蘇州河市郊段底泥重金屬分布及其生態(tài)風險評價

潘 岳 姜鐵軍 顧小雙

(上海山南勘測設計有限公司，上海 200120)

蘇州河是上海市重要的自然地表水體，原水質(zhì)清澈。20世紀20年代，隨著上海市的經(jīng)濟發(fā)展，河道兩岸因水路交通便捷而興建大量工廠[1]。20世紀50年代，兩岸的工業(yè)到了鼎盛時期，蘇州河開始出現(xiàn)黑臭現(xiàn)象，至20世紀70年代，蘇州河終年黑臭，魚蝦滅絕，在外灘的蘇州河和黃浦江合流交匯處，形成了黑黃分明的“兩夾水”[2]。蘇州河具有坡降小、河道彎曲、水流緩慢的特點，流量平均僅10m3/s，旱季則接近于0，導致河道中的污染物在底泥中不斷累積，造成污染物濃度升高，其中銅、鋅、鎳、鎘等重金屬超標[3-7]。底泥中污染物質(zhì)可以通過水-沉積物的交換反應在固液之間形成動態(tài)遷移富集平衡，在一定條件下重新進入水體造成水體的二次污染。

污染底泥疏浚整治是蘇州河綜合整治工程的重要一環(huán)。上海市從1996年開始全面啟動蘇州河環(huán)境綜合整治工程，截至目前已完成三期，蘇州河水質(zhì)得到明顯改善。本次研究項目依托蘇州河環(huán)境綜合整治四期工程，采集蘇州河市郊段(蕰藻浜—真北路橋段)底泥，分析重金屬沿程和垂向分布特征及其潛在風險，為后續(xù)蘇州河(真北路—蕰藻浜)底泥疏浚工程提供數(shù)據(jù)支撐。

1 內(nèi)容與方法

1.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域為上海市蘇州河蕰藻浜—真北路橋段，該河段位于上海市西部，途徑嘉定、普陀和長寧區(qū)，河道途徑多為上海市市郊區(qū)域。

研究共進行兩次樣品采集工作。第一次采樣工作于2018年3月進行，按照2km的間距在研究區(qū)域布置采樣孔，共設置13個點位進行底泥采樣。第二次采樣工作于2018年12月進行，主要根據(jù)第一次采樣結(jié)果，在斷面污染相對較為嚴重的河段區(qū)域進行加密采樣。采集的底泥樣品均為柱狀樣，并根據(jù)不同深度進行分層留樣。兩次采樣共設置32個斷面，采集柱狀樣孔共84個(每個斷面采集2～3個柱狀樣)，采樣深度為0～2.5m，柱狀分層樣品共402個，分析樣品中汞、砷、鉻、銅、鋅、鎳、鎘、鉛8種重金屬的濃度。斷面位置見圖1。

圖1 斷面位置 (單位:km)

1.2 環(huán)境風險評價方法

瑞典科學家Hakanson[8]于1980年提出了潛在生態(tài)危害指數(shù)法，在表層沉積物重金屬污染評價方面應用較為廣泛。該方法不僅反映了某一特定環(huán)境下沉積物的污染程度和環(huán)境中多種污染物的綜合效應，而且定量劃分出了潛在生態(tài)風險程度，其算式如下：

(1)

表1 毒性響應系數(shù)

底泥中多種重金屬的綜合潛在生態(tài)風險程度，Hakanson則通過潛在生態(tài)風險指數(shù)RI來表征：

潛在生態(tài)危害指數(shù)值與污染程度級別的對應關系見表2。

2 結(jié)果與討論

2.1 蘇州河底泥污染特征

2.1.1 沿程分布特征

根據(jù)檢測結(jié)果，對各斷面底泥中8種重金屬的均值進行統(tǒng)計分析，結(jié)果見圖2。

由圖2可以看出，重金屬濃度沿程變化趨勢較為相似，在前20km呈現(xiàn)波動狀，20～23km呈現(xiàn)明顯上升趨勢，20km為長寧區(qū)靠近新槎浦支流的匯入點。周立旻等[10]初步研究了蘇州河沉積物的重金屬污染特征，發(fā)現(xiàn)底泥中重金屬污染物的累積量與上海地區(qū)工業(yè)化和環(huán)境保護進程密切相關。本次調(diào)查的下游區(qū)域為工業(yè)發(fā)達的長寧區(qū)，企業(yè)密集，初步分析可能是新槎浦支流和長寧區(qū)兩岸帶來的重金屬污染。

圖2 底泥中各重金屬的沿程分布特征

為探究底泥中重金屬的同源性，本研究分析了沿程重金屬相關性，典型重金屬沿程關系矩陣見表3，汞和鉻、砷和鉛相關關系不顯著，其余典型重金屬間呈顯著正相關關系，說明這些重金屬之間存在相似的來源，同時也反映了這些重金屬在表層沉積物中含量比具有相對的穩(wěn)定性[11]。鎘一般可作為農(nóng)藥和化肥等農(nóng)業(yè)活動的標識元素，汞、砷主要來源于農(nóng)藥和化肥等人類活動，而水生環(huán)境中的鉻、銅、鋅、鎳、鉛主要來源于各類工農(nóng)業(yè)廢水和船舶運輸復合污染[12-14]。除鉻與長度呈負相關外，汞、砷、銅、鋅、鎳、鎘和鉛與長度呈正相關，污染物濃度水平下游較上游嚴重。

表3 重金屬沿程相關系數(shù)矩陣(n=32)

2.1.2 垂向分布特征

除沿程分布外，本研究還分析了重金屬在底泥中的垂向分布特征，對各個底泥深度中8種金屬的平均濃度進行統(tǒng)計分析。從圖3可以看出，典型重金屬在垂向分布較為相似。0～0.5m在一定范圍內(nèi)波動，濃度較低；0.5～2.1m呈現(xiàn)先上升后波動的趨勢，檢測濃度較高；而在2.1～2.5m重金屬的濃度呈現(xiàn)下降的趨勢。這與許世遠等[15]等報道的“三段式”結(jié)構(gòu)相吻合，即蘇州河底泥污染主要集中于中部黑泥層(20～300cm厚)，頂部流動浮泥層(約20cm厚)和底部灰色自然層污染相對較低。

圖3 底泥中重金屬的垂向分布特征

重金屬垂向相關性分析見表4。從表4中可以看出，重金屬間呈極顯著正相關關系，說明重金屬間在垂向上關系密切，變化規(guī)律相似，進一步說明重金屬之間有著一定的同源性。

表4 典型重金屬垂向相關矩陣(n=32)

2.2 環(huán)境風險評價

2.2.1 潛在生態(tài)危害系數(shù)評價

對各個斷面不同深度處重金屬的檢出濃度進行統(tǒng)計，見表5。相比于背景濃度，蘇州河底泥中汞的檢出濃度較高，平均值為背景值的4.845倍。汞、銅、鋅、鎘4種金屬變異系數(shù)分別為93.363%、35.017%、46.414%、72.013%，表明這4種重金屬可能存在點源污染。砷、鉻、鎳和鉛4種重金屬變異系數(shù)分別為16.938%、13.944%、13.054%、18.549%，表明這4種重金屬可能存在面源污染。

表5 重金屬檢出濃度統(tǒng)計分析

計算各重金屬的潛在生態(tài)危害系數(shù)Er，見表6。從表6可以看出，重金屬汞的平均Er值達193.784，屬于4級很強生態(tài)污染；重金屬鎘的平均Er值達44.862，屬于2級中等生態(tài)污染；其余重金屬平均Er值均小于40.000，屬于輕微生態(tài)污染。同時，注意到部分斷面砷Er值超過40.000，該斷面主要集中在中游Z13斷面蘇州河和鹽浦倉交界處。

表6 重金屬潛在生態(tài)危害系數(shù)統(tǒng)計匯總

2.2.2 潛在生態(tài)危害指數(shù)評價

利用潛在生態(tài)危害指數(shù)(RI)法對蘇州河市郊段底泥的環(huán)境風險進行評價，典型重金屬RI沿程變化趨勢見圖4，垂向變化趨勢見圖5。從圖4中可以看出，嚴重風險主要集中于23.5km處長寧區(qū)采樣點位，其他區(qū)域多為中風險。從圖5中可看出，蘇州河市郊段垂向0～0.7m、1.3～1.8m為中風險，0.9～1.3m為重風險，2.1m附近為嚴重風險。

圖4 典型重金屬潛在生態(tài)危害指數(shù)沿程分布

圖5 典型重金屬潛在生態(tài)危害指數(shù)垂向分布

3 結(jié) 語

本研究以蘇州河城鄉(xiāng)結(jié)合部(蕰藻浜—真北路橋段)區(qū)域的底泥為研究對象，對8種重金屬元素(汞、砷、鉻、銅、鋅、鎳、鎘和鉛)進行研究。通過對樣品中的重金屬元素進行相關性分析，評價垂向分布和沿程分布特征，并運用潛在生態(tài)危害指數(shù)法對重金屬進行風險評價，得出如下結(jié)論：

a.蘇州河市郊底泥重金屬濃度沿程呈現(xiàn)0～20km波動、20～23km上升趨勢，下游長寧段重金屬檢出濃度較上游嘉定段和普陀段重金屬檢出濃度高。

b.蘇州河市郊底泥重金屬濃度垂向呈現(xiàn)三段式分布，即0～0.5m在一定范圍內(nèi)波動，濃度較低；0.5～2.1m呈現(xiàn)先上升后波動的趨勢，檢測濃度較高；2.1～2.5m重金屬的濃度呈現(xiàn)下降的趨勢；垂向污染主要集中于0.7～2.1m。

c.重金屬潛生態(tài)危害指數(shù)RI為重風險和嚴重風險的河段主要位于下游長寧區(qū)段，蘇州河(蕰藻浜—真北路橋段)多數(shù)河段為中風險。蘇州河市郊段重金屬關注污染物主要為汞和鎘。

建議在未來對蕰藻浜—真北路橋段底泥疏浚中，重點關注中下游長寧段區(qū)域，底泥疏 浚深度盡可能達到2.5m。