楊 俊,盧明明,程婉蕓,李 曄*
(1.中交第二公路勘察設(shè)計研究院有限公司,湖北 武漢 430056;2.武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院,湖北 武漢 430070)
水體沉積物又稱底泥,可作為檢測水體污染的重要指標(biāo)。輸入水體的氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)一部分被水生植物吸收利用,另一部分以不同形式存在于水體中,剩余部分以沉降的形式積累到沉積物中[1];輸入水體的重金屬約85%會最終積累沉降在沉積物中[2]。重金屬元素在環(huán)境中的毒性、持久性、不可降解性和生物積累性已引起了廣泛關(guān)注[3]。重金屬污染是導(dǎo)致水生生物大量死亡、水體生態(tài)功能退化的重要原因[4-5]。此外,重金屬會通過食物鏈的生物富集作用傳遞到人體,嚴(yán)重危害人類健康[6-7]。底泥沉積物作為湖泊生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,既是匯也是源[8-10],其污染狀況和污染物的存在形式與水體污染情況和浮游動植物的生存關(guān)系密切[11]。當(dāng)pH值、溫度、氧化還原電位、溶解氧(DO)和各種污染物濃度等條件發(fā)生一定變化時,沉積物中的重金屬可能會釋放到上覆水體中,從而對上覆水體造成 “二次污染”[12-13]。
許多學(xué)者采用不同方法對沉積物中重金屬、氮、磷和有機(jī)質(zhì)的污染程度進(jìn)行了評價。如陳雯等[14]采用綜合污染指數(shù)法對福州市城區(qū)0~20 cm表層土壤中5種典型重金屬的污染程度進(jìn)行了評價,結(jié)果表明福州市各功能城區(qū)綜合污染指數(shù)為工業(yè)區(qū)>交通區(qū)>居住區(qū)>公園區(qū);李家兵等[15]采用地累積指數(shù)法和潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法對閩江河口潮間帶沉積物中鈷(Co)和釩(V)的污染狀態(tài)和生態(tài)危害進(jìn)行了評估,結(jié)果顯示兩者均屬于輕度污染,潛在生態(tài)風(fēng)險較低;白冬銳等[16]對蘇州古城區(qū)河道底泥沉積物中氮、磷類污染物進(jìn)行了分析,根據(jù)單因子指數(shù)法和內(nèi)梅羅污染指數(shù)法顯示底泥處于中度污染狀態(tài),底泥中總磷(TP)超標(biāo)達(dá)90%;Liu等[17]對大武水源地沉積物中重金屬污染特征進(jìn)行了分析,結(jié)果顯示該水源地沉積物中重金屬污染程度表現(xiàn)為Hg>Cd>Pb>As>Ni>Cr,部分水源區(qū)沉積物中存在Ni、Cd、Hg、Pb輕度污染和Hg重度污染,內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)為2.41;吉芬芬等[18]對小微水體青山湖湖泊沉積物中重金屬進(jìn)行了污染特征分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn)工業(yè)污染是青山湖主要的污染來源,且沉積物中Cd污染嚴(yán)重,需對其嚴(yán)格管控;劉祺等[19]對張家港市3個小微水體進(jìn)行了監(jiān)測,從DO、透明度、氧化還原電位、氨氮濃度等指標(biāo)評價其水質(zhì),結(jié)果顯示其中一個小微水體為重度黑臭污染水平,另外兩個小微水體為中度黑臭污染水平;劉昭等[20]采用地質(zhì)累積矢量模型分析了鄂西地區(qū)典型錳礦河流表層沉積物中重金屬的分布特征,結(jié)果顯示丹水、沿頭溪兩河流表層沉積物中重金屬的主要貢獻(xiàn)因子為Mn、Cd、As。
為了研究武漢市經(jīng)濟(jì)與技術(shù)開發(fā)區(qū)(漢南區(qū))(以下簡稱為“武漢經(jīng)開區(qū)(漢南區(qū))”)小微水體底泥沉積物的污染情況,通過對渣子湖底泥現(xiàn)場布點采樣,分析了底泥沉積物中重金屬、氮、磷和有機(jī)質(zhì)的含量及其分布特征,并采用地累積指數(shù)法、潛在生態(tài)危害指數(shù)法對渣子湖沉積物中重金屬綜合污染程度和生態(tài)風(fēng)險水平進(jìn)行了評價,采用綜合污染指數(shù)法、有機(jī)污染指數(shù)法對渣子湖沉積物中氮、磷和有機(jī)物的污染等級進(jìn)行了評估,以期對渣子湖水體質(zhì)量進(jìn)行多方位評估,為武漢小微水體沉積物污染評價與分析提供理論參考。
武漢市素有“百湖之城”的美譽(yù),境內(nèi)不僅有166個湖泊,還有許多小微水體。以武漢經(jīng)開區(qū)(漢南區(qū))為例,近年來部分水質(zhì)明顯提升,但仍有過半水體水質(zhì)不達(dá)標(biāo)。
武漢經(jīng)開區(qū)(漢南區(qū))位于武漢市西南部,地處武漢三環(huán)線和武漢外環(huán)線之間,緊鄰長江黃金水道,東經(jīng)113°35′~114°9′、北緯30°11′~30°29′。2016年環(huán)保部門的監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示:武漢經(jīng)開區(qū)(漢南區(qū))2條重點河流水質(zhì)監(jiān)測斷面水質(zhì)均未達(dá)到水質(zhì)管理目標(biāo);26個重點湖泊中水質(zhì)劣于IV類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的湖泊有16個,水質(zhì)達(dá)到水質(zhì)管理目標(biāo)的湖泊僅8個,不到湖泊總數(shù)的30%。部分湖泊水體仍有惡化趨勢,氮、磷超標(biāo)較突出,水體生態(tài)結(jié)構(gòu)被破壞,生態(tài)功能退化[21]。2021年5月武漢市生態(tài)環(huán)境局發(fā)布的《地表水環(huán)境質(zhì)量狀況報告》顯示:在實際監(jiān)測的109個湖泊中,Ⅱ類水質(zhì)湖泊3個,占2.8%;Ⅲ類水質(zhì)湖泊23個,占21.1%;Ⅳ類水質(zhì)湖泊50個,占45.9%;Ⅴ類水質(zhì)湖泊32個,占29.3%;劣Ⅴ類水質(zhì)湖泊1個,占0.9%。其中,隸屬于武漢經(jīng)開區(qū)(漢南區(qū))的三角湖、南太子湖、萬家湖、西邊湖、硃山湖水質(zhì)均為Ⅴ類水質(zhì),未達(dá)到規(guī)定的Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn);后官湖水質(zhì)為Ⅳ類水質(zhì),未達(dá)到規(guī)定的Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn);未進(jìn)行功能區(qū)劃分的壇子湖、狀元湖水質(zhì)也為Ⅴ類水質(zhì)且有輕度營養(yǎng)化。即在武漢經(jīng)開區(qū)(漢南區(qū))監(jiān)測的15個湖泊中,僅有7個湖泊達(dá)到水質(zhì)管理目標(biāo),達(dá)標(biāo)率為46.67%,隨著武漢經(jīng)開區(qū)(漢南區(qū))發(fā)展規(guī)模的進(jìn)一步擴(kuò)大,帶來的湖泊水質(zhì)污染也會隨之加重,湖泊水質(zhì)的污染防治與治理任務(wù)將會更加嚴(yán)峻。
為了研究武漢水微水體沉積物中重金屬、氮、磷和有機(jī)質(zhì)的污染狀況,本文以渣子湖為研究區(qū)進(jìn)行分析。渣子湖位于武漢經(jīng)開區(qū)(漢南區(qū)),東徑114°6′30″~114°6′50″、北緯30°24′50″~30°25′30″, 其與篙草湖、土地湖、陳朗湖、下烏丘四湖相連,屬于郊野湖泊,是武漢市根據(jù)水污染防治要求最新提出的一批小微水體名錄中收錄的小微水體之一。
研究區(qū)域和沉積物采樣點位置如圖1所示。
圖1 渣子湖沉積物采樣點位置圖
根據(jù)渣子湖底泥受污染的感官程度和自然沉降特征,將其由上而下劃分為污染層、過渡層和正常層。其中,污染層底泥有臭味,顏色黑—灰黑色,呈現(xiàn)稀漿、流塑狀;過渡層底泥呈黑—灰色、軟塑、密實;正常層底泥層呈黃、灰黃顏色,質(zhì)地密實。使用采泥器采集每層底泥中間三分之一左右的底泥樣品,去除石塊、塑料、雜草等,將剩余底泥迅速裝入密封袋中,迅速運回實驗室,在避光、干燥條件下保存。渣子湖沉積物各取樣點及其分層狀況,見表1。
表1 渣子湖沉積物各取樣點及其分層狀況
將取樣得到的渣子湖沉積物在避光條件下風(fēng)干、研磨、過篩后,按照《農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)》(GB 15618—2018)中用于污染評價的監(jiān)測進(jìn)行檢測,所有操作嚴(yán)格按照相關(guān)技術(shù)要求執(zhí)行,并采用原子吸收分光光度法、原子熒光分光光度法、紫外分光光度法和人工滴定法等方法對沉積物樣品進(jìn)行檢測分析。
本研究從重金屬和有機(jī)質(zhì)兩個方面對渣子湖沉積物的污染狀況進(jìn)行分析。采用地累積指數(shù)法和潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法主要評價渣子湖沉積物中重金屬的污染毒性;采用綜合污染指數(shù)法和有機(jī)指數(shù)法主要評價渣子湖表層沉積物中氮、磷和有機(jī)物污染等級。
地累積指數(shù)法(Geoaccumulation Index)是一種綜合考慮了人為污染因素、自然成巖作用和地球化學(xué)背景值的研究方法,地累積指數(shù)常用作水環(huán)境中沉積物重金屬污染的衡量指標(biāo)[22]。其計算公式如下:
Igeoi=log2[Ci/kBi]
(1)
式中:Igeoi為沉積物中重金屬元素i的地累積指數(shù);Ci為沉積物中重金屬元素i的實測濃度(mg/kg);Bi為沉積物中重金屬元素i的環(huán)境背景值(mg/kg);k為考慮各地巖石差異可能引起環(huán)境背景值變動而取的常數(shù),取k=1.5。
根據(jù)Igeo值的大小,可將沉積物中重金屬污染劃分為7個等級,見表2。
表2 地累積指數(shù)法沉積物中重金屬污染等級劃分標(biāo)準(zhǔn)
潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法(Potential Ecological Risk Index )是一種用于水生(湖泊)環(huán)境污染控制的生態(tài)風(fēng)險指數(shù)模型,能對湖泊或淡水系統(tǒng)中給定污染情況的潛在生態(tài)風(fēng)險提供快速、準(zhǔn)確的定量值,常用于水源污染控制的診斷[23]。潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)RI的計算公式如下:
(2)
表3 湖北省A層土壤中部分重金屬元素含量的算術(shù)平均值(mg/kg)
表4 沉積物中重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險等級劃分標(biāo)準(zhǔn)
采用綜合污染指數(shù)法評價表層沉積物中總氮(TN)、總磷(TP)的污染程度,先由單項污染因子公式[25]計算綜合污染指數(shù)(FF)[26],再進(jìn)行綜合污染程度分級。具體計算公式如下:
(3)
(4)
根據(jù)FF值的大小,將沉積物中TN和TP的綜合污染程度劃分為4級,見表5。
表5 綜合污染指數(shù)法沉積物中TN和TP污染等級劃分標(biāo)準(zhǔn)
綜合污染指數(shù)法將TN、TP綜合成一個指標(biāo)來表征表層沉積物的污染狀況,相較單一污染指數(shù)法更具代表性,但忽略了有機(jī)物指標(biāo)[27],故而引入有機(jī)污染指數(shù)(OI)[28]對沉積物的有機(jī)污染狀況進(jìn)行評價。其計算公式如下:
(5)
式中:OI為有機(jī)污染指數(shù)(%);TN為總氮含量測定值(%);OM為有機(jī)質(zhì)含量測定值(%)。
根據(jù)OI值的大小,將沉積物中有機(jī)污染等級劃分為4級,見表6。
表6 有機(jī)污染指數(shù)法沉積物中有機(jī)污染等級劃分標(biāo)準(zhǔn)
渣子湖沉積物中各重金屬殘留量均值ω測定結(jié)果如下:ω(Cr)=107.39 mg/kg>ω(Zn)=95.5 mg/kg>ω(Cu)=37.5 mg/kg>ω(Pb)=37.40 mg/kg>ω(Ni)=36.90 mg/kg>ω(As)=14.00 mg/kg>ω(Hg)=0.104 mg/kg。根據(jù)《中國土壤環(huán)境背景值》[28]中湖北省A層土壤中重金屬元素含量的算術(shù)平均值(見表3)判斷,除了未檢出的Cd外,只有Ni未超標(biāo),其中Cr、Zn、As、Hg、Cu、Pb較湖北省土壤環(huán)境元素背景值分別超標(biāo)1.25倍、1.14倍、1.13倍、1.3倍、1.22倍、1.4倍。
參照《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)試行》(GB 15618—2018)(見表7),其執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為:當(dāng)土壤中污染物含量低于篩選值時,農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險低,一般情況下可忽略;當(dāng)土壤中污染物含量高于篩選值時,可能存在農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險,應(yīng)加強(qiáng)土壤環(huán)境監(jiān)測和農(nóng)產(chǎn)品協(xié)同監(jiān)測;當(dāng)土壤中Cd、Hg、As、Pb、Cr的含量高于篩選值、等于或者低于管制值時,可能存在食用農(nóng)產(chǎn)品不符合食品質(zhì)量安全標(biāo)準(zhǔn)等土壤污染風(fēng)險,原則上應(yīng)當(dāng)采取農(nóng)藝調(diào)控、替代種植等安全管控措施;當(dāng)土壤中Cd、Hg、As、Pb、Cr的含量高于管制值時,食用農(nóng)產(chǎn)品不符合食品質(zhì)量安全標(biāo)準(zhǔn),原則上應(yīng)采取禁止種植食用農(nóng)產(chǎn)品、退耕還林等嚴(yán)格管控措施?!锻寥拉h(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》(GB 15618—2018)中規(guī)定的農(nóng)用地土壤中重金屬含量標(biāo)準(zhǔn),見表7。渣子湖沉積物中除未檢出重金屬元素Cd外,其余重金屬元素含量均低于篩選值,表明渣子湖沉積物中重金屬污染風(fēng)險低。
表7 《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》中規(guī)定的農(nóng)用地土壤中重金屬含量標(biāo)準(zhǔn)(mg/kg)
3.1.1 地累積指數(shù)(Igeo)法評價結(jié)果與分析
將渣子湖沉積物中各重金屬元素在各取樣點的平均殘留量實測值與湖北省A層土壤中重金屬元素環(huán)境背景值(見表3)代入公式(1),可計算得到渣子湖沉積物中重金屬污染的Igeo值,再根據(jù)表2確定污染等級,其結(jié)果見表8。
表8 渣子湖沉積物中重金屬污染地累積指數(shù)(Igeo)和污染等級評價結(jié)果
由表8可知:渣子湖沉積物中除Cd未檢出外,其他重金屬Cr、Pb、As、Hg、Ni、Cu、Zn污染的Igeo值范圍分別為-0.28~-0.02、-0.11~-0.06、-0.53~0.31、-0.64~--0.21、-0.64~-0.58、-0.33~-0.27、-0.42~-0.38;整體來看沉積物中8種重金屬污染的地累積指數(shù)值均較低,表明渣子湖沉積物無重金屬污染。
3.1.2 潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法評價結(jié)果與分析
將渣子湖沉積物中各重金屬元素在各取樣點的平均殘留量實測值與湖北省A層土壤中重金屬元素環(huán)境背景值(表3)代入公式(2),可計算得到渣子湖沉積物中重金屬污染的Er、RI值,再根據(jù)表4確定重金屬污染的潛在生態(tài)風(fēng)險等級,其結(jié)果見表9。
表9 渣子湖沉積物中重金屬污染的潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)(RI)和風(fēng)險水平評價結(jié)果
由表9可知:渣子湖沉積物中除未檢出的Cd外,其他重金屬Cr、Pb、As、Hg、Ni、Cu、Zn風(fēng)險的潛在生態(tài)危害指數(shù)Er值的范圍分別為2.5~2.5、7.0~7.2、10.4~12.1、36.6~41.9、4.8~5.0、6.0~6.2、1.1~1.6;根據(jù)RI值顯示,各取樣點位處沉積物中重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險水平均為低風(fēng)險,不會對環(huán)境造成影響;而取樣點位2、3處沉積物中Hg的Er值高于40,其潛在生態(tài)風(fēng)險等級為中風(fēng)險,這是因為淡水污泥中的無機(jī)汞在厭氧細(xì)菌的作用下會轉(zhuǎn)化為毒性更高的有機(jī)汞,應(yīng)引起密切關(guān)注。
綜合上述兩種評價方法可知,渣子湖沉積物中重金屬含量均不高,接近土壤環(huán)境背景值。分析其原因為渣子湖所在的武漢經(jīng)開區(qū)(漢南區(qū))成立不久,尚未大力建設(shè)與發(fā)展重工業(yè)等污染嚴(yán)重的項目,故沉積物中重金屬污染并不明顯。
3.2.1 沉積物中重金屬含量的水平分布特征
本文采用渣子湖沉積物中8種重金屬元素在各取樣點位三層底泥中的平均濃度來探討沉積物中重金屬元素含量在水平方向上的分布特征,其結(jié)果見圖2至圖5。
圖2 渣子湖沉積物中重金屬元素Pb、Ni、Cu含量的水平分布特征
圖3 渣子湖沉積物中重金屬元素Cr、Zn含量的水平分布特征
圖4 渣子湖沉積物中重金屬元素Hg含量的水平分布特征
圖5 渣子湖沉積物中重金屬元素As含量的水平分布特征
由圖2至圖5可知:渣子湖沉積物中Cu、Cr、Zn、Hg均在取樣點2處含量最高, Ni、As在取樣點4處含量最高,但仍在清潔水平范圍內(nèi),并未對水生環(huán)境造成污染。
3.2.2 沉積物中重金屬含量的垂直分布特征
本文采用渣子湖沉積物中8種重金屬元素在各取樣點各層底泥中的含量來分析沉積物中重金屬元素含量在垂直方向上的分布特征,其結(jié)果見圖6至圖12。
圖6 渣子湖沉積物中重金屬元素As含量的垂直分布特征
圖7 渣子湖沉積物中重金屬元素Cr含量的垂直分布特征
圖8 渣子湖沉積物中重金屬元素Cu含量的垂直分布特征
圖9 渣子湖沉積物中重金屬元素Hg含量的垂直分布特征
圖10 渣子湖沉積物中重金屬元素Ni含量的垂直分布特征
圖11 渣子湖沉積物中重金屬元素Pb含量的垂直分布特征
圖12 渣子湖沉積物中重金屬元素Zn含量的垂直分布特征
水體中的沉積物記載了歷史變遷,沉積物中重金屬元素含量的垂直分布特征反映了湖泊的污染歷史[30]。根據(jù)渣子湖沉積物中重金屬殘留量(見圖6至圖12)可知:沉積物中Pb、Ni、Cu 3種重金屬元素含量呈遞減趨勢,但變化較緩慢,其余重金屬元素并無明顯的變化,說明渣子湖受城市經(jīng)濟(jì)活動和人類活動的影響并不大,基本上保持了潔凈的自身環(huán)境。
3.3.1 綜合污染指數(shù)法評價結(jié)果與分析
將渣子湖沉積物中TN、TP含量實測值代入公式(3)和(4),可計算得到渣子湖沉積物中氮、磷污染的FF值,再根據(jù)表5確定綜合污染等級,見表10。
表10 渣子湖沉積物中氮、磷的污染指數(shù)和綜合評價結(jié)果
由表10可知:渣子湖沉積物中的磷污染處于輕度水平,39%點位達(dá)到清潔狀態(tài),61%點位為輕度污染,其中污染最嚴(yán)重的是編號1的取樣點位1-1處,超出STP輕度污染指標(biāo)40%;沉積物中的氮污染達(dá)到重度水平,其中污染最嚴(yán)重的是編號4的取樣點位2-1處,超出STN重度污染指標(biāo)347%,污染層和正常層均被嚴(yán)重污染,急需治理;沉積物中氮、磷的綜合污染程度均為重度污染水平。
3.3.2 有機(jī)污染指數(shù)法評價結(jié)果與分析
將渣子湖沉積物中TN、OM實測值代入公式(5),計算得到渣子湖沉積物中有機(jī)污染的OI值,再根據(jù)表6確定有機(jī)污染等級,見表11。
表11 渣子湖沉積物中有機(jī)污染評價結(jié)果
由表11可知:渣子湖沉積物中有機(jī)污染指數(shù)OI值均大于0.5,表明各取樣點各層均達(dá)到重度污染等級,其中污染最嚴(yán)重的是編號1、4和7的點位,這與綜合污染指數(shù)法的評價結(jié)果基本一致,可見渣子湖已遭受嚴(yán)重的有機(jī)污染,應(yīng)予以高度重視。
(1) 渣子湖沉積物中除未檢出重金屬元素Cd外,其他7種重金屬元素Cr、Pb、As、Hg、Ni、Cu、Zn的含量測定值均與背景值相近,說明沉積物中重金屬對水體沒有明顯的影響,不會危害人類健康。
(2) 渣子湖沉積物中重金屬元素Cu、Cr、Zn、Hg均在取樣點2處含量最高,Ni、As在取樣點4處含量最高,但均在背景值范圍內(nèi),未對渣子湖生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重的影響,其原因可能是在自然成巖過程中因地勢不均導(dǎo)致各取樣點重金屬含量的累積不均。
(3) 渣子湖沉積物中TP含量較低,基本未對渣子湖生態(tài)環(huán)境造成污染,而TN、OM含量極高,對渣子湖生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染。沉積物中OM與TN呈顯著相關(guān)性,而沉積物中OM與TP、TP與TN均無顯著相關(guān)性。綜合污染指數(shù)法評價結(jié)果與有機(jī)污染指數(shù)法評價結(jié)果基本一致,表明該渣子湖水體沉積物已遭受嚴(yán)重的氮、磷污染。
(4) 整體來看,渣子湖沉積物中氮、磷污染程度在垂直方向上呈遞減態(tài),說明近年來外源氮、磷排入對渣子湖造成了一定的污染。渣子湖屬于郊野湖泊,周邊沒有工業(yè)區(qū),導(dǎo)致沉積物中氮、磷污染嚴(yán)重的原因可能是歷史上水產(chǎn)養(yǎng)殖過程中遺留的污染物未能及時處理,以及多年來雨水形成的徑流將周邊農(nóng)業(yè)面源中殘留的氮肥等物質(zhì)帶入湖中所致。