溫瑞塘河河網(wǎng)沉積物重金屬生態(tài)風險評價

瞿理印，夏 芳，劉元元，黃 宏，梅 琨*，張明華,2*

(1.溫州醫(yī)科大學 浙南水科學研究院，浙江省流域水環(huán)境與健康風險研究重點實驗室，浙江 溫州 325035；2.加州大學戴維斯分校 陸地、大氣與水資源系，美國 戴維斯 95616)

由于快速的城市化與工業(yè)化，人類活動對城市生態(tài)系統(tǒng)影響強烈，河道沉積物中重金屬污染也日益受到廣泛關(guān)注[1-3]。Fe、Cu、Zn是人體必需的金屬元素，但當其超過一定限值之后將會對人體產(chǎn)生傷害，而Cd、Cr、Pb等金屬元素在十分微量的時候就能對人體產(chǎn)生不可逆的傷害[4]。與河流上覆水相比，河道沉積物不但是重金屬污染富集的主要場所，也是許多底棲生物棲息的場所，沉積物中的金屬污染物通過水動力循環(huán)以及一系列的氧化還原反應釋放到水體中，或被底棲生物吸收，再通過生物富集作用被各級生物鏈中的消費者吸收，最終對人體健康產(chǎn)生危害[5]。因此，關(guān)注沉積物中的重金屬污染水平是十分必要的。

溫瑞塘河位于浙江省區(qū)域中心城市之一的溫州，作為我國第一批改革開放的沿海城市，溫瑞塘河流域在經(jīng)濟快速發(fā)展的同時也伴隨著對環(huán)境的污染。關(guān)于溫瑞塘河流域沉積物重金屬污染的研究已有先例[6-7]，但主要是分析重金屬的污染特征，未能定量評價其生態(tài)風險水平。本研究以溫瑞塘河溫州市區(qū)段為主要研究區(qū)域，監(jiān)測和分析了城市河道沉積物重金屬污染特征，采用Hakanson潛在生態(tài)風險指數(shù)法評價該區(qū)域河流底泥沉積物中重金屬的生態(tài)風險等級，采用多元統(tǒng)計學方法分析可能的污染源，深入分析沉積物重金屬污染狀況，以期為城市河道重金屬污染治理與防護提供一定的科學依據(jù)與數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

溫瑞塘河是溫州市的母親河，位于甌江以南、飛云江以北的溫瑞平原，整個流域面積740 km2，其中溫州市區(qū)段流域面積298.7 km2(圖1)。溫瑞塘河是溫瑞平原農(nóng)田的主要灌溉和排澇河道，也是沿河城鄉(xiāng)工礦企業(yè)的主要水源。根據(jù)溫州市環(huán)境保護局所發(fā)布的《2015年溫州市環(huán)境狀況公報》統(tǒng)計，溫州市的電鍍、印染、造紙、制革、化工、合成革等6大行業(yè)共計1 151家企業(yè)，年污水排放量達40 316萬t。盡管目前工業(yè)污水收集率已達到95%以上，但是沿河垃圾和地表灰塵中的重金屬，在雨水的沖刷作用下，仍會隨著地表徑流入河，并在底泥沉積物中富集[8]。

1.2 樣品采集與分析

2017年3—4月在研究區(qū)域選取39個沉積物樣品采集點(圖1)。使用蚌式抓斗采泥器采集河道頂部沉積物，選取中間部分密封保存于潔凈的聚乙烯塑料袋內(nèi)，帶回實驗室低溫保存。樣品風干后，剔除樹枝、石子等雜物，研磨后過160目尼龍網(wǎng)篩待測。

圖1 溫瑞塘河沉積物采樣點分布

使用HCl-HNO3-HF-HClO4混酸消解法于石墨電熱板上消解沉積物樣品[9]，消解后的樣品用石墨爐原子吸收光譜儀(AAS)測定Cu、Zn、Pb、Cd、Cr元素含量，用標準參考物質(zhì)GBW-0713進行質(zhì)量控制，保證相對標準偏差在10%以內(nèi)。

1.3 生態(tài)風險評價

1.4 數(shù)據(jù)分析

在SPSS 20.0軟件平臺上進行描述性統(tǒng)計、主成分分析等。

2 結(jié)果與分析

2.1 沉積物重金屬含量

采樣點的重金屬含量統(tǒng)計結(jié)果如表1所示，沉積物中重金屬平均濃度從高到低依次為Zn>Cn>Cr>Pb>Cd。與溫瑞平原沉積物重金屬含量背景值(表2)相比，樣品中Cr的平均含量約為背景值的2倍，Pb約為3倍，Cu和Zn的含量在10倍左右，污染最嚴重的是Cd，平均含量超過背景值約100倍。對比分析溫瑞塘河溫州市區(qū)段與國內(nèi)其他研究區(qū)沉積物中重金屬的污染情況，除了Pb的平均濃度低于湖南湘江流域之外，Cu、Zn、Cd、Cr的平均濃度均遠高于其他研究區(qū)域。

表1 溫瑞塘河沉積物重金屬濃度分布 統(tǒng)計 mg·kg-1

表2 溫瑞塘河與其他部分研究區(qū)沉積物 重金屬濃度對比 mg·kg-1

2.2 沉積物中重金屬污染源

溫瑞塘河沉積物中重金屬的相關(guān)性分析結(jié)果如表3所示，Zn、Pb、Cd、Cu之間存在顯著的相關(guān)性，說明這4種金屬可能有相同的污染來源，而Cr和Cu之間存在一定的相關(guān)關(guān)系，而與其他3種金屬之間無相關(guān)性。

表3 沉積物中重金屬的相關(guān)性分析

注：*，P<0.05；**，P<0.01 (雙側(cè))。

一般地，重金屬主要來源為母質(zhì)背景和人為活動。通過主成分分析能在一定程度上分辨重金屬的污染來源。研究區(qū)重金屬污染源的主成分分析結(jié)果(圖2)顯示，前2個主成分特征值分別為3.259和1.081，累計貢獻率達到了86.8%，能夠較好地反映研究區(qū)重金屬污染的主要變異特征。主成分1的貢獻率為57.4%，Zn、Pb、Cd在主成分1上有較大載荷。研究表明[16-18]，Zn、Pb、Cd、Cu主要受人類活動的影響，電鍍工業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢氣、廢水、廢渣等含有大量的Zn、Pb、Cd、Cu等重金屬。結(jié)合Zn、Pb、Cd、Cu之間的高度相關(guān)性，認為主成分1主要代表了研究區(qū)與工業(yè)活動相關(guān)的人為污染源。主成分2的貢獻率為29.4%，Cr和Cu在主成分2上有較大載荷。由Cr在研究區(qū)底泥中的含量可知，其污染水平較低，因此認為其主要受風化、侵蝕、沉積等自然因素的影響[19]。Cu除了在第二主成分中有較大荷載外，在第一主成分中也呈現(xiàn)中等載荷，表明流域底泥中的Cu同時受到人為和自然因素的影響。

圖2 沉積物中重金屬的主成分分析

2.3 潛在生態(tài)風險

Hakanson潛在生態(tài)風險評價結(jié)果如圖3所示，各采樣點的RI在76.52～56 208.53，其中：14個采樣點屬于極強生態(tài)風險，15個樣點處于較強生態(tài)風險，1個采樣點處于中等生態(tài)風險，1個采樣點屬于輕微生態(tài)風險。

所有采樣點的Cr污染指數(shù)都小于40，處于輕微生態(tài)風險等級。大部分采樣點的Zn、Pb風險等級也較低，僅1個采樣點(B31)的Zn為中等生態(tài)風險(69.87)，Pb為強生態(tài)風險(83.92)。中部地區(qū)樣點的Cu達到中等生態(tài)風險，其中，1個采樣點(B18)達到極強生態(tài)風險等級，其污染指數(shù)較其他采樣點高出10～20倍。Cd的生態(tài)風險是所有調(diào)查金屬元素中最高的：有23個采樣點達到了極強生態(tài)風險水平，其中有6個采樣點的污染指數(shù)是極強生態(tài)風險標準的100倍以上；有12個采樣點達到了較強生態(tài)風險水平，3個采樣點處于強生態(tài)風險水平，1個采樣點處于中等生態(tài)風險水平。從平均風險等級來看，溫瑞塘河的重金屬污染程度為Cd>Cu>Pb>Zn>Cr。

從圖3結(jié)果來看，研究區(qū)域RI的空間分布特征與重金屬Cd的污染指數(shù)相似，主要是由于Cd是研究區(qū)最主要的污染元素，且生態(tài)風險等級高。如圖3所示，高風險區(qū)主要位于研究區(qū)西南角(Cu除外)，主要是由于B31點及其周圍采樣點(B25、B28、A4、A5、B32)的重金屬含量相對其他點位高，是研究區(qū)的重金屬污染熱點區(qū)。根據(jù)Chen等[20]對該流域土地利用所做的前期工作，B31地處工業(yè)園區(qū)附近，該地區(qū)的工業(yè)用地比例為46.51%，盡管大部分的工業(yè)廢水已經(jīng)進入溫州市截污納管系統(tǒng)，但是漏排、管道滲漏、地表徑流、大氣沉降等，也會造成工業(yè)活動區(qū)域重金屬污染現(xiàn)象；因此，工業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的“三廢”(廢氣、廢水、固體廢棄物)仍然是導致底泥中重金屬含量過高的主要原因[21]。B18采樣點所屬的子流域中工業(yè)用地面積占所有用地面積的38.29%，在所有采樣點中僅次于B31，因此該地區(qū)的Cu污染可能同樣源自于工業(yè)生產(chǎn)排放。

圖3 溫瑞塘河沉積物重金屬生態(tài)風險空間分布

3 小結(jié)

本研究顯示，溫瑞塘河流域溫州市區(qū)段沉積物中重金屬含量較高，采樣點平均濃度遠高于當?shù)乇尘爸?，Cd約為背景值的100倍，Cu、Zn是背景值的10倍左右，Pb、Cr是背景值的2～3倍。39個采樣點中有14個采樣點屬于極強生態(tài)風險，15個采樣點屬于較強生態(tài)風險。分元素來看，各采樣點中Cr、Zn都處于中等生態(tài)風險水平以下，Cu和Pb分別在B18和B31采樣點處達到極強生態(tài)風險水平與強生態(tài)風險水平。Cd污染最為嚴重，有23個采樣點達到了極強生態(tài)風險水平，12個采樣點達到了較強生態(tài)風險水平，3個采樣點處于強生態(tài)風險水平。根據(jù)主成分分析結(jié)果，研究區(qū)域內(nèi)Zn、Pb、Cd的污染主要受人類活動的影響，溫州市區(qū)發(fā)達的電鍍、皮革產(chǎn)業(yè)可能是其主要來源。Cu在一定程度上受到工業(yè)污染影響，但受成土母質(zhì)及風化、侵蝕等自然因素的影響更大。Cr受人為影響有限，主要來自于自然環(huán)境。

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