武漢烏金港底泥重金屬和磷污染特征及清淤深度的確定

楊 俊，王祖輝，李 昂，胡 泊

（中交第二公路勘察設(shè)計研究院有限公司，湖北 武漢 430056）

底泥作為湖泊水環(huán)境的重要組成部分，當(dāng)堆積達(dá)到一定邊界條件后，會將積累的污染物轉(zhuǎn)移至懸浮顆粒釋放到周圍水體，從而對水環(huán)境造成污染。陳星等[1]將湖泊底泥分為3個部分，自上而下依次為污染層、過渡層和正常湖泊沉積層。近幾年，研究熱點多集中于水污染評價、重金屬沉積物污染等方面。底泥沉積物能從側(cè)面較好地反映水體污染程度，探析湖泊水體底泥沉積物整體的污染特征，對揭示水環(huán)境污染及風(fēng)險評價具有重要意義。環(huán)保清淤主要是挖走污染層和部分過渡層的沉積物。清淤深度與工程成本密切相關(guān)，環(huán)保清淤深度也是值得關(guān)注的問題。張奇等[2]研究發(fā)現(xiàn)：若清淤深度控制不當(dāng)，就會導(dǎo)致深層底泥的污染物釋放進(jìn)入上覆水體。有研究表明：打破原有湖水底泥磷溶解釋放平衡，導(dǎo)致底泥向水體釋放磷的速率成倍增加[3]，從而引起清淤后水體磷濃度高于清淤前濃度的現(xiàn)象。

2020年監(jiān)測數(shù)據(jù)表明：武漢經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)(漢南區(qū))26個重點湖泊中水質(zhì)劣于Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)的湖泊有16個，水質(zhì)達(dá)標(biāo)的僅8個。部分水體仍有惡化趨勢，氮、磷超標(biāo)較突出，水體生態(tài)結(jié)構(gòu)破壞，生態(tài)功能退化現(xiàn)象嚴(yán)重[4]。申秋實等[5]認(rèn)為：隨著城市發(fā)展和功能定位進(jìn)一步提升，水污染形勢愈發(fā)嚴(yán)峻，水污染防治工作任務(wù)將更加艱巨。本研究以武漢經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)小微水體烏金港為研究對象，通過2組實驗對烏金港底泥中的重金屬和磷的污染特性進(jìn)行分析：其一是檢測分析不同點位不同深度底泥中重金屬污染分布特征，采用地累積指數(shù)和潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法對底泥重金屬污染特征及風(fēng)險進(jìn)行分析評價；其二是采用綜合污染指數(shù)法對3個點位的污染層(0～15 cm)、過渡層(15～30 cm)和正常層(30～50 cm)底泥中磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行分析評價，并通過底泥磷解析實驗分析底泥中可溶性活性磷(SRP)與總磷(TP)的釋放規(guī)律，綜合分析底泥重金屬和磷的污染特性，確定小微水體烏金港最佳清淤深度，以期為漢南區(qū)小微水體、湖泊流域污染控制和環(huán)保清淤等提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

烏金港位于武漢經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)通順河水系周家墩匯水區(qū)，30°22′26.67″～30°22′17.99″N，114°5′38.40″～114°5′47.78″E，水域面積為38.09 hm2，最大水深約5.0 m，與蝦子湖相鄰，為典型的郊野型湖泊。該區(qū)年降水量為1 100 mm。根據(jù)HJ/T 91—2002《地表水和污水監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》和生態(tài)環(huán)境部發(fā)布的《湖泊河流環(huán)保疏浚工程技術(shù)指南》，結(jié)合烏金港水域面積、垂線采樣點數(shù)、布點網(wǎng)格大小等規(guī)范和指南要求，確定 3個采樣點：1 號采樣點 (30°22′37.18″N，114°05′39.87″E)，2 號采樣點 (30°22′27.38″N，114°05′40.87″E)，3 號采樣點 (30°22′17.58″N，114°05′44.97″E)。

根據(jù)底泥受人為污染的感官程度和自然沉降的特點，將烏金港底泥由上而下劃分為污染層(0～15 cm)、過渡層 (15～30 cm)和正常層 (30～50 cm) 3 個層次。污染層有臭味，呈黑-灰黑色，稀漿、流塑狀；過渡層呈黑-灰色，軟塑、密實；正常層呈黃色、灰黃色，密實。

1.2 樣品收集與處理

本研究采樣使用柱狀沉積物采樣器[6]。根據(jù)HJ/T 91—2002《地表水和污水監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》和《湖泊河流環(huán)保疏浚工程技術(shù)指南》，采集烏金港3個采樣點垂直剖面的底泥樣品，取2組柱狀樣。為確保實驗結(jié)果的準(zhǔn)確性，本研究采用平行實驗方式，每個點位每種重金屬分別測量3次，其中2次為平行樣。分析底泥重金屬和磷的污染特性。將所得的柱狀底泥樣品放入聚乙烯容器中，避免重力干擾。在送回實驗室的運輸過程中保證取樣管密封，減少底泥與空氣的接觸。采集的所有樣品均經(jīng)過沉淀、自然空氣干燥、殘渣去除、研磨和篩分等預(yù)處理。

重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)測定根據(jù)CJ/T 221—2005《電感耦合等離子體發(fā)射光譜法》以及CJ/T 221—2005《原子熒光光譜法》的相關(guān)要求，參照楊盼等[7]報道的方法：對3個采樣點采集0～60 cm的底泥采用10 cm的間隔分層取樣，準(zhǔn)確稱取等量樣品置于坩堝中，利用微波酸化(HNO3-HCl-HF-HClO4)消解后，采用電感耦合等離子體質(zhì)譜法(ICP-MS)進(jìn)行分析，最終得到所有樣品中銅、汞、砷、鉛、鎘、鎳質(zhì)量分?jǐn)?shù)。為了更加真實和系統(tǒng)性地模擬底泥磷釋放的過程以及釋放量，本研究將3個采樣點的污染層(0～15 cm)、過渡層 (15～30 cm)和正常層 (30～50 cm)分層取樣，根據(jù) GB 11893—1989《鉬酸銨分光光度法》，定時對SRP和TP采用鉬酸銨分光光度法，參照張占梅等[8]的方法，在酸性條件下預(yù)處理后，加水稀釋至標(biāo)線，分別進(jìn)行顯色與測定。具體的流程如圖1所示。

圖1 本研究的技術(shù)路線圖Figure 1 Technical route in the study

1.3 評價方法

武漢湖泊表層沉積物中重金屬鎘、鋅、砷、銅、鉛、鉻、汞、鎳的背景值分別為0.200、79.000、14.300、32.200、34.500、88.000、0.075、35.000 mg·kg-1。根據(jù) Igeo，重金屬污染程度分為 7 個等級 (表 1)。

表1 地累積指數(shù) (Igeo)分級標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Grading standard of geo-cumulative index

1.3.2 潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法 Hakanson 潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法是一種國際認(rèn)可的沉積物、土壤重金屬元素潛在生態(tài)風(fēng)險評價的標(biāo)準(zhǔn)方法，被廣泛運用[10-12]，綜合考慮了重金屬元素的生態(tài)、環(huán)境和毒理效應(yīng)。潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)(IR)計算如下：

其中：Ei是單因素潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)；IR為潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)；Ci是重金屬元素的質(zhì)量濃度；Cir是重金屬元素的參考值；Ti是各元素的毒性反應(yīng)系數(shù)(銅、鉛、鎳為5，鎘為30，鉻為2，鋅為1)，i為重金屬元素數(shù)量（i=1，2n）。潛在風(fēng)險指數(shù)法分級標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

表2 潛在風(fēng)險指數(shù)法分級標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Grading standard of potential risk index method

1.3.3 綜合污染指數(shù)法 本研究采用綜合污染指數(shù)評價方法[13]對底泥中的總磷進(jìn)行評價。評價過程中采用過渡層和正常層中總磷的均值作為基準(zhǔn)值，各實測值除以基準(zhǔn)值得到污染指數(shù)(INP)?？偭追旨墭?biāo)準(zhǔn)按表3進(jìn)行等級劃分。

表3 總磷污染指數(shù)分級評價表Table 3 Grading evaluation of TP pollution index of sediment

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2013進(jìn)行統(tǒng)計分析；利用ArcGIS 10.2繪制水體總磷分布圖；采用方差分析和最小顯著性差異法(LSD)進(jìn)行差異顯著性分析(P＜0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 底泥中重金屬污染特征及風(fēng)險評價

2.1.1 底泥中6種重金屬污染特征 由圖2可知：不同采樣點的底泥中的重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)有較大的差異；同一采樣點中，重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨深度差異的變化差異顯著(P＜0.05)。在上層底泥中，6種重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)波動最大。在不同采樣點，底泥中銅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為200～1 200 mg·kg-1，且隨著底泥深度的增加銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸減少，在30 cm以下顯著減少(P＜0.05)。底泥中汞僅在0～20 cm范圍內(nèi)有檢出，為1 mg·kg-1，其余深度均未檢出，表明汞只存在于表層底泥。底泥中砷質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化趨勢與銅相似，最高為 275 mg·kg-1，隨著深度的增加，逐漸減少，在 30 cm 以下顯著減少 (P＜0.05)，最低為 80 mg·kg-1。底泥中鉛質(zhì)量分?jǐn)?shù)也有著顯著的點位分布差異，不同采樣點鉛質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化較大，最高為890 mg·kg-1，隨著底泥深度加深，呈現(xiàn)減少的趨勢，在40 cm以下顯著減少(P＜0.05)，最小為300 mg·kg-1；鎘質(zhì)量分?jǐn)?shù)也隨著底泥深度增加逐漸減少，在30 cm以下顯著減少(P＜0.05)。底泥中鎳質(zhì)量分?jǐn)?shù)也存在顯著的采樣點分布差異，也是在30 cm以下顯著減少(P＜0.05)，最高為400 mg·kg-1。總之，隨著底泥深度的增加，重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸減少。在所檢測的6種重金屬中，質(zhì)量分?jǐn)?shù)從高到低依次為銅、鉛、鎳、砷、鎘、汞。

圖2 烏金港底泥重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布Figure 2 Distribution of heavy metal content in sediments of Wujin Port

張茜等[14]研究發(fā)現(xiàn)：在0～30 cm底泥中，隨著底泥深度增加，重金屬污染程度增大。本研究進(jìn)一步分析了30～60 cm底泥處重金屬污染程度，通過對3個采樣點0～60 cm底泥采樣結(jié)果分析，發(fā)現(xiàn)有以下共同點：重金屬集中在污染層和過渡層，隨著深度的增加，重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)有下降的趨勢，且在40～50 cm底泥趨于穩(wěn)定，50 cm深度以下3個采樣點重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)均低于湖泊底泥土壤背景值(鎘為3 mg·kg-1，砷為150 mg·kg-1，銅為 600 mg·kg-1，鉛為 650 mg·kg-1，汞為 0.075 mg·kg-1，鎳為 180 mg·kg-1)。

2.1.2 底泥中重金屬污染現(xiàn)狀評價 由表4可知：底泥重金屬污染程度均為“輕度-中度污染”。在不同采樣點之間，各金屬污染程度有較大區(qū)別。1號位底泥重金屬平均地累積指數(shù)從大到小依次為銅、鉛、鎳、砷、鎘、汞；2號位從大到小依次為銅、鉛、鎳、砷、鎘、汞；3號位從大到小依次為銅、鉛、砷、鎳、鎘、汞。由此可知：各采樣點重金屬排序相似度較高，其中污染程度較為嚴(yán)重的重金屬是銅和鉛，較為輕微的是鎘和汞，但均處于輕度-中度污染。

表4 烏金港重金屬污染程度評價表Table 4 Evaluation of pollution degree of heavy metal in Wujin Port

由表5可知：單因素潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)(Eii)均小于40，風(fēng)險較低，這與地累積指數(shù)評價結(jié)果一致；重金屬在烏金港沉積物各采樣點平均潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)(IR)為120，小于其限值150，屬于輕微危害。從重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)來看，不同采樣點數(shù)值差異較為顯著，說明其受空間差異的影響較大。

表5 潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)評價結(jié)果Table 5 Evaluation result of potential ecological risk index of Wujin Port

2.2 底泥磷的污染特征及風(fēng)險評價

2.2.1 底泥中磷的分布特征及綜合污染指數(shù)評價 通過烏金港底泥總磷分層檢測結(jié)果可以看出(表6)：污染層、過渡層、正常層總磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)出顯著的遞減規(guī)律。通過綜合污染指數(shù)對烏金港底泥中總磷的評價結(jié)果可以看出(表6)：總磷污染程度較高的是在污染層和過渡層。這個評價結(jié)果與底泥解析實驗中可溶性活性磷和總磷釋放結(jié)果是相吻合的。

表6 烏金港底泥總磷分層檢測結(jié)果及污染程度評價表Table 6 Stratification test results and pollution degree evaluation table of total phosphorus in the sediments of Wujin Port

2.2.2 底泥中磷的釋放規(guī)律分析 由圖3A可見：在浸泡試驗中，污染層底泥可溶性活性磷質(zhì)量濃度為0.085～0.184 mg·L-1，平均質(zhì)量濃度為0.093 mg·L-1?？扇苄曰钚粤揍尫徘€整體變化比較平穩(wěn)，除第1天的0.184 mg·L-1比較高以外，第2天起可溶性活性磷質(zhì)量濃度基本上未超過原上覆水可溶性活性磷的0.088 mg·L-1，第7天開始可溶性活性磷質(zhì)量濃度在0.085 mg·L-1上下波動，差異不顯著。在浸泡試驗中，總磷質(zhì)量濃度為 0.050～0.742 mg·L-1，平均質(zhì)量濃度為 0.189 mg·L-1。

過渡層(15～30 cm)底泥釋放的總磷和可溶性活性磷質(zhì)量濃度波動較小(圖3B)。可溶性活性磷質(zhì)量濃度為 0.020～0.237 mg·L-1，平均質(zhì)量濃度為 0.052 mg·L-1?？偭踪|(zhì)量濃度為 0.040～0.270 mg·L-1，平均質(zhì)量濃度為0.091 mg·L-1。由圖3B可以發(fā)現(xiàn)：可溶性活性磷質(zhì)量濃度和總磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化曲線差別不大，均在第1天大量釋放后，大幅度降低至一個范圍內(nèi)波動。底泥釋放到水體中的可溶性活性磷最高是第1天，為0.237 mg·L-1，第3天后水體中的可溶性活性磷質(zhì)量濃度即降到原上覆水的0.083 mg·L-1以下，可溶性活性磷平均質(zhì)量濃度低于同期污染層(0～15 cm)底泥磷釋放的質(zhì)量濃度?？偭椎牟▌颖瓤扇苄曰钚粤滓源?，從第6天起，總磷質(zhì)量濃度均在原上覆水總磷質(zhì)量濃度的0.098 mg·L-1以下，總磷平均釋放質(zhì)量濃度遠(yuǎn)低于污染層(0～15 cm)釋放的平均質(zhì)量濃度。

正常層(30～50 cm)底泥可溶性活性磷質(zhì)量濃度為 0.024～0.237 mg·L-1(圖 3C)， 平 均 質(zhì) 量 濃 度為0.067 mg·L-1?？扇苄曰钚粤椎?天釋放質(zhì)量濃度最高，為0.237 mg·L-1。之后，釋放到上覆水中的可溶性活性磷開始減少，到第5天降到0.083 mg·L-1以下。隨后除了個別時間點外，其余均在0.083 mg·L-1以下，最低質(zhì)量濃度是第12天的0.024 mg·L-1。總磷質(zhì)量濃度為 0.040～0.341 mg·L-1，平均質(zhì)量濃度為0.138 mg·L-1。總磷質(zhì)量濃度也是第1天達(dá)到最高0.341 mg·L-1后再降低，到第6天，總磷質(zhì)量濃度降到0.098 mg·L-1以下，并在小范圍內(nèi)略有波動?？偟膩碚f，不論是短期還是長期，正常層(30～50 cm)底泥中釋放的可溶性活性磷與總磷均低于污染層 (0～15 cm)和過渡層 (15～30 cm)底泥，且從第6天起，釋放的總磷質(zhì)量濃度低于原上覆水中總磷質(zhì)量濃度(實測原上覆水總磷質(zhì)量濃度為0.520 mg·L-1)。與第1天相比，在不同底泥層中總磷釋放變化比可溶性活性磷釋放變化波動要大。

圖3 底泥中磷釋放強(qiáng)度的變化Figure 3 Variation of phosphorus release intensity with time

3 結(jié)論

通過2組實驗對武漢市烏金港底泥重金屬和磷污染特征分析結(jié)果顯示：①重金屬主要集中在污染層和過渡層，隨著底泥深度的增加，重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)有下降的趨勢。在正常層40～50 cm處重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)趨于穩(wěn)定，50 cm以下重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)和背景值相當(dāng)，即達(dá)到土壤環(huán)境質(zhì)量二級標(biāo)準(zhǔn)；由地累積指數(shù)可知：烏金港底泥重金屬污染程度大多處于輕度-中度污染，污染程度由強(qiáng)到弱依次表現(xiàn)為銅、鉛、鎳、砷、鎘、汞；潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)均小于40，因此風(fēng)險較低。②底泥分層采樣檢測數(shù)據(jù)表明：烏金港底泥污染層、過渡層、正常層總磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)出顯著的遞減規(guī)律；解析實驗顯示：底泥污染層 (0～15 cm)和過渡層 (15～30 cm)釋放的可溶性活性磷與總磷高于原上覆水，正常層(30～50 cm)不論是短期還是長期釋放的可溶性活性磷與總磷均最低，且從第6天起，釋放的總磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于原上覆水?？傊?，烏金港底泥中的污染主要集中在底泥的污染層和過渡層，銅和鉛是主要的生態(tài)風(fēng)險因子，但處于低生態(tài)風(fēng)險。為了更好地清除內(nèi)源污染，綜合分析底泥重金屬和磷的污染特征，確定小微水體烏金港最優(yōu)清淤深度為40 cm。