丹江沉積物重金屬的污染特征和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

李 麗，趙 培，周 楠

(商洛學(xué)院 城鄉(xiāng)規(guī)劃與建筑工程學(xué)院，陜西 商洛 726000)

河流沉積物是水體污染物尤其是重金屬元素重要的源和匯。經(jīng)過大氣沉降、工農(nóng)業(yè)廢水排放和水土流失等途徑進(jìn)入水體的重金屬會(huì)優(yōu)先吸附到如膠體的顆粒物上，在水流作用下，與顆粒物一同進(jìn)入沉積物。而沉積物中的重金屬在一定的物化條件下(如pH值、溫度改變)會(huì)被釋放入水體，適當(dāng)條件下又被吸附，過程反復(fù)，對(duì)水安全和生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成威脅，通過食物鏈富集還會(huì)影響生物健康[1-2]。由于重金屬污染具有持久性、生物富集和放大作用等特點(diǎn)，因此河流沉積物中重金屬含量是評(píng)價(jià)河流水環(huán)境質(zhì)量的重要指標(biāo)。河流沉積物中重金屬含量及其生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究已成為水環(huán)境學(xué)研究關(guān)注的焦點(diǎn)[3-5]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)河流沉積物重金屬污染的研究自20世紀(jì)70年代后才逐漸增多，其中主要對(duì)大中型河流進(jìn)行了大量且深入的研究。到目前為止對(duì)大部分大中河流都有研究，例如有研究表明漢江上游漢中段各監(jiān)測(cè)點(diǎn)層級(jí)重金屬污染屬于輕微生態(tài)危害[6]。雷沛等[7]研究表明，漢江襄陽(yáng)段入江支流沉積物存在中度重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，且Cd累積風(fēng)險(xiǎn)突出。但是目前國(guó)內(nèi)對(duì)小型河流研究依然較少，例如丹江流域。

丹江是漢江的最大支流，是我國(guó)南水北調(diào)中線工程的重要水源地。丹江沉積物中重金屬的含量和風(fēng)險(xiǎn)水平將直接影響當(dāng)?shù)鼐用耧嬎踩湍纤闭{(diào)的水質(zhì)。因此，本文以丹江沉積物為研究對(duì)象，分析了常見5種重金屬的含量水平、分布特征及來源，了解研究區(qū)沉積物重金屬污染現(xiàn)狀，并對(duì)其重金屬污染程度和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，研究結(jié)果可為該流域水資源管理和研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為重金屬污染預(yù)防和治理提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況

本文以丹江為研究對(duì)象。丹江流域位于E 109°30′～111°1′、N 33°12′～34°11′。丹江發(fā)源于商洛市商州區(qū)秦嶺東南鳳凰山，經(jīng)商洛地區(qū)，在荊紫關(guān)出陜?nèi)牒幽箱来?，向南流入湖北省境?nèi)與漢水交匯后注入亞洲最大的人工淡水湖，南水北調(diào)中線工程的水源地——丹江口水庫(kù)(圖1)。丹江全長(zhǎng)443 km，集水面積17190 km2。在陜西省境內(nèi)全長(zhǎng)249.6 km，流域面積7510 km2。全部為山區(qū)河道，是漢江的主要分支。

圖1 丹江水系沉積物采樣點(diǎn)

1.2 樣品采集與處理

2016年1月在丹江流域的干流共設(shè)置10個(gè)沉積物采樣點(diǎn)(圖1)。采樣時(shí)根據(jù)采樣區(qū)的具體情況，利用竹制采樣器采集足量河流表層底泥，將采集的樣品用聚乙烯密封袋包裝后于室外自然風(fēng)干，待風(fēng)干后，將樣品中的石塊、動(dòng)植物殘?bào)w和塑料等雜物剔除干凈，然后用石制研磨器研磨后過120目篩，裝入密實(shí)袋中，送至中科院山地所通過耦合等離子質(zhì)譜法進(jìn)行測(cè)定。

1.3 生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

本文采用地累積指數(shù)法和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法2種方法進(jìn)行研究和評(píng)價(jià)。1969年德國(guó)科學(xué)家Muller提出的地累積指數(shù)法[8]是沉積物重金屬富集程度常用的指標(biāo)之一，其公式如下:

Igeo=log2[Ci/(1.5×Bi)]

(1)

式中，Igeo指地累積指數(shù)；Ci為重金屬樣品i在沉積物中的實(shí)測(cè)含量(mg/kg)；Bi為該重金屬元素i的參比值(mg/kg)。本研究以陜西省土壤重金屬的背景值作為參比值。

1980年瑞典學(xué)者Hakanson提出的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法[9]是目前用于評(píng)價(jià)重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的一種快速簡(jiǎn)便的方法，計(jì)算公式如下：

Cfi=Csi/Cni

(2)

Cd=∑Cfi

(3)

Eri=Tri×Cfi

(4)

RI=∑Eri

(5)

式中：Cfi為單一金屬污染系數(shù)；Cd為多金屬污染度；Csi為重金屬i在沉積物中的實(shí)測(cè)含量(mg/kg)；Cni為重金屬i的參比值(mg/kg)，即背景值；Tri為i元素的毒性響應(yīng)因子；Eri是重金屬i的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)因子；RI是多個(gè)重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)。

1.4 評(píng)價(jià)參數(shù)的確定

研究區(qū)沉積物重金屬的含量取該次實(shí)驗(yàn)的實(shí)測(cè)值，參比值包括陜西省表層土壤背景值[15]、國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[16]、重金屬的毒性相應(yīng)系數(shù)引自文獻(xiàn)[17]等(表1)。

表1 丹江流域沉積物重金屬評(píng)價(jià)參數(shù)

2 結(jié)果與分析

2.1 沉積物中重金屬含量與分布

表2列出了丹江沉積物中各重金屬含量的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。河流沉積物中重金屬Cu、Pb、Cr、Zn、Cd的測(cè)值范圍分別為22.38～60.11、18.57～42.60、67.70～249.56、84.97～347.98、0.43～4.78 mg/kg；均值分別為36.24、29.98、108.91、155.30、1.40 mg/kg。與陜西省表層土壤背景值[15]比較發(fā)現(xiàn)，Cu、Pb、Cr、Zn、Cd這5種重金屬的平均值均存在超標(biāo)現(xiàn)象，平均超標(biāo)倍數(shù)分別為0.69、0.40、0.74、1.24、14.56。而通過與《國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[17](GB 15618─1995)對(duì)比分析可知，研究區(qū)內(nèi)重金屬元素Cu、Pb、Cr元素含量的最大值介于土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)與二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)之間，但元素Zn、Cd元素含量的最大值超過了二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，其中Cd的濃度為國(guó)家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的8倍，流域內(nèi)土壤中Cd元素異常的原因之一可能是整個(gè)流域成土礦物本身?yè)碛懈吆康腃d元素[18]；從中能夠明顯地看出研究區(qū)內(nèi)沉積物重金屬含量較高，且出現(xiàn)一定程度的重金屬累積現(xiàn)象，甚至部分樣品重金屬含量很高，一旦水環(huán)境條件發(fā)生變化會(huì)對(duì)研究區(qū)水質(zhì)構(gòu)成威脅。

表2 丹江流域表層沉積物重金屬含量統(tǒng)計(jì)分析

注：變異系數(shù)=(標(biāo)準(zhǔn)偏差/平均值)×100%；平均超標(biāo)倍數(shù)=(平均值-背景值)/背景值。

從變異系數(shù)來看，Cu、Pb、Cr、Zn、Cd的變異程度由大到小依次為Cd>Zn>Cr>Cu>Pb，其中Cu、Pb元素屬于中等變異程度，變異不大，可能不屬污染元素，僅在背景幅度中變化。Cd、Zn、Cr的變異系數(shù)明顯高于其他元素，屬于強(qiáng)變異程度，反映出這3種重金屬元素的離散程度較高，在表層沉積物中的分布變化比較大，受到污染、沉降等多種綜合因素的影響。

2.2 丹江流域沉積物重金屬地累積指數(shù)評(píng)價(jià)

采用陜西省土壤背景值計(jì)算重金屬的地累積指數(shù)Igeo，結(jié)果見表3。丹江流域沉積物中的Cu、Pb、Cr、Zn、Cd地累積指數(shù)的平均值分別是0.12、-0.15、0.11、0.45、3.06，其污染程度表現(xiàn)為Cd>Zn>Cu>Cr>Pb；Pb元素的污染等級(jí)在大部分采樣點(diǎn)為0，表明Pb元素在大部分流域表現(xiàn)為清潔狀態(tài)；Cu、Cr、Zn元素的Igeo平均值介于0～1之間，這3種元素表現(xiàn)為輕度污染狀態(tài)；Cd元素的Igeo平均值大于3，污染等級(jí)為4，表現(xiàn)為強(qiáng)度污染。污染程度最大的元素為Cd，大多數(shù)采樣點(diǎn)則呈現(xiàn)出中度污染到偏重污染，5號(hào)采樣點(diǎn)為嚴(yán)重污染，靠近城市，表明人類活動(dòng)對(duì)丹江流域Cd污染有重要影響。

此外，對(duì)同一采樣點(diǎn)5種重金屬的地累積指數(shù)取平均值后發(fā)現(xiàn)，5號(hào)采樣點(diǎn)Igeo指數(shù)最高，其次是采樣點(diǎn)2和7，表明城市對(duì)河流重金屬的污染影響不容忽視，應(yīng)注重城市地表徑流、生活污水處理和揚(yáng)塵的控制等[19-20]。

表3 丹江流域沉積物中重金屬的地累積指數(shù)(Igeo)及其分級(jí)

2.3 丹江沉積物重金屬潛在危害生態(tài)評(píng)價(jià)

表4列出了丹江流域沉積物中重金屬的潛在生態(tài)危害指數(shù)。5種重金屬Cu、Pb、Cr、Zn、Cd元素潛在生態(tài)危害指數(shù)(Eri)的平均值分別為8.47、7.00、3.49、2.24、466.00，單項(xiàng)潛在危害指數(shù)(Eri)由強(qiáng)到弱的順序?yàn)镃d>Cu>Pb>Cr>Zn。從Eri平均值來判斷，Cu、Pb、Cr、Zn元素均表現(xiàn)為輕微生態(tài)危害程度，Cd元素屬于極強(qiáng)生態(tài)危害程度，表明丹江流域的Cd元素存在較嚴(yán)重的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。通過對(duì)生態(tài)危害指數(shù)評(píng)價(jià)(RI)的平均值分析，研究區(qū)域內(nèi)RI的均值為487.20，300≤RI<600，總體處于強(qiáng)生態(tài)危害，主要是源于Cd元素的高含量。在生態(tài)危害指數(shù)評(píng)價(jià)(RI)中，4、5、6號(hào)采樣點(diǎn)屬于中等生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，1、2、7、8、9、10號(hào)采樣點(diǎn)屬于強(qiáng)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，3號(hào)采樣點(diǎn)則是很強(qiáng)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，與地累積指數(shù)法的結(jié)果基本一致。

由于評(píng)價(jià)方法的側(cè)重方向不同，地累積指數(shù)與生態(tài)危害系數(shù)的評(píng)價(jià)結(jié)果也略有不同。但2種方法對(duì)研究區(qū)沉積物重金屬進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，城市對(duì)河流沉積物重金屬富集有重要影響。

表4 丹江河流沉積物重金屬Eri和RI指數(shù)

3 結(jié)論

(1)丹江流域表層沉積物重金屬Cu、Pb、Cr、Zn和Cd的平均含量分別是36.24、29.98、108.91、155.30、1.40 mg/kg。這5種重金屬的平均值均超過了陜西省土壤背景值，其中Cd的平均超標(biāo)倍數(shù)高達(dá)14.56。這5種重金屬的變異程度由大到小依次為Cd>Zn>Cr>Cu>Pb。

(2)地累積指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果表明：各種重金屬的污染程度由高到低依次表現(xiàn)為Cd>Zn>Cu>Cr>Pb，在多數(shù)采樣點(diǎn)Pb元素的污染等級(jí)為0，表現(xiàn)為清潔，Cu、Cr、Zn元素為輕度污染狀態(tài)，Cd元素為污染程度強(qiáng)。

(3)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的結(jié)果表明：研究的5種沉積物中的重金屬對(duì)丹江水環(huán)境潛在的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)強(qiáng)弱順序是Cd>Cu>Pb>Cr>Zn，在所有采樣點(diǎn)中Cu、Pb、Cr、Zn元素的生態(tài)危害程度均為輕微，而Cd元素對(duì)生態(tài)環(huán)境的危害程度極強(qiáng)；研究的5種重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)(RI)的均值為487.20，總體上處于強(qiáng)生態(tài)危害。這2種評(píng)價(jià)方法均表明城市對(duì)河流沉積物重金屬富集有重要影響，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)城市污水和揚(yáng)塵的治理，更好地保護(hù)丹江水質(zhì)。