青浦區(qū)白鶴鎮(zhèn)村級(jí)河道底泥重金屬污染調(diào)查與分析

朱益萍

(上海市青浦區(qū)白鶴水務(wù)管理所,上海 201700)

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展,污染物排放量增大,河流生態(tài)系統(tǒng)遭到破壞,尤其是河道底泥重金屬污染問題較為突出。重金屬污染物經(jīng)由周邊企業(yè)產(chǎn)生的廢渣、廢水及廢氣,通過雨水沖刷、地表徑流等途徑下進(jìn)入河流中,再通過吸附、絡(luò)合和沉降等作用富集在底泥中,在水環(huán)境條件發(fā)生變化后可能反向污染水體質(zhì)量[1-3]。由于重金屬污染具有潛在性、長(zhǎng)期性和生物毒性等特性,分析底泥重金屬污染狀況成為研究河流生態(tài)環(huán)境的焦點(diǎn),也是河道污染防冶工作重點(diǎn)[4]。

肖茗明等[5]對(duì)上海滴水湖及其引水河道的底泥進(jìn)行了分析,結(jié)果表明,重金屬鎘(Cd)呈累積趨勢(shì),同時(shí)也是滴水湖水系河道底泥中重金屬污染的主要貢獻(xiàn)因子。黃嘉良等[6]研究了江蘇省鎮(zhèn)江市不同河流、水庫(kù)、湖泊等代表性河道斷面底泥重金屬分布特征,結(jié)果表明,城區(qū)內(nèi)河河道和工廠附近河道底泥中重金屬污染程度較高,其主要與交通排放尾氣和工業(yè)排放廢水相關(guān)。鄭敏慧等[7]分析了蘇州100km2水網(wǎng)地區(qū)的河道底泥重金屬含量,結(jié)果發(fā)現(xiàn),污染水平達(dá)到中度及以上的重金屬有銅(Cu)、鉛(Pb)、鋅(Zn)、砷(As)、鉻(Cr)、鎳(Ni),結(jié)合相關(guān)性分析和主成分分析表明,底泥重金屬污染可能來(lái)源于尾氣排放、農(nóng)藥使用和電子制造業(yè)污染物排放。由此可見,開展底泥重金屬污染調(diào)查對(duì)河道污染防治和水環(huán)境質(zhì)量提升至關(guān)重要。

為持續(xù)改善上海市水環(huán)境質(zhì)量,“十三五”期間,青浦區(qū)多措并舉、多管齊下,全面開展河湖整治工作,水系統(tǒng)治理工作取得了顯著成效,區(qū)域內(nèi)河湖水面率提升至18.69%,基本消除劣Ⅴ類水體。為實(shí)現(xiàn)青浦區(qū)發(fā)布的《青浦區(qū)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和二〇三五年遠(yuǎn)景目標(biāo)》文件中提出的“基本實(shí)現(xiàn)河湖健康美麗、河湖生態(tài)品質(zhì)顯著提升”的建設(shè)目標(biāo),加快推進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)高質(zhì)量發(fā)展,區(qū)域內(nèi)河道水環(huán)境治理工作仍需加強(qiáng)。兩底泥污染狀況調(diào)查是河道治理實(shí)施前期工作中不可或缺的一環(huán),是制定相關(guān)治理措施的重要依據(jù)。目前,關(guān)于上海市的底泥重金屬污染評(píng)價(jià)的研究主要集中在黃浦江、蘇州河等河段,但對(duì)于村級(jí)河道底泥重金屬富集狀況研究較少[8-10]。

本文以青浦區(qū)白鶴鎮(zhèn)內(nèi)36條村級(jí)河道底泥為研究對(duì)象,定點(diǎn)采取河道底泥樣品并分析底泥樣品中重金屬含量,著重探討底泥中不同重金屬空間分布特征,并對(duì)河道重金屬污染狀況進(jìn)行評(píng)價(jià),以期為白鶴鎮(zhèn)水環(huán)境治理工作提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況及樣品采集

白鶴鎮(zhèn)位于青浦區(qū)北部,西與江蘇昆山市接壤,東與重固、華新鎮(zhèn)為鄰,南起青浦工業(yè)園區(qū),北至江蘇昆山市及嘉定區(qū),是青浦的北大門。全鎮(zhèn)總面積58.74km2,水域面積5.32km2。本次采集的底泥樣品來(lái)自白鶴鎮(zhèn)管轄范圍內(nèi)的36條村級(jí)河道,將每條河道中間段位置作為一個(gè)采樣單元,在采樣單元中設(shè)置5個(gè)采樣點(diǎn),用抓斗式采樣器采取0～15cm表層底泥,每份樣品采集1kg,然后將5個(gè)樣品混合裝入布袋,待排干大部分水后裝入密封袋。具體采樣位置見圖1,共采集混合樣品36個(gè)。

圖1 底泥采樣點(diǎn)位

1.2 樣品測(cè)試

將采集的河道底泥樣品運(yùn)送至實(shí)驗(yàn)室低溫冷藏。測(cè)試各項(xiàng)指標(biāo)前,將底泥進(jìn)行避光風(fēng)干,取部分樣品進(jìn)行低溫(40～50℃)烘干,研磨、過篩備用。底泥檢測(cè)指標(biāo)為Cd、Hg、As、Ni、Cu、Zn、Cr、Pb 8種重金屬含量。各種重金屬檢測(cè)方法見表1。

表1 檢測(cè)項(xiàng)目及方法

1.3 評(píng)價(jià)方法

目前,常用于底泥重金屬污染評(píng)價(jià)的方法有地累積指數(shù)法、污染負(fù)荷指數(shù)法及潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法[11-12]。地累積指數(shù)法可反映單個(gè)重金屬污染特征,難以反映采樣點(diǎn)綜合污染特征;污染負(fù)荷指數(shù)法可反映各個(gè)重金屬對(duì)區(qū)域污染的程度,也可反映重金屬時(shí)空分布特征,但未考慮不同重金屬帶來(lái)的背景差異;潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法綜合考慮了重金屬危害性及其對(duì)環(huán)境的影響,可反映各個(gè)重金屬對(duì)其的貢獻(xiàn)程度[13]。本文底泥分析的重金屬種類較多,且空間尺度較大,需考慮不同重金屬的危害性及其對(duì)采樣點(diǎn)的重金屬污染綜合程度。因此,本文選取潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法進(jìn)行評(píng)價(jià)研究。

(1)

(2)

表2 不同重金屬毒性響應(yīng)系數(shù)和背景值

表3 重金屬和RI與污染程度的關(guān)系[17-18]

2 結(jié)果與分析

2.1 重金屬分布特征

各個(gè)村級(jí)河道底泥重金屬含量特征見表4。從重金屬平均含量來(lái)看,研究區(qū)域內(nèi)村級(jí)河道底泥重金屬平均含量由高到低依次為Zn>Cr>Ni>Cu>Pb>As>Cd>Hg。對(duì)照《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》(GB 15618—2018)各項(xiàng)重金屬限值,除個(gè)別采樣點(diǎn)的鋅超標(biāo)之外,其他重金屬均在限值以下,在后續(xù)底泥處置中應(yīng)著重關(guān)注鋅的含量,并采取合適的處置方法。

表4 各個(gè)采樣點(diǎn)底泥重金屬含量的描述性統(tǒng)計(jì)

變異系數(shù)一般用來(lái)表示一組數(shù)據(jù)分布特征:變異系數(shù)<25%為均勻分布,25%≤變異系數(shù)<50%為弱分異型,50%≤變異系數(shù)<75%為分異型[19]。從變異系數(shù)來(lái)看,大小依次為Ni>Cu>Zn>Cr>Cd>Pb>Hg>As,Ni屬于分異型,Cu、Zn、Cr、Cd、Pb、Hg屬于弱分異型,As屬于均勻分布。重金屬Ni變異系數(shù)大于50%,可能受周圍人類活動(dòng)、水利條件影響較大[20]。

2.2 重金屬污染潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)

表5 研究區(qū)域河道底泥各種重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)及危害程度

研究區(qū)域內(nèi)河道底泥中8種重金屬的綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)RI為72.80～157.68,均值為111.67,各重金屬對(duì)綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)平均貢獻(xiàn)率見圖2。由圖2可知,重金屬Hg和Cd對(duì)綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)的平均貢獻(xiàn)率分別達(dá)到42.56%和27.09%。王磊等[21]也在研究中發(fā)現(xiàn),上海市河道底泥中Hg和Cd對(duì)綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)的貢獻(xiàn)率最大。因此,河道底泥處置工作應(yīng)著重關(guān)注這兩種重金屬的含量。

圖2 不同重金屬對(duì)綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)的貢獻(xiàn)率

2.3 重金屬的來(lái)源分析

2.3.1 重金屬Pearson相關(guān)性分析

相關(guān)性分析是衡量?jī)蓚€(gè)因素間的密切程度,相似來(lái)源會(huì)使因素間存在一定的相關(guān)性。因此,相關(guān)性分析是推測(cè)重金屬之間是否存在相同的污染源的重要依據(jù)[22]。本次采樣的底泥重金屬相關(guān)性見表6,由表6可知,在P<0.01的水平下,Cd與Cu、Pb、Zn、As、Cr呈中度正相關(guān)(0.5≤R<0.8),Cu與Zn、Cr呈中度正相關(guān)(0.5≤R<0.8),Pb與As呈中度正相關(guān)(0.5≤R<0.8),Zn與Cr呈強(qiáng)相關(guān)(R≥0.8)。在P<0.05的水平下,Cu與Hg、Pb與Cr、Hg與As呈弱相關(guān)(0.3≤R<0.5),Ni與其他7種重金屬不存在顯著相關(guān)性。因此可判斷該研究區(qū)域內(nèi)底泥中的Cu、Cd、Zn、Cr的污染源相似,Pb和As的污染源相似,Ni的污染源與其他7種重金屬來(lái)源不同。

表6 研究區(qū)域河道底泥重金屬相關(guān)性分析

**在0.01級(jí)別(雙尾),相關(guān)性顯著。

*在0.05級(jí)別(雙尾),相關(guān)性顯著。

2.3.2 重金屬R型聚類分析

為研究底泥中各項(xiàng)重金屬與污染源之間的關(guān)系,對(duì)所有底泥采樣點(diǎn)中的重金屬采用R型聚類分析,由圖3聚類分析結(jié)果可知,8種重金屬在聯(lián)動(dòng)距離為10時(shí)被分為4類,第1類為Zn、Cr、Cu、Cd,第2類為Pb和As,第3類為Hg,第4類為Ni,聚類分析結(jié)果與上述Pearson相關(guān)分析結(jié)果一致。

圖3 研究區(qū)域河道底泥重金屬R型聚類分析結(jié)果

Cd、Zn、Cu主要來(lái)自化肥和農(nóng)藥使用過程中產(chǎn)生的污染物,化肥和農(nóng)藥使用會(huì)導(dǎo)致這3種重金屬含量的升高[21]。據(jù)統(tǒng)計(jì),世界上通過化肥輸入到土壤中的Cr為0.03～0.38t/a,過量使用磷肥會(huì)造成Cr的累積[23]。因此可推測(cè)第1類重金屬污染源可能是來(lái)自農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中使用的化肥或農(nóng)藥。

Pb是機(jī)動(dòng)車污染源的標(biāo)識(shí)性元素,主要來(lái)自汽車尾氣、磨損的輪胎及剎車襯片等[24-25],含有這些重金屬的污染物釋放至環(huán)境中,在地面沉降后隨地表徑流進(jìn)入河道底泥。研究發(fā)現(xiàn),As主要來(lái)自工業(yè)或農(nóng)業(yè)廢水排放,同時(shí)也可能來(lái)源于交通運(yùn)輸產(chǎn)生的廢氣[26]。由此可見,第2類重金屬污染源可能是來(lái)自河道周邊區(qū)域的交通運(yùn)輸產(chǎn)生的廢氣。馬新耀等[27]研究發(fā)現(xiàn)河道沉積物中的Hg可能來(lái)自殺蟲劑和殺菌劑等農(nóng)藥。結(jié)合相關(guān)性分析結(jié)果,Hg和As呈弱相關(guān),可推測(cè)該研究區(qū)域內(nèi)的重金屬Hg的來(lái)源與第1類來(lái)源相似。第4類中僅有重金屬Ni,與其他重金屬?zèng)]有相關(guān)性,說明Ni與其他重金屬來(lái)源不同。一般Ni源于工業(yè)生產(chǎn)排放的污水,可推測(cè)第4類污染源可能為周邊的工業(yè)企業(yè)排放的污染物。為準(zhǔn)確識(shí)別研究區(qū)域村級(jí)河道底泥重金屬污染源,可考慮采用同位素示蹤法進(jìn)行源解析。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文以白鶴鎮(zhèn)36條村級(jí)河道為研究對(duì)象,對(duì)其底泥中重金屬含量進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)研究區(qū)域底泥重金屬含量受周邊環(huán)境影響較大,主要與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中使用的化肥或農(nóng)藥有關(guān)。因此,在疏浚底泥處置工作中應(yīng)著重關(guān)注各項(xiàng)重金屬含量,檢測(cè)符合標(biāo)準(zhǔn)后再進(jìn)行相應(yīng)的處置。同時(shí),在河道污染防治工作中,對(duì)河道周邊存在的污染源可從“源頭治理、過程攔截、末端凈化”3個(gè)方面進(jìn)行整治,鞏固前期河道整治成效,持續(xù)提升河道水環(huán)境質(zhì)量。