贛江流域水庫沉積物重金屬污染特征與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

胡 強(qiáng) ，吳曉彬 ，王 姣 ，熊 威 ，萬小強(qiáng)

（1.江西省水利科學(xué)院，江西 南昌，330029；2.江西省水工安全工程技術(shù)研究中心，江西 南昌，330029）

重金屬元素在水庫沉積物和水體之間發(fā)生遷移和轉(zhuǎn)化，因此，水庫沉積物既是污染受體又是污染源[1]。近年來，水庫沉積物的重金屬污染問題備受關(guān)注?，F(xiàn)有研究主要以單座水庫為研究對(duì)象[2-7]，從流域或區(qū)域尺度研究的鮮見報(bào)道。研究河流沉積物、水體污染性的較多，而水庫沉積物重金屬污染方面的研究相對(duì)較少[8-9]。

贛江流域主河道長823km，流域面積82 809km2，是江西省第一大河流。從北至南流經(jīng)贛州、吉安、新余、宜春、南昌等設(shè)區(qū)市。贛江上游礦業(yè)、果業(yè)持續(xù)發(fā)展，贛江中游沿江城鎮(zhèn)工業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)快速發(fā)展，贛江下游有色金屬冶煉和畜禽養(yǎng)殖業(yè)發(fā)達(dá)，長期的污染排放使河流沉積物中積聚了大量的重金屬[19]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，贛江流域已修建完成大中型水庫132座，其中大（1）型2座，大（2）型14座，中型116座；累計(jì)總庫容約94.59億m3，防洪庫容約24.42億m3[10]。為了解贛江流域水庫沉積物的重金屬污染水平，筆者測定了贛江流域7座中型水庫沉積物中 Cu、Cr、Zn、Pb、Cd、As、Hg 七種重金屬含量，并采用地積累指數(shù)法、潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)，以期為防范水庫沉積物重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)提供參考。

1 樣品采集與分析

2020年6月至12月，在贛江流域典型水庫周邊采集淤積物樣品并進(jìn)行了檢測分析。本次采樣的7座中型水庫分別位于贛江上游、中游、下游的幾條重要支流，能較好地代表贛江流域水庫沉積物的特點(diǎn)。水庫特性及采樣分布圖見表1～表2、圖1。樣品采用水上作業(yè)平臺(tái)搭載便攜式鉆機(jī)進(jìn)行采集。Cd、Cr、Cu、Pb、Zn 等 5種重金屬含量采用原子吸收分光光度計(jì)（AA-6880）測定，Hg、As含量采用原子熒光光度計(jì)（RGF-6300）測定。同時(shí)，筆者收集了沉積物樣品采集期間最近一次的庫水水質(zhì)檢測報(bào)告進(jìn)行對(duì)比分析。

表1 流域典型水庫詳情表

表2 流域典型水庫沉積物樣品信息表

圖1 贛江流域主要支流及典型水庫分布示意圖

2 評(píng)價(jià)方法及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

2.1 地積累指數(shù)法

地積累指數(shù)（Igeo）是一種沉積物重金屬富集程度的定量表征方法，將重金屬濃度實(shí)測值與該區(qū)域土壤重金屬元素背景值進(jìn)行對(duì)比，以綜合反映重金屬的自然變化特征和人為活動(dòng)對(duì)環(huán)境的影響[11]。計(jì)算公式為：

式中：ci為重金屬元素i的實(shí)測值；k為考慮各地巖石差異可能引起的背景值變動(dòng)而取的系數(shù)，一般取1.5；Bi為元素i在該區(qū)域的土壤地球化學(xué)背景值，根據(jù)現(xiàn)有研究成果，江西省 Cu、Cr、Zn、Pb、Cd、As、Hg 所對(duì)應(yīng)的土壤化學(xué)元素背景值分別為20.8、48.0、69.0、32.1、0.10、10.4、0.08mg/kg[12]。

地積累指數(shù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見表3。

表3 地積累指數(shù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

2.2 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法

潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法（RI）是環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中廣泛應(yīng)用的方法之一。指數(shù)綜合反映了單項(xiàng)重金屬的毒理性質(zhì)及多項(xiàng)指標(biāo)間的協(xié)同效應(yīng)[13]。計(jì)算公式為：

式中：RI為綜合潛在風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)；Eri為單項(xiàng)潛在風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)；Ti為重金屬 i的生態(tài)毒性響應(yīng)系數(shù)，Cu、Cr、Zn、Pb、Cd、As、Hg 所對(duì)應(yīng)的生態(tài)毒性分別為 5、2、1、5、30、10、40[7]。

潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見表4。

表4 潛在風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

3 結(jié)果與分析

3.1 檢測成果統(tǒng)計(jì)分析

由表5、表6可知，7座水庫沉積物中Cd、Cr、Zn、Cu含量的平均值均高于江西省土壤環(huán)境背景值，分別為背景值的4.09倍、1.04倍、1.01倍和2.64倍，表明贛江流域水庫沉積物中Cd、Cu污染較為嚴(yán)重。對(duì)比變異系數(shù)可知，除Hg和Pb外，其余5種重金屬的變異系數(shù)均大于35%，為高度變異，表明實(shí)測值的離散性較大，水庫沉積物中重金屬含量受人為活動(dòng)影響較大。

表5 典型水庫沉積物重金屬含量成果表mg/kg

表6 典型水庫沉積物重金屬含量統(tǒng)計(jì)表mg/kg

7座水庫采樣期間最近一次的庫水水質(zhì)檢測報(bào)告表明，各重金屬元素的含量均低于檢出限，沉積物中的重金屬處穩(wěn)定狀態(tài)。

3.2 地積累指數(shù)法

本次評(píng)價(jià)采用江西省重金屬元素土壤地球化學(xué)背景值為依據(jù)[12]。由重金屬地積累指數(shù)計(jì)算成果（表7）可知：7座典型水庫沉積物中，Cd、Cu兩種元素重金屬元素的地累積指數(shù)平均值均小于1，總體屬輕度污染。Cd元素的地累積指數(shù)最高，其中，屬輕度污染等級(jí)的水庫3座，偏中度污染、偏重度污染等級(jí)的水庫各1座。Cu元素的地累積指數(shù)居次，其中，屬輕度污染、偏中度污染等級(jí)的水庫均為3座。Hg、As、Pb元素均屬無污染等級(jí)。Cr、Zn輕度污染等級(jí)的水庫分別為2座、1座，流域總體呈無污染等級(jí)。

表7 典型水庫沉積物重金屬地積累指數(shù)成果表

為分析水庫與下游河道沉積物重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)系，對(duì)水庫下游河道的沉積物重金屬地積累指數(shù)的相關(guān)研究成果進(jìn)行了整理（見表8）。分析成果表明：1）水庫下游河道沉積物中Hg、As、Zn三種元素的污染等級(jí)均高于水庫沉積物。水庫沉積物均為無污染，下游河道沉積物污染等級(jí)分別為中到重污染、無到中污染、中到重污染，表明水庫上游該三種元素污染強(qiáng)度較低。2）水庫和下游河道的沉積物中Pb、Cr兩種元素的污染程度無明顯的差異，均為無污染，表明二者的污染強(qiáng)度相當(dāng)。3）水庫下游河道沉積物的Cd、Cu的污染等級(jí)高于水庫沉積物。兩種元素的污染等級(jí)均由無到中污染分別變化為重污染、中污染，表明在流域Cd、Cu整體污染的情況下，水庫沉積物中的Cd、Cu的污染性存在加劇的可能性。

表8 水庫所在河道沉積物地積累指數(shù)表

3.3 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法

潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法計(jì)算成果見表9。As、Pb、Cr、Zn、Cu五種重金屬元素的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)最大值均小于40，屬輕微風(fēng)險(xiǎn)。Hg元素潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)為32.0～42.50，平均值35.86，總體呈輕微風(fēng)險(xiǎn)。Cd元素潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)最大值為480.0，2座沉積物風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為中等風(fēng)險(xiǎn)，2座為較強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)，曾家橋水庫為極強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)。從多種重金屬綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)RI來看，7座水庫潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)為90.33～550.11，平均值184.39，總體為中等風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)照污染分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)可知，5座水庫為輕微風(fēng)險(xiǎn)，禾山水庫、曾家橋2座水庫為中等風(fēng)險(xiǎn)。

表9 水庫沉積物重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)統(tǒng)計(jì)分析表

4 分析與討論

（1）水庫沉積物中 Cd、Cr、Zn、Cu 四種重金屬含量的平均值均高于江西省的背景值，分別為背景值的4.09倍、1.04倍、1.01倍和2.64倍，表明贛江流域水庫沉積物中Cd、Cu污染較為嚴(yán)重。贛江流域水庫沉積物Cd含量超標(biāo)的原因，可能與礦產(chǎn)資源的開采和治煉有關(guān)[15-19]。水庫水體未受污染，沉積物中重金屬均處穩(wěn)定狀態(tài)。

（2）由于計(jì)算公式和分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的差異，地累積指數(shù)法和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法的評(píng)價(jià)結(jié)論不同。地累積指數(shù)法對(duì)各種重金屬污染嚴(yán)重性評(píng)價(jià)的順序依次為Cd＞Cu＞Zn＞Cr＞Hg＞Pb＞As，潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法評(píng)價(jià)的污染嚴(yán)重性順序?yàn)?Cd＞Hg＞Cu＞As＞Pb＞Cr＞Zn。兩種評(píng)價(jià)方法中Cd的污染嚴(yán)重性均為最高，表明贛江流域水庫沉積物中Cd的污染較為嚴(yán)重，這與江西省表層土壤、贛江河道沉積物中Pb嚴(yán)重超標(biāo)的結(jié)論相符[12，14-21]。評(píng)價(jià)結(jié)論的差異主要體現(xiàn)在Zn元素：地累積指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)論為曾家橋水庫Zn屬輕度污染；贛江流域7座水庫Zn含量平均值超標(biāo)，但由于Zn元素的毒性最?。ㄖ禐?），潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)論為Zn的污染程度最小。

（3）除Pb、Cr元素外，水庫下游河道沉積物中Cd、Cu、Hg、As、Zn等重金屬含量均高于水庫沉積物，說明水庫上游重金屬的污染強(qiáng)度小于下游河道。從潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)來看，贛江流域水庫沉積物重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)總體處于輕微風(fēng)險(xiǎn)至中等風(fēng)險(xiǎn)。高安市曾家橋水庫為極強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)，可能與高安市的傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)、支柱產(chǎn)業(yè)——陶瓷有關(guān)[22，23]。