舂陵水衡陽段沉積物重金屬污染變化趨勢及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

邱國良，陳泓霖

（湖南省衡陽生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，湖南 衡陽 421001）

湖南省水系發(fā)達(dá)，河網(wǎng)密布，省內(nèi)除少數(shù)地區(qū)屬珠江水系和贛江水系外，主要為湘、資、沅、澧四大水系及其支流。四大水系順著地勢由南向北匯入湘北的洞庭湖，再經(jīng)城陵磯注入長江，形成一個(gè)比較完整的洞庭湖水系。湘江是湖南省最大的河流，是長江七大支流之一，也是長江經(jīng)濟(jì)帶重要河流之一。湖南省礦藏豐富，素有“有色金屬之鄉(xiāng)”和“非金屬之鄉(xiāng)”的美譽(yù)。湘江流域河流水體受到一定的重金屬污染，水體中的重金屬通過沉淀或絮凝作用進(jìn)入沉積物中，使沉積物受到污染；當(dāng)水體環(huán)境改變時(shí)，沉積物中的重金屬可被釋放出來，造成水體的再次污染[1]。湘江干流衡陽市境內(nèi)主要有舂陵水、蒸水、耒水、洣水4條一級(jí)支流，諸多學(xué)者對(duì)湘江干流的沉積物重金屬污染狀況進(jìn)行過研究[2-4]，連續(xù)五年或十年的污染趨勢研究較少見，對(duì)支流舂陵水沉積物重金屬污染狀況的研究較少見。為了研究2010年以來舂陵水衡陽段沉積物重金屬污染變化情況，采用地累積指數(shù)法和潛在生態(tài)危害指數(shù)法對(duì)2010—2019年舂陵水衡陽段沉積物中重金屬污染狀況進(jìn)行了分析，為湘江流域重金屬污染防治提供數(shù)據(jù)參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域及監(jiān)測概況

舂陵水為湖南省湘江流域較大的河流，俗稱茭河，又名菱源河，全長302 km，流域面積6 623 km2，屬于湘江一級(jí)支流。舂陵水為衡陽市下屬縣級(jí)市常寧市與耒陽市的天然界河，左岸自南向北流經(jīng)常寧市白沙、蔭田、煙洲，從水口山鎮(zhèn)匯入滔滔湘江；右岸沿耒陽市羅渡、仁義、南京、壇下邊界流去，至雅江鄉(xiāng)愛群村出耒陽境入衡南縣境，再流經(jīng)一小段在衡南縣黃獅鄉(xiāng)河口村匯入湘江。舂陵水流經(jīng)素有“有色金屬之鄉(xiāng)”之稱的郴州市與衡陽市，水體中As濃度較衡陽市境內(nèi)其他河流略高，屬于衡陽市境內(nèi)3條涉重金屬河流之一。

在舂陵水布設(shè)了羅渡鎮(zhèn)（入境斷面）、舂陵水入湘江口2個(gè)沉積物監(jiān)測斷面，每年監(jiān)測一次，由湖南省衡陽生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心監(jiān)測，每年在枯水期（9月或10月）采集斷面左、右兩個(gè)測點(diǎn)的表層沉積物樣，經(jīng)自然風(fēng)干后研磨過篩，采用四酸消解法進(jìn)行前處理，測定重金屬元素含量。

1.2 評(píng)價(jià)方法

1.2.1 地累積指數(shù)法

運(yùn)用地累積指數(shù)法評(píng)價(jià)十年來舂陵水衡陽段沉積物中重金屬污染程度[5-6]，按公式（1）計(jì)算。

式中：Ci為沉積物中元素i的實(shí)測含量，mg/kg；k為常數(shù)（取k=1.5，各地巖石差異可能引起背景值變動(dòng)）；Bi為沉積物中重金屬元素i的背景值，mg/kg；舂陵水沉積物中重金屬背景值取湘江沉積物重金屬沉積物背景均值：Pb、Cd、As、Hg、Cu、Zn、Cr、V、Mn分別為22.5、0.50、21.2、0.043、16.7、73.0、35.2、46.1、371.0，單位均為mg/kg[7-8]。

地累積指數(shù)法評(píng)價(jià)一般可劃分為7個(gè)級(jí)別，Igeo≤0，為0級(jí)，表示無污染；0

1.2.2 潛在生態(tài)危害指數(shù)法

舂陵水沉積物中重金屬污染生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)采用目前較為常用的潛在生態(tài)危害指數(shù)法[10-12]，按公式（2）和公式（3）計(jì)算。

式中：Eir為沉積物中重金屬元素i的潛在生態(tài)危害指數(shù)；Ri為沉積物中多種重金屬的總潛在生態(tài)危害指數(shù)；Cif為元素i的污染指數(shù)；Ci為重金屬元素i的測定值（mg/kg）；Cin為參照值，采用節(jié)1.2.1中的背景值；Tir為元素i的毒性系數(shù)，表示生物對(duì)元素i污染的敏感程度和毒性水平的反映，其中Pb、Cd、As、Cu、Zn、Hg、Cr、V、Mn的 Tir分別為5、30、10、5、1、40、2、2、1[8，13]。Eir和 Ri劃分標(biāo)準(zhǔn)見表1[14-15]。

表1 沉積物中重金屬潛在生態(tài)危害程度分級(jí)Table 1 Classification of potential ecological hazard of heavy metals in sediment

2 結(jié)果與分析

2.1 沉積物中重金屬含量變化

2010—2019年舂陵水衡陽段沉積物重金屬監(jiān)測統(tǒng)計(jì)結(jié)果，見表2。從舂陵水衡陽段10年平均值來看，沉積物中9種重金屬均超背景值，超背景值倍數(shù)從高到低為As＞Cu＞Cd＞Zn＞Pb＞Mn＞Hg＞Cr＞V，As、Cu、Cd 3種重金屬超背景值情況比較嚴(yán)重。從2個(gè)斷面10年平均值比較來看，各重金屬含量在兩個(gè)斷面差別不大，As、Cd、Pb、Cu、Zn含量在羅渡鎮(zhèn)略高于舂陵水入湘江口，其余4種重金屬含量在羅渡鎮(zhèn)略低于舂陵水入湘江口；綜合9種重金屬來看，2個(gè)斷面對(duì)舂陵水衡陽段污染均有貢獻(xiàn)，羅渡鎮(zhèn)污染略重于舂陵水入湘江口斷面。

表2 2010—2019年舂陵水衡陽段沉積物重金屬監(jiān)測結(jié)果統(tǒng)計(jì)Table 2 Heavy metal monitoring results of sediment at Hengyang section in Chongling River from 2010 to 2019

2.2 地累積指數(shù)法評(píng)價(jià)

2010—2019年舂陵水衡陽段沉積物重金屬地累積指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果見表3。由表3可以看出，各年度V、Cr污染較輕，V僅2010年呈現(xiàn)出無污染到中度污染，2011—2019年均為無污染；Cr在2010—2013年和2016年有5年均為無污染，其余年份為無污染到中度污染或中度污染；其余7種重金屬除2013年的Hg外均呈現(xiàn)出不同程度的污染。從10年平均值含量的地累積指數(shù)法來看，舂陵水衡陽段沉積物中重金屬污染程度表現(xiàn)為As＞Cu＞Cd＞Zn＞Pb＞Mn＞Hg＞Cr＞V，As為強(qiáng)污染到極強(qiáng)污染，Cu、Cd為強(qiáng)污染，Zn、Pb、Mn為中度污染到強(qiáng)污染，Hg為中度污染，Cr為無污染到中度污染，V為無污染。舂陵水衡陽段沉積物中As、Cu、Cd污染比較嚴(yán)重，其次為Zn、Pb、Mn、Hg污染，Cr、V污染較輕。

表3 2010—2019年舂陵水衡陽段沉積物重金屬地累積指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果Table 3 Evaluation results of heavy metals using land accumulation index method in Hengyang section of Chongling River from 2010 to 2019

主要污染指標(biāo)各年度地累積指數(shù)變化見圖1。主要污染指標(biāo)As、Cu、Cd、Zn、Pb、Mn各年度地累積指數(shù)均呈不規(guī)則波動(dòng)變化，As污染在2014—2019年高于2010—2013年，其余5種重金屬略呈污染減輕趨勢，但減輕趨勢不明顯，6種重金屬在2015年和2019年略出現(xiàn)升高。

圖1 主要污染指標(biāo)各年度地累積指數(shù)變化圖Fig.1 Change chart of annual land accumulation index of main pollution indexes

2.3 潛在生態(tài)危害指數(shù)法評(píng)價(jià)

采用潛在生態(tài)危害指數(shù)法評(píng)價(jià)2010—2019年舂陵水衡陽段沉積物重金屬污染狀況，結(jié)果見表4。從單個(gè)重金屬的潛在生態(tài)危害指數(shù)可以看出，各年度Zn、Mn、V、Cr的潛在生態(tài)危害指數(shù)均遠(yuǎn)低于40，均為輕微生態(tài)危害；Pb的潛在生態(tài)危害指數(shù)除2014年和2017—2018年低于40外，其余年份為40.2～78.6，為中等生態(tài)危害；Cu在2010—2016年為強(qiáng)生態(tài)危害或很強(qiáng)生態(tài)危害，2017—2019年為中等生態(tài)危害；Hg在大多數(shù)年份為很強(qiáng)生態(tài)危害程度；As在2010—2013年基本上多為很強(qiáng)生態(tài)危害程度，2014—2019年基本上多為極強(qiáng)生態(tài)危害程度；Cd除2017年為強(qiáng)生態(tài)危害外，其余年份均為極強(qiáng)生態(tài)危害程度。從10年平均值含量的潛在生態(tài)危害指數(shù)來看，舂陵水衡陽段沉積物中重金屬潛在生態(tài)危害程度表現(xiàn)為Cd＞As＞Hg＞Cu＞Pb＞Zn＞Mn＞Cr＞V，Cd和As均為極強(qiáng)生態(tài)危害程度，Hg為很強(qiáng)生態(tài)危害程度，Cu為強(qiáng)生態(tài)危害程度，Pb為中等生態(tài)危害程度，Zn、Mn、Cr、V均為輕微生態(tài)危害程度。從9種重金屬總潛在生態(tài)危害指數(shù)可以看出，各年度均為很強(qiáng)生態(tài)危害程度。

表4 2010—2019年舂陵水衡陽段沉積物重金屬潛在生態(tài)危害指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果Table 4 Evaluation results of potential ecological harm index of heavy metals in sediment of Hengyang section of Chongling River from 2010 to 2019

中等生態(tài)危害以上的Cd、As、Hg、Cu、Pb各年度潛在生態(tài)危害指數(shù)變化，見圖2，各年度潛在生態(tài)危害指數(shù)均呈不規(guī)則波動(dòng)變化。中等生態(tài)危害的Pb波動(dòng)變化幅度較小，Hg、Cu波動(dòng)變化幅度也不大，Cd、As波動(dòng)變化幅度較大。Cd的潛在生態(tài)危害指數(shù)在2010—2014年呈明顯下降趨勢，2015年略上升，2015—2019年呈V形變化。As的潛在生態(tài)危害指數(shù)在2010—2013年略呈下降趨勢，2014年、2015年出現(xiàn)明顯升高，2016—2017年出現(xiàn)下降，2019年又出現(xiàn)上升；As污染在2014—2019年高于2010—2013年，2015年和2016年污染最為嚴(yán)重。

圖2 主要污染指標(biāo)各年度潛在生態(tài)危害指數(shù)變化圖Fig.2 Change chart of potential ecological hazard index of main pollution indexes in each year

2.4 兩個(gè)斷面污染變化情況

結(jié)合兩種評(píng)價(jià)方法的結(jié)果，選取污染較重的As、Cd、Cu、Pb來分析兩個(gè)斷面的污染變化及比較情況，4種重金屬地累積指數(shù)變化情況見圖3和圖4。2010—2019年，羅渡鎮(zhèn)、舂陵水入湘江口兩個(gè)斷面4種重金屬地累積指數(shù)呈不規(guī)則波動(dòng)變化，污染減輕趨勢不明顯；大多數(shù)年份As、Cu、Pb污染在羅渡鎮(zhèn)斷面略高于舂陵水入湘江口，Cd大多數(shù)年份在羅渡鎮(zhèn)斷面略低于舂陵水入湘江口。

圖3 兩個(gè)斷面As、Cd各年度地累積指數(shù)變化圖Fig.3 Change chart of As and Cd annual land accumulation index of two sections

圖4 兩個(gè)斷面Cu、Pb各年度地累積指數(shù)變化圖Fig.4 Change chart of annual land accumulation index of Cu and Pb in two sections

2010—2019年兩個(gè)斷面及舂陵水衡陽段沉積物中9種重金屬總潛在生態(tài)危害指數(shù)年際變化情況見表5和圖5。由圖5可以看出，兩個(gè)斷面及舂陵水衡陽段的總潛在生態(tài)危害指數(shù)波動(dòng)變化幅度較大，總體上略呈W形變化；除2017年的羅渡鎮(zhèn)為強(qiáng)生態(tài)危害外，其余年份兩個(gè)斷面及舂陵水衡陽段均為很強(qiáng)生態(tài)危害程度。兩個(gè)斷面比較，2011—2012年基本持平，有6年羅渡鎮(zhèn)高于舂陵水入湘江口斷面，也有4年羅渡鎮(zhèn)低于舂陵水入湘江口斷面；10年平均值的總潛在生態(tài)危害指數(shù)在羅渡鎮(zhèn)略高于舂陵水入湘江口斷面。

圖5 2010—2019年舂陵水衡陽段總潛在生態(tài)危害指數(shù)變化圖Fig.5 Change chart of total potential ecological hazard index of Hengyang section of Chongling River from 2010 to 2019

表5 2010-2019年舂陵水衡陽段總潛在生態(tài)危害指數(shù)年際變化Table 5 Interannual change of total potential ecological hazard index in Hengyang section of Chongling River from 2010 to 2019

3 結(jié)論

1）由監(jiān)測結(jié)果統(tǒng)計(jì)可看出:舂陵水衡陽段沉積物As、Cu、Cd 3種重金屬超背景值情況比較嚴(yán)重，其次為Zn、Pb、Mn、Hg、Cr和V超背景值情況較輕，羅渡鎮(zhèn)污染略重于舂陵水入湘江口斷面。

2）地累積指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果表明，舂陵水衡陽段沉積物中重金屬污染程度表現(xiàn)為As＞Cu＞Cd＞Zn＞Pb＞Mn＞Hg＞Cr＞V，As為強(qiáng)污染到極強(qiáng)污染，Cu、Cd為強(qiáng)污染，Zn、Pb、Mn為中度污染到強(qiáng)污染，Hg為中度污染，Cr為無污染到中度污染，V為無污染。

3）潛在生態(tài)危害指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果表明，舂陵水衡陽段沉積物中重金屬潛在生態(tài)危害程度表現(xiàn)為Cd＞As＞Hg＞Cu＞Pb＞Zn＞Mn＞Cr＞V，Cd和As均為極強(qiáng)生態(tài)危害程度，Hg為很強(qiáng)生態(tài)危害程度，Cu為強(qiáng)生態(tài)危害程度，Pb為中等生態(tài)危害程度，Zn、Mn、Cr、V均為輕微生態(tài)危害程度。從9種重金屬總潛在生態(tài)危害指數(shù)來看,各年度均為很強(qiáng)生態(tài)危害程度，羅渡鎮(zhèn)總潛在生態(tài)危害程度略高于舂陵水入湘江口斷面。

4）從兩種評(píng)價(jià)方法的結(jié)果可得出，羅渡鎮(zhèn)、舂陵水入湘江口及舂陵水衡陽段沉積物中重金屬污染呈不規(guī)則波動(dòng)變化，變化趨勢不明顯，污染減輕趨勢不明顯。

5）入境斷面羅渡鎮(zhèn)沉積物中重金屬污染略高于舂陵水入湘江口斷面，重金屬污染主要來源于上游入境來水（郴州市），衡陽境內(nèi)常寧、耒陽也有輕微影響。需要舂陵水流經(jīng)的郴州、衡陽兩市繼續(xù)推進(jìn)和鞏固重金屬污染防治。