huán)境研究的熱點問題。

1　水體沉積物重金屬污染風險評價研究對象

論文從CNKI中國期刊全文數(shù)據(jù)庫和維普中文科技期刊全文數(shù)據(jù)庫聯(lián)合檢索近30年以來的相關文獻，用EXCEL進行分析統(tǒng)計，得到水體沉積物重金屬污染風險評價所涉及的水體類型、重金屬元素及相關評價指標分布如圖1～圖3所示。

由圖1可知，中國水體沉積物重金屬風險評價所涉及的水體主要有河流、湖泊、海洋及水庫，對湖泊及河流的重金屬污染風險評價研究多于水庫及海洋，這主要是因為中國的湖泊及河流比較多，所涉及的人類居住區(qū)較廣泛，受人類活動的影響較大有關。

圖1　風險評價中各類水體所占比例Fig. 1 Proportion of various water bodies in risk assessment

水體沉積物重金屬污染風險評價所涉及的主要重金屬如圖2所示，有危害較大的Hg、Cd、Cr、Pb及危害較小的Mn、Cu、Zn、Ni、Co，As由于化合價可變，性質(zhì)與金屬類似，也被列為評價對象。由圖2可知，水體沉積物重金屬污染風險評價中90%以上的沉積物中均涉及到Pb、Cu、Zn，這說明這3種重金屬污染最廣，其次是Cd、Cr、As在評價對象中所占的比例較高。

圖2　風險評價中各種重金屬所占比例Fig. 2 Proportion of various heavy metals in risk assessment

值得一提的是，由于鎢是一種水不溶性金屬且呈化學惰性，相當長的時期內(nèi)被認為無顯著的生態(tài)毒性及環(huán)境效應，其生態(tài)環(huán)境安全性基本被忽視。21世紀以來，由于發(fā)達國家發(fā)生的鎢污染事件，如美國內(nèi)華達州法隆市（Fallon，Nevada）等地區(qū)發(fā)生的因環(huán)境鎢污染可能導致兒童白血病高發(fā)的事件（2005），使鎢的生態(tài)安全性逐漸受到廣泛關注和重視。美國環(huán)保署（USEPA）于2008年正式將鎢列為新興環(huán)境污染物，并決定對鎢的生態(tài)環(huán)境安全性進行全面審查和重新評估。俄羅斯則已經(jīng)將鎢列為一種高度危險的水體污染物（STRIGUL，2010）。

目前對水體沉積物重金屬的風險評價中涉及到鎢的研究鮮見報道。中國是世界鎢資源和產(chǎn)鎢大國，在相關區(qū)域開展對水體沉積物重金屬W的風險評價對重金屬污染防治將具有重要意義。

水體沉積物重金屬污染風險評價所涉及的評價指標主要有重金屬含量、重金屬的形態(tài)分布和空間分布特征等，所占比例如圖3所示。由圖3可知，評價中主要以重金屬的含量作為風險評價的指標，其次是分析重金屬污染風險的空間分布特征。在沉積物中重金屬以多種化學形態(tài)存在，重金屬的賦存形態(tài)是影響其生物毒性和生態(tài)效應的主要因素之一，不同賦存形態(tài)在化學反應、遷移性、生物可利用性和潛在毒性方面，展現(xiàn)出不同的物理和化學行為，因此應該將重金屬形態(tài)作為影響生態(tài)風險大小的重要因素（WANG等，2007；廖天鵬等，2014；王爽等，2012），目前對重金屬形態(tài)分布污染風險分析較少。

圖3　風險評價中各評價指標所占比例Fig. 3 Proportion of various assessment indexes in risk assessment

2　水體沉積物重金屬污染風險評價標準

評價標準直接關系到評價結(jié)果的科學性和有效性，所以評價標準的選擇均至關重要。國外在20世紀80年代以前主要以背景值作為評價標準，80年代后開始了基于環(huán)境基準的標準研究，1991年美國公布了第一個水體沉積物地域性環(huán)境質(zhì)量標準，即Puget灣沉積物質(zhì)量管理標準。中國在水體沉積物重金屬污染評價標準的研究上取得了一定的成果，2002年出臺了《海洋沉積物質(zhì)量標準》，但在其它水體沉積物方面沒有統(tǒng)一的評價標準，對于河流等水體沉積物的環(huán)境評價一般選用環(huán)境背景值及相關標準作為評價標準。采用環(huán)境背景值作為評價標準直觀清晰、操作簡單，但未考慮生態(tài)效應；采用相關標準作為評價標準只能粗略的評價沉積物是否符合環(huán)境功能要求，且缺乏針對性。

目前在對沉積物重金屬污染的評價標準的選擇上較為多樣，在實際應用中，一般是根據(jù)評價的目地、水體情況選擇合適的評價標準。喬敏敏等（2013）以北京市土壤背景值為標準，對密云水庫入庫河流沉積物中重金屬風險進行了評價；安立會等（2010）研究了渤海灣河口沉積物重金屬對海洋近巖漁業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量的影響，采用的是國家無公害食品水產(chǎn)品中有毒有害物質(zhì)限量NY5073─2001和鮮海水魚質(zhì)量標準GB/T 18108─2008。李梁等（2010）采用底泥質(zhì)量標準（SQGs）對滇池海底泥重金屬污染進行了風險評價；胡國成等（2011）利用《土壤環(huán)境質(zhì)量標準》（GB15618─1995）I級標準對長潭水庫沉積物中重金屬的污染情況進行了評價；田海濤等（2014）對茅尾海表層沉積物中重金屬潛在危害進行了評價，是以國際上常用的工業(yè)化以前沉積物中重金屬全球最高背景值為標準的。

3　水體沉積物重金屬污染風險評價方法

近年來，國內(nèi)外眾多學者從沉積學角度提出了多種水體沉積物重金屬污染的評價方法（陳豪等，2014；楊輝等，2013），各具合理性和局限性。在評價中，評價方法的選擇至關重要，應根據(jù)評價目的及各評價方法的特點來選擇，也可采用幾種評價方法相結(jié)合，取長補短，以得到更加準確、科學、全面的評價結(jié)果（邴海健等，2010；JARA-MARTIN等，2008；LOSKA和WIECHULA，2003；ACEVEDO-FIGUEROA等，2006；張海珍，2012）。

3.1地累積指數(shù)法

德國海德堡大學沉積物研究所的科學家Müller （1969）在1969年提出了地累積指數(shù)法，它是利用一種重金屬的總含量與其地球化學背景值的關系，定量評價沉積物中的重金屬污染程度，其計算方法如式（1）。

式中，Igeo為地累積指數(shù)；Cn、Bn分別為沉積物中重金屬元素n的實測含量及地球化學背景值；k為修正系數(shù)，根據(jù)各地巖石差異引起的背景值的波動確定。

該方法將重金屬污染級別劃分為7個等級，等級劃分標準采用的是全球沉積頁巖中重金屬元素的平均含量。該方法可以直觀地看出某元素在某采樣點的超標情況，但需考慮自然成巖作用可能引起的背景值的變動所帶來的影響，準確的選擇k值較為困難，且僅側(cè)重單一金屬。

3.2沉積物富集系數(shù)法

1974年，Zoller等為了研究南極上空大氣顆粒物中的化學元素是源于地殼還是海洋首次提出了富集因子法，它選擇表生過程中地球化學性質(zhì)穩(wěn)定的元素作為參比元素，來判斷金屬元素的富集程度，以揭示人為污染狀況。在此基礎上，Buat-Menard 和Chesselet（1979）于1979年提出了沉積物富集系數(shù)法，用于評價沉積物重金屬污染程度，其計算方法如式（2）。

式中，Cn，Cref分別為沉積物中重金屬含量及參比元素含量；Bn，Bref分別為未受污染沉積物中重金屬含量及參比元素含量，即重金屬背景值及參比元素背景值，參比元素一般選擇在遷移過程中性質(zhì)比較穩(wěn)定的元素AI、Li、Fe、Sc等。根據(jù)富集系數(shù)值，將污染程度分為5個等級。

參比元素的引入可以消除沉積物粒度大小和礦物組成對元素含量變化的干擾（WU等，2007）。能夠更準確地判斷人為污染狀況，而且結(jié)合年代學，還可以揭示出重金屬的富集過程以及確定重金屬的來源，但參比元素的選擇有待規(guī)范，且僅側(cè)重單一金屬，不能反映整體污染水平。

3.3沉積物質(zhì)量基準法

沉積物重金屬質(zhì)量基準（SQC）是指與沉積物接觸的底棲生物或上覆水生物不受重金屬危害的臨界水平，反映了重金屬元素與底棲生物或上覆水生物之間的劑量—效應關系。

目前國際上沉積物基準建立的方法較多，根據(jù)構(gòu)建原理，可分為理論型基準和經(jīng)驗型基準，前者主要相平衡分配法，后者主要有生物效應數(shù)據(jù)庫法（高博等，2013）。英國、荷蘭、美國、加拿大、澳大利亞和中國香港等國家和地區(qū)已建立了沉積物重金屬質(zhì)量基準，中國在此領域還處于起步階段。鄧保樂等（2011）于2011年應用相平衡分配法對太湖及遼河沉積物中的4種重金屬Cu、Zn、Cd、Pb進行了研究，給出了這4種重金屬的沉積物質(zhì)量基準，并據(jù)此對兩水體中沉積物重金屬的生態(tài)風險進行了評估；張婷等（2012）針對淡水沉積物，利用生物效應數(shù)據(jù)庫法建立了5種重金屬元素Cu、Zn、Cd、Pb、Ni的質(zhì)量基準。吳斌等（2011）提出了應采用聚合沉積物質(zhì)量基準代替單一的沉積物質(zhì)量基準，以提高評價的準確性（BAUDO，2008）。在建立沉積物質(zhì)量基準時，多種方法相結(jié)合，綜合運用沉積物化學分析、生物調(diào)查及毒理學試驗等手段，將是今后研究的重點和方向。

3.4潛在生態(tài)風險指數(shù)法

1980年，瑞典學者Lars Hakanson（1980）提出了潛在生態(tài)風險指數(shù)法，目前該評價方法被廣泛應用于水體沉積物中重金屬污染風險分析。其計算方法如式（3）和（4）。

式中，Ti，，分別為第i種重金屬的毒性響應參數(shù)、實測濃度、背景參照值。

某區(qū)域多個重金屬的潛在生態(tài)危害指數(shù)RI為：

式中，n為重金屬種類數(shù)。

3.5污染負荷指數(shù)法

Tomlinson等在從事重金屬污染水平的分級研究中提出了污染負荷指數(shù)法，根據(jù)計算出的污染負荷指數(shù)將污染分為4個等級。其計算方法如式（5）～（7）。

某一點金屬i的最高污染系數(shù)Fi為：

式中，Ci為金屬i的實測含量；C0i為金屬i的評價標準，即背景值。

某一點的污染負荷指數(shù)IPL為：

式中，m為參加評價的重金屬種類數(shù)目。

某一區(qū)域（流域）的污染負荷指數(shù)IPLzone為：

式中，n為采樣點個數(shù)。

該評價法既可以評價某一點的重金屬污染狀況，也可評價某一區(qū)域（流域）的污染狀況，能直觀地反映各種重金屬對污染的貢獻程度，以及重金屬在時空上的變化趨勢。

3.6尼梅羅綜合指數(shù)法

尼梅羅綜合指數(shù)法是在單因子污染指數(shù)評價的基礎上對多因子綜合評價的方法，其計算如式（8）。

式中，P為內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)；n為沉積物中重金屬種類數(shù)；Pi為沉積物中重金屬i的污染指數(shù)；Pi=Ci/ Si，Ci、Si分別為沉積物中重金屬i的實測濃度及評價標準。Pmax為沉積物中各重金屬污染指數(shù)的最大值。

根據(jù)內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)將污染程度分為了4個等級。該評價法既可反映單因子重金屬污染狀況，又可反映多因子重金屬污染的綜合狀況，同時綜合考慮了重金屬污染的平均值和最大濃度值對污染程度的影響，但有時會夸大或減小某些重金屬因子的影響。

3.7次生相與原生相比值法

根據(jù)沉積物地質(zhì)學，將殘渣態(tài)金屬稱為原生地球化學相，其存在于原生的礦物晶格中幾乎不發(fā)生遷移?？山粨Q態(tài)、碳酸結(jié)合態(tài)、水合鐵錳氧化物態(tài)和有機金屬態(tài)稱為次生地球化學相，其在一定外界環(huán)境影響下，可發(fā)生轉(zhuǎn)化（趙勝男等，2013）。重金屬在次生相和原生相中的分配比例可在一定程度上反映沉積物中重金屬的潛在生態(tài)危害程度，次生相所占的比例越大，對環(huán)境的潛在生態(tài)危害就越大。次生相與原生相比值P%按式（9）計算。

式中，Msec為沉積物次生相中的重金屬含量；Mprim為沉積物原生相中的重金屬含量。P%<100為無污染，100

沉積物中重金屬總量的高低并不能完全反映其遷移能力與污染風險，次生相與原生相比值法彌補了這一不足，該評價方法考慮了在重金屬的生物地球化學循環(huán)中，不同的存在形態(tài)會產(chǎn)生不同的生態(tài)風險和生物毒性，側(cè)重于評價重金屬污染物釋放的可能性。

上述7種評價方法是常用的沉積物重金屬污染風險評價法，其中地積累指數(shù)法、沉積物富集系數(shù)法、污染負荷指數(shù)法、尼梅羅綜合指數(shù)法未引入生物有效性；潛在生態(tài)風險指數(shù)法考慮了生物毒理學和生態(tài)學內(nèi)容，但也存在不足之處。諸評價法各有側(cè)重點與優(yōu)缺點，為了準確的評價水體沉積物中重金屬污染狀況，在實際應用中，一般會將幾種評價方法結(jié)合使用。Rafiei等（2012）運用潛在生態(tài)風險指數(shù)法與地累積指數(shù)法相結(jié)合對伊朗北部Anzali瀉湖沉積物中重金屬污染風險進行了評價；Shah等（2013）用地累積指數(shù)法及富集因子法對印度泰普提布河河口沉積物重金屬的富集和污染程度進行了評價；李蓮芳等應用沉積物富集系數(shù)、沉積物質(zhì)量基準法及潛在生態(tài)風險指數(shù)法對北京市溫榆河沉積物的重金屬污染進行了風險評價，發(fā)現(xiàn)80%以上的取樣點出現(xiàn)了重金屬富集，高毒元素As、Cd的富積較為嚴重，根據(jù)SQR標準，重金屬含量處于中度污染水平，以北京市土壤背景值為基礎，得到各重金屬呈現(xiàn)出強至極強的生態(tài)風險（李蓮芳等，2007）；賈英等（2013）應用地累積指數(shù)法及潛在生態(tài)風險指數(shù)法對上海河流沉積物重金屬污染進行了風險評價，表明Hg、Cd在多數(shù)采樣點分別為中度污染和偏重污染，Cd、Hg對潛在生態(tài)風險指數(shù)的貢獻最大，所評價的7種金屬具有極強生態(tài)風險；唐曉嬌等（2012）將盲數(shù)理論與地累積指數(shù)評價法結(jié)合在一起，對洞庭湖水系沉積物重金屬污染進行了評價，表明Pb、Cd是主要的污染因子，且定量計算出了各重金屬隸屬于各污染程度的可能性；徐亞巖等（2012）應用富集因子法及次生相與原生相比值法對渤海灣表層沉積物重金屬風險進行了分析，綜合評價得出，污染最嚴重的重金屬是Pb，Cu和Zn有潛在污染，V、Cr和Co基本清潔。

沉積物重金屬風險評價方法還有回歸過量分析法（HILTON等，1985）、模糊集理論（樊夢佳等，2010）、臉譜圖法（CHEMOFF，1973）等。但由于其存在的不足目前已較少應用，如模糊集理論法需建立大量函數(shù)，運算繁瑣，最佳權(quán)重的確定也較為困難（金艷等，2007）。

4　研究展望

水體沉積物重金屬風險評價是一項十分復雜的工作，它涉及重金屬的含量、形態(tài)分布、生物可累積性和有效性等方面，中國對水體沉積物生態(tài)風險評價的理論和技術(shù)研究相對還比較薄弱。評價中評價標準的選擇很關鍵，目前中國雖然在水體沉積物重金屬污染評價標準的研究上取得了一定成果，但除了《海洋沉積物質(zhì)量標準》外，沒有其它水體的統(tǒng)一評價標準，中國水體沉積物環(huán)境標準還未形成。水體沉積物重金屬污染風險評價方法主要集中在地積累指數(shù)法、沉積物富集系數(shù)法、潛在生態(tài)風險指數(shù)等，這些方法也各有缺點，根據(jù)評價目的，采用多種方法相結(jié)合的綜合評價是得到全面、準確評價結(jié)果的有效方法?；谌梭w健康的風險評價符合人類的根本利益，目前針對水體沉積物中重金屬毒害的健康風險評價較少，對于不同毒性數(shù)據(jù)的歸一化方法和原理有待進一步研究。

此外，對鎢這一新興重金屬在水體沉積物中的污染特征和風險評價也應該引起足夠的關注，相關成果即可拓展重金屬污染防治研究領域，又可為制定相關法律法規(guī)提供參考。

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Research Progress of Risk Assessment of Heavy Metals Pollution in Water Body Sediments

CHEN Ming, CAI Qingyun, XU Hui, ZHAO Ling, ZHAO Yonghong
Jiangxi Key Laboratory of Mining and Metallurgy Enviromental Pollution Control, Jiangxi University of Science and Technology, Ganzhou 341000, China

Abstract:Sediments are the main enrichment of heavy metals in water. Risk assessment of heavy metals in sediments is an effective means to understand the pollution status of heavy metals in water. Moreover, it provides a decision making basis for water management departments. This paper analyzes the study object and the assessment criterion of risk assessment of heavy metals in water body sediments. It also summarizes several assessment methods commonly adopted at home and abroad. The risk assessment is conducted mainly in lakes, rivers, reservoirs, and seas.The risk of heavy metal pollution is found more in lakes and rivers than in reservoirs and seas. Heavy metals for risk assessment are Hg, Cd, Cr, Pb, Mn, Cu, Zn, Ni, Co, and As. More than 90% of the water body sediments in the risk assessment of heavy metals comprised Cu, Zn, and Pb. These heavy metal pollutants are the most extensive, followed by Cd, As, and Cr. The risk of heavy metal W is not taken seriously. The assessment indexes of risk assessment include content, fraction distribution, and spatial distribution. The content of heavy metals is the main assessment index, followed by the spatial distribution characteristics of heavy metals. Analysis on speciation distribution of heavy metals is minimal.The assessment criteria in China are not perfect, and choices of criteria are diverse. The appropriate assessment criteria should be selected according to the assessment purpose and water body condition. Several assessment methods commonly adopted at home and abroad are geoaccumulation index method, enrichment factor method, sediment quality standard method, potential ecological risk index method, pollution load index method, Nemerow index method, and the ratio of secondary and primary phases. The advantages and disadvantages each of these methodsare analyzed. Biological effectiveness is not considered in geoaccumulation index method, enrichment factor method, pollution load index method, and Nemerow index method. The potential ecological risk index method takes into account biological toxicology and ecology; however, shortcomings are also found. This paper emphasizes that research on the health risk assessment of toxicity of heavy metals in sediments is minimal. The normalization method and principle of different toxicity data need to be further researched.

Key words:water body sediments; heavy metals; assessment object; assessment criterion; assessment method

收稿日期：2015-04-23

作者簡介：陳明（1976年生），男，副教授，博士，研究方向為水處理技術(shù)。E-mail: 261984014@qq.com

基金項目：國家“十二五”科技支撐計劃課題（2012BAC11B07）；國家自然科學基金項目（51064007）；江西省對外科技合作計劃（20133BDH80027）

中圖分類號：X824

文獻標志碼：A

文章編號：1674-5906（2015）06-1069-06

DOI:10.16258/j.cnki.1674-5906.2015.06.024