金陡涌沉積物重金屬污染特征與潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究

熊冠宇，鄒雅雯，曾志軍

（1.廣東順控水務(wù)投資建設(shè)有限公司，廣東 佛山 528000；2.中國(guó)瑞林工程技術(shù)股份有限公司深圳分公司，廣東 深圳 518000；3.贛州日晟規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，江西 贛州 341000）

近年來，人類因社會(huì)發(fā)展需要加快了工業(yè)發(fā)展速度，而工業(yè)活動(dòng)對(duì)環(huán)境的影響有增無減，由此帶來了重金屬污染問題。重金屬在自然界中的總量較少，但其具有較大毒性，且存在明顯的生物富集現(xiàn)象，在部分天然介質(zhì)中，由于價(jià)態(tài)的轉(zhuǎn)化，其毒性可能被強(qiáng)化。重金屬化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，一旦轉(zhuǎn)化為毒性較高的賦存形態(tài)，則較難被天然降解。重金屬污染帶來的危害及其治理一直被研究者關(guān)注。沉積物是水生生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，比表面積大，有機(jī)質(zhì)含量豐富，其對(duì)重金屬具有強(qiáng)吸附性，因此，受污染的水流經(jīng)過河道時(shí)，大量重金屬離子會(huì)滯留在河底沉積物中，而因?yàn)樗h(huán)境溫度等因素的變動(dòng)，滯留在沉積物中的重金屬賦存形態(tài)可能發(fā)生變化，而后重新變?yōu)橛坞x態(tài)回到水體中，隨水遷移，并由此造成河道的二次污染。由此可知，沉積物是重金屬污染的主要天然介質(zhì)之一。當(dāng)前，國(guó)家高度重視水污染防治，不斷強(qiáng)化已污染河道的底泥清淤和治理。因此，有必要對(duì)河道底泥中重金屬污染程度和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

佛山市順德區(qū)地處我國(guó)富饒的珠江三角洲腹地，金陡涌水系位于大良街道西部與勒流街道的邊界，大良街道與勒流街道以金陡涌主涌（紅崗段及古鑒段）為分界線，金陡涌主涌以東為大良街道，以西為勒流街道。沿河排水體制為截流式合流制，管網(wǎng)布置較為分散且大部分地區(qū)尚未截污，污水直排進(jìn)入就近河涌，對(duì)周邊河涌造成嚴(yán)重污染。金陡涌水系底泥積累嚴(yán)重，河涌邊淤泥生長(zhǎng)有樹木和雜草。部分河涌甚至出現(xiàn)因底泥淤積導(dǎo)致河水倒流的情況。金陡涌水系污染情況復(fù)雜。本研究以佛山市順德區(qū)典型河道金陡涌為例，通過選取污染特征點(diǎn)、采集河道底泥、測(cè)定多種重金屬污染物和開展沉積物重金屬污染評(píng)價(jià)，全面梳理河道底泥污染狀況，為后續(xù)底泥治理提供理論支撐。其間對(duì)金陡涌主涌河道底泥中Cu、Zn、Pb、Cd、Cr、As 及Ni 七種重金屬元素的含量與分布特征進(jìn)行分析，填補(bǔ)了金陡涌河道沉積物中重金屬研究的空白，并運(yùn)用地累積指數(shù)法與潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法評(píng)估其污染狀況，為后期河道底泥與水質(zhì)的內(nèi)源治理提供理論依據(jù)。這不僅積極響應(yīng)了國(guó)務(wù)院公布的《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》，也對(duì)金陡涌流域的生態(tài)保護(hù)與未來區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 材料與方法

1.1 采樣點(diǎn)設(shè)置與樣品采集

通過實(shí)地走訪與對(duì)既有資料的調(diào)查，選取金陡涌主涌的38 個(gè)采樣點(diǎn)作為河道底泥的研究對(duì)象，采樣點(diǎn)位置如圖1所示。

圖1 金陡涌底泥采樣點(diǎn)分布

2019年4月采集樣品，利用抓斗抓取河道底部表層10 ～30 cm 深度的底泥，并在單一采樣點(diǎn)周圍多次采樣，減少誤差，每個(gè)采樣點(diǎn)約采集3 kg 底泥樣品。采集后立刻用密封袋封存，并凍存于-30 ℃冰箱中備測(cè)。

1.2 樣品處理與分析

在剔除石子顆粒與未腐爛生物體后，對(duì)底泥進(jìn)行凍干處理。接著，底泥樣品經(jīng)研磨、過篩混合均勻后保存?zhèn)錅y(cè)。分析檢測(cè)采用相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)推薦的方法，其中，樣品中重金屬元素Pb 和Cd 采用石墨原子吸收法測(cè)定，Cr、Cu、Ni 和Zn 采用火焰原子吸收分光光度法測(cè)定，As 采用原子熒光法測(cè)定。

1.3 重金屬污染評(píng)價(jià)方法

1.3.1 地累積指數(shù)法

地累積指數(shù)I是研究水環(huán)境沉積物中重金屬污染程度的指標(biāo)之一。它同時(shí)考慮了原生自然地質(zhì)特征與人類活動(dòng)對(duì)土壤重金屬元素背景值的影響，可以定量反映沉積物中重金屬富集情況，并可有效區(qū)分人類活動(dòng)對(duì)污染的影響。其計(jì)算公式為：

式中：C為元素實(shí)測(cè)濃度，mg/kg；B為元素的背景值，mg/kg；為地殼運(yùn)動(dòng)等地質(zhì)因素可能造成的背景值變動(dòng)系數(shù)，通常取1.5。

根據(jù)I值的不同，可將重金屬污染程度劃分為無污染（I≤0）、輕度污染（0 ＜I≤1）、偏中度污染（1 ＜I≤2）、中度污染（2 ＜I≤3）、偏重度污染（3 ＜I≤4）、重度污染（4 ＜I≤5）和嚴(yán)重污染（I＞5）。

1.3.2 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)法是根據(jù)污染物類型、毒性水平、含量水平和水體對(duì)污染物的敏感性4 個(gè)原則，劃分沉積物中重金屬的污染程度和水體潛在的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，是目前應(yīng)用最廣泛的河流沉積物重金屬評(píng)價(jià)方法之一。單因子潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)E i和綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)能反映不同環(huán)境對(duì)重金屬的敏感性差異，其相關(guān)計(jì)算公式為：

1.4 數(shù)據(jù)處理

本研究基于Excel 2016 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析，并使用Google Global 軟件與ArcGIS 軟件進(jìn)行采樣點(diǎn)坐標(biāo)位置信息處理與繪圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 金陡涌重金屬含量與污染特征

金陡涌沉積物的重金屬含量數(shù)據(jù)分析結(jié)果如表1所示。由調(diào)查結(jié)果可知，河道底泥重金屬As、Cr、Cu、Ni、Cd、Zn 含量的平均值均高于背景值，分別為背景值的2.2 倍、10.0 倍、7.3 倍、26.7 倍、12.4倍、14.4 倍，呈現(xiàn)不同程度的富集現(xiàn)象，其中，Cr、Ni、Cd 與Zn 富集程度高，參照《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）》（GB 15618—2018），超標(biāo)率高。此類元素超標(biāo)會(huì)影響河道水質(zhì)，影響周邊生態(tài)與用水安全，周邊農(nóng)業(yè)與生活用水安全風(fēng)險(xiǎn)大，河道底泥問題亟待解決。

表1 金陡涌沉積物的重金屬含量

變異系數(shù)可以反映單位均值上的各指標(biāo)觀測(cè)值的離散程度，由調(diào)查結(jié)果可知，Cd、Ni、Zn 變異系數(shù)較大，其點(diǎn)位之間差異明顯，受環(huán)境因素的干擾顯著高于其他元素。以整條金陡涌來看，所有重金屬的變異系數(shù)變化較大（16%～196%），這是由于金陡涌起點(diǎn)至終點(diǎn)空間跨度大，涌間存在多處匯入點(diǎn)與閘口。因此，單一用平均值或中位數(shù)等方式并不能較好體現(xiàn)金陡涌整體的底泥重金屬污染情況，這就需要采用更科學(xué)的評(píng)價(jià)方法。

2.2 金陡涌地累積指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果

以廣東省土壤背景值作為標(biāo)準(zhǔn)值，利用式（1）計(jì)算金陡涌底泥7種重金屬的I值，結(jié)果如圖2所示。由結(jié)果可知，在38 個(gè)采樣點(diǎn)中，Pb 僅有1 個(gè)點(diǎn)處于輕度污染狀態(tài)，剩余采樣點(diǎn)均處于清潔狀態(tài)（無污染），說明Pb 幾乎未對(duì)金陡涌造成污染。As 的I為-0.12 ～0.97，多數(shù)采樣點(diǎn)處于輕度污染，少數(shù)點(diǎn)處于清潔狀態(tài)。Cr 的I為-0.37 ～5.82，15.8%處于清潔狀態(tài)，28.9%處于輕度污染，13.2%處于偏中度污染，18.4%處于中度污染，15.8%處于偏重度污染，2.6%處于重度污染，5.3%處于嚴(yán)重污染，各點(diǎn)污染程度差異較大，部分點(diǎn)位底泥污染程度高，已存在較高風(fēng)險(xiǎn)。Cu 的I為0.35 ～4.13，18.4%處于輕度污染，44.7%處于偏中度污染，23.7%處于中度污染，7.9%處于偏重度污染，5.3%處于重度污染，各點(diǎn)污染程度差異較大，且污染程度較高。

圖2 金陡涌底泥重金屬地累積指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果

Cd 和Zn 污染程度接近，其I平均值分別為2.57和2.23，大部分點(diǎn)都處于偏中度污染至偏重度污染，少量處于重度污染與嚴(yán)重污染，由此可見，Cd 和Zn已造成底泥的污染。Ni 的I為-0.04 ～6.64，34.2%處于偏中度污染，18.4%處于中度污染，5.3%處于偏重度污染，26.3%處于重度污染，13.2%處于嚴(yán)重污染，污染程度極高，當(dāng)前急需對(duì)底泥中的Ni 進(jìn)行妥善處置。

綜上所述，重金屬污染程度由高到低的排序?yàn)椋篘i ＞Cd ＞Zn ＞Cr ＞Cu ＞As ＞Pb。

2.3 金陡涌潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果

對(duì)金陡涌底泥中7 種重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表2所示。由調(diào)查結(jié)果可知，金陡涌全流域綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)（）為600.08，為“很強(qiáng)”風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。由此可以看出，金陡涌大部分點(diǎn)位底泥污染程度高，且污染情況復(fù)雜，存在的潛在生態(tài)危害大，應(yīng)引起重視。在7 種被研究的重金屬中，Cd 的平均潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)為371.33，對(duì)全流域的貢獻(xiàn)率為61.88%，說明Cd 是金陡涌潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的最重要因素。有研究表明，Cd 被廣泛應(yīng)用于電鍍、化工和電子等行業(yè)，在工業(yè)生產(chǎn)中易產(chǎn)生Cd 污染，而金陡涌流域沿岸存在多處工廠，極可能是造成Cd 污染的原因，應(yīng)引起足夠重視，從源頭上控制生態(tài)污染。Ni 的平均潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)為133.71，對(duì)全流域的貢獻(xiàn)率為22.28%，與地累積指數(shù)法得出的結(jié)論類似，Ni 污染也不容忽視。調(diào)查的重金屬中，潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)從高到低的排序?yàn)椋篊d ＞Ni ＞Cu ＞As ＞Cr ＞Zn ＞Pb。

表2 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)計(jì)算結(jié)果

3 結(jié)論

本文運(yùn)用地累積指數(shù)法與潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法對(duì)金陡涌沉積物中重金屬的污染程度和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。兩種方法從不同角度評(píng)價(jià)了金陡涌底泥重金屬的污染程度，金陡涌存在嚴(yán)重的重金屬富集，其中Cr、Cu、Ni、Cd、Zn 均存在不同程度的富集，Ni 和Cd 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)大，應(yīng)即時(shí)控制污染源頭進(jìn)行針對(duì)性治理。