天津濱海河道地表水和沉積物中污染物風險評價

摘 要：本文運用單因子污染指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法對天津濱海新區(qū)河流進行水質(zhì)評價，利用生態(tài)風險評價法對沉積物中的重金屬進行生態(tài)風險評價。另外，本文還運用綜合污染指數(shù)法（FF）和有機質(zhì)污染指數(shù)法（OI）對有機污染現(xiàn)狀進行評價。結果表明，地表水樣品中Cl-、TN、TP、NH4+和BOD5指標屬于“重度污染”等級，地表水中不同指標的污染程度存在明顯差異，常規(guī)指標污染嚴重，而重金屬和石油類等有毒有害污染物濃度水平較低。沉積物樣品中重金屬生態(tài)風險較低，沉積物中有機污染指數(shù)屬于“重度污染”；綜合污染指數(shù)達到“中度污染”。

關鍵詞：地表水；沉積物；重金屬；總氮；總磷；生態(tài)風險

中圖分類號：X 824" " 文獻標志碼：A

城市河流作為城市生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，在調(diào)蓄洪澇、景觀娛樂等方面具有重要作用[1]。河流沉積物中積累的重金屬具有不可生物降解性和毒性，會對人體健康和生態(tài)環(huán)境造成不可恢復的影響[2]。另外，沉積物中的碳、氮也可以直接影響地表水的污染水平[3]。當前，關于地表水和沉積物污染物風險評價主要關注點在于大型湖泊和河流，對于鄉(xiāng)村級河流地表水和沉積物生態(tài)風險評價研究鮮有報道。因此，本文選取單因子指數(shù)法、內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法、生態(tài)風險指數(shù)法和有機污染指數(shù)法對濱海新區(qū)河流地表水和沉積物中營養(yǎng)鹽和重金屬進行風險評價，旨在為區(qū)域環(huán)境風險管控和污染治理提供技術依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于天津市濱海新區(qū)，包括蘇家園干渠，全長7.5km；興濟夾道，全長15.1km；遠景二用干渠，全長4km；娘娘河，全長12.6km。

1.2 樣品采集與處理

1.2.1 樣品采集

在4條河流各設置1個地表水采樣點，符號為W1～W4；在興濟夾道和娘娘河各設置3個沉積物采樣點，符號為S1-1～S1-3、S2-1～S2-3。

1.2.2 樣品處理

地表水樣品各指標測試方法均按照《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》（GB 3838）[4]中的要求進行。沉積物樣品Ni、Cu、Pb、Zn、Cr、Cd采用電感耦合等離子體質(zhì)譜法測定，As采用原子熒光法測定，總磷采用分光光度法測定，總氮采用凱氏法測定，有機質(zhì)含量采樣LY/T1237進行測定。

1.3 評價方法

1.3.1 單因子污染指數(shù)法

單因子污染指數(shù)（Pi）對地表水中單一污染指標的污染程度進行評價，如公式（1）所示。

Pi=Ci/Si （1）

式中：Ci為指標i的實測濃度值；Si為指標i的評價標準。

地表水評價一般選用《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》（GB 3838）中Ⅲ類標準值[4]，標準分級見表1。

1.3.2 內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法

內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法（Pn）能夠反應環(huán)境中污染物現(xiàn)狀水平及其對符合污染的不同貢獻[3]，如公式（2）～公式（4）所示。

Pimax=（Ci/Si）max （2）

Piave=（Ci/Si）ave （3）

Pn=[（P2 imax+P2 iave）/2]1/2 （4）

式中：Ci為指標i的實測濃度值；Si為指標i的評價標準；Pimax為最大單項污染指數(shù)；Piave為平均單項污染指數(shù)；Pn為內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)。

1.3.3 潛在生態(tài)風險指數(shù)法

潛在生態(tài)風險指數(shù)（RI）廣泛應用于重金屬生態(tài)風險評價[5-6]。RI兼顧了污染濃度和毒性水平等因素，能夠反映重金屬對生態(tài)環(huán)境的潛在影響程度，如公式（5）、公式（6）所示。

Ei=Ti×（Ci/Ai） （5）

RI=∑Ei （6）

式中：Ci為第i種指標實測濃度值；Ai為第i種指標的參比值，Cu、Pb、Zn、Cr、As、Ni、Cd和Hg指標的參比值分別為21、25、68、58、9.1、24、140和42[7]；Ei為指標i潛在生態(tài)危害系數(shù)；Ti為指標i的毒性響應系數(shù)；RI為綜合潛在生態(tài)風險指數(shù)。

Cu、Pb、Zn、Cr、As、Ni、Cd和Hg指標的毒性響應系數(shù)分別為5、30、1、2、10[5]、5、30[6]和40[7]。

1.3.4 有機污染指數(shù)法

目前，國內(nèi)外對沉積物的污染狀況評價一般采用綜合污染指數(shù)法和有機污染指數(shù)法[3，8]。為了彌補綜合污染指數(shù)法忽略有機物因素的不足，需要采用有機污染指數(shù)法（OI）進一步評價沉積物的污染現(xiàn)狀。OC和ON分別表示有機碳和有機氮，單位為%，如公式（7）～公式（9）所示。

OI=OC×ON （7）

ON=TN×0.95 （8）

OC=OM/1.724 （9）

1.3.5 綜合污染指數(shù)法

綜合污染指數(shù)法是以沉積物中總磷和總氮污染濃度值為基礎計算綜合污染指數(shù)（FF）的方法[3，8]，計算公式如公式（10）、公式（11）所示。

Pi=Ci/Coi （10）

FF=[（F2+F2 max）1/2]/2 （11）

式中：Pi為單項評價指數(shù)；Ci為總氮、總磷實測濃度，mg/kg；

Coi為環(huán)境評價標準值，總氮取670mg/kg，總磷取440mg/kg。

2 結果與討論

2.1 污染特征分析

實驗室內(nèi)測試分析獲取了試驗數(shù)據(jù)，基于Excel對數(shù)據(jù)進行分析統(tǒng)計，結果見表2、表3。

由表2可知，地表水樣品pH為7.1～7.8；DO濃度為2.48mg/L～6.42mg/L；Cl-濃度為790.00mg/L～11300.00mg/L；TN濃度為2015mg/L～55.30mg/L；TP濃度為0.11mg/L～2.75mg/L；

氨氮濃度為0.20mg/L～42.40mg/L；石油類濃度為0.01mg/L～

0.01mg/L；COD濃度為8.50mg/L～38.30mg/L；BOD5濃度為32.10mg/L～38.30mg/L；Hg濃度為0.06μg/L～0.13μg/L；六價鉻濃度為0.004mg/L～0.004mg/L；As濃度為4.08μg/L～19.40μg/L；Zn濃度為6.27μg/L～12.10μg/L；Pb濃度為0.85μg/L～1.30μg/L；

Cd濃度為0.05μg/L～0.09μg/L；Ni濃度為2.42μg/L～6.71μg/L。

由表3可知，沉積物樣品pH為8.59～8.95，偏堿性；六價鉻濃度為0.004mg/kg～0.004mg/kg；Hg濃度為0.02mg/kg～

0.11mg/kg；As濃度為14.30mg/kg～16.40mg/kg；Cd濃度為0.18mg/kg～

0.20mg/kg；Pb濃度為24.30mg/kg～27.40mg/kg；Cr濃度為65.00mg/kg～

82.00mg/kg；Zn濃度為126.00mg/kg～141.00mg/kg；Cu濃度為65.00mg/kg～82.00mg/kg；Ni濃度為31.00mg/kg～40.00mg/kg；TP濃度為458.00mg/kg～699.00mg/kg；TN濃度為438.00mg/kg～

1350.00mg/kg；有機質(zhì)含量為9110.00mg/kg～29100.00mg/kg。

2.2 單因子污染評價結果

以《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》（GB 3838）中Ⅲ類標準值[4]進行地表水單因子評價，結果見表4。

由表4可知，地表水樣品中DO、石油類、Hg、Cr6+、As、Zn、Pb、Cd和Ni指標均屬于“清潔”等級，Cl-、TN、TP、NH4+和BOD5指標屬于“重度污染”等級，COD指標處于“輕度污染”等級。綜上所述，地表水中不同指標的污染程度存在明顯差異，常規(guī)指標污染嚴重，而重金屬和石油類等有毒、有害污染物濃度水平較低。

2.3 內(nèi)梅羅綜合污染評價結果

基于單因子污染評價結果計算獲取了內(nèi)梅羅綜合污染評價結果，見表4。地表水樣品中DO、Hg和COD指標處于“輕度污染”等級；石油類、Cr6+、As、Zn、Pb、Cd和Ni指標均屬于“安全”等級，Cl-、TN、TP、NH4+和BOD5指標屬于“重度污染”等級，綜上所述，地表水中不同指標的污染程度存在明顯差異，常規(guī)指標污染嚴重，而重金屬和石油類等有毒有害污染物濃度水平較低，地表水環(huán)境風險水平較低。

2.4 潛在生態(tài)風險評價

根據(jù)公式（6）計算獲得了興濟夾道和娘娘河沉積物各指標的潛在生態(tài)風險（RI），見表5。

由表5可知，興濟夾道和娘娘河沉積物樣品中各監(jiān)測指標的RI為65.01～75.71，均屬于低風險，空間差異相對不顯著。盡管各污染指標生態(tài)風險均處于“低風險”等級，但不同污染指標的生態(tài)風險存在顯著差異，Pbgt;Asgt;Cugt;Nigt;Crgt;Zngt;Hggt;Cd。這說明河道周邊人類生產(chǎn)生活活動對沉積物污染影響程度有限。整體來看，興濟夾道和娘娘河沉積物重金屬生態(tài)風險水平較低。

2.5 有機污染指數(shù)

根據(jù)公式（7）～公式（9）計算獲得了興濟夾道和娘娘河沉積物的有機污染指數(shù)，見表6。

沉積物中有機質(zhì)和氮是重要的營養(yǎng)物質(zhì)，也是重金屬等污染物發(fā)生吸附、絡合作用的活性物質(zhì)[6]。因此，以沉積物中總氮和有機碳含量為基礎，采用有機污染指數(shù)法表征沉積物有機污染程度。結果顯示，興濟夾道和娘娘河沉積物中OC含量為0.53%～1.69%；ON含量為0.04%～0.13%；沉積物有機污染指數(shù)（OI）為0.02%～0.22%。因此，興濟夾道和娘娘河沉積物中氮磷有機污染風險屬于“重度污染”水平，需要高度關注。

2.6 綜合污染指數(shù)

根據(jù)公式（10）～公式（11）計算獲得了興濟夾道和娘娘河沉積物的綜合污染指數(shù)，結果表明，沉積物總磷指標Pi為1.0～1.6，平均值為1.3；總氮指標Pi為0.7～2.0，平均值為1.3；經(jīng)過計算可知，F(xiàn)F為1.3～2.7，平均值為2.0，屬于“中度污染”。沉積物碳氮比（C/N）是一種重要的地球化學指標，用于反映沉積物中有機質(zhì)的來源和類型[8]。計算發(fā)現(xiàn)，各采樣點沉積物C/N值為17～23。一般認為，沉積物C/N比大于14意味沉積物中有機質(zhì)主要來源于陸源植物殘體，這也揭示了本研究沉積物中有機污染的主要來源。

3 結語

綜上所述，本文得出以下結論。1）地表水樣品中Cl-、TN、TP、NH4+和BOD5指標屬于“重度污染”等級，COD指標處于“輕度污染”等級。內(nèi)梅羅綜合污染評價結果顯示DO、Hg和COD指標處于“輕度污染”等級；Cl-、TN、TP、NH4+和BOD5指標屬于“重度污染”等級，總體來說，地表水中不同指標的污染程度存在明顯差異，常規(guī)指標污染嚴重，而重金屬和石油類等污染物濃度較低。2）興濟夾道和娘娘河沉積物樣品中各監(jiān)測指標的RI為65.01～75.71，均屬于低風險，空間差異相對不顯著。不同污染指標的生態(tài)風險存在顯著差異，Pbgt;Asgt;Cugt;Nigt;Crgt;Zngt;Hggt;Cd。整體來看，興濟夾道和娘娘河沉積物重金屬生態(tài)風險水平較低。3）興濟夾道和娘娘河沉積物中有機污染指數(shù)（OI）為0.02%～0.22%，屬于“重度污染”水平，需要高度關注。綜合污染指數(shù)FF為1.3～2.7，屬于“中度污染”。沉積物C/N比大于14意味著沉積物中有機質(zhì)主要來源于陸源植物殘體，揭示了沉積物中有機污染的主要來源。

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