閘壩控制下沙潁河沉積物重金屬污染特征與生態(tài)風險評價

馬威 樊孔明 王萍

摘要 為了解在閘壩控制下沙潁河河段沉積物中重金屬污染特征，分別于2015年10月和2016年4月采集沙潁河干流表層沉積物，測定了6種重金屬元素的含量;并采用單因子指數和潛在生態(tài)危害指數（RI）對污染進行評價。結果表明，2015年10月，沙潁河干流表層沉積物中Cu、Cr、Pb、Zn、Cd、Ni平均含量分別為17.5、78.4、19.8、72.2、0.5、25.8 mg/kg;2016年4月，沙潁河干流表層沉積物中各重金屬平均含量分別為16.8、83.2、4.1、56.1、0.8、21.3 mg/kg;Cr平均濃度明顯高于河南省土壤環(huán)境背景值濃度。單因子風險評價表明，僅Cd為極強污染風險程度，重金屬潛在生態(tài)風險指數RI值在134～993，平均值為318，屬強污染水平。在閘壩的控制下，沙潁河干流中重金屬在不同區(qū)域表層沉積物中的含量變化較大，污染風險指數差異大。

關鍵詞 閘壩控制;沙潁河;沉積物;重金屬污染;生態(tài)風險

中圖分類號 X826 ?文獻標識碼 A

文章編號 0517-6611（2020）19-0077-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.19.021

Abstract In order to understand the pollution characteristics of heavy metals in the sediments of Shaying River （SYR） controlled by sluice stations，we acquired the surface sediments and determined the concentrations of 6 heavy metals （Cu，Cr，Pb，Zn，Cd and Ni） through field work and laboratory analysis in Oct. 2015 and Apr. 2016，respectively.Pollution assessment was conducted using a single factor index and the potential ecological risk index （RI）.The results showed that the average contents of Cu，Cr，Pb，Zn，Cd and Ni were 17.5，78.4，19.8，72.2，0.5 and 25.8 mg/kg ?in Oct. 2015，and 16.8，83.2，4.1，56.1，0.8 and 21.3 mg/kg in Apr. 2016.The average concentration of Cr was significantly higher than the concentration of soil environmental background value in Henan Province.The singlefactor risk assessment showed that only Cd was a very strong pollution risk degree，and the heavy metal potential ecological risk index RI value was between 134 and 993，with an average value of 318，which was a strong pollution level.Controlled by the sluice stations，the pollution level and ecological risk of heavy metals were different，and the pollution risk index also different.

Key words Sluice stations;Shaying River;Sediment;Heavy metal pollution;Ecological risk

作者簡介 馬威（1986—），男，湖北孝感人，工程師，碩士，從事水生態(tài)與水環(huán)境監(jiān)測、質量控制與管理工作。*通信作者，工程師，碩士，從事流域水環(huán)境監(jiān)測工作。

收稿日期 2020-03-23

沙潁河作為淮河的最大支流，跨越豫、皖兩省，總河長624 km，在安徽潁上縣進入淮河。周口市以上河段稱為沙潁河上游;周口市到阜陽市河段為沙潁河中游;阜陽市以下河段為沙潁河下游[1]。自20世紀90年代以來，淮河發(fā)生的大規(guī)模污染事件多與沙潁河有關[2-3]。因重金屬污染具有潛在性、持久性和不可逆性，且河流生態(tài)系統(tǒng)的開源性易受重金屬污染，所以重金屬的污染問題在河流生態(tài)保護中受到重視，沙潁河污染的控制與治理是淮河治理中的關鍵[4-5]。河流中的沉積物是重金屬的天然儲庫，沉積物中重金屬含量能達到上覆水體含量的百倍以上，其空間分布也更容易解釋重金屬污染特征[6]。所以，沉積物中重金屬含量在河流水環(huán)境質量評價中是重要的指標[7-9]。

當前對沙潁河重金屬污染的研究多集中于某一河段，在流域尺度上的研究較匱乏[10]。筆者研究了在多閘壩控制下沙潁河表層沉積物中重金屬含量及其污染特征，旨在為沙潁河重金屬污染控制及流域居民用水安全提供理論依據。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)域

沙潁河作為淮河的最大支流，跨豫、皖兩省，在安徽省潁上縣入淮河。沙穎河全長624 km，流域面積近4萬km2。在上、中、下游河段選取采樣點位（圖1），并根據沙潁河水系特征，分別于2015年10月和2016年4月進行了取樣調查。

1.2 樣品處理與分析

用抓斗式采泥器采集表層0～20 cm的樣品。在同一點周圍采樣3次后將樣品混勻，取適量裝入密封袋中帶回實驗室處理。樣品經烘干等前處理后，用四分法縮分得到待分析樣品，用混酸（HNO3-HF）完成消解，以電感耦合等離子體質譜儀（ICP-MS）測定Cu、Cd、Pb、Zn、Ni、Cr含量。樣品分析檢測中同步測定標準土壤樣進行質量控制。

1.3 評價方法

1.3.1 地積累指數法。又稱Müller 指數，是德國科學家Müller 在1969 年提出的用于研究水環(huán)境沉積物中重金屬污染程度的定量指標，近年來被國內外科學家廣泛應用于河流沉積物重金屬污染特征評價[3，11] 。其表達式為：

式中，Igeo為地積累指數;Cn為樣品中重金屬n的實測值（mg/kg ）;Bn為沉積物中重金屬元素的地球化學背景值（mg/kg ）;k 為考慮到自然成巖作用可能引起的背景值變動而引入的修正系數，一般取值1.5。地積累指數可以分為幾個等級來表示污染程度的差別，具體見表1。

1.3.2 潛在生態(tài)危害指數法。

潛在生態(tài)危害指數法是瑞典科學家Hakanson（1980） 從沉積學角度提出的，用于土壤或沉積物中重金屬污染生態(tài)風險評價的一種方法。該方法以沉積物中重金屬的含量和背景值為基礎，并結合重金屬的生物毒性系數和生態(tài)環(huán)境效應，計算出重金屬的潛在生態(tài)危害指數[12] 。其具體計算方式如下：

式中，Cis指沉積物中重金屬i 的實際測量值（ mg/kg ）;Cin指其背景值;Tir指其毒性響應系數，這里采用Hakanson 制定的標準，Cu、Cr、Pb、Zn和Cd的響應系數分別為5、2、5、1和30;Eir指重金屬i 的潛在生態(tài)危害指數;RI則為多種重金屬綜合潛在生態(tài)危害指數。

該方法綜合考慮了重金屬的毒性和重金屬污染對評價區(qū)域的敏感性，消除了區(qū)域差異的影響，在國內外重金屬風險評價中有著廣泛的應用[13-14] 。表2 給出了潛在生態(tài)危害指數和風險程度的分級關系。

2 結果與分析

2.1 沙潁河表層沉積物重金屬含量特征

從表3可以看出，總體上沙潁河各調查點重金屬含量呈現中游>上游>下游的趨勢。值得注意的是，Cr、Zn、Cd的含量在2次調查中分別超出了河南省土壤環(huán)境背景值 0.29倍、0.05倍、9倍。沙潁河表層沉積物中Cu與Cd的平均濃度分別為17.51、0.65 mg/kg。 在沙潁河河段中， Cu 與 Cd 濃度表現出的變化趨勢為上游 >中游 >下游;Cr 的平均濃度為81.7 mg/kg，其濃度表現出的變化趨勢為上游<中游<下游; Pb、Zn 與 Ni 的平均濃度分別為 18.4、65.7、23.9 mg/kg，這3種重金屬元素濃度變化表現出的趨勢則為中游 >上游 >下游。通過與淮河干流重金屬元素平均濃度值及中國水系沉積物中元素平均濃度值的比較[15-16]，發(fā)現 Cd 與 Cr 在沙潁河表層沉積物中的濃度更高，沙潁河表層沉積物中 Ni 的濃度則與其相近，沙潁河表層沉積物中 Cu、Pb、Zn的濃度則更低。 由此可見， Cd 與 Cr在沙潁河重金屬污染中相當嚴重。

2.2 重金屬生態(tài)風險評估

根據河南省土壤背景值計算了沙潁河表層沉積物中6種重金屬的平均單一污染因子，重金屬的平均單項生態(tài)風險因子分別為Cu 4.38、Cr 2.58、Pb 25.30、Zn 1.05和 Ni 4.36 ，均小于40，表明存在輕微的潛在風險;Cd （300）的生態(tài)風險因子在160～320，說明其潛在的生態(tài)風險很大，接近極大風險跨度的上限。 鎘污染程度反映了上游>中游>下游的變化。依據生態(tài)風險指數分類標準，除Cd外，沙潁河沉積物表層所測5種重金屬的污染水平為輕度。在所調查的取樣點位中，Cd 表現出強污染的監(jiān)測點位占58.8%，表現出極強污染的監(jiān)測點位占 29.4%。其中，在2015年10月的檢測點位中，Cd超出河南省土壤環(huán)境背景值0.88～32.28倍，平均超標7.08倍;超出中國土壤環(huán)境背景值0.52～25.96倍，平均超標6.55倍;相較于淮河干流水系均值與中國水系平均值，分別平均超標0.78、2.69倍。在2016年4月的檢測點位中，Cd超出河南省土壤環(huán)境背景值4.94～31.5倍，平均超標11.2倍;超出中國土壤環(huán)境背景值3.81～25.3倍，平均超標8.90倍;相較于淮河干流水系均值與中國水系平均值，分別平均超標1.70、4.58倍。

沙潁河沉積物表層中重金屬潛在生態(tài)風險指數RI值在134～993，平均值為318，表明總重金屬潛在生態(tài)風險指數極強，主要是由 Cd 污染造成。

3 討論

由于河流沉積物作為水環(huán)境中重金屬的主要儲存庫，能夠反映水生態(tài)環(huán)境受重金屬污染的程度。沙潁河在多閘壩的控制與調度下，對地區(qū)農業(yè)生產與防洪安全上起著極其重要的作用。同時，沙潁河也遭受著重金屬污染的極大風險，尤其是來自Cd污染的生態(tài)污染威脅。沙潁河中重金屬含量由上游向下游變化的原因主要由重金屬元素在水體的滯留時間及閘壩控制造成的。Cd濃度在沉積物表層中沿沙潁河的變化尤其明顯。

沙潁河流域是開發(fā)程度相對較低的區(qū)域，受城市化水平和工業(yè)生產方式的制約，城市生活污水的大量涌入也增加了城市重金屬污染的風險。Cd作為沙潁河高風險的污染因子，與冶煉、染料、農業(yè)廢水等工業(yè)廢水的排放密切相關。農業(yè)和工業(yè)重金屬污染的流入是造成河流中游地區(qū)生態(tài)風險高的主要原因。

總之，沙潁河流域的重金屬污染成因復雜，多閘壩的調控加劇了部分河段的重金屬污染生態(tài)風險。調查表明沙潁河沉積物表層中非常嚴重，尤其是鎘污染。 該地區(qū)生態(tài)風險較高，亟待治理。

4 結論

通過2次對沙潁河干流表層沉積物取樣分析發(fā)現，2015年10月，沙潁河干流表層沉積物中Cu、Cr、Pb、Zn、Cd、Ni平均含量分別為17.5、78.4、19.8、72.2、0.5、25.8 mg/kg;2016年4月，沙潁河干流表層沉積物中各重金屬平均含量分別為16.8、83.2、4.1、56.1、0.8、21.3 mg/kg;Cr平均濃度明顯高于河南省土壤環(huán)境背景值濃度，沙潁河各調查點重金屬含量呈現中游>上游>下游的趨勢，中游河段重金屬含量水平最高。單因子風險評價表明，僅Cd為極強污染風險程度，重金屬潛在生態(tài)風險指數RI值在134～993，平均值為318，屬強污染水平。在閘壩的控制下，沙潁河干流中重金屬在不同區(qū)域表層沉積物中的含量變化較大，污染風險指數差異大。

參考文獻

[1] 郝守寧，彭文啟，吳文強，等.沙潁河流域面源污染負荷空間分布特征研究 [J].人民長江，2014，45（17）： 6-9.

[2] 褚金庭.沙潁河流量和水質對淮河污染的影響[J].水資源保護，2001（3）：4-7.

[3] HAKANSON L.An ecological risk index for aquatic pollution control： A sediment ecological approach[J].Water Res，1980，14（8）：975-1001.

[4] FU J，ZHAO C P，LUO Y P，et al.Heavy metals in surface sediments of the Jialu River，China： Their relations to environmental factors[J].Journal of hazardous materials，2014，270： 102-109.

[5] YANG Y，JIN Q，FANG J M，et al.Spatial distribution，ecological risk assessment，and potential sources of heavy metals（loid） in surface sediments from the Huai River with the Bengbu section，China[J].Environmental science and pollution research，2017，24（12）：11360-11370.

[6] 方明，吳友軍，劉紅，等.長江口沉積物重金屬的分布、來源及潛在生態(tài)風險評價[J].環(huán)境科學學報，2013，33（2）：563-569.

[7] 徐爭啟，倪師軍，庹先國，等.潛在生態(tài)危害指數法評價中重金屬毒性系數計算[J].環(huán)境科學與技術，2008，31（2）：112-115.

[8] 王嵐，王亞平，許春雪，等.長江水系表層沉積物重金屬污染特征及生態(tài)風險性評價[J].環(huán)境科學，2012，33（8）：2599-2606.

[9] RASOOL A，XIAO T F.Distribution and potential ecological risk assessment of trace elements in the stream water and sediments from Lanmuchang area，southwest Guizhou，China[J].Environmental science and pollution research，2019，26（4）：3706-3722.

[10] 鐘明，萬云，萬安，等.沙潁河流域沉積物重金屬污染特征及生態(tài)風險評價[J].生態(tài)學雜志，2016，35（7）：1857-1864.

[11] SINGH K P，MALIK A，SINHA S.Water quality assessment and apportionment of pollution sources of Gomti river （India） using multivariate statistical techniques—A case study[J].Analytica chimica acta，2005，538（1/2）：355-374.

[12] 朱光旭，郭慶軍，陳同斌，等.北京市南沙河沉積物重金屬污染特征及風險評價[J].生態(tài)學雜志，2013，32（8）：2148-2153.

[13] 戴紀翠，高曉薇，倪晉仁，等.深圳近海海域沉積物重金屬污染狀況評價[J].熱帶海洋學報，2010，29（1）：85-90.

[14] GHOLIZADEH M，PATIMAR R.Ecological risk assessment of heavy metals in surface sediments from the Gorgan Bay，Caspian Sea[J].Marine pollution bulletin，2018，137： 662-667.

[15] 羅斌，劉玲，張金良，等.淮河干流沉積物中重金屬含量及分布特征[J].環(huán)境與健康雜志，2010，27（12）：1122-1127.

[16] 鄢明才，遲清華，顧鐵新，等.中國各類沉積物化學元素平均含量[J].物探與化探，1995，19（6）：468-472.