晉江市九十九溪流域河道底泥污染特征分析與風(fēng)險(xiǎn)評價*

酈建鋒 馬駿超# 李華斌 崔喜博 盛 晟 陳奮飛 葉更強(qiáng)

(1.中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 311122；2.中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)研究院(鄭州)有限公司，河南 鄭州 450000)

底泥是由陸地地表物質(zhì)經(jīng)過長期的物理、化學(xué)、生物作用而沉積于河流底部的沉積物，與陸地土壤具有同源性[1]。近年來，由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人口增長，大量陸源污染物進(jìn)入水體，通過吸附、絮凝、沉降等作用，從水體進(jìn)入底泥中，使得底泥中污染物含量顯著增加。同時，沉積在底泥中的污染物在一定環(huán)境條件下，通過溶解等作用又可從底泥中釋放出來，再次進(jìn)入水體。因此，底泥既是污染物的匯集地，又是對水體產(chǎn)生二次污染的潛在污染源，河道底泥的污染程度與水環(huán)境質(zhì)量存在密切關(guān)系[2]，不同深度的底泥往往包含了不同時期河流環(huán)境特點(diǎn)及污染情況等真實(shí)信息[3]。因此研究不同深度河流底泥的污染情況，對于河流生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的時空變化分析和后續(xù)治理具有重要意義。

目前，常見的河道底泥污染物特征分析與風(fēng)險(xiǎn)評價主要是采集河道不同河段同一深度的底泥，采用單因子污染指數(shù)法、內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法、地累積指數(shù)法等對污染物進(jìn)行分析，利用多元統(tǒng)計(jì)分析和地統(tǒng)計(jì)分析對污染物來源進(jìn)行解析，應(yīng)用生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法、生物毒性不利影響指數(shù)法等對污染物進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評價，并提出相應(yīng)的綜合性治理指導(dǎo)意見[4]1443，鮮有研究涉及對不同深度河道底泥的對比。

晉江市九十九溪流域萬畝田園風(fēng)光區(qū)域?yàn)榈湫偷墓まr(nóng)業(yè)區(qū)域，汽車配件、陶瓷、建材等相關(guān)產(chǎn)業(yè)逐年發(fā)展。區(qū)域內(nèi)主要水系有九十九溪干流、潘湖支流、九十九溪老河道及沿江支流，其中，潘湖支流為新開挖河道，原九十九溪干流均沿九十九溪老河道流出。由于河道周邊產(chǎn)業(yè)類型及比例不同，受環(huán)境影響的時間不同，宜進(jìn)行不同深度底泥污染特征分析與風(fēng)險(xiǎn)評價。

本研究選取九十九溪干流、潘湖支流、九十九溪老河道及沿江支流4條主要河道23處不同河段的底泥作為研究對象，分3層采集底泥樣品，重點(diǎn)研究不同深度底泥的污染特征及其對河流環(huán)境質(zhì)量時空變化的反映情況、污染來源和相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)評價，全面深入分析該區(qū)域的河流污染空間分布情況，探討有效的治理策略，為后續(xù)底泥污染綜合防治和處置提供科學(xué)依據(jù)。

1 采樣方法

1.1 研究區(qū)概況

九十九溪流域地處福建省東南沿海的南安市與晉江市境內(nèi)，是晉江市的主要河流。流域在晉江市境內(nèi)長27 km，流域面積為137 km2，主河道平均坡降為0.16%[5]。流域上游屬中低山地，中下游地勢低洼平坦，溝渠縱橫交錯，河網(wǎng)密集。流域位于南亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候區(qū)，多年平均蒸發(fā)量為1 997.1 mm，年降水量為1 000～1 400 mm[6]。

研究區(qū)域?yàn)榫攀畔饔蛳掠蔚娜f畝田園風(fēng)光區(qū)域，該區(qū)域以農(nóng)業(yè)工業(yè)用地為主，總占地面積約7.2 km2，研究河道為九十九溪干流、九十九溪老河道、沿江支流及潘湖支流，長度分別為4.37、2.02、2.43、1.47 km。

1.2 樣品采集

于2019年8月共采集23處河道底泥。河道底泥采集采用均勻布點(diǎn)法，每個采樣點(diǎn)間距為300～500 m(采樣點(diǎn)位置見圖1)。底泥采集采用人工方式進(jìn)行，在風(fēng)浪較小、環(huán)境條件較好的河段中心位置，采用抓斗式采泥器進(jìn)行采樣。每個采樣點(diǎn)根據(jù)淤泥厚度，分上、中、下3層(分別記為A、B、C層)采集底泥樣品(A層0.1～0.2 m，B層0.2～0.5 m，C層0.5～1.0 m)。采集的底泥樣品置于1 L的聚乙烯袋中密封，裝于泡沫盒中，檢測前冷凍干燥保存。

圖1 采樣點(diǎn)分布Fig.1 Distribution of sampling sites

1.3 樣品測定

檢測指標(biāo)主要包括：pH、Cd、Hg、As、Pb、Cr、Cu、Ni、Zn、TN、TP共11項(xiàng)。檢測方法參照《城市污水處理廠污泥檢測方法》(CJ/T 221—2005)和《土壤檢測》(NY/T 1121.2—2006)。

2 評價方法

2.1 污染程度評價

2.1.1 重金屬污染程度評價

采用地累積指數(shù)(Igeo)進(jìn)行重金屬污染程度評價，地累積指數(shù)是評價底泥中重金屬污染的常用參數(shù)，不僅考慮了自然地質(zhì)過程造成的背景值影響，也充分注意了人為活動對重金屬污染的影響[7]。本研究以福建省自然土壤背景值作為污染評價參考值：Cd(0.054 mg/kg)、Hg(0.081 mg/kg)、As(5.78 mg/kg)、Pb(34.9 mg/kg)、Cr(41.3 mg/kg)、Cu(21.6 mg/kg)、Ni(13.5 mg/kg)、Zn(82.7 mg/kg)[8]70。

單一重金屬的污染程度分級為：≤0，無污染；>0～1，輕污染；>1～2，偏中度污染；>2～3，中度污染；>3～4，偏重度污染；>4～5，重度污染；>5，極重度污染。

2.1.2 營養(yǎng)鹽污染程度評價

鑒于目前中國尚沒有專門針對底泥營養(yǎng)鹽污染程度的評價方法，本研究參考文獻(xiàn)[9]，采用內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法對底泥中氮、磷的污染程度進(jìn)行評價，評價標(biāo)準(zhǔn)值參考《中新天津生態(tài)城污染水體沉積物修復(fù)限值》(DB12/ 499—2013)中河道底泥營養(yǎng)鹽管理目標(biāo)值(TN為1 500 mg/kg、TP為400 mg/kg)。

2.2 風(fēng)險(xiǎn)評價

2.2.1 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價

重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)(RI)綜合考慮重金屬含量、毒性水平、水體對金屬的敏感性及多元素協(xié)同作用等，綜合評估多種重金屬對底泥的潛在生態(tài)危險(xiǎn)程度[10]，計(jì)算方法見式(1)。

(1)

根據(jù)重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價分級為：≤55，低風(fēng)險(xiǎn)；>55～110，中風(fēng)險(xiǎn)；>110～220，高風(fēng)險(xiǎn)；>220，極高風(fēng)險(xiǎn)。

2.2.2 生物毒性不利影響評價

采用生物毒性不利影響綜合評價河道底泥中多種重金屬的混合生物效應(yīng)[4]1444，計(jì)算方法見式(2)。

(2)

式中：n為底泥中重金屬的種類數(shù)；Q為平均可能影響濃度商；PECi為底泥中重金屬i的可能效應(yīng)濃度，mg/kg，取Cd 4.98 mg/kg、Hg 1.06 mg/kg、As 33 mg/kg、Pb 128 mg/kg、Cr 111 mg/kg、Cu 149 mg/kg、Ni 486 mg/kg、Zn 459 mg/kg[4]1445。

根據(jù)平均可能影響濃度商，將生物毒性分為4個等級[4]1445：≤0.1，產(chǎn)生生物毒性效應(yīng)的可能性<14%；>0.1～1.0，15%<產(chǎn)生生物毒性效應(yīng)的可能性≤29%；>1.0～5.0，33%<產(chǎn)生生物毒性效應(yīng)的可能性≤58%；>5.0，75%<產(chǎn)生生物毒性效應(yīng)的可能性≤81%。

3 結(jié)果與討論

3.1 底泥pH變化特征

河道底泥pH檢測結(jié)果見圖2，呈弱堿性，與福建省泉州市耕地土壤pH(5.46)差異較大[11]，可能原因?yàn)楦亻L期施化肥，導(dǎo)致耕地土壤酸化，而研究區(qū)域河道周邊分布較多汽修廠，排放堿性含油廢水[12]47，長期積累導(dǎo)致河道底泥pH較耕地土壤高。

圖2 河道底泥pH分布Fig.2 Distribution of pH of river sediment

3.2 河道底泥污染物特征分析

與福建省自然土壤背景值[8]70相比，研究區(qū)域河道底泥中絕大部分重金屬含量超標(biāo)，存在不同程度的污染。其中，Cd為中度、偏重度污染，Zn為偏中度污染，Hg、Pb、Cr、Cu、Ni為輕度污染，僅As不存在污染現(xiàn)象。重金屬含量偏高主要是受周邊工業(yè)廢水、生活污水、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)廢水的影響，重金屬隨懸浮物沉降進(jìn)入底泥，造成其含量較自然土壤背景值偏高[13]1876。

同時，研究區(qū)域內(nèi)不同河道不同深度的底泥重金屬污染程度不同。其中，沿江支流、九十九溪老河道和潘湖支流由于位于下游，上游陶瓷廠等工業(yè)廢水中富含的重金屬[12]47富集沉積，致使這3條河道污染較九十九溪干流嚴(yán)重。此外，潘湖支流為近年新開挖河道，原先上游河水均從九十九溪干流流至九十九溪老河道再流出，因此九十九溪老河道底泥B層部分重金屬地累積指數(shù)較高，污染較表層和底層嚴(yán)重，與其他河道重金屬含量隨底泥深度增加而降低的大趨勢不同(見表1)。

表1 河道底泥重金屬地累積指數(shù)

此外，研究區(qū)域內(nèi)河道底泥中TN、TP含量均明顯高于河道底泥營養(yǎng)鹽管理目標(biāo)值，呈重度污染態(tài)勢(見圖3)，應(yīng)通過工程措施及時控制營養(yǎng)鹽含量。內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)在A層和B層中的數(shù)值較為接近，但明顯高于C層，表明從B層沉積期開始，區(qū)域內(nèi)一直持續(xù)存在穩(wěn)定的營養(yǎng)鹽匯入污染。對比不同河道C層底泥的內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)發(fā)現(xiàn)，九十九溪干流和潘湖支流深層底泥均已嚴(yán)重污染，結(jié)合河道環(huán)境條件，推測九十九溪干流受營養(yǎng)鹽污染時間久遠(yuǎn)，而潘湖支流開挖前該區(qū)域土壤已受營養(yǎng)鹽污染。

圖3 河道底泥營養(yǎng)鹽內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)Fig.3 Nemerow comprehensive pollution index of nutrients in river sediment

造成4條河道底泥營養(yǎng)鹽污染程度不同的原因主要為周邊用地類型隨時空變化明顯。九十九溪干流和潘湖支流的北側(cè)均為居住區(qū)，用地面積隨時間推移而擴(kuò)張，但沿河硬質(zhì)化的駁岸和排口致使城鎮(zhèn)點(diǎn)源、面源污染直接匯入河道，因而底泥中營養(yǎng)鹽逐年富集，污染愈發(fā)嚴(yán)重。而沿江支流和九十九溪老河道周邊則以農(nóng)田為主，河道兩岸存在50 m以上的植被緩沖帶，可削減部分農(nóng)業(yè)面源污染，減少對河道造成的污染。

3.3 河道底泥重金屬污染源相關(guān)性分析

采用聚類分析[14]對底泥重金屬來源進(jìn)行分析，標(biāo)準(zhǔn)化處理重金屬含量，去除異常值后運(yùn)用層次聚類法繪制得到樹狀圖(見圖4)。根據(jù)聚類距離將底泥重金屬歸為兩大類，其中Cu、Zn、Cd、Hg、Pb屬于Ⅰ類，As、Cr、Ni為Ⅱ類。Ⅰ類又可具體分為3類：Ⅰ1類(Cu和Zn)、Ⅰ2類(Cd)、Ⅰ3類(Hg和Pb)；Ⅱ類又可具體分為2類：Ⅱ1類(As和Cr)、Ⅱ2類(Ni)。

圖4 8種重金屬聚類分析樹狀圖Fig.4 Dendrogram results of the hierarchical cluster analysis of eight heavy metals

通過主成分分析，識別底泥中重金屬來源[15]。利用KMO檢驗(yàn)和巴特利球度檢驗(yàn)(KMO=0.822>0.7，P<0.05)，發(fā)現(xiàn)8種重金屬間相關(guān)性較強(qiáng)，適合進(jìn)行主成分分析。采用Kaiser標(biāo)準(zhǔn)化的正交旋轉(zhuǎn)法提取因子，利用最大方差法對因子載荷矩陣進(jìn)行正交旋轉(zhuǎn)(結(jié)果見表2)。主成分分析法提取出2個主成分，共解釋72.69%的方差。

表2 8種重金屬主成分分析結(jié)果

第1主成分貢獻(xiàn)率為38.86%，Cd、Hg、Pb、Cu、Zn的因子載荷較高，聚類為Ⅰ類。相關(guān)研究證明，Cd、Hg、Pb、Cu、Zn主要受人類活動影響，由人類活動產(chǎn)生而進(jìn)入河道底泥中[16]：Ⅰ1類主要源于汽車制造業(yè)，Zn是汽車輪胎生產(chǎn)過程中的重要添加劑，具有潤滑、抗氧化和清潔作用；Cu來自車輛散熱器和車輛制動系統(tǒng)。Ⅰ2類源于農(nóng)業(yè)，Cd是農(nóng)業(yè)復(fù)合肥磷肥中的重要成分，可以作為農(nóng)業(yè)活動的標(biāo)識元素。Ⅰ3類主要源于燃煤排放，Hg和Pb可通過燃煤排放產(chǎn)生，并在大氣中具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性和移動性，通過大氣干濕沉降進(jìn)入河道底泥中。

結(jié)合地累積指數(shù)分析，區(qū)域污染最為嚴(yán)重的是Cd和Zn，推測污染源主要為周邊大面積農(nóng)田施用的化肥/農(nóng)藥和沿河分布的汽修廠汽車輪胎維修保養(yǎng)產(chǎn)生的廢液。而現(xiàn)狀汽修廠規(guī)模較小，業(yè)務(wù)以維修為主，因此同源于汽車制造業(yè)的Cu卻屬于輕度污染。此外，河道上游陶瓷廠、水泥廠數(shù)量較少，煤炭使用量較低，致使Hg、Pb屬于輕度污染。

第2主成分貢獻(xiàn)率為33.83%，As、Cr、Ni的因子載荷較高，聚類為Ⅱ類。相關(guān)研究證明[17]，Cr和Ni主要源于成土母質(zhì)，受人為影響較小，僅九十九溪老河道和潘湖支流的部分中下層底泥中Cr和Ni含量略微超過自然土壤背景值，處于輕度污染狀態(tài)，因此推測除了自然來源外，還受周邊工業(yè)污染影響[13]1880。河道底泥中As整體呈無污染狀態(tài)，由于As變異系數(shù)較低，因此推測底泥中的As主要來源于成土母質(zhì)。

3.4 河道底泥重金屬風(fēng)險(xiǎn)評價

3.4.1 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價結(jié)果

九十九溪流域河道底泥中重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價結(jié)果見圖5。九十九溪干流和沿江支流各層底泥的重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)均小于55，表明這兩條河道的重金屬綜合生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)為低風(fēng)險(xiǎn)，重金屬不易從底泥中釋放，對河道的生態(tài)危害較小[18]。九十九溪老河道底泥B層的重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)高于110，A層和C層的重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)介于55～110，表示九十九溪老河道底泥中重金屬總體處于中風(fēng)險(xiǎn)水平，應(yīng)重視該河道的底泥處理，特別是0.2～0.5 m深的底泥處理，可選用生態(tài)清淤的方式將深度小于1.0 m(C層及以上)的底泥從河道中移除，從而減輕污染底泥中重金屬對水生生物的生態(tài)影響[19]。潘湖支流底泥中A層和B層的重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)大于55，同處于中風(fēng)險(xiǎn)水平，但C層總體屬于低風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)通過生態(tài)清淤的方式清除深度小于0.5 m(B層及以上)的底泥，減輕重金屬釋放的潛在風(fēng)險(xiǎn)。

圖5 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價結(jié)果Fig.5 Potential ecological risk assessment result

3.4.2 生物毒性不利影響評價結(jié)果

九十九溪流域4條河道底泥的平均可能影響濃度商均處于0.1～0.5(見圖6)，表明由于個別重金屬(Zn和Pb)污染，區(qū)域河道底泥對底棲動物產(chǎn)生生物毒性效應(yīng)的可能性為15%～29%。此外，平均可能影響濃度商基本隨底泥深度的增加而降低，可見底泥中重金屬的生物毒性不利影響主要發(fā)生在近幾年。因此，建議嚴(yán)格管控河道周邊工業(yè)廢水廢氣的排放，特別是汽修汽配廠和建材廠，以減輕Zn、Pb等重金屬對河道底棲動物的危害。

4 結(jié)論與建議

(1) 通過對晉江市九十九溪流域萬畝田園風(fēng)光區(qū)域4條主要河道23處河道底泥進(jìn)行分層檢測，發(fā)現(xiàn)河道底泥偏堿性，與沿河分布汽修廠有較大關(guān)系。

(2) 與福建省自然土壤背景值相比，河道底泥中絕大部分重金屬含量超標(biāo)，存在不同程度的污染，其中Cd為中度、偏重度污染，Zn為偏中度污染，Hg、Pb、Cr、Cu、Ni為輕度污染，僅As不存在污染現(xiàn)象。受周邊工業(yè)分布情況影響，不同河道不同深度的重金屬污染程度不同。其中，沿江支流、九十九溪老河道和潘湖支流底泥中重金屬污染較嚴(yán)重。同時，重金屬含量基本隨底泥深度的增加而降低，僅九十九溪老河道因不同時期匯入水量不同，導(dǎo)致中層底泥重金屬污染比表層和底層嚴(yán)重。此外，底泥TN、TP含量均明顯高于河道底泥營養(yǎng)鹽管理目標(biāo)值，全部呈重度污染的態(tài)勢，應(yīng)通過工程措施及時控制營養(yǎng)鹽含量。

(3) 河道底泥中重金屬主要來自兩類：人類活動匯入和自然成土母質(zhì)發(fā)育。其中，Cu和Zn主要源于河道周邊的汽修廠；Hg和Pb主要源于上游零星陶瓷廠、水泥廠的燃煤排放；Cd主要源于周邊農(nóng)業(yè)施用的化肥農(nóng)藥；Cr和Ni主要受成土母質(zhì)以及周邊工業(yè)生產(chǎn)活動影響；As則主要源于成土母質(zhì)。

(4) 河道底泥重金屬風(fēng)險(xiǎn)評價結(jié)果顯示，九十九溪干流和沿江支流的底泥重金屬綜合生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)為低風(fēng)險(xiǎn)，重金屬不易從底泥中釋放，生態(tài)危害較?。痪攀畔虾拥篮团撕Я鞯牡啄鄤t總體處于中風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)重視底泥處理，可選用生態(tài)清淤的方式進(jìn)行處理，九十九溪老河道清理深度小于1.0 m的底泥，潘湖支流清理深度小于0.5 m的底泥，以減輕底泥中重金屬釋放對河道水生態(tài)的影響。此外，4條河道底泥受Zn、Pb等重金屬污染，對底棲動物產(chǎn)生生物毒性效應(yīng)的可能性為15%～29%。為防止河道底泥重金屬繼續(xù)富集累積，加劇對底棲動物的危害，建議加強(qiáng)管控河道周邊工農(nóng)業(yè)廢水廢氣的排放，嚴(yán)格控制污染入河。