城市景觀河流底泥重金屬污染及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

楊遠(yuǎn)偉

（福建師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院，福建 福州 350007）

底泥通常指河流、湖泊等自然界水體的沉積物，是各種水體污染物聚集的地方。進(jìn)入河流中的重金屬幾乎不可以通過(guò)水中微生物的降解作用而消除，日積月累，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楣滔?，最終沉積于河流底泥之中[1]。河流底泥重金屬對(duì)水環(huán)境造成極大的危害，在環(huán)境條件發(fā)生改變時(shí)會(huì)通過(guò)二次污染危及河流水生動(dòng)植物的正常生長(zhǎng)，并通過(guò)食物鏈的擴(kuò)大效應(yīng)對(duì)流域附近居民的身體健康產(chǎn)生嚴(yán)重的消極影響[2]。本文選取宿州市景觀河流作為研究對(duì)象，根據(jù)實(shí)際情況，在河流內(nèi)科學(xué)合理布設(shè) 12 個(gè)采樣點(diǎn)，測(cè)定 Cu、Zn、As、Cr、Pb、和 Ni的濃度值，進(jìn)一步分析其污染情況，并研究河流生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。旨在確定主要污染物及重點(diǎn)控制區(qū)域，為宿州市景觀河流的底泥修復(fù)、水環(huán)境治理提供科學(xué)依據(jù)，對(duì)景觀河流的水環(huán)境保護(hù)具有重要意義。

1 樣品采集分析及評(píng)價(jià)方法

1.1 研究區(qū)概況

宿州市位于安徽省北部。地理位置東經(jīng)116°09′～118°10′、北緯 33°18′～34°38′，總面積 9 787 km2，總?cè)丝?42.32萬(wàn)人。流經(jīng)宿州市境內(nèi)的河流主要有沱河、汴河、澮河等，不同規(guī)模的河流總計(jì)70多條，總長(zhǎng)度約2 800 km。宿州市景觀河流是發(fā)源于沱河的一條支流，地處暖溫帶，環(huán)繞宿州市老城區(qū)，河流水深大約1.5 m，河流寬大約20 m，全年平均流量為5～60 m3/s[3]，20世紀(jì)中期曾是宿州主要飲用水源。近年來(lái)，由于流域附近人口規(guī)?？焖僭黾?，工礦企業(yè)迅速發(fā)展，產(chǎn)生的各種污染物通過(guò)不斷滲透進(jìn)入景觀河流中，引起了水質(zhì)性缺水問(wèn)題，制約了城市的發(fā)展。

1.2 樣品采集與處理

設(shè)置12個(gè)采樣點(diǎn)，如圖1所示。2015年3月之前對(duì)12個(gè)點(diǎn)位進(jìn)行采樣，由于宿州市景觀河流東面河流附近地理位置較為偏僻，工業(yè)區(qū)和商業(yè)區(qū)布局較少，只有少量住宅區(qū)，污染來(lái)源主要為生活垃圾，所以只布設(shè)H1采樣點(diǎn)；景觀河流北面河流附近是人流最為密集的公共核心區(qū)，分布眾多工業(yè)、商業(yè)、居住等不同功能區(qū)，污染來(lái)源種類復(fù)雜多樣，因此，從東向西取相同間隔距離布設(shè)H2-H7一共6個(gè)采樣點(diǎn)，其中H5采樣點(diǎn)位于景觀河流匯入沱河交界處；南面河流附近相比較而言遠(yuǎn)離城市中心區(qū)域，因此布設(shè)H10、H11、H12三個(gè)采樣點(diǎn)；西面河流布設(shè)H8和H9兩個(gè)采樣點(diǎn)；使采樣點(diǎn)收集的數(shù)據(jù)更全面，更可靠。

圖1 研究區(qū)地理位置及采樣點(diǎn)分布

利用手持和重力式采樣器對(duì)宿州市景觀河流表層底泥進(jìn)行采集，此種方法優(yōu)點(diǎn)是保留了細(xì)小的表層沉積物，可有效地獲取復(fù)制樣品，實(shí)現(xiàn)定量采集。采樣深度為底泥表層0～20 cm，除去底泥中的碎石、木屑等雜質(zhì)，混合均勻，自然風(fēng)干后立即封存于干凈的聚乙烯袋中分別貼上標(biāo)簽，壓出袋內(nèi)空氣，袋口打結(jié)，將此袋放入潔凈的廣口玻璃瓶中，迅速運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室，對(duì)樣品進(jìn)行壓碎，研細(xì)過(guò)100目篩，避免日光直接照射，放置在通風(fēng)處保存。

利用原子熒光光譜儀測(cè)定河流底泥中6種重金屬的實(shí)際濃度值。此種方法與其他測(cè)試方法相比較，具有檢測(cè)速度快、普查范圍大、測(cè)試精確度高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛適用于各種土壤、水體、礦石等樣品的測(cè)定。為保證精確度和減少隨機(jī)誤差，試驗(yàn)所用玻璃及聚乙烯器皿均以2 mol/L的HNO3充分浸泡24 h以上，進(jìn)行消毒，利用國(guó)際沉積物標(biāo)準(zhǔn)樣，湖底底泥順序提取標(biāo)準(zhǔn)樣（GBW07436），進(jìn)行質(zhì)量控制。所有樣品的分析全部重復(fù)3次，然后取其均值。最終測(cè)試的結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)給定值相比較誤差在±5%左右，所以，測(cè)定6種重金屬元素的實(shí)際含量值準(zhǔn)確度高，符合質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)[4]，具體見(jiàn)表1。

表1 全量測(cè)量及誤差

1.3 研究方法

目前，由于國(guó)外河流保護(hù)工作起步較早，對(duì)河流底泥重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估做了大量工作，研究方法也比較多，被廣大學(xué)者普遍認(rèn)可的主要有：綜合污染指數(shù)法、地累積指數(shù)法、因子富集法、沉積物富集系數(shù)法、回歸過(guò)量分析法、潛在生態(tài)危害指數(shù)法和臉譜圖法等,這些評(píng)價(jià)方法根據(jù)不同重金屬的特性和評(píng)價(jià)目的不同，使用的理論基礎(chǔ)和實(shí)驗(yàn)方法存在差異。因此有必要采用多種方法對(duì)景觀河流進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)進(jìn)行相互補(bǔ)充和完善。結(jié)合本研究實(shí)際,使用潛在生態(tài)危害指數(shù)法和地累積指數(shù)法兩種方法對(duì)宿州市景觀河流底泥重金屬污染進(jìn)行分析研究，使結(jié)果更符合客觀實(shí)際情況。

1.3.1 地累積指數(shù)法

地累積指數(shù)(index of geoaccumulation，Igeo)法，是在20世紀(jì)70年代出現(xiàn)的，普遍應(yīng)用于沉積物及其他物質(zhì)中重金屬等污染的研究評(píng)估。地累積指數(shù)Igeo的計(jì)算公式[5-6]如下：

其中，Bn為當(dāng)?shù)爻练e物中該元素的背景值，或其他指導(dǎo)建議值；Cn為土壤或沉積物中該元素的實(shí)際含量值；k為考慮成巖作用等可能引起背景值及指導(dǎo)建議波動(dòng)的常數(shù)，一般常數(shù)k=1.5。

根據(jù)Igeo數(shù)值范圍的大小的不同，污染程度劃分無(wú)污染到嚴(yán)重污染7個(gè)級(jí)別，分別對(duì)應(yīng)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別0～6級(jí)，具體見(jiàn)表2。

表2 地累積指數(shù)法的判斷標(biāo)準(zhǔn)

1.3.2 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法

潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法是Hakanson于20世紀(jì)80年代年提出的，此法不僅能夠反映河流中單一重金屬的污染狀況，也能夠分析多種污染物的綜合狀況。因而使用這種方法評(píng)價(jià)宿州市景觀河流生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)具有實(shí)際價(jià)值。其公式為[7～9]：

式中，RI為多種污染物的潛在生態(tài)危害指數(shù)，為第i種重金屬的潛在生態(tài)危害指數(shù)，為第i種重金屬的毒性系數(shù)，具體值見(jiàn)表2，為第i種重金屬的污染系數(shù)，為樣品中第i種重金屬的實(shí)際含量值；為第i種污染物含量背景值，根據(jù)實(shí)際情況使用安徽省背景值，具體值見(jiàn)表3。潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法判斷標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表4。

表3 安徽省土壤重金屬背景值和毒性系數(shù)

2 結(jié)果與討論

2.1 宿州市景觀河流底泥重金屬的含量分布

宿州市景觀河流12個(gè)采樣點(diǎn)中Cr、Cu、Zn、Ni、As和Pb實(shí)測(cè)濃度值如表5，本文采用安徽省背景值為參照。

由表5的測(cè)定結(jié)果分析得到，河流中所有采樣點(diǎn)中，H1、H2、H4、H5、H7、H8、H9、H10、H11 和H12一共10個(gè)點(diǎn)重金屬Cr實(shí)際值高于參考值，最高值位于 H4，為 102 mg/kg，是參考值的 1.6倍，最低值出現(xiàn)在H6，為54 mg/kg，低于背景值，Cr平均值為73.1 mg/kg，略高于土壤背景值；Ni實(shí)測(cè)值只有H4為108 mg/kg，是其1.58倍，其余全部低于背景值，最小值位于H3采樣點(diǎn)，為10 mg/kg，Ni的平均值為47.5 mg/kg，略低于背景值，說(shuō)明Cr污染比較輕微；Cu的實(shí)測(cè)值只有H4低于土壤背景值，為41 mg/kg，其余11個(gè)點(diǎn)全部不同程度高于土壤背景值，最大值出現(xiàn)在H3采樣點(diǎn)，為 173 mg/kg，是背景值 7 倍，H1、H5、H6、H7、H9、H10、H11、H12采樣點(diǎn)均超過(guò)土壤背景值的2倍，Cu實(shí)測(cè)均值為105.8 mg/kg，是參照值的2.3倍，說(shuō)明污染較為嚴(yán)重；Zn實(shí)測(cè)值除了H4低于背景值，其余均大于背景值，最大值1 040 mg/kg位于H7，是背景值的8.8倍，污染較為嚴(yán)重。Ni含量平均值為414.8 mg/kg，是背景值的3.5倍；所有采用點(diǎn)中 As 實(shí)際含量在 H1、H3、H6、H7、H9、H10、H11、H12全部略高于背景值；所有采用點(diǎn)中Pb實(shí)際含量除了H4小于參照值，為27.0 mg/kg，其余均高于參照值，最大值位于H1采樣點(diǎn)，為74 mg/kg，是背景值的2.1倍；As均值為 54.7 mg/kg，是參照值的1.61倍，說(shuō)明Pb污染程度比較重。

表4 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法判斷標(biāo)準(zhǔn)

表5 宿州市景觀河流底泥重金屬實(shí)測(cè)值

2.2 地累積指數(shù)法評(píng)價(jià)

本文以宿州市景觀河流作為研究對(duì)象，根據(jù)實(shí)際情況，地累積指數(shù)法評(píng)價(jià)法的背景值以《土壤含量質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[10]各種金屬的一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)作為參照值，見(jiàn)表6。參照12個(gè)點(diǎn)所檢測(cè)的底泥重金屬濃度，利用地累積指數(shù)相關(guān)公式分析宿州市景觀河流底泥重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表7。

由表7可知，12個(gè)采集點(diǎn)Cr的地累積指數(shù)均小于0，污染級(jí)別為無(wú)污染，說(shuō)明宿州市景觀河流流中底泥受Cr的污染不大；Ni重金屬在H1、H2、H3、H6、H7、H9、H11、H12 采樣點(diǎn)地累積指數(shù)小于0，處于無(wú)污染狀態(tài)，H4、H5、H8、H10 地累積指數(shù)介于0～1之間，級(jí)別為1，處于輕度污染狀態(tài)；Cu重金屬在H4的Igeo低于0，處于無(wú)污染狀態(tài)，H2、H6、H8、H11、H12 的Igeo介于 0～1，處于輕度污染狀態(tài)，H1、H3、H5、H7、H9、H10 地累積指數(shù)介于1～2之間，屬于偏中度污染狀態(tài)；Zn重金屬在H4的Igeo小于 0，處于無(wú)污染狀態(tài)，H2、H3、H5、H8 的Igeo介于 0～1，處于輕度污染狀態(tài)，H1、H6、H9、H11、H12介于1～2之間，為偏中度污染狀態(tài)，H7、H10的Igeo介于 2～3，為中度污染狀態(tài)；As重金屬在H7的Igeo介于0～1，為輕微污染狀態(tài)，其它Igeo均小于0，為無(wú)污染狀態(tài)；Pb重金屬在H2、H4、H6、H8、H11 的Igeo小于 0，為無(wú)污染狀態(tài)，其它7個(gè)點(diǎn)均介于0～1，為輕微污染狀態(tài)。因此，宿州市景觀河流中Cu和Zn的污染程度最為嚴(yán)重，在河流治理中應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)防治，Ni和Pb污染程度次之，Cr和Pb幾乎為無(wú)污染狀態(tài)。

2.3 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法評(píng)價(jià)

通過(guò)選取安徽省土壤重金屬的背景值，對(duì)Cu、Zn、As、Cr、Pb、和 Ni的和RI計(jì)算數(shù)值如表 8所示。

表7 底泥重金屬的Igeo及級(jí)別

表8 宿州市景觀河流底泥重金屬的Eir及RI

從表8可以分析出，宿州市景觀河流底泥12個(gè)采樣點(diǎn)中，Cr的生態(tài)危害系數(shù)介于1.64～3.09之間，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于40，處于輕微污染程度；Ni的生態(tài)危害系數(shù)介于0.74～7.94之間，處于輕微污染程度；Cu在H1和H3生態(tài)危害系數(shù)分別為48.57和51.55，為中等危害程度，其余介于12.22～36.35之間，為輕微污染程度；Zn的生態(tài)危害系數(shù)普遍較低，全部低于18，處于輕微污染程度；As的生態(tài)危害系數(shù)最小值在H4采樣點(diǎn)，為5.44，最高值在H7采樣點(diǎn)，為15.64，全部低于40，處于輕微污染程度；Pb的生態(tài)危害系數(shù)在H1為40.17，處于中等污染程度，其余介于14.66～36.37，相對(duì)于其他重金屬元素較高，但是仍然處于輕微污染程度；所有重金屬的平均值介于2.22～31.54之間，總體上屬于輕微污染；重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)（RI）全部低于150，平均值為83.45，說(shuō)明宿州市景觀河流重金屬元素屬于輕微污染，程度較輕。

3 小結(jié)

宿州市景觀河流底泥中 Cr、Ni、Cu、Zn、As、Pb平均實(shí)測(cè)值為 73.1 mg/kg、47.5 mg/kg、105.8 mg/kg、414.8 mg/kg、15.7 mg/kg、54.7 mg/kg，其中 Cr、As、Pb重金屬實(shí)測(cè)值均略高于參照值，重金屬Ni低于參照值，重金屬Zn實(shí)測(cè)值最高，是安徽省土壤背景值的2.35倍，重金屬Cu次之，是參照值的3.51倍，重金屬Cr、As接近于參考值，Ni低于背景值且差距較大。

地累積指數(shù)法研究結(jié)果說(shuō)明，Cu和Zn污染程度較重，Cr、Ni、As、和 Pb 受到輕微污染，各重金屬元素的污染程度為 Zn＞Cu＞Pb＞Ni＞As＞Cr。

潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法研究結(jié)果說(shuō)明，12個(gè)采樣點(diǎn)中只有H1和H3中Cu和Pb的潛在危害系數(shù)超過(guò) 40，分別為 48.57，40.17，51.55，處于中等生態(tài)危害，其余重金屬都小于40，處于輕微生態(tài)危害。其中RI計(jì)算值全部低于150，說(shuō)明宿州市景觀河流重金屬的污染程度總體較輕。

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