海河流域典型區(qū)域重金屬沉積物生態(tài)風險研究

張昀保，吳勁

(1.河北省水利科學(xué)研究院,石家莊 050051；2.北京工業(yè)大學(xué)城市建設(shè)學(xué)部，北京 100124)

隨著工業(yè)化和城市化進程的推進，流域生態(tài)系統(tǒng)也發(fā)生了巨大變化，水庫作為人類社會發(fā)展的產(chǎn)物，在流域生態(tài)系統(tǒng)中起著重要作用[1-3]。據(jù)報道，我國現(xiàn)有9萬余座水庫，主要用于農(nóng)業(yè)灌溉、防洪和發(fā)電，在我國社會中發(fā)揮著重要作用[4]。然而，水庫正面臨著生態(tài)風險問題。Zhang等[5]調(diào)查了海河流域山區(qū)城市帶河流沉積物中的3種重金屬，發(fā)現(xiàn)近30年礦山開采，城鎮(zhèn)化水平會導(dǎo)致城市河流沉積物中因采礦造成的Cr和Zn污染加劇。海河北部水庫作為流域上重要的匯水與儲水工程，需要高度關(guān)注重金屬污染，同時迫切需要對水庫重金屬污染可能造成的生態(tài)風險問題進行評價。

沉積物既是重金屬的接收端，又是重金屬的釋放端，被認為是一種判別水體污染現(xiàn)狀的重要指標[6-7]。一般情況下，重金屬通過河流輸送進入水庫，并通過絮凝或沉淀的方式進入沉積物中[8-9]。研究[10]顯示，進入水生態(tài)系統(tǒng)的85%以上的重金屬以不同形式儲存在沉積物中。Fu等[11]發(fā)現(xiàn)長江流域沉積物中的重金屬污染物具有較高的生態(tài)風險，對水生態(tài)系統(tǒng)存在不利影響。因此，充分分析重金屬沉積物在不同區(qū)域環(huán)境中的生態(tài)風險現(xiàn)狀，精確描述重金屬沉積物可能產(chǎn)生的風險水平，是當下生態(tài)安全管理的重要需求。

物種敏感性分布法于20世紀70年代被提出，是用于描述環(huán)境中不同生物對污染物敏感性的方法。結(jié)合環(huán)境暴露的分布情況，建立聯(lián)合概率曲線，以更好地描述暴露概率和效應(yīng)超越概率，用于整體風險評估[12-13]。與以往的確定性生態(tài)風險評估方法不同，物種敏感性分析在基于概率描述環(huán)境暴露與生態(tài)系統(tǒng)風險的關(guān)系方面更加科學(xué)[14]。利用物種敏感性分布法將污染物的污染現(xiàn)狀與水環(huán)境中的生物聯(lián)系起來，能得出更精確的評價結(jié)果，在水庫生態(tài)安全管理中發(fā)揮重要作用。目前，基于物種敏感性的生態(tài)風險評價主要是在淡水河流中進行，而在水庫環(huán)境系統(tǒng)中很少進行。

因此，本研究的主要目的是:估算海河流域北部水庫沉積物中微量金屬的質(zhì)量分數(shù)特征；通過地累積指數(shù)法、潛在生態(tài)風險指數(shù)法和物種敏感性分布，對沉積物中的微量金屬生態(tài)風險以及重金屬沉積物可能危害生物比例進行定量分析。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)資料

海河流域北部是中國人口最密集、用水需求最大的區(qū)域之一。位于北緯41°35 ′N～38°52 ′N和東經(jīng)118°44E～112°10E，區(qū)域總面積83 900 km2。屬東亞季風氣候溫帶，年平均氣溫19 ℃，年平均降雨量490 mm左右，最高氣溫33 ℃出現(xiàn)在7月，最低-6 ℃出現(xiàn)在1月[15]。為保證區(qū)域生產(chǎn)生活用水，海河流域北部有4座大(1)型水庫、2座大(2)型水庫和5座中型水庫。密云水庫、于橋水庫、官廳水庫和沙河水庫是海河流域北部4座典型水庫。

密云水庫、于橋水庫、官廳水庫和沙河水庫沉積物重金屬數(shù)據(jù)來自三大網(wǎng)絡(luò)文獻數(shù)據(jù)庫(Web of Science、Science Direct和中國知網(wǎng))2002年和2019年的文獻。文獻中重金屬的測定方法為國家推薦的標準方法或按標準修訂的方法。物種毒理學(xué)數(shù)據(jù)于2020年10月獲取自美國環(huán)保局ECOTOX數(shù)據(jù)庫。該數(shù)據(jù)庫包含全球范圍內(nèi)化學(xué)品的急性和慢性毒性數(shù)據(jù)，包含了不同生態(tài)系統(tǒng)下不同物種，并不斷更新，為物種敏感性分布模型構(gòu)建提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。由于不同國家相似物種對相同污染物的耐受性不同，同一物種試驗環(huán)境和自然環(huán)境中的耐受性也不同[16]。所以在篩選數(shù)據(jù)時，同一物種選擇相同的環(huán)境、相同暴露時間和處理方法獲得的數(shù)據(jù)。選取As、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn在淡水介質(zhì)中暴露10 d以內(nèi)的半致死濃度(LC50)或半效應(yīng)濃度(EC50)的毒理學(xué)數(shù)據(jù)。選擇無脊椎生物、軟體生物、蠕蟲、底棲生物、甲殼類、節(jié)肢生物作為主要評價對象。當同一物種擁有多個毒理學(xué)數(shù)據(jù)值時，使用數(shù)據(jù)的幾何平均值作為物種的毒理學(xué)數(shù)據(jù)[17]。

1.2 研究方法

1.2.1地累積指數(shù)法

地累積指數(shù)法是一種廣泛用于評價水體沉積物重金屬生態(tài)風險的方法[18-19]，該方法有效避免了自然沉積的對生態(tài)風險評價的影響，能更好地反映重金屬污染現(xiàn)狀。

(1)

式中:Igeo為地累積指數(shù)；Cn為沉積物中重金屬實測濃度;Bn為沉積物背景參考值;1.5為背景矩陣校正系數(shù)。Igeo<1為優(yōu)；1≤Igeo<3為良；3≤Igeo<5為較差；5≤Igeo為差。

1.2.2潛在生態(tài)風險指數(shù)法

潛在生態(tài)風險指數(shù)法是1989被提出的一種簡易快速的水體沉積物生態(tài)風險評價方法。該方法通過分析水體沉積物污染現(xiàn)狀，反映沉積物中的重金屬對環(huán)境的影響[20-21]。

(2)

Er，i=Tr，i×Cf，i

(3)

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式中：Cf，i為給定重金屬的污染指數(shù)；CR，i為沉積物中重金屬的背景值；CD，i為重金屬的實測質(zhì)量分數(shù)；Er，i為重金屬的潛在生態(tài)風險因子；Tr，i為單一重金屬污染的毒性因子；RI為重金屬總潛在生態(tài)風險指數(shù)。沉積物背景值的參考值為中國土壤背景值。Cd、Cu、Pb、Cr、Zn、Hg和Ni的背景值分別為0.07、20.00、23.60、53.90、67.70、0.04和24.90 mg/kg[22]。RI<150時，風險水平較低；150≤RI<300，風險水平中等；300≤RI<600，風險等級高；RI≥600，風險水平非常高。

1.2.3物種敏感性分布法

選用Burr Ⅲ分布對累積暴露濃度曲線擬合，Burr Ⅲ分布的偏度和峰度覆蓋范圍更大，可以使其更靈活地擬合參數(shù)。HC5是物種敏感性分布曲線上對應(yīng)于 5%影響物種的累積濃度。HC5越小，其對應(yīng)重金屬的毒性越強[23-25]。Burr Ⅲ分布參數(shù)的函數(shù)方程為

(5)

(6)

(7)

式中：q是相應(yīng)的保護級別；PAF是對應(yīng)于物種敏感性分布曲線上測量質(zhì)量分數(shù)的有害物種的比例；x是實測的污染物質(zhì)量分數(shù)；b、c、k為函數(shù)的3個不同參數(shù)；msPAF是多種污染物引起的危害物種的比例，進而反映水中多種污染物引起的綜合污染水平。

3 結(jié)果與討論

3.1 重金屬的分布特征

密云水庫、于橋水庫、官廳水庫和沙河水庫沉積物中重金屬含量現(xiàn)狀見表1。從表1可以看出，各重金屬的含量變化較大，Zn和Cr的平均質(zhì)量分數(shù)分別為158.66 mg/kg和118.65 mg/kg，是水庫沉積物中主要的重金屬。水庫沉積物中Ni的平均質(zhì)量分數(shù)為39.32 mg/kg，在6種重金屬中最低。4座典型水庫沉積物中重金屬的分布有一定的相似性，重金屬質(zhì)量分數(shù)相近。Zhang等[5]在調(diào)查海河流域沉積物時發(fā)現(xiàn)，沉積物中Zn、Cu的質(zhì)量比受人類活動影響較大。分析結(jié)果表明，海河流域北部4座典型水庫沉積物重金屬質(zhì)量比已經(jīng)超出區(qū)域背景值，水庫沉積物重金屬質(zhì)量比已受到當?shù)毓I(yè)化發(fā)展的影響。

表1 海河北部4座典型水庫沉積物重金屬質(zhì)量分數(shù)Tab.1 Heavy metal mass fraction in sediments of typical reservoirs in Haihe River basin and typical reservoirs in China 單位：mg/kg

由于4座典型水庫具有相似的地理特征，通過相關(guān)性分析方法對4座水庫沉積物中重金屬的來源進行初步分析。分析發(fā)現(xiàn)，Ni-Cr(相關(guān)系數(shù)為-0.778)、Zn-Cr(相關(guān)系數(shù)為-0.887)和Zn-Ni(相關(guān)系數(shù)為0.867)之間存在顯著相關(guān)關(guān)系，Pb-As(相關(guān)系數(shù)為0.852)顯著相關(guān)，見圖1。通過對比分析，Zn、Ni、Cr存在明顯的相關(guān)關(guān)系，Pb和As也存在一定的相關(guān)關(guān)系。官廳水庫上游為工業(yè)聚集區(qū)、有色金屬冶煉和原料制造企業(yè)眾多，年工業(yè)污水排放量達到12.07億m3[33]。程麟鈞等[34]對官廳水庫入庫重金屬研究顯示官廳水庫的As在枯水期和豐水期含量差異較大，豐水期質(zhì)量分數(shù)約為枯水期的6倍。沙河水庫上游溫榆河共有污水出水口793個，日污水排放量可達90萬t。溫榆河重金屬富集明顯，As積累較嚴重[35]。密云水庫上游有豐富的礦產(chǎn)資源，礦石采選業(yè)和廢棄尾礦庫已經(jīng)對上游水質(zhì)產(chǎn)生了影響。潘麗波等[36]研究發(fā)現(xiàn),密云水庫上游礦區(qū)重金屬富集嚴重，沉積物Cu、Pb和Cd超標，重金屬和固體懸浮物存在向下游遷移的現(xiàn)象。重金屬的開采也是水庫上游的主要污染源，侯迎迎等[37]發(fā)現(xiàn)，Cd主要受人為源的影響，As和Pb以自然源為主，也受人為源的影響。采動產(chǎn)生的重金屬也是于橋水庫上游的主要污染來源。

圖1 沉積物重金屬相關(guān)性Fig.1 Correlation of heavy metals in reservoir sediments

3.2 重金屬生態(tài)風險分析

3.2.1重金屬的分布特征

4座水庫沉積物重金屬地累積指數(shù)見圖2 (a)。對于沉積物中的As，除官廳水庫外，其余水庫的地累積指數(shù)均小于1，未受污染，范圍為0.02 ～1.18。其他重金屬的地累積指數(shù)均小于1，表明水庫沉積物未受到重金屬的嚴重污染。4座典型水庫沉積物重金屬潛在生態(tài)風險指數(shù)見圖2(b)。沙河水庫、密云水庫、官廳水庫和于橋水庫的潛在生態(tài)風險指數(shù)分別為90.68、91.92、275.69和47.69。官廳水庫重金屬沉積物潛在生態(tài)風險為良，其他3個水庫的潛在生態(tài)風險為優(yōu)，這與李捷等[38]的結(jié)果相似。通過地累積指數(shù)和潛在生態(tài)風險指數(shù)法的分析可以發(fā)現(xiàn)，As是4座水庫的主要污染物。As在水生態(tài)系統(tǒng)和土壤生態(tài)系統(tǒng)中具有遷移、轉(zhuǎn)化和沉積的能力。As也容易被植物吸收，進入食物鏈和生物累積。沉積物中的重金屬主要來自水庫周圍工礦企業(yè)的生產(chǎn)和大量未經(jīng)處理廢水的排放[26-32]?？傮w而言，As是4座水庫沉積物中污染最嚴重的重金屬，對官廳水庫重金屬沉積物生態(tài)風險為良。As應(yīng)列為水庫生態(tài)管理的重點污染物。

圖2 地累積指數(shù)和潛在生態(tài)風險指數(shù)評估結(jié)果Fig.2 Geoaccumulation index and potential ecological risk index of heavy metal in sediment

3.2.2基于物種敏感性分析的生態(tài)風險

Burr Ⅲ和Weibull是最常見的最優(yōu)物種敏感性分布曲線?？紤]到物種敏感性分布的通用性、便捷性和可比性，大多數(shù)研究者傾向于使用對數(shù)正態(tài)分布和對數(shù)邏輯分布。然而，這些模型在本研究中的表現(xiàn)并不優(yōu)于Burr Ⅲ和Weibull模型。如圖3所示，6種重金屬對淡水底棲生物有不同的影響。6種重金屬HC5值的降序排列為As(0.210 mg/kg)>Ni(0.071 mg/kg)>Cr (0.052 mg/kg)>Zn(0.050 mg/kg)>Cu(0.006 mg/kg)>Pb(0.005 mg/kg)，說明在相同質(zhì)量分數(shù)狀態(tài)下，Pb對水生態(tài)環(huán)境的影響最為顯著。

圖3 6種重金屬敏感性分布曲線Fig.3 Distribution curve of species sensitivity of heavy metals to all species

4座典型水庫沉積物中重金屬的平均PAF由高到低依次為Zn(97.5%)>Cu(97.1%)>Cr(96.6%)>Zn(92.2%)>Pb(91.8%)>Ni(90.8%)，見圖4。4座水庫中6種重金屬的平均PAF均在90%以上。雖然物種敏感性分布曲線受到物種代表性、數(shù)據(jù)數(shù)量等因素的影響，但從結(jié)果來看沉積物對底棲生物的影響應(yīng)受到高度關(guān)注。不同物種對6種重金屬的耐受能力各不相相同，高質(zhì)量分數(shù)的重金屬沉積物可能會對物種豐度造成影響，江文淵等[31]發(fā)現(xiàn)于橋水庫底棲動物的分布與沉積物重金屬質(zhì)量分數(shù)呈負相關(guān)。沉積物中鉛的高質(zhì)量分數(shù)對底棲動物的多樣性和豐度有一定的影響，容易導(dǎo)致底棲動物的單一性。水庫沉積物中有豐富的底棲生物，底棲生物獨特的進食模式和生物調(diào)節(jié)機制在使其體內(nèi)積累了微量金屬。沉積物中的重金屬在底棲生物中積累，并通過食物鏈影響水生環(huán)境中的其他生物。與此同時，底棲生物的生命活動會對沉積物造成干擾，增加重金屬的暴露風險。

圖4 4座典型水庫重金屬潛在影響的物種比例Fig.4 Potential affected fraction of four typical reservoirs

4 結(jié) 論

本研究從地累積指數(shù)、潛在生態(tài)風險指數(shù)和物種敏感性分布3個指標評價了水庫沉積物中重金屬的危害。地累積指數(shù)和潛在生態(tài)風險指數(shù)顯示4座典型水庫重金屬沉積物生態(tài)風險處于優(yōu)良水平。物種敏感性分布結(jié)果顯示6種重金屬的平均PAF均在90%以上，重金屬沉積物對底棲生物的影響應(yīng)引起高度重視。運用3種生態(tài)風險評價方法從水生生物的角度，分析了水庫重金屬沉積物與水庫生態(tài)環(huán)境的關(guān)系，評價了水庫重金屬沉積物的生態(tài)風險等級。與此同時不難發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)階段水庫沉積物中重金屬質(zhì)量分數(shù)相對較低，生態(tài)風險水平較好，但沉積物中重金屬對水庫底棲生物的影響不可忽視。本研究的評價數(shù)據(jù)表明，為降低水庫生態(tài)風險水平，重金屬沉積物應(yīng)是生態(tài)風險管理關(guān)注的重要指標。