內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法在河道底泥重金屬污染評價中的應(yīng)用與研究

張 晶,鄔 立,馮曉琳

(1.華北有色工程勘察院有限公司,河北 石家莊 050021;2.河北省礦山地下水安全技術(shù)創(chuàng)新中心,河北 石家莊 050021;3.天津華北地質(zhì)勘查局,天津 300170;4.黑龍江省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站,黑龍江 哈爾濱 150090)

0 引言

底泥是河道水體重要內(nèi)源污染源,底泥污染物分布及環(huán)境影響評價研究對河道水體生態(tài)修復(fù)和避免二次污染具有重要意義[1-5]。我國在河道底泥污染評價尚無明確標(biāo)準(zhǔn),有學(xué)者對河湖底泥污染物作了一定程度的研究,但研究方向主要集中在污染物類別、污染分布規(guī)律、評價方法等領(lǐng)域[2-10],對河道底泥重金屬污染風(fēng)險的評價甚少。常用的評價方法有單因子指數(shù)法、內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法、潛在生態(tài)危害指數(shù)法、污染負(fù)荷指數(shù)法、地累積指數(shù)法等。薛嬌等運(yùn)用地累積法、潛在生態(tài)危害指數(shù)法、內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法在北京市蕭太后河開展了底泥重金屬研究,評價了7種重金屬(Cu、Zn、Ni、Cd、Pb、As、Cr)污染情況;賈寶杰等運(yùn)用潛在生態(tài)危害指數(shù)法對臺州安溶涇河道底泥中Cu、Zn、Pb、Cd重金屬污染物的生態(tài)風(fēng)險進(jìn)行評價。

本文運(yùn)用單因子指數(shù)法、內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法、潛在生態(tài)危害指數(shù)法對邢臺市某清淤河段底泥8種重金屬(鎘Cd、汞Hg、砷As、鉛Pb、鉻Cr、銅Cu、鋅Zn、鎳Ni)污染分布及生態(tài)環(huán)境風(fēng)險進(jìn)行評估,探索不同評價方法對河道底泥重金屬污染程度評價結(jié)果的差異,為河道水環(huán)境修復(fù)治理提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究河道全長25.81 km,河口寬度為8.5～40 m,河底寬度為4.5～20 m,河深約1.5～3.8 m。河道底泥厚0.5～2.3 m,表層為黑色、黑灰色流塑態(tài),有明顯惡臭氣味;深層底泥為黃色細(xì)砂層,無明顯嗅味。

2 樣品采集

本次研究在平面上垂直于水流方向均勻布設(shè)17條采樣斷面,見圖1。采樣點(diǎn)位于采樣斷面中心處。

在每個采樣點(diǎn)使用圓狀取土鉆采集3個樣品,置于干凈的玻璃器皿中,用塑料勺截取3個樣品中央未受擾動部分,置于取樣瓶中混合,形成一組檢測樣品。將取樣瓶編號、密封后低溫保存送往實(shí)驗(yàn)室。

將底泥樣品凍干處理,研磨過100目尼龍篩,按照《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)》(GB 15618-2018)提供的污染物分析方法檢測鎘、汞、砷、鉛、鉻、銅、鎳、鋅的含量。

3 評價方法

3.1 單因子指數(shù)法

單因子指數(shù)法是以元素背景值為評價標(biāo)準(zhǔn)來評價重金屬元素的累積污染程度的方法,是其它污染指數(shù)法、污染分級的基礎(chǔ)[11-12]。

單因子指數(shù)法表達(dá)式為:Pi=Ci/Si

(1)

式中:Pi為污染物i的環(huán)境污染指數(shù);Ci為污染物i的實(shí)測濃度;Si為污染物i的評價標(biāo)準(zhǔn),選取《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)》(GB 15618-2018)篩選值作為評價標(biāo)準(zhǔn),見表1。

若Pi≤1.0,則底泥沒有受到人為污染;若Pi>1.0,則底泥已受到人為污染,Pi越大則表明底泥重金屬污染程度越高。

3.2 內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法

內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法是基于單因子污染指數(shù)法,兼顧單元素污染指數(shù)平均值和最大值,突出高濃度重金屬元素污染作用的方法。它是國內(nèi)外進(jìn)行環(huán)境綜合污染指數(shù)計算的最常用方法之一。

表2 綜合污染指數(shù)分級標(biāo)準(zhǔn)

3.3 潛在生態(tài)危害指數(shù)法

瑞典科學(xué)家Hakanson根據(jù)重金屬性質(zhì)及環(huán)境特征,從沉積學(xué)角度提出了潛在生態(tài)危害指數(shù)法,被廣泛應(yīng)用于環(huán)境風(fēng)險評價中[13-21]。

潛在生態(tài)危害指數(shù)法表達(dá)式為:

(2)

表3 重金屬濃度背景值及毒性響應(yīng)系數(shù)

運(yùn)用潛在生態(tài)危害指數(shù)法評價底泥多元素生態(tài)危害程度分級標(biāo)準(zhǔn)見表4。

表4 潛在生態(tài)危害指數(shù)及分級關(guān)系

4 結(jié)果與討論

采集樣品中重金屬因子含量檢測結(jié)果見表5。

表5 底泥樣品檢測結(jié)果

4.1 底泥重金屬超標(biāo)情況

根據(jù)底泥取樣檢測結(jié)果,重金屬含量高于《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)》(GB 15618-2018)標(biāo)準(zhǔn)的有Cd、Cr、Cu、Zn。各項金屬因子超標(biāo)情況分別是:Cd濃度范圍為0.33～1.91 mg/kg,超標(biāo)樣品共11個,超標(biāo)率為64.7%;Cr濃度范圍為34～1 237 mg/kg,超標(biāo)樣品共4個,超標(biāo)率為23.5%;Cu濃度范圍為14～383 mg/kg,超標(biāo)樣品共4個,超標(biāo)率為23.5%;Zn濃度范圍為68.2～953 mg/kg,超標(biāo)樣品共6個,超標(biāo)率為35.3%。

4.2 單因子指數(shù)評價

按照單因子指數(shù)法計算各項金屬因子Pi值,Pi>1.0的金屬因子有:Cd、Cr、Cu、Zn。將該四項金屬因子Pi值繪制成柱狀圖,見圖2。

圖2 重金屬元素污染指數(shù)圖

由計算可知,PCd>1.0的采樣點(diǎn)有11處,max(PCd)為3.18,超標(biāo)樣品分別是Y1、Y3、Y4、Y6、Y7、Y9、Y10、Y11、Y15、Y16、Y17,在清淤河道的上游、中游、下游均有分布;PCr>1.0的采樣點(diǎn)有4處,max(PCr)為4.95,超標(biāo)樣品分別是Y7、Y9、Y10、Y11,主要集中在清淤河道的中游;PCu>1.0的采樣點(diǎn)有4處,max(PCu)為3.83,超標(biāo)樣品分布與Cr相同;PZn>1.0的采樣點(diǎn)有6處,max(PZn)為3.18,超標(biāo)樣品分別是Y3、Y9、Y10、Y11、Y15、Y16,主要分布在清淤河道的中游和下游。由以上分析可以看出,清淤河道重金屬污染程度較高的位置在清淤河段中游,采樣點(diǎn)Y7、Y9、Y10、Y11處。由以上分析可以看出,清淤河道重金屬污染程度較高的位置在清淤河段中游,采樣點(diǎn)Y7、Y9、Y10、Y11、Y15處。

4.3 內(nèi)梅羅綜合指數(shù)評價

按照內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法計算各底泥樣品PN值,并按表2評價分級,評價結(jié)果見表6。

表6 底泥多因子綜合污染程度

由評價結(jié)果可以看出,底泥樣品受重金屬元素綜合污染等級差別較大,多因子綜合污染指數(shù)PN最小值為0.424,最大值為3.794,平均值為1.282。底泥樣品處于非污染等級的有9處,多分布于清淤河道上游;處于輕度污染等級的有4處,分別為Y4、Y7、Y16、Y17、均布于清淤河道;處于中度污染等級的有3處,分別為Y9、Y11、Y15,分布于清淤河道中游和下游;處于重度污染等級的有1處,為Y10,分布于清淤河道中游。

4.4 潛在生態(tài)危害指數(shù)評價

經(jīng)計算,和RI數(shù)值見表7。

表7 底泥重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)

由計算結(jié)果可知,按照表4評價:樣品RI值均小于150,即均為低潛在生態(tài)風(fēng)險。環(huán)境風(fēng)險指數(shù)大于40的金屬元素只有Cd,其中樣品Y4、Y7、Y11、Y15、Y16、Y17中Cd含量處于[40,80),為中潛在生態(tài)風(fēng)險;樣品Y9、Y10中Cd含量處于[80,160),為較高潛在生態(tài)風(fēng)險,處于清淤河道中游;其它樣品均為低潛在生態(tài)風(fēng)險。

5 結(jié)語

(1)邢臺市某清淤河段底泥中,Cd、Cr、Cu、Zn四種重金屬含量高于篩選值范圍,其中Cd超標(biāo)數(shù)量最多,Cr超標(biāo)倍數(shù)最高。

(2)從底泥重金屬污染程度分布來看,清淤河道上游污染程度輕;中游染程度最重,以取樣點(diǎn)Y9、Y10、Y11處最重;下游污染程度中等,在取樣點(diǎn)Y15、Y16處較明顯。分析底泥污染程度與化工園區(qū)的分布、河流走向改變等因素相關(guān)。

(3)運(yùn)用三種方法對清淤河道底泥重金屬污染程度的評價結(jié)果指向一致,且各有特點(diǎn):單因子指數(shù)法計算簡便,但只能評價單項金屬元素的污染程度,且評價結(jié)果分級不明確;內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法可反映出多種元素的綜合污染程度,評價結(jié)果更嚴(yán)格、分級更精準(zhǔn);潛在生態(tài)危害指數(shù)法綜合考慮了重金屬含量、多元素協(xié)同作用、污染物毒性特征等因素,評價結(jié)果分級較為寬松。