沙河底質沉積物重金屬污染評價及潛在風險分析

摘 要：為綜合評價與分析沙河底質沉積物中的重金屬污染狀況及其潛在生態(tài)風險，選取了沙河6個代表性站點，通過野外調查、樣品采集和實驗室分析，對底泥中的重金屬元素汞（Hg）、鎘（Cd）、鋅（Zn）、銅（Cu）、鉛（Pb）和砷（As）進行了測定，并引入地質累積指數(shù)法和潛在生態(tài)風險指數(shù)法對污染程度和生態(tài)風險進行了評估。結果顯示，沙河沉積物中重金屬含量自上游至下游逐漸降低，主要污染元素為Hg、Cd和Zn。地質累積指數(shù)分析表明，Hg在上游區(qū)域為中度污染，而其他重金屬元素如Cu、Pb和As未發(fā)現(xiàn)明顯污染。潛在生態(tài)風險指數(shù)分析表明，沙河上游區(qū)域的生態(tài)風險高于下游，尤其是G1點位，其重金屬的潛在生態(tài)風險指數(shù)遠高于其他點位，這與Hg的高含量和高毒性有關。

關鍵詞：底質沉積物；重金屬污染；地質累積指數(shù)；潛在生態(tài)風險

作者簡介：李瑤（1997-），男，碩士，研究方向：水域生態(tài)環(huán)境評價。 E-mail：3139488828@qq.com。

通訊作者：慕建東（1981-），男，研究員，研究方向：環(huán)境評價及生態(tài)修復。 E-mail：jesse.mu@163.com。

DOI：10.3969/j.issn.1004-6755.2024.10.009

河流作為地球上重要的水體資源，不僅對生態(tài)系統(tǒng)平衡和人類社會經濟活動具有不可替代的作用，也是眾多生物的棲息地和人類文明的搖籃。然而，隨著工業(yè)化和城市化的快速發(fā)展，河流環(huán)境面臨著前所未有的壓力和挑戰(zhàn)。河流底泥，作為水體中沉積物的重要組成部分，不僅是水體中營養(yǎng)物質和污染物的最終歸宿地，也是水體生態(tài)系統(tǒng)健康與否的重要指標。河流底泥中的重金屬污染問題，引起了國內外的關注，同時重金屬污染評價也逐漸成為研究的熱點。河流底泥中重金屬污染主要來源于工業(yè)排放、農業(yè)活動、城市生活污水以及大氣沉降等途徑。這些重金屬，如鉛（Pb）、鎘（Cd）、汞（Hg）、銅（Cu）、鋅（Zn）、砷（As）等，能夠在底泥中長期積累，并通過食物鏈傳遞，對生態(tài)系統(tǒng)和人類健康構成嚴重威脅。河流底泥中的重金屬含量和分布特征，不僅反映了河流流域內污染源的分布和強度，也指示了河流生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況和環(huán)境風險水平。

本研究通過對沙河底質沉積物重金屬污染的監(jiān)測和分析，評估河流底泥中重金屬的污染現(xiàn)狀，探8882fbbb119168cb0ba2ee109381e88b83d744771a905a1d1d27d45d82019815討其在河流生態(tài)系統(tǒng)中的遷移、轉化規(guī)律，以及對生物多樣性和生態(tài)功能的影響，以期為河流環(huán)境管理和生態(tài)修復提供理論依據(jù)，為實現(xiàn)河流生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展提供支持。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)域概況

沙河發(fā)源于山西省繁峙縣東白坡頭，流經多個區(qū)域，包括吳王口和五丈灣等，最終到達王快水庫，其主要處于曲陽交界位置。本研究依據(jù)相關資料分析了沙河的形態(tài)特征，結合交通情況和人為干擾等，將一些具有代表性的河段斷面選取出來，設置了6個采樣站點。站位分布見表1和圖1。

1.2 調查采樣時間

于2020年春夏秋三季對沙河進行現(xiàn)場調查取樣。

1.3 樣品采集與檢測

樣品采集范圍包括上游（冀晉交界）以及下游（王快水庫入口），樣品采集區(qū)域集中在河道中心。樣品采集依據(jù)《內陸水域漁業(yè)自然資源調查手冊》相關要求，從河道表層應用多點混合法獲取底泥沉積物，之后將其置于布袋中，經過通風晾干、粉碎過篩等操作處理，處理完成后的樣品保存于廣口瓶中以待檢測。沉積物中的重金屬元素Zn、Pb、Cd、Cu檢測采用原子吸收分光光度法（Atomicab sorption spectrophotometry，ASS），Hg、As元素檢測采取原子熒光分光光度法（Atomic Fluorescence Spectrophotometer，AFS）。

2 沉積物重金屬污染評價方法及潛在風險分析

采用地質累積指數(shù)法、潛在生態(tài)危害指數(shù)法對沙河沙河底質沉積物重金屬污染評價及潛在風險分析。

2.1 地質累積指數(shù)法

地質累積指數(shù)（Igeo）即Muller指數(shù)，在自然地質中分析了其形成的背景值，并將其考慮在內，同時從人為活動的角度考慮，分析了其引起的重金屬污染的具體情況。具體計算公式如下：

Igeo=log2CidK×Cis

式中：Cid為沉積物中重金屬i的實測值，mg/kg；K為造巖引起背景值波動的常數(shù)，取1.5；Cis為重金屬元素的背景值，mg/kg。

Forstner等根據(jù)Igeo值分為7個級別，如表2所示。

2.2 潛在生態(tài)危害指數(shù)法

潛在生態(tài)風險指數(shù)（Risk Index）是一種評估土壤或沉積物中重金屬污染對生態(tài)系統(tǒng)潛在風險的量化工具。Hkanson于1980年提出的方法，通過計算不同重金屬的污染負荷和毒性反應單位，綜合得出一個風險指數(shù)，用以評估污染的嚴重程度。

基于該方法，結合我國《土壤環(huán)境質量：農用地土壤污染風險管控標準（試行）》（GB 15618—2018）和《農用污泥污染物控制標準》（GB 4284—2018）等土壤及沉積物重金屬污染整治過程中常用參考標準進行分析。在分析過程中，使用河北省土壤重金屬背景值作為參照，對沉積物中常見的6種有害重金屬：As、Cd、Cu、Hg、Pb和Zn進行潛在生態(tài)風險評估。根據(jù)沉積物中重金屬的RI值，將潛在生態(tài)風險分為5個等級（見表3）。

具體計算公式如下：

Cif=CisCi0

Eif=Tif·Cif

RI=∑ni=1Eif

式中：Cif為i元素的污染指數(shù)；Cis為i元素濃度的實測值；Ci0為i元素的背景值；Eif為i元素的潛在生態(tài)危害系數(shù)；Tif為i元素的毒性響應系數(shù)；RI為潛在生態(tài)風險指數(shù)。

3 結果與分析

3.1 沉積物重金屬地質累積指數(shù)法

對沙河不同區(qū)域采集的表層底泥樣品分析了各重金屬元素的地質累積指數(shù)，結果表示沙河表層底泥中Cu、Pb、As金屬元素地質累積指數(shù)均小于0，都沒有產生相應的元素污染情況。除此之外，Zn元素從G1到G6，Igeo值在逐漸增大，但污染程度不高，并未達到中度污染。對于Cd元素，僅有G6點位Igeo值處于0～1，其它均小于0，因此可判斷出污染級別，即無-中度污染。對于Hg元素，其在沙河上游區(qū)域G1、G2、G3點位Igeo值均大于1，污染級別為中度污染，沙河下游三個點位Igeo值均小于1，為無-中度污染。根據(jù)上述評價結果，對重金屬污染情況排序，從大到小為： Hg、Zn、Cd、Cu、Pb、As，因此分析出該地區(qū)的主次要污染元素，分別是Hg和Cd、Zn。具體地質累積指數(shù)及污染級別如表4所示。

3.2 沉積物重金屬潛在生態(tài)風險分析

采用潛在生態(tài)風險指數(shù)法對6種常見有害重金屬（ As、Cd、Cu、Hg、Pb 和 Zn） 在沙河沉積物中的生態(tài)風險進行分析，結果如圖2所示，表層沉積物重金屬RI均值高低次序依次為：G1 （352.92）＞G3 （193.76）＞G2 （ 169.77）＞G6 （160.51）＞G5 （ 85.47）＞G4 （47.59）。從各金屬對RI的平均貢獻看，單個金屬風險值占RI的比例高低次序如圖3（封三）所示：Hg （78.74% ）＞Cd （17.33% ）＞As （1.41% ）＞Zn （1.13% ）＞Pb（0.95% ）＞Cu（0.44% ）。總體上沙河上游區(qū)域的RI值要高于下游接近王快水庫的區(qū)域，與各金屬含量趨勢相近，但由于各金屬毒性響應系數(shù)的差Zr5PWjXHOsuYA5Br3A6dww==異，導致RI趨勢有一定的波動。除了G1點位外，其余各點位表層沉積物重金屬RI均值均小于300，生態(tài)風險較低，G1點位位于沙河上游的起始點，水流來自山體泉水沉降，富含多種礦物質與重金屬，沉積物重金屬RI值高于300，具有高潛在生態(tài)風險；Hg金屬的RI值達到了333.92，達到極高水平，占比達到78.74%，是潛在生態(tài)風險較高的金屬元素。結合上述重金屬含量分析結果，該點位各種金屬含量均較高，尤其是對潛在生態(tài)風險貢獻較大的Hg金屬含量顯著高于其他點位，并且該金屬的毒性響應系數(shù)較高，導致該點位潛在生態(tài)風險更為突出。

4 結論與建議

本研究對沙河底質沉積物中的重金屬污染狀況進行了全面的監(jiān)測和分析，通過地質累積指數(shù)法和潛在生態(tài)風險指數(shù)法對污染程度和生態(tài)風險進行了綜合評估。研究結果揭示了沙河沉積物中重金屬含量的分布特征和污染現(xiàn)狀，并評估了其對生態(tài)系統(tǒng)的潛在風險。沙河沉積物中的重金屬含量自上游至下游呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢。這表明上游地區(qū)可能是污染物的主要輸入點，隨著河流的流動，污染物濃度逐漸降低。根據(jù)地質累積指數(shù)法的分析結果，沙河沉積物中的主要污染元素為汞（Hg）、鎘（Cd）和鋅（Zn）。其中，汞在上游區(qū)域表現(xiàn)出中度污染，而鎘（Cd）和鋅（Zn）雖然在某些點位的地質累積指數(shù)值較高，但整體污染程度并未達到中度污染。潛在生態(tài)風險指數(shù)法的分析顯示，沙河上游區(qū)域的生態(tài)風險普遍高于下游區(qū)域。特別是G1點位，由于其高含量的汞和相應的高毒性，表現(xiàn)出極高的潛在生態(tài)風險。

鑒于研究結果，建議對沙河上游地區(qū)實施更為嚴格的環(huán)境監(jiān)管措施，加強對工業(yè)排放和農業(yè)活動的監(jiān)控，以減少重金屬的輸入。同時，開展針對性的污染源調查，確定高風險點位的具體污染源，并采取相應的治理措施。為了降低沉積物中的重金屬含量和潛在生態(tài)風險，建議推廣清潔生產技術和可持續(xù)農業(yè)實踐，減少重金屬的排放。此外，加強公眾教育，提高對重金屬污染的認識和預防意識，也是降低污染風險的重要措施。考慮到河流生態(tài)系統(tǒng)的復雜性和動態(tài)性，建議建立長期的監(jiān)測機制，定期評估沙河沉積物中重金屬的含量和生態(tài)風險，以實現(xiàn)對河流生態(tài)系統(tǒng)健康狀況的持續(xù)跟蹤和管理。

通過本研究，不僅對沙河沉積物中的重金屬污染有了更深入的了解，而且為制定有效的環(huán)境保護策略和管理措施提供了科學依據(jù)。未來的研究應繼續(xù)關注沙河及其他類似河流的重金屬污染狀況，以促進水環(huán)境的持續(xù)改善和生態(tài)系統(tǒng)的健康發(fā)展。

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Evaluation of heavy metal pollution in the sediments of Shahe River and analysis of potential risks

LI Yao1，2，LIU Zhaoning1，2，YANG Chaochen1，2，MU Jiandong1，2

（1.Hebei Ocean and Fisheries Science Research Institute， Qinhuangdao 066200， China;

2. Hebei Key Laboratory of Marine Biological Resources and Environment， Qinhuangdao 066200， China）

Abstract：To comprehensively evaluate and analyze the heavy metal pollution status and potential ecological risks in the sediments of the Shahe River， six representative sampling sites were selected. Through field investigation， sample collection， and laboratory analysis， the heavy metal elements such as mercury （Hg）， cadmium （Cd）， zinc （Zn）， copper （Cu）， lead （Pb）， and arsenic （As） in the sediment were determined. The3a3a3cef2fc1bfe3150cf1b84baf57e5708e9ebd29b32e761263db0983f2fc02 geo-accumulation index method and potential ecological risk index method were introduced to assess the degree of pollution and ecological risks. The results showed that the content of heavy metals in the sediments of the Shahe River gradually decreased from upstream to downstream， with the main polluting elements being Hg， Cd， and Zn. The geo-accumulation index analysis indicated that Hg showed moderate pollution level in the upstream area， while other heavy metals such as Cu， Pb， and As showed no significant pollution. The potential ecological risk index analysis indicated that the ecological risk in the upstream area of the Shahe River was higher than that in the downstream area， especially at site G1， where the potential ecological risk index of heavy metals was much higher than those of other sites， which was related to the high content and high toxicity of Hg.

Key words：sediment; heavy metal pollution; geo-accumulation index; potential ecological risk

（收稿日期：2024-07-22）