伊通河(長春段)表層沉積物中重金屬污染特征及風(fēng)險評價

韓錦輝，丁蘇麗

(1 重慶大學(xué)建筑規(guī)劃設(shè)計研究總院有限公司兩江院區(qū)，重慶 401121；2 重慶川儀環(huán)境科技有限公司，重慶 401121)

河流沉積物是水環(huán)境系統(tǒng)的重要組成部分，沉積物因其獨特的性質(zhì)，成為水環(huán)境中污染物的“源”和“匯”[1]。一方面，進入水體中的污染物通過各種物理、化學(xué)、生物途徑在沉積物中富集，匯聚在沉積物中，另一方面，當(dāng)水體環(huán)境發(fā)生變化時，富集了大量污染物的沉積物又會成為一個污染源，釋放出污染物對水體造成二次污染[2]。重金屬廣泛存在于環(huán)境介質(zhì)中，其具有隱蔽性、致病性、持久性和生物富集性等特點[3]。重金屬難以被生物降解，可通過生物富集進入人體，當(dāng)在人體中累積到一定程度時，會造成人體慢性中毒[4]。因此，開展河流表層沉積物重金屬污染研究和評價對保護水體環(huán)境和人類健康具有重要的意義。

伊通河是松花江二級支流，是長春市內(nèi)最大河流，從南到北橫穿整個長春市，是長春市的母親河，它承載著整個市區(qū)的主要工業(yè)和生活污水，同時也是南溪濕地和北湖濕地等濕地的主要水源補充[5]。隨著工業(yè)的發(fā)展和人類活動的加劇，伊通河水環(huán)境污染加重，作為松花江的主要支流和長春市的最大河流，開展伊通河(長春段)表層沉積物中重金屬污染特征研究和風(fēng)險評價，可為伊通河表層沉積物重金屬污染防治提供依據(jù)。

1 實 驗

1.1 樣品的采集和處理

本研究于2017年5月對伊通河(長春段)表層沉積物樣品進行了采集，各采樣點的位置見圖1，各采樣點的具體坐標(biāo)見表1。每個采樣點采集3份平行樣，去除樹根、碎石等雜質(zhì)，混勻封存于聚乙烯采樣袋中進行保存。樣品帶回后，經(jīng)過干燥、研缽研磨后過100目尼龍篩保存?zhèn)溆谩?/p>

圖1 伊通河(長春段)采樣點位示意圖Fig.1 Schematic diagram of sampling points of Yitong River (Changchun section)

表1 采樣點編號及地理坐標(biāo)Table 1 Sampling point number and geographicalcoordinates

1.2 樣品重金屬測定

稱取0.1～0.3 g樣品于消解管內(nèi)，加入65%濃硝酸7 mL和30%的過氧化氫1 mL，放置于微波消解儀(Milestone Ethos One)中，在190 ℃下消解45 min，待冷卻至室溫后取出，然后，轉(zhuǎn)移到離心管中定容，靜置沉淀一晚，每一批同時做空白實驗。處理完樣品后，用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(PerkinElmer-Optima7000DV)對重金屬Cr、Ni、Cu、Zn、Pb的含量進行測定。所有樣品均進行3個平行樣測定，Cr、Ni、Cu、Zn、Pb的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差均小于5%。

1.3 污染評價方法

1.3.1 地累積指數(shù)法

地積累指數(shù)(index of geoaccumulation)又被稱為Muller指數(shù)，是德國科學(xué)家Muller在20世紀(jì)60年提出的，在國內(nèi)外研究中被廣泛應(yīng)用于研究沉積物以及其他物質(zhì)中重金屬污染程度[6]。地累積指數(shù)法在研究中充分考慮了人為因素、自然因素和背景值對研究結(jié)果的影響，其評價結(jié)果可靠度較高[6]。其表達方式如下：

Igeo=log2[Ci/(k·C0)]

式中：Igeo表示地累計指數(shù)；Ci表示樣品中元素i的實測值；k表示各地巖石差異可能會引起背景值的變動而取的系數(shù)(在本次研究中取值為1.5)；C0表示樣品中該元素的地球化學(xué)背景值。本研究背景值選取長春市土壤重金屬元素背景值[7](Cr、Ni、Cu、Zn和Pb分別為53.96、25.70、18.87、59.86和17.90 mg/kg)。

根據(jù)計算出的地累積指數(shù)值，地積累指數(shù)評價等級劃分標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 地累積指數(shù)分級標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Grading standard of index of geoaccumulation

1.3.2 潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法

瑞典科學(xué)家Hakanson在1980年提出了潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法(the potential ecological risk index)，該方法被廣泛應(yīng)用于對土壤或沉積物中的重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險進行評價[8]。潛在生態(tài)危害指數(shù)法在應(yīng)用過程中綜合考慮了重金屬的毒性、在沉積物中的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律和評價區(qū)域?qū)χ亟饘傥廴镜拿舾行?，以及重金屬區(qū)域背景值的差異，消除了區(qū)域差異和異源污染的影響[2,8]。潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)計算公式為：

表3 重金屬元素毒性系數(shù)Table 3 Toxicity coefficient of heavy metals

表4 潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)分級標(biāo)準(zhǔn)Table 4 Classification standard of the potential ecological risk index

1.4 源解析方法

用SPSS軟件對數(shù)據(jù)進行相關(guān)性分析和主成分分析，對沉積物中重金屬來源進行解析[2,10-11]。

2 結(jié)果和討論

2.1 表層沉積物中重金屬含量及空間分布特征

表5 表面沉積物中重金屬含量統(tǒng)計數(shù)據(jù)Table 5 Statistics of heavy metals content in surface sediments

表5為伊通河(長春段)表層沉積物中重金屬含量的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。伊通河(長春段)表層沉積物中Cr、Ni、Cu、Zn和Pb的變化范圍分別為25.50～54.60 μg/g、13.58～26.08 μg/g、13.03～64.77 μg/g、65.91～396.43 μg/g和6.96～31.61 μg/g，平均值分別是其背景值的0.71、0.72、1.98、3.20、0.96倍。其中，Cu、Zn和Pb的變化范圍較大，Cr和Ni的變化范圍較小，Zn的超標(biāo)情況比較嚴重。Cu、Zn和Pb的變異系數(shù)較大，說明這三種金屬元素的區(qū)域分布差異比較明顯。

圖2 沉積物中重金屬含量空間分布曲線Fig.2 Spatial distribution curves of heavy metals content in sediments

圖2為伊通河(長春段)表層沉積物中重金屬含量的空間分布曲線，從圖中可以看出，5種重金屬隨采樣點的變化趨勢基本保持一致。重金屬含量整體呈現(xiàn)上升的態(tài)勢，5種重金屬含量的最小值均出現(xiàn)在S1采樣點，最大值出現(xiàn)在S6采樣點。S1采樣點位于研究河段的上游，污染源較少，水質(zhì)條件較好，隨著采樣點原來越靠近市區(qū)和工業(yè)區(qū)；S2采樣點到S4采樣點5種重金屬含量都不斷增大，在S4采樣點達到一個高峰，說明伊通河作為長春市的主要納污河流，承載著市區(qū)較大的污染物排放；S4采樣點和S5采樣點之間矗立著長春市最大污水處理廠(北郊污水處理廠)，由于污水處理廠對上游污水進行了處理，位于污水廠下游的S5采樣點5種重金屬的含量比S4采樣點均出現(xiàn)下降；隨著空間的移動，表層沉積物中重金屬含量在S6采樣點均出現(xiàn)最大值，原因是S6采樣點位于長春市北湖濕地公園，人工濕地中的植物對重金屬存在一定的富集能力[12]，使得S6采樣點重金屬含量高于其他五個采樣點。

2.2 表層沉積物中重金屬污染評價

圖3 平均地累積指數(shù)Fig.3 Average index of geoaccumulation

圖3為六個采樣點的平均地累積指數(shù)。從圖中可以看出，六個采樣點的平均地累積指數(shù)大小順序為1>S6>0>S4>S5>S3>S2>S1，從評價結(jié)果來看，S6采樣點的污染級別為1級，處于輕度污染狀態(tài)，其他五個采樣點的污染級別為0級，處于無污染狀態(tài)，S6采樣點沉積物中重金屬污染程度最大，S4采樣點沉積物中重金屬污染程度處于輕度污染和無污染的臨界值，應(yīng)特別關(guān)注。從單因子方面看，地累積指數(shù)大小順序為1>Zn>Cu>0>Pb>Ni>Cr，Zn和Cu的污染級別為1級輕度污染，Pb、Ni和Cr的污染級別為0級無污染，說明Zn、Cu是伊通河(長春段)沉積物重金屬污染的主要風(fēng)險因子。

圖4 潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)Fig.4 Potential ecological risk index

2.3 來源解析

2.3.1 相關(guān)性分析

表6 表層沉積物中重金屬的相關(guān)性Table 6 Correlation of heavy metals in surface sediments

通過SPSS對表層沉積物中5種重金屬含量進行相關(guān)性分析，可初步確定伊通河(長春段)表層沉積物中重金屬的污染來源。通過相應(yīng)分析，可以看出，除Ni與Cr，Ni與Pb之間呈顯著相關(guān)(P<0.05)外，Cr、Cu、Zn、Pb 4種重金屬之間都呈呈極顯著相關(guān)(P<0.01)，表明Cr、Cu、Zn、Pb具有共同的污染來源，Ni的污染來源和Cr、Cu、Zn、Pb的污染來源略有差異。

2.3.2 主成分分析

圖5 沉積物中不同重金屬主要成分荷載圖Fig.5 Load diagram of main components of different heavy metals in sediments

圖5為伊通河長春段表層沉積物中重金屬的主成分分析二維因子載荷圖。KMO檢驗的MSA值為0.631，Bartlett的球形度檢驗結(jié)果中Sig.為0.000，小于顯著水平0.01，說明該數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布，適合做因子分析[13]。本研究采用主成分提取法提取公因子并結(jié)合方差極大旋轉(zhuǎn)進行因子分析，提取出2個主因子。2個主因子的累計方差貢獻率為99.264%，分別解釋總方差的57.483%和41.782%，說明這2個因子具有很高的代表性。

從圖5看出，Cr、Cu、Zn、Pb在第一主成分上有較高的載荷，同時從相關(guān)性分析也可以看出Cr與Cu、Zn、Pb之間有極顯著相關(guān)性，說明它們之間有共同的來源。根據(jù)幾種重金屬的濃度分布，可以看出它們存在一定的污染程度，受到一定的人為干擾，說明人類生活生產(chǎn)活動是Cr、Cu、Zn、Pb這4種重金屬的主要來源，根據(jù)相關(guān)研究，Pb主要來源于交通排放和工業(yè)排放，Cr、Cu、Zn主要來源于機械生產(chǎn)制造過程，因此，推測第一主成分主要表征了交通源和工業(yè)來源[2,11]。Ni在第二主成分上有較高的載荷，說明他與Cr、Cu、Zn和Pb的污染來源略有不同，Ni在表層沉積物中含量都小于背景值(S6點除外)，說明其污染受人類活動的影響較小[11]，由此推斷，第二主成分主要表征了重金屬的自然來源。

3 結(jié) 論

(1)伊通河(長春段)表層沉積物中5種重金屬具有相同的空間分布特征，都呈現(xiàn)先上升后下降再上升的態(tài)勢，上游重金屬含量較小，在S4采樣點處出現(xiàn)拐點，S5采樣點處出現(xiàn)下降，在S6采樣點處達到最大。

(2)伊通河(長春段)表層沉積物6個采樣點中，除S6采樣點處于輕度污染狀態(tài)，其他5個采樣點都處于無污染狀態(tài)，此外，6個采樣點的生態(tài)危害程度都屬于低度，生態(tài)危害程度較小。

(3)伊通河(長春段)表層沉積物Cr、Cu、Zn、Pb主要來源于交通源和工業(yè)源，Ni主要來源于自然源。