宿州沱河沉積物重金屬分布及污染評價

王春雷 桂和榮 梅靜梁 陳家玉 李晨 陳晨 江雅琪

摘 要：為探明宿州沱河沉積物重金屬分布和污染特征，對沱河表層沉積物中8種重金屬進行分析，利用地累積指數(shù)（[Igeo]）和潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)（RI）評價重金屬的生態(tài)風(fēng)險。結(jié)果表明：除Pb外，沉積物中重金屬含量均高于各自背景值。從[Igeo]評價結(jié)果看，Pb、Cr、Ni、Mn處于未污染狀態(tài)，Cu、Zn、As處于輕度污染狀態(tài)，Cd部分采樣點評價結(jié)果達到偏中度污染狀態(tài)。從RI評價結(jié)果看，Cd屬于很強的生態(tài)風(fēng)險水平，其余元素屬于輕微生態(tài)風(fēng)險水平。污染來源方面，Cr、Mn、Ni主要來自金屬加工;Cu、Zn主要來自居民生活產(chǎn)生的污染;As主要來源于工業(yè)活動產(chǎn)生的廢水或農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的農(nóng)藥化肥;Cd、Pb來源于汽車尾氣、工業(yè)生產(chǎn)中煤的運輸和燃燒及輪胎磨損中所含的粉塵等交通污染輸入源。

關(guān)鍵詞：重金屬;沉積物;污染評估;沱河

中圖分類號 X522; X142文獻標(biāo)識碼 A文章編號 1007-7731（2021）10-0126-05

Distribution and Pollution Assessment of Heavy Metals in Sediments of Suzhou Tuo River

WANG Chunlei1，2 et al.

（1 School of Earth and Environment， Anhui University of Science and Technology， Huainan 232001， China;2 National Engineering Research Center of Coal Mine Water Hazard Controlling （Suzhou University）， Suzhou 234000， China）

Abstract： In order to explore the distribution and pollution characteristics of heavy metals in the Tuo River sediments in Suzhou， the contents of 8 heavy metals in the surface sediments of the Tuo River were studied using the geoaccumulation index （[Igeo]） and potential ecological risk index （RI） evaluate the ecological risks of heavy metals. The results showed that the heavy metals in sediments were higher than their background values except Pb. [Igeo] evaluation results show that Pb， Cr， Ni， and Mn are in a non-polluted state， Cu， Zn， and As are in a lightly polluted state， and the evaluation results of Cd sampling and evaluation have reached a moderately polluted state. The RI evaluation results show that Cd belongs to a strong ecological risk level， and the other elements belong to a slight ecological risk level. The results of pollution source analysis show that the heavy metals Cr， Mn and Ni in the sediments mainly come from metal processing; Cu and Zn mainly come from the pollution of residents′ life; As mainly comes from the waste water from industrial activities or pesticides and fertilizers in agricultural production; Cd and Pb mainly come from the traffic pollution input sources such as automobile exhaust， coal transportation and combustion in industrial production and dust in tire wear.

Key words： Heavy metals; Sediment; Pollution assessment;Tuohe River

工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等活動造成的重金屬污染問題越來越受到社會的廣泛關(guān)注[1，2]。人類生產(chǎn)生活中產(chǎn)生的各種重金屬未經(jīng)處理或處理不完全，經(jīng)污水管道、地表徑流、大氣沉降等多種途徑進入水體中，通過吸附和沉降作用，最終導(dǎo)致產(chǎn)生的重金屬儲存在沉積物中[3，4]。進入沉積物中的重金屬性質(zhì)不穩(wěn)定，容易受到外界因素的干擾，一旦外界環(huán)境（pH、DO、氧化還原電位等）發(fā)生變化時，儲存在沉積物中性質(zhì)不穩(wěn)定的重金屬會重新進入到水體中，從而使水質(zhì)發(fā)生嚴(yán)重的重金屬污染，對生態(tài)環(huán)境造成破壞，影響人類正常的生產(chǎn)生活[5-7]，嚴(yán)重時甚至?xí)：θ祟惖纳踩?。因此，關(guān)于沉積物中重金屬的污染問題值得進行相關(guān)研究[8]。

沱河自宿州市的西北部流入，從東南流出，途徑市區(qū)居民區(qū)和商業(yè)娛樂區(qū)，對宿州居民生產(chǎn)生活及工業(yè)發(fā)展等發(fā)揮了重要作用。但是，目前關(guān)于沱河沉積物中重金屬分布和污染評估方面的研究還鮮有報道。為此，筆者以宿州沱河為研究對象，使用專業(yè)的底泥采集器獲取表層沉積物樣品，測定沉積物中8種重金屬元素（Pb、Cr、Cd、Ni、Cu、Zn、Mn、As）含量，探討沱河沉積物中重金屬的空間分布特征[9-11]，同時采用潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法（RI）和地累積指數(shù)法（[Igeo]）對沉積物中重金屬是否受到污染及污染程度進行評價[8，12-14]，并且借助主成分分析（PCA）來了解沉積物重金屬來源的相關(guān)信息，從而為沱河沉積物重金屬污染的防控提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況 宿州位于安徽省東北部，全市面積9787km2，總?cè)丝?51萬人[15]。沱河全長243km，流域面積2983km2，對宿州經(jīng)濟發(fā)展和居民生產(chǎn)生活等方面具有重要作用。

1.2 樣品采集 本研究區(qū)域采樣點起點為沱河與新汴河交叉口附近，靠近宿州三角洲公園，終點為宿州東二環(huán)路。利用專業(yè)的沉積物采集器共采集沱河表層沉積物樣品9個，其中上游（T1、T2、T3）、中游（T4、T5、T6）和下游（T7、T8、T9）各取3個沉積物樣品，每個采樣點采集2個沉積物樣品，將2個樣品均勻混合后作為1個采集點樣品。并采用全球定位系統(tǒng)（GPS）在取樣點進行定位（如圖1）。取好的樣品放入干凈的密封袋內(nèi)帶回實驗室。

1.3 樣品處理與測定 將采集的沉積物樣品挑出雜物進行預(yù)處理，然后進行重金屬的測定。測定前將聚四氟乙烯消解管浸泡在含20%的HNO3溶液中24h，取出后清洗干凈，烘干備用。準(zhǔn)確稱?。?.5000±0.0010）g土壤樣品放入消解管中，再加入6mL王水（HNO3∶HCl=1mL∶3mL），120℃消解4h;再加入4mL HF，120℃消解4h;冷卻后加4mL高氯酸，蓋上蓋，放入與之配套的不銹鋼反應(yīng)器中，將反應(yīng)器放入190℃的烘箱中，烘10h，冷卻取出，放入電熱板上進行趕酸（180～220℃），待樣品呈少量淺黃綠色粘稠狀且白煙量減少時，將消解管中的樣品轉(zhuǎn)移并定容后搖勻待測[11，16]。待測樣品采用電感耦合等離子質(zhì)譜儀器（安捷倫ICP-MS 7500CX）進行測定。為保證測定結(jié)果真實可靠，在測試過程中進行重復(fù)性分析和標(biāo)樣分析。對試驗結(jié)果進行分析，顯示試驗結(jié)果符合質(zhì)量控制要求。

1.4 沉積物重金屬生態(tài)風(fēng)險評價

1.4.1 地累積指數(shù)法（[Igeo]） 地累積指數(shù)法被國內(nèi)外廣泛應(yīng)用于重金屬污染評價，通過測定重金屬含量對重金屬污染程度進行定性判斷[17]。計算公式如下：

[Igeo=log2[Cn/（K×Bn）]] （1）

式中，[Cn]表示沉積物重金屬元素含量的實際測量值;[Bn]為所評價元素的背景值，本研究選用安徽省土壤環(huán)境背景值，Pb 26.6mg/kg、Cr 66.5mg/kg、Cd 0.097mg/kg、Ni 29.8mg/kg、Cu 20.4mg/kg、Zn 62.0mg/kg、Mn 530mg/kg、As 9.0mg/kg;[K]為系數(shù)，一般取1.5。地累積指數(shù)法關(guān)于沉積物重金屬污染等級劃分和具體污染程度分級結(jié)果見表1。

1.4.2 潛在生態(tài)危害指數(shù)法（RI） 潛在生態(tài)危害指數(shù)法全面考慮了環(huán)境影響與生態(tài)影響，能夠綜合體現(xiàn)多種重金屬對生態(tài)環(huán)境的污染影響及存在的潛在危害。計算公式如下：

[Cif=Ci0/Cin] （2）

[Eir=Tir×Cif] （3）

[RI=i=1nEir] （4）

式中：[Cif]為重金屬i的污染指數(shù);[Ci0]為實測值;[Cin]為參照值，采用安徽省土壤重金屬背景值[18];[Eir]是所測元素的潛在生態(tài)風(fēng)險系數(shù)（表2）;[Tir]為重金屬的毒性系數(shù)（表3）。

1.5 數(shù)據(jù)處理 使用Excel對數(shù)據(jù)進行相關(guān)處理，SPSS 22.0軟件進行主成分分析，Origin2020進行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 重金屬分布特征 沱河表層沉積物中重金屬平均含量表現(xiàn)為Mn（609.70mg/kg）[>]Zn（127.55mg/kg）>Cr（72.68mg/kg）>Cu（47.92mg/kg）>Ni（32.45mg/kg）>Pb（26.52mg/kg）>As（20.05mg/kg）>Cd（0.69mg/kg），分別是各自背景值的1.15、2.06、1.09、2.35、1.09、0.99、1.87、7.01倍。除Pb略低于背景值外，沱河沉積物中其他重金屬元素平均含量在不同程度上均超過背景值，其中Zn、Cu、Cd超過背景值含量較多，尤其是Cd的平均含量達到背景值的7倍。研究區(qū)域內(nèi)沉積物中Cd、Cu、Zn、[As]超過背景值的采樣點達到100%，Mn和Ni超過背景值的采樣點達到77%，Pb超過背景值的采樣點達到55%，Cr超過背景值的采樣點達到44%。進一步對上游采樣點（T1、T2、T3）、中游采樣點（T4、T5、T6）和下游采樣點（T7、T8、T9）重金屬含量進行分析，結(jié)果顯示Cr、Ni、Cu、Zn、As、Pb平均含量均表現(xiàn)為中游>下游>上游，Cd的平均含量表現(xiàn)為上游[>]中游[>]下游，Mn的平均含量表現(xiàn)為下游>中游>上游。

由圖1可知，上游穿過三角洲公園，中游為穿過城區(qū)河段，下游河段處于城郊位置。結(jié)合圖2可知，沉積物中Cr、Ni、Cu、Zn、As、Pb含量具有相同的空間分布特征，均表現(xiàn)為中游>下游>上游，這表明位于上游河段的三角洲公園環(huán)境良好，對沱河生態(tài)環(huán)境沒有產(chǎn)生明顯的危害和不良影響。上游取樣點位于三角洲公園附近，受附近工廠及人為活動的影響較小。但除Pb外，各種重金屬含量在一定程度上仍大于背景值，這表明相對于沱河中游和下游而言，上游沉積物重金屬元素雖然人為積累量相對較小，但仍會受到人類活動的相關(guān)影響。在8種重金屬元素中，Cd含量最低，但在研究區(qū)域內(nèi)Cd含量高于背景值的采樣點達到了100%，這表明沱河沉積物中Cd存在一定的人為污染。Pb平均含量整體處于較低水平，研究區(qū)內(nèi)Pb平均含量低于背景值，說明Pb元素在研究區(qū)域的人為積累量相對較小，但仍有部分采樣點Pb含量超過背景值，如T5和T6采樣點的含量分別達到了33.15mg/kg和38.12mg/kg。

2.2 重金屬污染程度

2.2.1 地累積指數(shù)法（[Igeo]） 結(jié)合評價標(biāo)準(zhǔn)（表1）和圖3可知，沉積物中Cr、Ni、Mn、Pb的[Igeo]平均值均小于0，根據(jù)評價標(biāo)準(zhǔn)屬于無污染狀態(tài);Cu、Zn、As屬于輕度污染狀態(tài)，但Cu、Zn仍有部分采樣點處于無污染狀態(tài)，且無污染的取樣點均位于研究區(qū)上游，這表明在上游區(qū)域Cu、Zn受人為污染影響較小，中游和下游受人為影響較大;Cd大部分取樣點屬于偏中度污染狀態(tài)，還有部分取樣點達到中度污染或偏重度污染標(biāo)準(zhǔn)，其中T1采樣點處于偏重度污染狀態(tài)，這表明T1采樣點Cd的積累受人為影響最大，應(yīng)當(dāng)引起重視。

上游采樣點沉積物重金屬[Igeo]大小依次為Cd>As>Zn>Cu>Mn>Ni>Cr>Pb，除Cd和As處于中度和輕度污染外，其余重金屬元素均處于無污染狀態(tài)。中游采樣點沉積物重金屬[ Igeo]大小依次為Cd>Cu>Zn>As>Cr>Pb>Ni>Mn，前4種元素處于不同程度污染狀態(tài)，其中Zn、As的污染水平屬于輕度污染，Cd、Cu達到了中度污染，Cr及其后的元素處于無污染狀態(tài)。結(jié)合圖3可知，中游采樣區(qū)域Cu、Zn的污染程度高于上游和下游采樣區(qū)域，表明在中游采樣區(qū)域Cu、Zn受人為活動影響較大。下游采樣沉積物重金屬[ Igeo]大小依次為Cd>Cu>Zn>As>Mn>Ni>Cr>Pb，Cd污染相對較為嚴(yán)重，屬于偏中度污染，Cu、Zn、As略有污染，屬于輕度污染，Cd為下游采樣點的主要污染物。由此可見，研究區(qū)域內(nèi)上游采樣點沉積物重金屬污染最小，其次是下游和中游區(qū)域。這可能與采樣點的地理位置及周邊環(huán)境有關(guān)，上游采樣區(qū)處于風(fēng)景區(qū)，自然環(huán)境較好，受人為影響較少，故沉積物重金屬污染較小;下游采樣區(qū)域位于城郊區(qū)域，人口密度相對較低，污染主要來自農(nóng)業(yè)和上游徑流作用;中游采樣區(qū)域位于城區(qū)，人口密度大，受多種污染因素影響，導(dǎo)致沉積物重金屬污染程度相對較高。

2.2.2 潛在生態(tài)危害指數(shù)法（RI） 通過潛在生態(tài)危害指數(shù)法（RI）和其相關(guān)評價標(biāo)準(zhǔn)對沱河沉積物中重金屬是否處于污染狀態(tài)及污染程度進行定性評價，結(jié)果顯示沉積物8種重金屬[ Eir]平均值大小依次為Cd>As>Cu>Pb>Mn>Cr>Ni>Zn，結(jié)合圖4可知，沉積物中主要生態(tài)風(fēng)險因子是Cd，其中Cd達到了高及以上生態(tài)風(fēng)險的取樣點達到55.5%，達到較高生態(tài)風(fēng)險水平的取樣點占44.5%。該評價結(jié)果與地累積指數(shù)法評價結(jié)果相似，表明評價結(jié)果可信，因此在沱河沉積物重金屬污染治理過程中應(yīng)特別注意對Cd的治理。根據(jù)[ Eir]結(jié)果及其評價標(biāo)準(zhǔn)，除Cd外，其余沉積物重金屬元素均處于輕微生態(tài)風(fēng)險水平。As和Cu的[ Eir]平均值僅次于Cd，結(jié)合累積指數(shù)法評價結(jié)果，As和Cu可能會成為僅次于Cd的生態(tài)風(fēng)險貢獻因子。

研究區(qū)沉積物中8種重金屬RI值范圍為130～720，其中達到中等及以上潛在生態(tài)風(fēng)險的采樣點占88.9%，處于輕微潛在生態(tài)風(fēng)險采樣點占比為11.1%，但還有部分采樣點達到極強潛在生態(tài)風(fēng)險。結(jié)合圖4可知，T1采樣點Cd的[ Eir]值異常。除去異常采樣點，上、中、下游采樣點RI平均值表現(xiàn)為中游>下游>上游，這表明上游研究區(qū)采樣點重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險最低，環(huán)境質(zhì)量相對較好。該評價結(jié)論與地累積指數(shù)法評價結(jié)果大致相同。

2.3 沉積物重金屬來源 通過地累積指數(shù)法和潛在生態(tài)危害指數(shù)法評價可知沱河沉積物中存在一定的重金屬污染。主成分分析方法廣泛應(yīng)用于污染來源的解析，因此采用主成分分析對沱河沉積物重金屬的污染來源進行分析[19]。通過主成分分析共得到2個大于1的特征值成分（表4），表明研究區(qū)沉積物中重金屬主要來自2個主成分，即重金屬的來源主要有2個。2個主成分的積累貢獻率為94.108%，主成分1和主成分2的積累貢獻率分別為62.012%和23.707%，表明主成分1所代表的污染源為更主要的污染源。由表5和圖5可知，第1主成分包括Cr、Ni、Cu、Zn、Mn，Cr、Mn，多用于電池電鍍生產(chǎn)、機械制造、金屬加工等行業(yè);Cu、Zn含量受燃煤、鉛鋅礦工業(yè)及居民生活產(chǎn)生的污染影響較大;Ni不僅是工業(yè)制造的主要來源，同時也代表自然源，沉積物中Ni含量僅略高于背景值，因此Ni的來源主要來自土壤母質(zhì)或地球化學(xué)活動[14，16，20]。由于Zn、Cu污染較為嚴(yán)重的采樣點出現(xiàn)在中游和下游，因此第1主成分主要代表燃煤、機械制造、金屬加工和生活污水排放的污染源。第2主成分包括Cd、As、Pb，Cd、Pb，可能來源于汽車尾氣、工業(yè)生產(chǎn)中煤的運輸和燃燒及輪胎磨損中所含的粉塵等交通污染輸入源;As可能來源于農(nóng)藥化肥或工業(yè)廢水[16]。因此，第2主成分主要代表交通污染源和經(jīng)雨水徑流作用進入沱河的農(nóng)藥化肥污染源。

3 結(jié)論

研究結(jié)果表明：（1）沱河沉積物中Cr、Cd、Ni、Cu、Zn、Mn、As含量超過安徽省土壤背景值;Cr、Ni、Cu、Zn、As、Pb含量在空間分布上具有一致性，整體表現(xiàn)為中游>下游>上游，Cd平均含量表現(xiàn)為上游>中游>下游，Mn平均含量表現(xiàn)為下游>中游>上游。（2）地累積指數(shù)法評價顯示，Cr、Ni、Mn、Pb處于無污染狀態(tài)，Cu、Zn、As處于輕度污染狀態(tài)，Cd多數(shù)取樣點處于偏中度污染狀態(tài)，部分取樣點達到中度污染或偏重度污染標(biāo)準(zhǔn)。研究區(qū)域內(nèi)上游采樣點沉積物重金屬污染最小，其次是下游和中游區(qū)域。（3）潛在生態(tài)危害指數(shù)法評價顯示，Cd為沉積物中主要生態(tài)風(fēng)險因子，其中達到高及以上生態(tài)風(fēng)險的取樣點占55.5%，達到較高生態(tài)風(fēng)險水平的取樣點占44.5%，其余重金屬處于輕微生態(tài)風(fēng)險水平。（4）主成分分析結(jié)果表明，沉積物重金屬Cr、Mn、Ni主要來自金屬加工;Cu、Zn主要來自居民生活產(chǎn)生的污染;As來源于農(nóng)藥化肥或工業(yè)廢水;Cd、Pb來源于汽車尾氣、工業(yè)生產(chǎn)中煤的運輸和燃燒及輪胎磨損中所含的粉塵等交通污染輸入源。

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（責(zé)編：徐世紅）