北京通惠河底泥重金屬風險評價及溯源

韓金龍，楊蘭琴，王培京，王 昊，郁 爽

（1.華北理工大學 建筑工程學院，河北 唐山 063009； 2.北京市水科學技術(shù)研究院，北京 100048；3.流域水環(huán)境與生態(tài)技術(shù)北京市重點實驗室，北京 100048）

底泥是河湖的重要組成部分，受到外源污染后，有機物、重金屬等沉積于底泥成為污染物的源和匯［1］。重金屬污染具有毒性強、不可逆、累積性和不易降解等特征［2］，重金屬在水生動物體內(nèi)富集進而通過食物鏈危害人體健康［3］。 Matthiessen 等［4］推測，底泥重金屬可能來源于巖石的自然風化及腐蝕，也有可能來自于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等人類活動向水體直接或間接排放的各種重金屬污染物。 因此，開展重金屬風險評價和溯源，對于了解河流底泥中重金屬污染現(xiàn)狀、開展源頭控制具有重要意義。

重金屬風險評價方法主要有地積累指數(shù)、潛在生態(tài)風險指數(shù)、生物毒性風險分析等。 李經(jīng)偉等［5］采用地積累指數(shù)分析了白洋淀底泥重金屬危害等級；陳明等［6］通過生物毒性風險分析，發(fā)現(xiàn)Cd 和Hg 可能會對底棲動物產(chǎn)生危害。 重金屬溯源分析方法主要有相關(guān)性分析、主成分分析、聚類分析等。 王磊等［7］對上海100 條河流底泥重金屬進行相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)重金屬來源具有相似性；時春景等［8］對永定河底泥重金屬進行相關(guān)性分析及主成分分析，推斷Cd、Pb、Hg、Cu 和Cr 具有相同的來源。

為了解北京市通惠河底泥重金屬的污染特征，選取通惠河城市河段進行底泥重金屬溯源以及風險評價，采用地積累指數(shù)、潛在生態(tài)風險指數(shù)以及生物毒性風險分析等方法分析河段底泥重金屬污染以及存在的生態(tài)風險，通過相關(guān)性分析和主成分分析探索底泥重金屬來源，以期為通惠河底泥重金屬風險識別和控制提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

通惠河位于北京市西部，西起東便門，經(jīng)朝陽區(qū)至通州區(qū)入北運河，全長20.3 km，主要支流有28 條，總流域面積258.3 km2，其中研究區(qū)域為高碑店閘以上中心城河道及其下游，長8.0 km。 通惠河是北京市排水河道之一，自20 世紀中葉開始，河湖附近城區(qū)產(chǎn)生的生活污水及工業(yè)廢水未經(jīng)處理直接入河，導致河流污染嚴重。 北京市水資源短缺，夏季汛期雨量大，河道底泥污染物上浮，形成黑臭水體。 近年來已對通惠河開展整治，但部分河道仍存在淤積和水環(huán)境污染問題，特別是上游補水水源改為再生水廠再生水和京密引水渠來水后，上覆水條件變化，底泥可能成為污染源，應重點關(guān)注。

1.2 樣品采集及處理

為保證樣品代表性，沿高碑店閘以上中心城河道以及下游均勻設置10 個采樣點，采用柱狀采泥器采樣，樣品深度為10～50 cm。 將采集的底泥樣品用密封袋封好帶回流域水環(huán)境與生態(tài)技術(shù)北京市重點實驗室，風干后去除雜物并研磨過60 目篩，置于4 ～6 ℃冰箱待測。

1.3 樣品檢測

Cd、Cr、Cu、Pb、As、Zn、Ni 采用王水提?。姼旭詈系入x子體質(zhì)譜法檢測，檢出限分別為2.00、0.09、0.60、2.00、0.40、1.00、1.00 mg／kg，準確度分別為99.43%、95.15%、96.57%、99.75%、94.49%、98.65%、95.54%。 Hg 采用微波消解／原子熒光法檢測，檢出限為0.002 mg／kg，準確度為96.32%。

1.4 評價方法

（1）地積累指數(shù)。 地積累指數(shù)是通過重金屬含量與土壤地球化學背景值的關(guān)系定量研究重金屬在底泥中的污染程度［9－10］，北京市土壤地球化學背景值見表1，地積累指數(shù)風險等級劃分見表2。 地積累指數(shù)（Igeo）可以反映人類活動對城市河湖底泥重金屬的影響，計算公式為

表1 各重金屬的參數(shù)值及地球化學背景值

表2 重金屬污染程度及風險評判標準

式中：Ci為重金屬i在底泥中的實測值，mg／kg；Bi為重金屬i的土壤地球化學背景值。

（2）生物毒性風險分析。 生物毒性風險（mPECQ）由Ingersoll 等［15］提出，可以評價重金屬對河流中生物的影響，具體公式：

式中：n為重金屬種類；PECi為第i種重金屬的可能效應濃度。

mPEC－Q包括可能效應濃度（PEC）和閾值效應濃度（TEC），見表1。 通過重金屬含量與PEC或TEC的比值來判斷底泥重金屬的生物毒性。 當重金屬含量小于TEC時，對河流中底棲動物不產(chǎn)生危害；當重金屬含量小于PEC但大于TEC時，對河流中底棲動物可能產(chǎn)生危害；當重金屬含量大于PEC時，一定會對河流中底棲動物產(chǎn)生危害。 生物毒性風險等級劃分見表2。

（3）潛在生態(tài)風險指數(shù)。 潛在生態(tài)風險指數(shù)是Hakanson［13］在1980 年提出的一種評價重金屬潛在生態(tài)風險程度的指標，包括單一重金屬生態(tài)風險指數(shù)和多種重金屬生態(tài)風險指數(shù)，潛在生態(tài)風險指數(shù)等級劃分見表2，具體計算公式為

式中：Er，i為單一重金屬潛在生態(tài)風險指數(shù)；RI為多種重金屬潛在生態(tài)風險指數(shù)；Cf，i為重金屬i的污染因子；Tr，i為重金屬i的毒性因子；Cs，i為重金屬i的實測值；Cn，i為重金屬i的土壤地球化學背景值。

2 結(jié)果與討論

2.1 底泥重金屬含量

8 種重金屬含量平均值Zn＞Cu＞Cr＞Pb＞Ni＞As＞Hg＞Cd，見表3。 與北京市土壤地球化學背景值相比，Hg、Zn、Cu、Cd、Cr、Pb、Ni 含量平均值均超過背景值，分別為背景值的33.00、5.31、5.21、3.28、2.88、2.44、1.26倍，說明底泥重金屬富集程度較高。 變異系數(shù)可以反映人類活動對底泥的影響［16］，重金屬變異系數(shù)Hg＞Cd ＞As＞Pb ＞Cu ＞Zn ＞Ni＞Cr，其變異系數(shù)分別為1.02、0.65、0.62、0.43、0.41、0.37、0.29、0.18。 Hg 的變異系數(shù)最大為1.02，其次為Cd 和As，變異系數(shù)較小的是Cr 和Ni，說明Hg、Cd、As 沿河道分布極不均勻，受人類活動影響較大。 Hg、Cd、As、Pb 空間分布差異較大，在采樣點S4、S7 處于峰值，推測附近存在集中排污。

表3 通惠河底泥重金屬含量統(tǒng)計 mg／kg

2.2 底泥重金屬污染程度及風險評價

（1）地積累指數(shù)。 通過式（1）計算8 種重金屬As、Ni、Cr、Pb、Cd、Cu、Zn、Hg 的地積累指數(shù)平均值分別為－1.57、－0.22、－0.03、0.72、1.13、1.34、1.55、4.54。Hg 的地積累指數(shù)最大，其風險等級屬于高風險；Cu、Cd、Zn 除個別采樣點為中風險外，大都為低風險；Cr、Ni 整體屬于低風險；As 屬于極低風險。 由圖1 可以看出，8 種重金屬的地積累指數(shù)在S4 和S7 兩個采樣點出現(xiàn)峰值，其中Hg 在這兩個采樣點屬于極高風險。這與重金屬含量空間分布結(jié)果較一致。

圖1 通惠河底泥重金屬地積累指數(shù)

（2）生物毒性風險。 將底泥重金屬含量與TEC和PEC比較發(fā)現(xiàn)，Hg 的生物毒性風險mPEC－Q最大，大于PEC且比值為2.12，會對通惠河底棲動物產(chǎn)生危害。 生物毒性風險mPEC－Q小于PEC大于TEC的重金屬有Cu、Zn、Cd、Pb，與TEC的比值分別為2.74、2.30、2.00、1.49，可能會對通惠河底棲動物產(chǎn)生危害。生物毒性風險mPEC－Q小于TEC的重金屬有Cr、As和Ni，對通惠河底棲動物幾乎無危害。 采用式（2）計算發(fā)現(xiàn)，通惠河底泥重金屬mPEC－Q為0.2 ～1.6，平均值為0.60，生物毒性風險為中風險。 各采樣點mPECQ見圖2（其中百分數(shù)為各采樣點生物毒性風險占研究河段的比例），采樣點S4、S7 的生物毒性風險占研究河段生物毒性風險的40.67%，生物毒性風險均屬于高風險。

圖2 通惠河底泥重金屬生物毒性風險

（3）潛在生態(tài)風險指數(shù)。 通惠河底泥重金屬單一重金屬潛在生態(tài)風險指數(shù)Er，i和多種重金屬潛在生態(tài)風險指數(shù)RI見表4。 可以看出：Hg 的潛在生態(tài)風險極高，生態(tài)風險指數(shù)遠大于其他重金屬的；其次為Cd，潛在生態(tài)風險為中風險；其他重金屬均為極低風險。 采樣點S4、S7、S10 屬于極高風險，S3、S5、S6、S8、S9 屬于高風險，S1、S2 屬于中風險。 Hg 對通惠河潛在生態(tài)風險影響較大。 S7 的潛在生態(tài)風險高于其他采樣點的，說明周邊可能存在含Hg 污染廢水集中排放，從而對底泥產(chǎn)生污染。

表4 通惠河底泥重金屬潛在生態(tài)風險指數(shù)

2.3 底泥重金屬溯源分析

（1）相關(guān)性分析。 對8 種重金屬進行皮爾遜（Pearson）相關(guān)系數(shù)計算，結(jié)果見表5。 Pb 與Cu，Zn 與Cd，As 與Cu、Pb、Hg、Zn 極顯著相關(guān)（顯著性水平p＜0.01），Hg 與Cu、Pb，Zn 與Cu 顯著相關(guān)（顯著性水平p＜0.05），說明重金屬之間具有相同的污染源或受到共同因素影響，推測Hg、Cd、Pb、As、Zn、Cu 具有同源性。高瑞忠等［17］研究發(fā)現(xiàn)，工業(yè)生產(chǎn)或交通運輸可能導致Hg 污染；韓玉麗等［18－19］研究北京市河流發(fā)現(xiàn)，Cd 可能來自汽車輪胎磨損或者汽油燃燒；張家泉等［20］分析發(fā)現(xiàn)，Pb 來源與交通運輸密切相關(guān)；胡孫等［21］研究發(fā)現(xiàn)，As 主要來自于工農(nóng)業(yè)廢水排放，同時也可能通過交通運輸隨空氣沉降到河湖中；Cu 在自然環(huán)境中存在較少，主要來源于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運輸?shù)龋?2］；Zn 主要來源為汽車輪胎潤滑油使用與輪胎磨損［23］，推斷研究河段Zn 來源為交通運輸。 通惠河貫穿北京市東部，周邊汽車服務行業(yè)較多，因此推測通惠河底泥重金屬Hg、Cd、Pb、Cu、和Zn 可能來自交通運輸。 相關(guān)性分析表明，Ni 和Cr 之間沒有相關(guān)性，說明兩種重金屬的來源或受控因素不同。 但是Ni 和Cu，Pb 和Cr 負相關(guān)，說明Ni、Cr 受到人為影響較小，主要受到自然因素影響［24］。

表5 通惠河底泥重金屬Pearson 相關(guān)系數(shù)

（2）主成分分析。 為進一步分析通惠河底泥重金屬的來源，運用主成分分析法對通惠河8 種底泥重金屬進行分析。 提取特征值大于1 的主成分，第一主成分貢獻率為58.47%，特征值為4.68；第二主成分貢獻率為20.06%，特征值1.61。 兩種主成分累計貢獻率為78.53%，表明兩個主成分可以包含大部分信息，主成分分析結(jié)果見圖3。 Hg、Cd、As、Zn、Cu、Pb 共6 種重金屬在第一主成分具有較高載荷，推測這6 種重金屬來源具有相似性，與上文分析結(jié)果一致。 Ni 和Cr 在第二主成分具有較高載荷，兩種重金屬變異系數(shù)較小，分布均勻，受人類活動影響較小，因此推測第二主成分來源可能為巖石侵蝕或風化等。

圖3 通惠河底泥重金屬主成分分析

3 結(jié)論

（1）通惠河底泥Hg、Zn、Cu、Cd、Cr、Pb、Ni 含量均超過北京市土壤地球化學背景值，其中Hg 在底泥中污染超標最嚴重，且空間分布極不均勻。 多數(shù)重金屬含量在采樣點S4、S7 處于峰值，存在重金屬富集，推測周邊存在點源或面源污染物集中匯入。

（2）3 種評價指數(shù)計算結(jié)果表明：Hg 的風險指數(shù)均最大，對通惠河底泥產(chǎn)生較高程度污染；采樣點S4、S7 污染程度較高。

（3）對通惠河進行溯源分析發(fā)現(xiàn)，Cu、Pb、As、Zn、Hg 和Cd 具有顯著相關(guān)性，通過主成分分析發(fā)現(xiàn)這6種重金屬屬于第一主成分，推測其來源主要為交通運輸。 Ni 和Cr 沒有相關(guān)性，推測來源為巖石侵蝕或風化等。