黑臭河道底泥重金屬污染特征及生態(tài)風(fēng)險評價

羅坤　吳從林　孫凌凱

摘要：為了解平原河網(wǎng)地區(qū)河道沉積物中重金屬的污染特征，選取江陰市城區(qū)10條非黑臭河道和17條黑臭河道作為研究對象，分析河道表層沉積物中Cu、Cr、Ni、Zn、Pb、Cd、As、Hg等8種重金屬的分布特征，并對其來源及生態(tài)風(fēng)險進行評價。評價結(jié)果表明：①江陰市城區(qū)黑臭河道與非黑臭河道沉積物中重金屬均超過其背景值，已表現(xiàn)出明顯的富集累積趨勢，但各重金屬濃度在黑臭河道與非黑臭河道中沒有顯著差異（p>0.05）。②相關(guān)性分析及主成分分析表明，沉積物中多數(shù)重金屬元素來源具有一定的相似性，主要受到工業(yè)污染、農(nóng)田面源污染、交通污染和自然地質(zhì)作用的影響。③潛在生態(tài)風(fēng)險系數(shù)評價結(jié)果顯示，各重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險順序

在黑臭河道中為Hg>Cd>Pb>As>Ni>Cu>Zn>Cr，在非黑臭河道中為Hg>Cd>Cu>As>Pb>Ni>Zn>Cr，

其中Hg和Cd對潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)的貢獻最大，在黑臭河道與非黑臭河道中的貢獻占比均超過60%。8種重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)介于53.1～961.5，總體處于低或中等生態(tài)風(fēng)險水平，但局部河段具有高生態(tài)風(fēng)險。

關(guān)鍵詞：重金屬污染; 污染源解析; 生態(tài)風(fēng)險評價; 平原河網(wǎng)城市; 江陰市

中圖法分類號： X53

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.10.007

0引 言

城市的擴張和人類活動的不斷加強導(dǎo)致大量污染物排放到河流并沉積到底泥中，對城市水生態(tài)系統(tǒng)和人類健康構(gòu)成嚴重威脅。底泥中重金屬由于其潛在的生物毒性和環(huán)境持久性，越來越受到人們關(guān)注[1-2]。研究表明，經(jīng)過工農(nóng)業(yè)廢水排放、大氣沉降及雨水徑流進入水體中的重金屬污染物，通過水體沉積物的形式在底泥中富集，不僅難以被微生物分解，且會隨著水體環(huán)境的變化被釋放進入水體，最終通過食物鏈的富集作用威脅人類健康[3]。王云等指出，進入環(huán)境中的重金屬，尤其是Cd、As、Pb和Hg等會通過食物鏈進入人體，對人體產(chǎn)生嚴重危害，如生殖毒性、免疫毒性、內(nèi)分泌干擾作用等[4]。

目前，國內(nèi)外關(guān)于底泥重金屬的研究主要集中在污染源解析、污染分布特征、風(fēng)險評價及重金屬遷移轉(zhuǎn)化等方面[5]。例如，為全面了解底泥重金屬污染程度，德國、英國、日本和瑞典等國研究者從沉積物角度提出了多種重金屬的評價方法，包括地累積指數(shù)評價法、潛在生態(tài)風(fēng)險評價法、污染負荷指數(shù)法等，并廣泛用于河湖底泥重金屬污染狀況評價[6-8]。中國研究人員除了對重金屬污染的生態(tài)風(fēng)險進行評價以外，還采用多元統(tǒng)計分析對重金屬來源進行解析，通過分析底泥中重金屬變量之間的相關(guān)關(guān)系判斷污染的主要來源路徑。例如，易雨君等采用潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法對長江中下游及湖泊底泥重金屬污染進行了評價，并采用相關(guān)分析和主成分分析對重金屬的污染來源進行了分析[5];賈英等采用地累積指數(shù)和潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)評估了上海市河流沉積物中重金屬污染級別和潛在生態(tài)風(fēng)險，并指出上海市河流沉積物中重金屬主要來源于工業(yè)廢水、交通污染和農(nóng)藥等[3];楊強等對錢塘江沉積物中重金屬污染源的解析和生態(tài)風(fēng)險評價表明重金屬主要來源于工業(yè)生產(chǎn)，且表現(xiàn)出強生態(tài)風(fēng)險[9]。

雖然國內(nèi)外眾多學(xué)者對河流、湖泊沉積物中重金屬污染狀況做了大量研究，但鮮有針對城區(qū)黑臭河道底泥重金屬污染特征進行分析[10]。江陰市位于長江三角洲太湖平原北緣，是中國工業(yè)百強縣第一。然而，隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展和城市現(xiàn)代化的快速建設(shè)，江陰市城區(qū)水系受到嚴重污染，出現(xiàn)多條黑臭水體。本文選取江陰市城區(qū)27條主要河段作為研究對象，對其底泥中重金屬的分布特征和來源進行分析，并采用地累積指數(shù)法和潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法對底泥重金屬污染風(fēng)險進行全面評價，以期為平原城市黑臭河道治理、重金屬污染防治及底泥處置生態(tài)風(fēng)險管理提供科學(xué)依據(jù)。

1研究區(qū)域概況

江陰市位于長江三角洲太湖平原北緣，北枕長江，南近太湖，東接常熟、張家港，西連常州，地處蘇錫?！敖鹑恰睅缀沃行?，平均氣溫15.8 ℃，平均降水量1 098.3 mm。與周邊城市相比，江陰市產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)以傳統(tǒng)制造業(yè)為主，包括裝備制造業(yè)、紡織服裝業(yè)、黑色金屬冶煉和壓延加工業(yè)、石化行業(yè)和化學(xué)纖維制造業(yè)，能耗高、污染排放總量大，對城區(qū)河道水體造成嚴重污染。

2樣品采集與檢測

2.1樣品采集與處理

本次沉積物樣品采自江陰市城區(qū)10條非黑臭河道和17條黑臭河道，其中10條非黑臭河道采樣點13個，17條非黑臭河道采樣點24個（見圖1）。采用抓斗式采樣器采集表層沉積物樣品（0～10 cm），并將采集的樣品用聚乙烯密封袋包裝后立刻帶回實驗室。經(jīng)常溫風(fēng)干后去除礫石顆粒、塑料和動植物殘體等雜物，用瑪瑙研缽研磨后過100目篩，裝入聚乙烯密封袋中，在冰箱內(nèi)-4 ℃密封保存，以供檢測。

2.2樣品測試

底泥樣品消解：準確稱取0.100 0 g（精確到0.000 1 g）經(jīng)初步處理后的沉積物樣品放入消解管中，加入15 mL鹽酸和5 mL硝酸，在電熱板180 ℃加熱至約1～2 mL，再加入5 mL硝酸和5 mL高氯酸，在220 ℃加熱至接近燒干時，繼續(xù)升溫到240 ℃，直至高氯酸冒煙冒盡并接近燒干，冷卻后加入1 mL 1∶1硝酸，定容至50 mL，搖勻備測。

對沉積物樣品中As、Hg和Pb含量采用原子熒光分光光度計（AFS-230E）測定，對Cu、Zn、Ni、Cr和Cd含量采用AA370MC型火焰原子吸收分光光度法測定[11]。在重金屬的分析過程中，采用沉積物標準樣品進行過程質(zhì)量控制，實驗過程中，每個樣品設(shè)置2個平行樣，平行樣分析誤差< 5%，結(jié)果取測量平均值。

2.3數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2010、Origin 8.0、IBM SPSS 20.0等統(tǒng)計分析軟件進行數(shù)據(jù)處理、圖形制作及方差分析、相關(guān)性分析和因子分析。

3評價方法

潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法是一種基于底泥重金屬元素特性和環(huán)境行為，用于評價沉積物重金屬生態(tài)危害的方法[3]。該方法不僅反映了多種重金屬污染物的綜合影響，也能定量劃分潛在生態(tài)風(fēng)險的程度，被廣泛用于沉積物重金屬污染質(zhì)量評價。其計算公式如下：

4結(jié)果與討論

4.1重金屬含量與分布

江陰市城區(qū)黑臭河道與非黑臭河道沉積物中8種重金屬含量統(tǒng)計結(jié)果列于表2。在黑臭河道內(nèi)，沉積物中8種重金屬的濃度均值介于0.179～246.300 mg/kg之間，平均濃度由高到低依次為Zn>Pb>Cr>Ni>Cu>As>Cd>Hg，且除Cr和Hg以外均超過背景值。其中，平均濃度最高的是Zn和Pb，分別為246.300 mg/kg和89.300 mg/kg，平均濃度最低的是Cd 和Hg，分別為0.245 mg/kg和0.179 mg/kg。在非黑臭河道內(nèi)，沉積物中8種重金屬的濃度均值介于0.370～277.200 mg/kg之間，平均濃度由高到低依次為Zn>Cu>Cr>Pb>Ni>As>Hg>Cd，且均超過背景值。其中，平均濃度最高的是Zn和Cu，分別為277.200 mg/kg和169.000 mg/kg，平均濃度最低的也是Hg和Cd，分別為0.448 mg/kg和0.370 mg/kg。方差分析結(jié)果表明：黑臭河道與非黑臭河道內(nèi)沉積物中8種重金屬含量均沒有顯著差異。因此，江陰市城區(qū)河道沉積物中重金屬含量與分布不受河道黑臭的影響。同時，黑臭河道與非黑臭河道沉積物中重金屬均超過其背景值，表明江陰市城區(qū)河道沉積物重金屬已表現(xiàn)出明顯的富集累積趨勢。

4.2沉積物中重金屬來源分析

表3為河道沉積物中8種重金屬的Pearson相關(guān)系數(shù)。由表3可以看出：除了Ni與Pb、Ni與Hg之間不存在顯著相關(guān)性（p>0.05），其余各重金屬元素之間均具有顯著相關(guān)性（p<0.05），表明江陰市城區(qū)黑臭河道與非黑臭河道沉積物中多數(shù)重金屬元素來源具有一定的相似性。

為進一步分析江陰市城區(qū)河道沉積物中重金屬的污染來源，采用主成分分析法對污染源進行解析。根據(jù)主成分分析結(jié)果（見表4），江陰市城區(qū)河道沉積物中8種重金屬主要由2個主成分F1和F2表達，分別可以解釋總方差的52.409%和20.930%，累積方差解釋率達73.340%。從表4可以看出，Ni、Cr、Cu、Cd、As、Zn在第一個主成分中具有較高的載荷，表明這6種重金屬元素可能來自同一個污染源。其中，Zn、Cu、Cr和Ni含量較高，表明受工業(yè)污染比較嚴重[3];Cd一般可作為使用農(nóng)藥和化肥等農(nóng)業(yè)活動的標識元素[13-14];As 主要存在于農(nóng)藥和工農(nóng)業(yè)廢水中[15]，因此，第一個主成分代表工業(yè)污染和農(nóng)田面源污染。Pb在第二個主成分中具有較高的載荷。根據(jù)廖啟華等對江蘇省土壤重金屬污染來源分析結(jié)果，江蘇省境內(nèi)Pb含量受工業(yè)化、城市化及自然地質(zhì)作用等多種因素影響[12]。同時，Pb也是機動車污染源的標識元素[16]。對江陰市城區(qū)500多家工業(yè)企業(yè)的調(diào)查結(jié)果顯示，江陰市城區(qū)工業(yè)企業(yè)中沒有廢水Pb和廢氣Pb的產(chǎn)生和排放，可以排除工業(yè)活動對河道沉積物中Pb的貢獻。因此，沉積物中Pb含量超標可能來源于城區(qū)交通污染和自然地質(zhì)作用。為更準確地識別沉積物中重金屬的污染源，未來的研究將采用同位素示蹤進行源解析。

4.3沉積物中重金屬污染生態(tài)風(fēng)險評價

江陰城區(qū)河道表層沉積物中重金屬生態(tài)風(fēng)險評價統(tǒng)計分析結(jié)果分別如表5和表6所列。在黑臭河道點位中，Cd的Er值在11.2～162.0之間，平均值為51.5，其中16.67%的點位超過了80，達到較高生態(tài)風(fēng)險水平;Hg的Er值在19.7～127.2之間，平均值為46.0，其中12.5%的點位超過了80，達到較高生態(tài)風(fēng)險水平，生態(tài)風(fēng)險程度僅次于Cd;其余各重金屬基本處于低生態(tài)風(fēng)險水平，僅在局部點位存在較高生態(tài)風(fēng)險。在非黑臭河道點位中，Hg、Cd和Cu屬于生態(tài)風(fēng)險較高的重金屬元素。其中，Hg的Er值在16.6～447.2之間，平均值為87.9，其中23.1%的點位大于80，有較高生態(tài)風(fēng)險，7.69%的點位大于320，有極高生態(tài)風(fēng)險;Cd的Er值在12.8～117.1之間，平均值為55.7;Cu的Er值在2.88～359.30之間，平均值為54.40，且有7.69%的點位達到極高生態(tài)風(fēng)險水平。雖然Hg和Cd在沉積物中的濃度較低，但卻是江陰市城區(qū)河道主要風(fēng)險污染物，這與賈英等[3]對上海市河道沉積物重金屬污染特征的研究結(jié)果類似。

從表5和表6可以看出：黑臭河道沉積物中8種重金屬RI介于53.1～961.5之間，平均值為197.8，其中62.50%的點位處于低風(fēng)險，29.20%的點位處于中等或較高生態(tài)風(fēng)險，僅8.33%的點位具有高生態(tài)風(fēng)險;非黑臭河道中RI介于63.8～611.2，平均值為239.7，其中76.80%的點位處于中等或低生態(tài)風(fēng)險，僅7.69%的點位具有高生態(tài)風(fēng)險。因此，江陰市城區(qū)河道沉積物中8種重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險總體處于低或中等水平，僅局部河段具有高生態(tài)風(fēng)險。此外，方差分析的結(jié)果顯示，黑臭河道與非黑臭河道沉積物潛在生態(tài)風(fēng)險沒有顯著差異（p>0.05）。

圖2為黑臭河道與非黑臭河道表層沉積物中不同重金屬對潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)的貢獻程度。在黑臭河道中，Cd和Hg對潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)的平均貢獻分別達到29.64%和29.66%，而其余6種重金屬對潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)的平均貢獻僅約40%，各重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險從高到低依次為 Hg>Cd>Pb>As>Ni>Cu>Zn>Cr。在非黑臭河道中，Cd和Hg對潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)平均貢獻超過60%，各重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險從高到低依次為Hg>Cd>Cu>As>Pb>Ni>Zn>Cr。

5結(jié) 論

（1） 江陰市城區(qū)黑臭河道與非黑臭河道沉積物中Cu、Cr、Ni、Zn、Pb、Cd、As、Hg 含量均沒有顯著差異，表明河道沉積物中重金屬含量與分布不受河道黑臭的影響。同時，黑臭河道與非黑臭河道沉積物中重金屬均超過其背景值，已表現(xiàn)出明顯的富集累積趨勢。

（2） 黑臭河道與非黑臭河道沉積物中多數(shù)重金屬元素來源具有一定的相似性，其中，Ni、Cr、Cu、Cd、As、Zn可能主要來源于工業(yè)污染和農(nóng)田面源污染，Pb可能主要受到城區(qū)交通污染和自然地質(zhì)作用影響。

（3） 8種重金屬在江陰城區(qū)黑臭河道沉積物中潛在生態(tài)風(fēng)險從高到低依次為Hg>Cd>Pb>As>Ni>Cu>Zn>Cr，在非黑臭河道沉積物中潛在生態(tài)風(fēng)險從高到低依次為Hg>Cd>Cu>As>Pb>Ni>Zn>Cr，Hg和Cd在黑臭河道與非黑臭河道中對潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)的貢獻最大，均達到約60%。因此，雖然沉積物中Hg和Cd的濃度較低，但卻是江陰市城區(qū)河道主要風(fēng)險污染物。

（4） 對8種重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)（RI）分析表明，江陰市城區(qū)河道沉積物中8種重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險總體處于低或中等水平，但局部河段具有高生態(tài)風(fēng)險。

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（編輯：劉 媛）

Abstract：In order to understand the pollution characteristics of heavy metals in surface sediments of plain river network city，the distributions characteristics of 8 heavy metals including Cu，Cr，Ni，Zn，Pb，Cd，As and Hg in sediment from 17 black-odor rivers and 10 non black-odor rivers in Jiangyin City were analyzed，and the potential ecological risks of each heavy metals were evaluated.The results showed that：① the concentrations of 8 metals in the sediment of both black-odor rivers and non black-odor rivers were higher than background sediments of Jiangsu Province，which showed an obvious trend of enrichment and accumulation，but the concentrations of 8 metals in the sediment of black-odor rivers and non black-odor rivers had no significant differences（p>0.05）.② The results of correlation analysis and principal component analysis indicated that the source of most heavy metals in sediments were similar，mainly affected by industrial wastewater，agricultural non-point source，vehicle pollution and some natural geological processes.③ The potential ecological risk of 8 heavy metals in surface sediments in black-odor rivers and non black-odor rivers were in the following order：Hg>Cd>Pb>Ni>Cu>As>Zn>Cr and Hg>Cd>Cu>As>Pb>Ni>Zn>Cr，with Hg and Cd contributing the most to the total potential ecological risk，accounting for more than 60% of both black-odor and non black-odor rivers.The potential ecological risk indices（RI）of 8 heavy metals at all sampling sites were from 53.1 to 961.5，in a low or medium potential ecological risk，but local reaches had high ecological risk.

Key words：heavy metal pollution;pollution source identification;ecological risk assessment;plain river network area;Jiangyin City