延河底泥的重金屬分布特征和生態(tài)風險評價

王理明,崔雙虎,邵瑞華,劉成國,侯 康

(1.西安工程大學 環(huán)境與化學工程學院,陜西 西安 710048;2.延安市生態(tài)環(huán)境局,陜西 延安 715700;3.中化學城市投資有限公司,陜西 西安 710054)

0 引 言

河流底泥是河流生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,在氣候調(diào)節(jié)和維持生態(tài)平衡方面起著至關重要的作用[1]。隨著城鎮(zhèn)化、工業(yè)化的快速推進,污染物排放量增大,導致河流生態(tài)系統(tǒng)被破壞,河流底泥中重金屬污染是造成河流污染的主要因素之一[2-4]。重金屬污染具有富集性、潛在性、持續(xù)性和生物毒性,是環(huán)境科學和生態(tài)毒理學關注的焦點,也是環(huán)境治理的工作重點[5-7]。重金屬進入河流后富集于河流底泥中,成為河流二次污染的“源”和“匯”[8]。同時,重金屬通過水體底棲生物的代謝活動進入食物鏈,進而威脅人民的生命健康[9]。河流底泥重金屬污染評價方法主要有潛在生態(tài)風險指數(shù)法和地累積指數(shù)法[10-11],潛在生態(tài)風險指數(shù)法側重于重金屬的毒性和生態(tài)效應,既能反映某一種重金屬元素潛在的生態(tài)風險,又能反映某個采樣點整體的重金屬潛在生態(tài)風險,地累積指數(shù)法更加側重于地質(zhì)背景的影響,而未考慮重金屬污染對生物的毒害性,將2種方法結合可準確地分析延河底泥重金屬的生態(tài)風險。

延安是中國革命圣地,延河屬于黃河流域陜西段的重要一級支流,承擔了延安防洪、排澇和納污等功能[12]。目前對延河底泥重金屬污染特征和生態(tài)風險評價方面的研究較少,為了落實黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展的國家重大戰(zhàn)略,助力延安“一河一策”的攻堅戰(zhàn)的勝利,本文分析延河9個采樣點的Cr、Ni、Pb、Cu、Cd、Zn、Hg和As等8種重金屬含量的分布特征和和生態(tài)風險。

1 樣品采集與評價方法

1.1 樣品采集

2020年8—9月,根據(jù)延河地理位置特點和城市規(guī)劃,設置馬鞍橋(S1)、安塞(S2)、上李家灣(S3)、石窯村(S4)、朱家溝(S5)、甘谷驛(S6)、楊家灣(S7)、譚家河(S8)、閻家灘(S9)等9個采樣點。在各采樣點(2 m×2 m)的不同位置采集3個平行樣品,現(xiàn)場將3個平行樣品充分混勻為1個樣品,底泥樣品采集利用抓斗式采樣器采集表層0～10 cm的底泥,隔絕空氣密封于預清洗過的自封袋,低溫儲存運回實驗室。

1.2 樣品處理及測試

待底泥樣品完全風干后,利用瑪瑙研缽在振動研磨儀中磨碎,過100目尼龍篩。底泥樣品重金屬的測定方法見文獻[13],Cr、Ni、Pb、Cu、Cd、Zn、Hg和As在HCl-HNO3-HF-HClO4消解系統(tǒng)中消解,此過程保證了底泥樣品完全消解,并得到澄清的溶液。消解過程中采用GBW07304a水系沉積物和空白對照實驗進行質(zhì)量控制,標樣測定結果均在標準值的誤差范圍內(nèi)。使用ICAPQ-MS型電感耦合等離子體發(fā)射光譜(美國 Thermo Fisher Scientific 公司)測定樣品中重金屬含量。

1.3 評價方法

1.3.1 潛在生態(tài)風險指數(shù)法

潛在生態(tài)風險指數(shù)法,由瑞典地球化學家Hakanson提出[14],引入潛在生態(tài)風險指數(shù)(IR)評價重金屬的污染情況。IR計算公式:

(1)

表1 Ei、IR與底泥中重金屬污染程度的關系

1.3.2 地累積指數(shù)法

地累積指數(shù)法是一種定量研究水環(huán)境中重金屬污染的評價方法[17],引入地累積指數(shù)(Igeo)評價底泥中的重金屬污染程度。Igeo計算公式:

Igeo=log2(Ci/kBi)

(2)

式中:Ci為底泥中第i中重金屬的含量,mg/kg;Bi為第i中重金屬的地球環(huán)境背景值;k為用于校正研究區(qū)域背景值差異,一般取1.5。Igeo與底泥中重金屬污染等級的關系見表2。

表2 Igeo和污染程度的關系

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

采用Excel 2016進行數(shù)據(jù)預處理,通過Origin 2018軟件分析延河底泥中8種重金屬含量的分布特征和潛在生態(tài)風險,并通過IBM SPSS Statistics 26軟件分析延河底泥各重金屬元素含量之間的Pearson相關性,揭示各重金屬元素之間來源的相似性。

2 結果與討論

2.1 重金屬含量分布特征

延河底泥樣品重金屬含量的最大值、最小值、平均值和變異系數(shù)(CV)見表3。

表3 延河底泥樣品中重金屬含量的描述性統(tǒng)計

延河底泥中Cr、Pb、Cu、Zn、Ni、As、Cd和Hg等8種重金屬的含量全部低于GB 15618—2018農(nóng)用地土壤污染風險管控中pH在6.5～7.5區(qū)間的農(nóng)用地土壤篩選值,視為安全。延河底泥中重金屬Cr、Pb、Cu、Zn、Ni、As、Cd和Hg平均含量分別為124.56、98.21、66.00、46.20、22.64、4.45、0.14、0.11 mg·kg-1,與陜西省土壤環(huán)境背景值相比,Ni、As、Zn的平均含量低于土壤環(huán)境背景值,Pb、Hg、Cu、Cr和Cd等5種重金屬的平均含量分別高于環(huán)境背景值5.8、4.4、3.2、1.8和1.4倍,說明延河中的5種重金屬存在不同程度的污染。

變異系數(shù)可以用于衡量數(shù)據(jù)的離散程度[18],變異系數(shù)值越大,表示數(shù)據(jù)變異程度越高,當變異系數(shù)值大于0.20,表明人類活動是影響重金屬變化的關鍵驅(qū)動因素。延河底泥中Zn、Pb、Cd和Cr的變異系數(shù)均小于0.20,說明9個采樣點的Zn、Pb、Cd和Cr空間分布相對均勻;而Hg、As、Cu、Ni的變異系數(shù)大于0.20,說明這4種重金屬在延河中分布差異較大,可能與水動力條件和人為活動等因素有關[19]。

延河底泥的Cr、Ni、Pb、Cu、Cd、Zn、Hg和As含量分布特征如圖1所示。

(a) Cu、Zn含量變化 (b) Ni、As含量變化

從圖1可以看出,延河底泥的8種重金屬含量分布特征不同。其中Pb、Cr和Cu、Ni在空間分布上呈現(xiàn)相似規(guī)律,均出現(xiàn)了2個峰值;Cd含量較高,但總體變化規(guī)律較小;Zn含量在空間分布上表現(xiàn)出上游到中游遞增,下游波動較小的特征;As和Hg的含量總體上變化較大,無明顯規(guī)律?？傮w來看,延河底泥的8種重金屬分布特征呈現(xiàn)差異性,主要變化發(fā)生在河道“拐彎處”,因為“拐彎處”水動力減弱,重金屬沉積于底泥[20]。

2.2 潛在生態(tài)風險指數(shù)污染評價

延河底泥中重金屬的生態(tài)風險系數(shù)Ei如圖2所示。

圖2 延河底泥中重金屬(Ei)

從圖2可以看出,延河底泥Ei從大到小為Hg>Cd>Pb>Cu>Ni>Cr>Zn>As。其中EHg在100～400之間, S1和S5為很強的潛在生態(tài)風險, S8為極強潛在生態(tài)風險。這是因為3個采樣點居住人口較少,S1和S5采樣點水土流失現(xiàn)象嚴重,S8為延河下游河床暴露,土壤母質(zhì)化學過程中釋放Hg元素。其次是ECd在20～60之間, S1、S3和S4為低污染風險,其余6個采樣點為中等潛在生態(tài)風險,該區(qū)域主要以居民和工業(yè)為主,采礦業(yè)和生活污水排放不合理。EPb在20～50之間,S6為中等污染等級,其余8個采樣點均為低污染。除EHg、ECd和EPb,延河底泥中Cu、Ni、Cr、Zn和As的Ei值均介于0～40之間,屬于低污染等級。

延河底泥中重金屬的潛在IR如圖3所示。

圖3 延河底泥中重金屬的潛在IR

從圖3可以看出,延河9個采樣點的IR介于206.67～434.87之間,平均值為303.14,中等生態(tài)風險和強生態(tài)風險分別占11.1%和88.9%。IR從高到低為S8>S1>S5>S7>S2>S3>S6>S9>S4。其中Hg對各采樣點的IR貢獻為44%～79%, Cd為9%～19%,Pb為6%～17%。從河流流向看,IR從上游到中游呈下降趨勢;中游到下游出現(xiàn)了2個峰值,在S8采樣點IR達到最大值434.87,接近很強的潛在生態(tài)危害。

2.3 地累積指數(shù)污染評價

底泥單一重金屬污染的Igeo如圖4所示。

圖4 底泥單一重金屬Igeo

從圖4可以看出,延河8種重金屬的Igeo順序為Pb>Hg>Cu>Cr>Cd>Ni>Zn>As。根據(jù)Igeo分級標準:Ni、Zn和As的Igeo均小于0,屬于無污染;Cd的Igeo在-0.37～0.11之間,屬于無-輕度污染;Cr的Igeo為0.28,屬于輕度污染;Pb、Cu和Hg的Igeo分別為1.94、1.46、1.08,屬于偏中度污染。重金屬Hg的Igeo最大,整體為偏中度生態(tài)污染,其中S1和S8達到了中度生態(tài)污染狀態(tài)。重金屬Cu在不同采樣點的差異性較大,以輕-偏中度污染為主,在S3達到了中度污染。重金屬Pb在不同采樣點主要處于偏中度和中度污染水平。

2.4 重金屬含量相關性分析

通過分析底泥重金屬含量之間的相關系數(shù),可以判斷不同金屬之間的來源,有顯著正相關性的重金屬則有相似的污染來源[21]。延河底泥中重金屬含量的Pearson相關性分析結果見表4。

表4 延河底泥中重金屬含量相關性分析

從表4可以看出,延河底泥重金屬Cr-Cd、Zn-Cr、Hg-Cd、Hg-Ni、Hg-Pb、Hg-Cu、Hg-Cr和Hg-Zn之間無顯著相關,說明這些重金屬元素兩兩之間來源不同;Cd-Ni的相關系數(shù)是0.767(p<0.05),呈顯著相關,說明Cd-Ni存在部分相似的來源。Ni-Cu相關系數(shù)為0.972(p<0.01),呈極顯著相關,說明Ni-Cu有高度相似的來源,且Ni、Cd、Cu之間存在相關性,即這3種重金屬具有一定的同源性或相同的地球化學過程。

由上可知,延河底泥主要存在Cd、Pb、Cu、Cr和Hg等5種重金屬污染。因為延河范圍內(nèi)存在石料場、較密集的石油開采企業(yè)、熱力和水泥制造等行業(yè),該類工業(yè)導致延河流域工業(yè)“三廢”的增加。轄區(qū)內(nèi)的工業(yè)企業(yè)大部分排水處理后進入延河,造成延河底泥重金屬Cd、 Cr和Cu的污染;同時,延河也是延安市的主要交通要道,汽車尾氣的排放、汽車輪胎和引擎的磨損、化石燃料燃燒和潤滑油的泄露都會導致重金屬Pb的積累,最后通過降雨匯集于河道,導致底泥重金屬Pb污染。重金屬Hg在S1和S8污染等級高,主要流域內(nèi)受表層土壤在暴雨徑流時的侵蝕、沖刷和石油行業(yè)污染[22]。因此,延河底泥重金屬污染主要來源于工業(yè)生產(chǎn)、道路交通和地質(zhì)活動等。

3 結 論

1) 延河9個控制斷面底泥中Cr、Pb、Cu、Zn、Ni、As、Cd、Hg的平均含量分別為124.56、98.21、66.00、46.20、22.64、4.45、0.14、0.11 mg·kg-1,其中Ni、As和Zn低于陜西省環(huán)境背景值,Pb、Hg、Cu、Cr、Cd分別超過陜西省環(huán)境背景值4.4、3.2、1.8、1.4倍,整體處于較高污染水平。

2)IR結果表明,延河8種重金屬的Ei由大到小為Hg>Cd>Pb>Cu>Ni>Cr>Zn>As;IR值介于206.67～434.87之間,平均值為303.14,中等生態(tài)風險和強生態(tài)風險分別為11.1%和88.9%。

3)Igeo結果表明,延河底泥重金屬的污染程度為Pb>Hg>Cu >Cr>Cd>Ni>Zn>As。其中Ni、Zn和As的Igeo均小于0,屬于無污染,Cd的Igeo在-0.37～0.11之間,屬于無-輕度污染,Cr的Igeo為0.28,屬于輕度污染,Hg、Cu和Pb的Igeo分別為1.46、1.08和1.94,屬于偏中度污染,說明延河底泥8種重金屬存在不同程度的污染。