流域底泥重金属分布特征及其生态风险评价

阳 辉，樊贵盛，刘 婷

（1.太原理工大学 环境科学与工程学院，山西 太原030024；2.太原理工大学 水利科学与工程学院，山西 太原030024）

水体污染不仅仅表现在水体富营养化以及各项有机污染物，重金属污染也是重要的部分。铅、锌、镉、铬、铜、镍等9种重金属被列入我国水中优先控制的68种污染物的“黑名单”［1］。而通过各种途径进入河流水体中的重金属绝大部分在物理沉淀、化学吸附等作用下迅速由水相转入固相，沉积于底泥中，因此底泥是河流中重金属的主要蓄积库，是河流水环境重金属污染的指示剂，影响着河流疏浚治理的效果。同时，重金属具有毒性甚至剧毒，不能为微生物所降解而通过富集作用累积，对生态环境具有潜在的生态危害性。

对于河流底泥污染物的研究是目前环境科学研究的热点问题，尤其是重金属污染，仅以研究底泥中重金属分布特征及来源为例，大致分为3类：一是选取某条河流为研究区［2］；二是以海湾为研究对象［3－4］；三是对湖泊水体沉积物重金属进行研究［5－6］。上述研究均选取的是单一的研究对象，对以多对象的研究还较少。在此基础上，本研究选取隶属于潇河流域的白马河和潇河同时为研究对象，通过对河流各段表层底泥中重金属含量进行同期检测、定量分析研究，得出流域底泥重金属分布特征，分析其成因，并进行潜在生态风险评价。研究结果可为重金属在黄土高原地区的流域河道底泥中的分布情况提供基础资料，为流域河道沉积物的污染防治和河道生态恢复及保护提供重要的理论和实验依据。

1 材料与方法

1.1 潇河流域概况

潇河流域地处黄土高原东部边缘，属大陆性半干旱气候，冬季寒冷干燥，夏季多雨炎热，多年平均降水量为483mm，多年平均气温10.1℃，多年平均蒸发量2 063mm。河道封冻期约90d，流冰期约20d。

潇河干流主要包括白马河和潇河两支。潇河为汾河的第二大支流，全长147km，流域面积3 894 km2，白马河全长66.7km，流域面积1 067.5km2。整个潇河流域包括包含了晋中地区的昔阳、寿阳、和顺、太谷、榆次、盂县（部分），太原市的小店区、清徐、阳曲（部分）等9个县区。根据调查得知，河水中污染物主要来源为寿阳、榆次县区，其中，寿阳县作为煤炭资源大县，有大量的工矿企业，包括食品厂、造纸厂、电厂、农副产品加工厂等，境内统计备案的排污口就多达9个；榆次区水资源严重不足，现有地表水很多由于污染严重已失去使用功能，河段堤岸防洪能力低且水土流失严重，占该区土地面积的70%，从而导致河道淤积，河床抬高。因此，进行采样的河流为白马河和潇河。

1.2 采样点布设

监测采样点采用GPS系统精确定位。考虑到整个流域的水文水质、河道走向和弯道、支流汇流处、陆上污染源的分布以及河道进污口等因素，设置并实施采样的点共8个。潇河共设5个采样点，其中，S1为位于潇河下游段的源涡大坝，S1下游至潇河入汾口由于水体的几何形状，如河流的断面形状和水深，以及河道坡度导致河底无淤积物，为砂砾石，因此无采样点。S2为距S1处8.4km的西窑镇生活污水排污口，S3为位于潇河中下游段的西洛镇，S4为位于潇河和白马河交汇后的芦家庄水文站，S5为位于潇河上游的白马河和潇河交汇前的松塔水库库尾。至于白马河，共设采样点3个，分别为S6马首乡，S7寿阳县印刷厂排污口，S8寿阳污水厂出水口。

1.3 采样方法

采样依次从流域下游至上游。样品主要采用直接挖掘法，取深度为0—20cm处的表层底泥。样品采集后，装入聚乙烯塑料袋中迅速带回实验室。

1.4 分析方法

底泥样品经过预处理以后，研细过100目筛，按照王水回流消解原子吸收法（NY－T1613－2008），经HNO3—HCl消解后，用原子吸收分光光度计测定重金属含量，所测重金属项目有Cu，Zn，Cr，Pb，Cd及Ni，同时做空白实验。所有器皿均用稀硝酸处理，去离子水洗净烘干待用。

2 结果与讨论

2.1 重金属分布特征及成因

经测定，潇河流域各采样点表层底泥中重金属的平均含量分布情况如图1所示。从图1可以看出，一方面，正常淤积下，整个流域，位于中上游的白马河底泥重金属含量高于下游的潇河底泥，即流域底泥重金属含量在水平方向呈“中上游流域高，下游流域低“的分布特征。具体看来，每条河流，无论是白马河还是潇河，重金属含量在水平方向上同样呈“上游河段高，下游河段低”的分布趋势。

另一方面，各种重金属含量在白马河的S7，潇河的S2却又表现下游河段高于上游的变化特征，尤其是Cu和Zn含量，表现出一致的变化趋势，这点说明Cu和Zn在底泥中的含量具有相关性。经过调查发现，S7点旁有一造纸厂的排污口，其污水未经处理直接排入河道，其中含有Pb和Cr等，且其上游S6点排出的为寿阳污水厂处理后的出水口，该点说明污水厂在处理污水时只去除了水中的COD、氮磷等物质而并未对水中重金属进行任何处理。同样，S2点旁设有西窑居民的生活污水排污口以及新增污水来源，分别来自源涡，榆次，清徐等三个乡区的工矿企业，包括食品加工厂，电厂等排出的“三废”和生活污废水。而这些污废水中含有大量Zn，Ni，Pb等重金属，由此可知底泥中的重金属主要来自水体中的重金属，关键在于河流是否有外排污口——重金属污染源。

同时，水为底泥中重金属的迁移转化创造了化学条件，为底泥中重金属的吸收与释放提供介质。因此，底泥重金属受到某些水质参数的影响，研究表明镉是水迁移性元素，除硫化镉外，其它镉的化合物均能溶于水，其溶解度受碳酸根或羟基浓度所制约；天然水体中铅主要以Pb2＋状态存在，其含量和形态明显受CO2－3，SO2－4，OH－和Cl－等含量的影响；铬在水体中主要以3价和6价铬的化合物为主，3价铬大多数被底泥吸附转入固相，少量溶于水，迁移能力弱。6价铬毒性比3价铬大，它可被还原为3价铬，然后被悬浮物强烈吸附而沉降至底部颗粒物中，还原作用的强弱主要取决于COD值，COD值越高，则还原作用越强；水体中大量无机和有机颗粒物，能强烈地吸附或螯合铜离子，使铜最终进入底部沉积物；在天然水的pH范围内，锌都能水解成可溶性配合物，在水体中易生成化学沉积物向底部沉积物迁移，其含量为水中的1万倍；镍常与水中硝酸盐形成可溶性配合离子随水流迁移［7］。据此，由于待测水体中重金属含量相对较少，所以选取pH值，COD，NO3—N，NH4—N，总磷，总硬度和电导率7个水质参数作为研究对象，得出水质参数与底泥中重金属含量分布的关系。水样的分析方法按照《地面水环境质量标准（GB3838—83）》中提供的采样和分析方法。

为减少分析过程中因素过多，故对水质参数进行主成分分析（PCA），分析结果详见表1。取特征值大于1的主成分（P5—P7）进行分析，然后分别将6种重金属的含量与这3个主成分进行回归分析，得出水质对底泥中各种重金属含量的影响。

图1 潇河流域各采样点表层底泥中重金属平均含量分布

表1 潇河流域河流水质主成分分析结果

对于表1进行分析可得，对于潇河流域河流水质来说，可以分为3大类影响因素。第5个主要成分可以表示的是水中Ca＋，Mg2＋含量的特征；第6个主要成分表征的是水质的酸碱程度；第7个主要成分水中硝态氮含量的特征。将底泥中各重金属的含量与3个主要成分进行多元线性回归分析，分别得出回归方程：

河道底泥中重金属的含量受到河流水质多种因素的影响，对于潇河流域来说，对各回归方程中各主成分的系数进行对比分析可以得出，对于底泥中Cd的含量来说，主要是受水中硝态氮含量的影响，经测定，样点S2和S1处水中的硝态氮含量分别为4.325和5.904mg／L，在所有采样点中处于最高水平，从图1可知，样点S2和S1处底泥中的镉含量同样处于较高水平，该点说明水中硝态氮含量越高，溶解态镉含量越低，镉更容易被水体中的沉积物所吸附；对于Cr，Pb，Cd，Cu，Ni来说，主要是受水质硬度的影响，通过测量各采样点处水中硬度含量，得出各采样点硬度含量大小顺序为：S6＞S4＞S7＞S8＞S2＞S1＞S5＞S3。从图2看出，硬度靠前的采样点处底泥中的各个重金属含量同样也是靠前的，由此可知，水中硬度含量大，水中重金属离子更容易通过沉淀，络合等作用富集到河道底泥中。因而控制河流底泥中的重金属含量主要是从调节河流水质硬度特征着手，其次是控制河水中硝态氮含量。此外，流域各采样点重金属含量参照《土壤环境质量标准（GB15618—1995）》一级标准（图1中虚线所对应的值），从图1可看出，除Cd以外，其他其它重金属平均含量均低于土壤质量一级标准值，而Cd的平均含量虽偏高，也是低于土壤质量三级标准值（1.0mg／kg）。因此，潇河流域底泥重金属污染属于原生型污染，对河道进行生态保护时可考虑采用近自然恢复措施［8］。

2.2 潜在生态风险评价

目前，底泥中重金属污染评价方法主要有地质累积指数法［9］、污染负荷指数法［10］、潜在生态危害指数法［11－14］、健康风险评价方法［15］、模糊数学法［16］和基于GIS地统学评价方法［17］等。

潜在生态指数法是瑞典学者Hakanson于1980年提出的一套应用沉积学原理评价重金属污染及生态危害的方法，被国内外学者广泛的应用于研究河流和海域沉积物重金属污染评价。从环境学的意义，地球化学元素的污染评价主要是评价其污染程度对生态系统或人类健康的威胁程度，而潜在生态危害指数计算加入的毒性因子恰恰能满足评价需求，因而使用这种方法具有实际的价值。并且潜在生态危害指数法可反映：（1）潜在生态危害指数应随污染程度的加大而增大；（2）多种金属污染的沉积物的潜在生态危害指数应高于少数几种金属污染的沉积物；（3）毒性高的金属应该对潜在生态指数的数字有较大贡献；（4）对金属污染敏感性大的水体应有较高的潜在生态危害指数。

因此，选择潜在生态危害指数法评价潇河流域底泥中重金属的污染程度。根据这一方法，底泥中第i种重金属的潜在生态危害参数（）及底泥中多种重金属的潜在危害指数（RI）可分别表示为：

由表2—3可知，从单因子污染参数来看，Cu，Zn，Cr和Ni的污染参数值介于0.16～0.84之间，均小于1，所有的采样点都属于轻微污染；Pb的污染参数值除位于白马河的S6和S7为1～3，属于中等污染，其余大部分采样点均小于1，属于轻微污染；Cd的污染参数值大部分点都在2.05～2.85，属于中等污染，除S2点为重度污染。对潇河流域表层底泥中重金属的复合污染状况评价结果是：Cd＞Pb＞Ni＞Cu＞Cr＞Zn。其中，Cd元素的值介于19.50～99.00之间，属于轻微到强生态危害；其余5种元素的Eir值均小于40，属于轻微生态危害。

表2 重金属污染潜在生态风险等级划分

表3 表层底泥中重金属的潜在生态危害系数与危害指数

3 结论

（1）在无外排污水口的情况下，流域河道底泥重金属含量水平分布呈“中上游流域高，下游流域低”的趋势；非正常淤积下，如河道起伏不定，河流有新的污染物注入，降雨等，影响其在底泥中的累积入渗量，便会表现出下游高于上游的分布特征。

（2）流域河道底泥重金属含量易受河流水质的影响，运用PCA分析水质参数与重金属的关系，得出3个主要的影响因素由强到弱依次为：水的硬度＞水中硝态氮含量＞酸碱度。对潇河流域底泥重金属污染的潜在生态风险评价，Cu，Zn，Cr和Ni属于轻微污染，Pb属于轻微到中等污染，Cd属于中等到强度污染，各重金属对河道生态风险构成危害的影响程度大小顺序依次为：Cd＞Pb＞Ni＞Cu＞Cr＞Zn。对于潇河流域来说，总潜在生态风险为轻微，就各个采样点而言，综合污染状况以潇河下游的西窑和白马河寿阳污水厂出水口处最严重，潇河上游的白马河和潇河交汇前的松塔水库库尾处的重金属污染最轻，这主要是受镉浓度含量的影响，因此，应该限制西窑镇居民生活污水的排放以及加强污水厂对重金属的处理和处置。

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