廣東省西伶通道內(nèi)河航道底泥重金屬污染狀況與生態(tài)風(fēng)險評價

秦建橋, 黃曉萍, 阮文剛

(1.肇慶學(xué)院 環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院, 廣東 肇慶 526061; 2.廣東省環(huán)境科學(xué)研究院, 廣州 510045)

河流是重要的地表水資源，河流水體及底部沉積物質(zhì)量的好壞會直接或間接地影響其排入的湖泊或海洋的水體環(huán)境質(zhì)量，對局部地區(qū)水生態(tài)系統(tǒng)和人類健康構(gòu)成潛在威脅。沉積物是河流污染物的“匯”與“源”，是眾多污染物在環(huán)境中遷移轉(zhuǎn)化的載體、歸宿和蓄積庫。其中沉積物中的重金屬是長期積累的結(jié)果，其濃度相對穩(wěn)定[1]。

重金屬的密度大于4.5 g/cm3，具有明顯的生物毒性和難降解性，由于這些重金屬在水體中無法被充分吸收分解，而且容易跟水中的其他物質(zhì)結(jié)合形成更大毒性的物質(zhì)，因此，人們和相關(guān)政府部門越來越關(guān)注底泥的重金屬污染問題與防護治理的研究工作[2-3]。由于重金屬元素進入受納水體后不容易被溶解，其中大多數(shù)會進行一定的物理、化學(xué)、生物作用，接著物質(zhì)很快完成從液相轉(zhuǎn)變?yōu)楣滔嗟南嘧冞^程，最后進入底泥中積累起來[4-5]。底泥不僅是重金屬的積聚地和最終寄宿體，同時也是組成水生態(tài)環(huán)境的關(guān)鍵部分。雖然底泥可以吸收水中各類污染物，但是一旦底泥情況受到影響變化時，其中的重金屬就會被又一次釋放從而成為二次污染源，進而導(dǎo)致水環(huán)境系統(tǒng)存在潛在的威脅，接著通過在食物鏈中各級生物的富集濃縮作用，最終由生物循環(huán)進入人體體內(nèi)，對人體健康造成巨大的危害[6]。通常被用來判斷與識別河流水環(huán)境質(zhì)量的參考指標(biāo)是底泥的重金屬含量，因此，研究與分析底泥重金屬污染問題的現(xiàn)實意義與重要性是不言而喻的[7]。

隨著珠江—西江經(jīng)濟帶流域地區(qū)城市化、工業(yè)化和農(nóng)業(yè)集約化的快速發(fā)展，由此帶來的一系列污染問題愈發(fā)嚴(yán)重，人們越來越重視流域中底泥重金屬污染問題。與此同時，國內(nèi)外學(xué)者也十分關(guān)注底泥重金屬污染的相關(guān)研究。在“十二五”期間，本著發(fā)展航運、開發(fā)灘涂資源以及改善生態(tài)環(huán)境的原則，國家及政府部門努力打造低碳、綠色、便捷、高效的珠江高等級航道[8-9]。2014年，《珠江—西江經(jīng)濟帶發(fā)展規(guī)劃》的方案被正式批復(fù)，該文件旨在按照“一軸，兩核，四組團，延伸區(qū)”的格局規(guī)劃發(fā)展，構(gòu)建綜合型交通大通道，建設(shè)綠色生態(tài)廊道[10-11]。西伶通道內(nèi)河航道是實施《珠江—西江經(jīng)濟發(fā)展規(guī)劃》和省政府加快西江，北江等渠道改建和擴建的關(guān)鍵渠道。目前，由于西伶通道內(nèi)河航道生態(tài)環(huán)境較為脆弱，部分河流水體污染加劇，水生態(tài)系統(tǒng)退化。因此，積極加強保護水體生態(tài)環(huán)境，努力打造環(huán)保珠江，著力建設(shè)綠色環(huán)保的西伶通道內(nèi)河航道更為迫切。

本文以西伶通道內(nèi)河航道為研究對象，對其底泥的重金屬As，Hg，Pb，Cu，Zn，Cr，Ni，Cd污染情況進行分析，開展河流底泥調(diào)查與評價工作，為西伶通道內(nèi)河航道的生態(tài)環(huán)境保護、重金屬污染防治和底泥處理風(fēng)險評價提供可靠的科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

西伶通道內(nèi)河航道流經(jīng)廣東省境內(nèi)，主要包括廣州、佛山和中山市，這3個城市的年平均氣溫約22 ℃，夏長冬短，氣候溫和，降雨充沛，熱量充足，為亞熱帶季風(fēng)氣候，風(fēng)況和降水均由海洋氣象調(diào)節(jié)。研究區(qū)域附近水體主要包括東海、容桂、洪奇瀝、下橫瀝和枕箱等5條水道。東海水道發(fā)源于南華的西邊界，延至鶯歌嘴的東部，全長共21 km，主要位于順德縣的西南邊，由于處于西江主流的東邊，故名為東海，由此被命名為東海水道；容桂水道源于中山市鶯歌嘴，經(jīng)過容奇，東邊到達板沙尾，水道全長約19 km，流經(jīng)區(qū)域面積319 km2；洪奇瀝水道流經(jīng)廣州市南沙區(qū)西南邊，與順德市和中山市相鄰，起源于順德縣板沙尾，經(jīng)過容桂水道向東南方向流經(jīng)廣州南沙區(qū)萬頃沙鎮(zhèn)后，又經(jīng)洪奇門匯入海洋；下橫瀝水道從義沙頭起至蕉門口，約14 km，屬內(nèi)河Ⅰ級航道，與蕉門水道匯合處，瀕臨珠江口,三面環(huán)水，呈半島形；枕箱水道從南沙口起至大角咀，約7 km。

1.2 樣品采集與處理

根據(jù)西伶通道內(nèi)河航道的實際情況，本次底泥采樣點在河流斷面處，沿水流方向，對各水道進行分段布設(shè)監(jiān)測斷面，結(jié)合區(qū)域水體分布特征及區(qū)域周圍環(huán)境特點，本次監(jiān)測共布設(shè)5個河流底泥監(jiān)測斷面(表1)。

利用活塞式柱狀底泥采樣器采集河流底泥表層0—20 cm泥樣3份，混合均勻后立即封存于干凈的聚乙烯袋中并做標(biāo)記，冷藏條件下運回實驗室保存(-20℃)。分析前先將采集的底泥樣品放于陰涼處風(fēng)干，去除植物根系、石塊等雜質(zhì)，經(jīng)瑪瑙研缽研磨后過100目尼龍篩低溫保存、備用。

表1 西伶通道底泥采樣斷面

1.3 樣品測定

采用石墨全自動消解儀(ST-60)，用鹽酸—硝酸—氫氟酸—高氯酸體系方法消解底泥樣品[12-13]。底泥重金屬Cd，Cr，Cu，Ni，Pb，As，Hg和Zn的含量使用電感耦合等離子體光譜儀ICAP 6200 型ICP-OES(美國Thermos Scientific)測定。土壤基本化學(xué)性質(zhì)測定均采用土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析法[14]：將水土以2.5∶1混合后用pH計測土壤pH值。

1.4 評價標(biāo)準(zhǔn)及方法

1.4.1 評價標(biāo)準(zhǔn) 由于有關(guān)河流底泥的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)還沒有頒布，根據(jù)水環(huán)境的特點及行為，確定本次研究河流底泥的環(huán)境質(zhì)量評價標(biāo)準(zhǔn)將按照《海洋沉積物質(zhì)量》(GB18668—2002)第2類標(biāo)準(zhǔn)和《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB15618—1995)二級標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求來執(zhí)行，參考廣東省土壤重金屬背景值[15]進行分析評價，具體見表2。

表2 河流底泥環(huán)境質(zhì)量評價標(biāo)準(zhǔn) mg/kg

1.4.2 評價方法

(1) 內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法。內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法是基于單因素指數(shù)評價的加權(quán)多因子環(huán)境質(zhì)量指數(shù)，其基于極值或最大值，目前該方法常用于計算綜合污染指數(shù)。該方法的計算公式如下：

Pi=Ci/Si(i=1,2,3,…,k;p=1,2,3,…,m)

(1)

式中：Pi是污染物i的單項污染指數(shù)；Ci是污染物實測值；Si是重金屬土壤環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)值。

(2)

表3 內(nèi)梅羅指數(shù)的土壤污染水平劃分等級

(2) 變異系數(shù)法。變異系數(shù)是權(quán)衡各個測量值變化水平的度量，也稱為標(biāo)準(zhǔn)偏差[8]。其計算公式為：

(3)

(4)

式中：CV是重金屬變異系數(shù)；Sn是每個橫截面中重金屬元素的標(biāo)準(zhǔn)偏差；Ln是各重金屬元素含量的平均值。

(3) 地累積指數(shù)法。地累積指數(shù)是由Muller(德國海德堡大學(xué)沉積物研究所教授)提出來的，用于定量研究和分析水生環(huán)境中的底泥重金屬污染狀況。該指數(shù)計算公式：

Igeo=log2Cn/(K·Bn)

(5)

式中：Cn為實測重金屬濃度(mg/kg)；Bn為土壤重金屬背景值；K為一個恒定常數(shù)(由各因素造成的背景波動的數(shù)值)，通常為1.5[16]。

選取不同的背景值會導(dǎo)致計算結(jié)果有較大的差別，選擇一個好的Bn值對Igeo值的計算非常重要。從已進行的研究顯示，在進行底泥重金屬污染狀況的研究時，計算相關(guān)參數(shù)的地球化學(xué)背景值通常利用該地區(qū)沉積物或土壤重金屬背景值，由于該研究所在區(qū)域在廣東省境內(nèi)，故選取廣東省土壤重金屬背景值作為本次污染評價的背景值。重金屬的地累積指數(shù)與其污染水平的關(guān)系見表4。

表4 地累積指數(shù)與其污染水平的關(guān)系

(4) 潛在生態(tài)危害指數(shù)法。潛在生態(tài)危害指數(shù)法是由Hakanson所提出的，其基于底泥重金屬元素的特性和環(huán)境行為，此方法被廣泛應(yīng)用于研究與評價沉積物的重金屬污染狀況。通過歸納結(jié)合生態(tài)學(xué)、環(huán)境學(xué)和生物毒理學(xué)等各方面的內(nèi)容，量化重金屬的潛在危害程度[17-19]。其計算公式如下：

(6)

表5 重金屬背景值和生態(tài)毒性反應(yīng)系數(shù)取值

表6 潛在生態(tài)危害系數(shù)、潛在危害指數(shù)與危害程度的關(guān)系

2 結(jié)果與分析

2.1 底泥現(xiàn)狀監(jiān)測結(jié)果與分析

西伶通道內(nèi)河航道底泥現(xiàn)狀監(jiān)測及統(tǒng)計結(jié)果見表7。結(jié)果表明，W1(東海水道)、W3(洪奇瀝水道)、W4(下橫瀝水道)和W5(枕箱水道)這4個監(jiān)測斷面的各項監(jiān)測指標(biāo)均滿足《海洋沉積物質(zhì)量》(GB18668—2002)第2類標(biāo)準(zhǔn)和《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB15618—1995)二級標(biāo)準(zhǔn)的要求；W2(容桂水道)監(jiān)測斷面鉻指標(biāo)超過《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB15618—1995)二級標(biāo)準(zhǔn)，超標(biāo)率為44.5%，其他監(jiān)測因子均符合標(biāo)準(zhǔn)限值范圍內(nèi)。

表7 西伶通道內(nèi)河航道底泥現(xiàn)狀監(jiān)測及統(tǒng)計

As和Hg平均含量沒有超過土壤重金屬背景值，其他監(jiān)測因子均出現(xiàn)不同程度的超標(biāo)現(xiàn)象。該航道底泥中8個重金屬的平均總含量為362 mg/kg，其中，以容桂水道(W2處)流域污染最為嚴(yán)重，所有重金屬的平均總含量為738 mg/kg；東海水道(W1處)和下橫瀝水道(W4處)流域情況稍好，重金屬平均總含量大致相同，分別為182 mg/kg，183 mg/kg。

2.1.1 底泥重金屬的含量分析 西伶通道內(nèi)河航道底泥各個重金屬在5個監(jiān)測點的平均含量分布見表7。

結(jié)果表明，該航道5個監(jiān)測點底泥重金屬平均含量最大的因子是Cr，為115.2 mg/kg。各重金屬元素平均含量的大小順序為：Cr>Zn>Pb>Cu>Ni>As>Cd>Hg。

2.1.2 底泥重金屬的空間特征分析 針對西伶通道內(nèi)河航道底泥重金屬的空間特征進行具體分析，重金屬元素的空間特性分析結(jié)果見圖1。結(jié)果表明，除了As以外，其他重金屬因子均有不同程度超過土壤背景值，但基本不超過《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》的二級標(biāo)準(zhǔn)值，所有重金屬含量的最大值均出現(xiàn)在W2斷面。

各重金屬的空間分布特征：As和Hg空間分布較均勻，分布規(guī)律基本一致，各點重金屬含量順序為W2>W1>W4>W3>W5；Pb，Cu，Cr和Ni空間分布出現(xiàn)較大差異，分布規(guī)律大致相同，各重金屬含量順序為W2>W5>W3>W4>W1；Zn空間分布不均勻，每個監(jiān)測斷面的重金屬含量排序為W2>W5>W3>W1>W4；Cd空間分布較均勻，重金屬含量大小順序為W2>W4>W1>W5>W3。

2.1.3 底泥重金屬的相關(guān)性分析 從表8的結(jié)果可知，除了Cd與各重金屬，As與Pb，Cu，Cr，Zn和Ni，Hg與Pb，Cu，Zn和Ni，Pb與Cr等呈現(xiàn)為弱正相關(guān)性，其余重金屬之間存在一定的正相關(guān)性。在0.05 水平上表現(xiàn)正相關(guān)性的有Hg與As和Cr，Zn與Pb，Cu和Cr，Cu與Cr，Ni與Cr和Zn；在0.01水平上呈現(xiàn)高度正相關(guān)性有Cu與Pb和Ni，Pb和Ni，即Cu與Pb，Cu與Ni，Pb與Ni可能為同源污染。西伶通道內(nèi)河航道底泥重金屬元素來源不一，綜合性復(fù)合污染特征表現(xiàn)明顯。

圖1 底泥沉積物中重金屬含量空間分布特征

表8 西伶通道內(nèi)河航道底泥重金屬相關(guān)系數(shù)(Pearson相關(guān)性)

2.2 底泥污染現(xiàn)狀評價

本次研究采用內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法、變異系數(shù)法、地累積指數(shù)法和潛在生態(tài)危害指數(shù)法等對西伶通道內(nèi)河航道的底泥重金屬污染狀況進行準(zhǔn)確有效的評價。

2.2.1 底泥污染評價 內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法。結(jié)果表明(表9)，西伶通道內(nèi)河航道底泥各重金屬的指數(shù)均值都小于0.7，除了As，Hg，Pb，其他5個重金屬因子的最大污染指數(shù)都超過0.7。該內(nèi)河航道底泥中Cr的內(nèi)梅羅綜合指數(shù)為1.10，達到Ⅲ級，受到輕度污染；Cu的內(nèi)梅羅綜合指數(shù)為0.78，污染級別相對較低，屬于Ⅱ級(尚清潔)；其余重金屬的內(nèi)梅羅綜合指數(shù)都小于0.7，定義為Ⅰ級(清潔)，無污染。雖然大多數(shù)重金屬的污染水平在清潔—尚清潔之間，但需要及早采取措施，以防止底泥中的重金屬繼續(xù)積累使其達到輕度污染的程度。

表9 西伶通道內(nèi)河航道底泥重金屬污染水平

2.2.2 變異系數(shù)法 從表10結(jié)果的變異系數(shù)值大小可知，該航道中底泥各重金屬元素的變異程度為：Cu >Pb >Zn >Cr>Ni >Hg>Cd>As，表現(xiàn)數(shù)據(jù)的高度離散特性，說明人類活動可能對該航道造成一定的影響。西伶通道內(nèi)河航道研究區(qū)域底泥各重金屬沿程分布規(guī)律見圖2。

表10 西伶通道內(nèi)河航道底泥重金屬的變異系數(shù)

結(jié)果表明，Cr和Zn 沿程變化較大，且變化趨勢類似；Pb和Cu沿程變化過程相對較慢，變化規(guī)律一般；Ni沿程變化規(guī)律不明顯；As，Cd 和Hg沿程基本無變化。在航道W1—W3范圍內(nèi)各重金屬含量分布波動較大，有明顯峰值；在監(jiān)測點W3—W5之間，各個重金屬因子的含量分布相對平坦，沒有明顯的峰和谷，該分布情況主要與河道的實際排污及水文情況有一定關(guān)系。

2.2.3 底泥污染評價 地累積指數(shù)法。從表11的結(jié)果可知，航道底泥已經(jīng)受到一定程度的重金屬污染，其中Pb，Cu，Cr和Zn在整條航道研究區(qū)域中均只有兩處沒有污染，其余監(jiān)測點都出現(xiàn)不同程度的污染現(xiàn)象。Pb的累積指數(shù)范圍在-1.18～1.04之間，取樣點的40%達到I級，10%的取樣點達到Ⅱ級，已經(jīng)被輕度污染；Cu的累積指數(shù)在-0.21，1.94之間，其中60%的采樣點在I級及以上，達到輕度污染水平；Cr和Zn的累積指數(shù)分別為-0.49～1.93和-0.58～1.33，采樣點的40%為I級，20%達到Ⅱ級，同樣是輕度污染；Cd的地累積指數(shù)在1.32～1.87之間，全部取樣點均處于Ⅱ級，污染水平已達到偏中度污染。

圖2 西伶通道內(nèi)河航道底泥重金屬的分布格局

表11 西伶通道內(nèi)河航道底泥重金屬地累積指數(shù)和污染水平評價

底泥中每種重金屬的富集水平大小為Cd>Cu >Cr>Zn >Pb >Ni >Hg>As。其中基本沒有出現(xiàn)As，Hg和Ni污染，屬于清潔級別；Pb，Cu，Cr，Zn的污染等級都是I級，達到輕度污染；鎘污染較嚴(yán)重，已經(jīng)達到偏中度污染水平。因此，西伶通道內(nèi)河航道底泥鎘污染的防治工作不能懈怠，與此同時，其他重金屬因子的污染更不容忽視，防止污染趨勢繼續(xù)惡化。

2.2.4 潛在生態(tài)危害評價 從表12的計算結(jié)果可知，5個監(jiān)測斷面重金屬綜合生態(tài)危害指數(shù)均超過150，達到中等生態(tài)危害。各種重金屬的生態(tài)危害依次為：Cd>Hg>Cu>Pb>As>Cr>Ni>Zn；As，Pb，Cu，Cr，Zn和Ni等對潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)的貢獻率較小，生態(tài)污染輕微，W2斷面的Hg潛在生態(tài)危害系數(shù)表現(xiàn)為中等生態(tài)危害，但Cd對潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)有57.7%～74.2%的貢獻率，潛在生態(tài)危害系數(shù)為135，生態(tài)危害最強，是產(chǎn)生生態(tài)危害和潛在生態(tài)風(fēng)險的主要控制因子。

表12 西伶通道內(nèi)河航道底泥重金屬潛在生態(tài)危害系數(shù)及指數(shù)

表13 西伶通道內(nèi)河航道底泥重金屬潛在生態(tài)危害程度評價

由表13的重金屬潛在生態(tài)危害程度評價結(jié)果可知，西伶通道內(nèi)河航道重金屬污染總體呈現(xiàn)為中等生態(tài)危害，應(yīng)該引起重視和加強航道的環(huán)境保護。

3 結(jié) 論

本文基于西伶通道內(nèi)河航道底泥重金屬污染現(xiàn)狀的調(diào)查監(jiān)測，對各種重金屬的含量、空間特征及相關(guān)性進行分析。結(jié)果可知，西伶通道內(nèi)河航道底泥重金屬來源多樣，表現(xiàn)一定的綜合性復(fù)合污染，其中W2監(jiān)測斷面(容桂水道)的鉻指標(biāo)超過《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB15618—1995)二級標(biāo)準(zhǔn)，其他斷面的監(jiān)測因子均滿足《海洋沉積物質(zhì)量》(GB18668—2002)第2類標(biāo)準(zhǔn)和《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB15618—1995)二級標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求。

運用內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法、變異系數(shù)法、地累積指數(shù)法及潛在生態(tài)危害指數(shù)法進一步評價底泥的重金屬污染狀況。結(jié)果可知：Cr的內(nèi)梅羅綜合指數(shù)為1.10，為Ⅲ級，達到輕度污染；Cu的變異系數(shù)為0.62，變異程度較大，這可能與沿岸污染、實際水文情況有關(guān)；Cd的地累積指數(shù)在1.32～1.87，富集程度最高，已達到偏中度污染；Cd對潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)的貢獻率為57.7%～74.2%，潛在生態(tài)危害系數(shù)高達135，生態(tài)危害最強，是潛在生態(tài)風(fēng)險的主要控制因子[19-21]。綜上分析，西伶通道內(nèi)河航道底泥的主要污染物是鎘污染，鎘污染主要來源于航道沿岸的工業(yè)廢氣中的鎘隨風(fēng)向四周擴散，經(jīng)自然沉降，蓄積于工廠周圍土壤中；還有周邊一些含鎘工業(yè)廢水灌溉農(nóng)田，使土壤受到鎘的污染，含鎘廢水多數(shù)來源于河流沿岸的采礦工業(yè)、冶煉精煉和電鍍工業(yè)等，大量的含鎘廢水排入河流而造成鎘的污染，當(dāng)環(huán)境受到鎘污染后，鎘可在生物體內(nèi)富集，通過食物鏈進入人體引起慢性中毒[20,22]。

因此為了防止鎘對西伶通道內(nèi)河航道底泥環(huán)境的污染﹐必須做好環(huán)境保護工作﹐嚴(yán)格執(zhí)行鎘的環(huán)境衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，提高人們的環(huán)保意識，強化企業(yè)治理；生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)放眼未來，倡導(dǎo)環(huán)保，嚴(yán)格遵守國家環(huán)保政策的相關(guān)規(guī)定，生產(chǎn)環(huán)保健康產(chǎn)品，廢水均達標(biāo)排放。