城市景观河流底泥重金属污染及生态风险评价

杨远伟

（福建师范大学 地理科学学院，福建 福州 350007）

底泥通常指河流、湖泊等自然界水体的沉积物，是各种水体污染物聚集的地方。进入河流中的重金属几乎不可以通过水中微生物的降解作用而消除，日积月累，逐渐转变为固相，最终沉积于河流底泥之中[1]。河流底泥重金属对水环境造成极大的危害，在环境条件发生改变时会通过二次污染危及河流水生动植物的正常生长，并通过食物链的扩大效应对流域附近居民的身体健康产生严重的消极影响[2]。本文选取宿州市景观河流作为研究对象，根据实际情况，在河流内科学合理布设 12 个采样点，测定 Cu、Zn、As、Cr、Pb、和 Ni的浓度值，进一步分析其污染情况，并研究河流生态风险。旨在确定主要污染物及重点控制区域，为宿州市景观河流的底泥修复、水环境治理提供科学依据，对景观河流的水环境保护具有重要意义。

1 样品采集分析及评价方法

1.1 研究区概况

宿州市位于安徽省北部。地理位置东经116°09′～118°10′、北纬 33°18′～34°38′，总面积 9 787 km2，总人口642.32万人。流经宿州市境内的河流主要有沱河、汴河、浍河等，不同规模的河流总计70多条，总长度约2 800 km。宿州市景观河流是发源于沱河的一条支流，地处暖温带，环绕宿州市老城区，河流水深大约1.5 m，河流宽大约20 m，全年平均流量为5～60 m3/s[3]，20世纪中期曾是宿州主要饮用水源。近年来，由于流域附近人口规模快速增加，工矿企业迅速发展，产生的各种污染物通过不断渗透进入景观河流中，引起了水质性缺水问题，制约了城市的发展。

1.2 样品采集与处理

设置12个采样点，如图1所示。2015年3月之前对12个点位进行采样，由于宿州市景观河流东面河流附近地理位置较为偏僻，工业区和商业区布局较少，只有少量住宅区，污染来源主要为生活垃圾，所以只布设H1采样点；景观河流北面河流附近是人流最为密集的公共核心区，分布众多工业、商业、居住等不同功能区，污染来源种类复杂多样，因此，从东向西取相同间隔距离布设H2-H7一共6个采样点，其中H5采样点位于景观河流汇入沱河交界处；南面河流附近相比较而言远离城市中心区域，因此布设H10、H11、H12三个采样点；西面河流布设H8和H9两个采样点；使采样点收集的数据更全面，更可靠。

图1 研究区地理位置及采样点分布

利用手持和重力式采样器对宿州市景观河流表层底泥进行采集，此种方法优点是保留了细小的表层沉积物，可有效地获取复制样品，实现定量采集。采样深度为底泥表层0～20 cm，除去底泥中的碎石、木屑等杂质，混合均匀，自然风干后立即封存于干净的聚乙烯袋中分别贴上标签，压出袋内空气，袋口打结，将此袋放入洁净的广口玻璃瓶中，迅速运回实验室，对样品进行压碎，研细过100目筛，避免日光直接照射，放置在通风处保存。

利用原子荧光光谱仪测定河流底泥中6种重金属的实际浓度值。此种方法与其他测试方法相比较，具有检测速度快、普查范围大、测试精确度高等优点，被广泛适用于各种土壤、水体、矿石等样品的测定。为保证精确度和减少随机误差，试验所用玻璃及聚乙烯器皿均以2 mol/L的HNO3充分浸泡24 h以上，进行消毒，利用国际沉积物标准样，湖底底泥顺序提取标准样（GBW07436），进行质量控制。所有样品的分析全部重复3次，然后取其均值。最终测试的结果与标准给定值相比较误差在±5%左右，所以，测定6种重金属元素的实际含量值准确度高，符合质量控制标准[4]，具体见表1。

表1 全量测量及误差

1.3 研究方法

目前，由于国外河流保护工作起步较早，对河流底泥重金属污染风险评估做了大量工作，研究方法也比较多，被广大学者普遍认可的主要有：综合污染指数法、地累积指数法、因子富集法、沉积物富集系数法、回归过量分析法、潜在生态危害指数法和脸谱图法等,这些评价方法根据不同重金属的特性和评价目的不同，使用的理论基础和实验方法存在差异。因此有必要采用多种方法对景观河流进行综合评价进行相互补充和完善。结合本研究实际,使用潜在生态危害指数法和地累积指数法两种方法对宿州市景观河流底泥重金属污染进行分析研究，使结果更符合客观实际情况。

1.3.1 地累积指数法

地累积指数(index of geoaccumulation，Igeo)法，是在20世纪70年代出现的，普遍应用于沉积物及其他物质中重金属等污染的研究评估。地累积指数Igeo的计算公式[5-6]如下：

其中，Bn为当地沉积物中该元素的背景值，或其他指导建议值；Cn为土壤或沉积物中该元素的实际含量值；k为考虑成岩作用等可能引起背景值及指导建议波动的常数，一般常数k=1.5。

根据Igeo数值范围的大小的不同，污染程度划分无污染到严重污染7个级别，分别对应环境风险级别0～6级，具体见表2。

表2 地累积指数法的判断标准

1.3.2 潜在生态风险指数法

潜在生态风险指数法是Hakanson于20世纪80年代年提出的，此法不仅能够反映河流中单一重金属的污染状况，也能够分析多种污染物的综合状况。因而使用这种方法评价宿州市景观河流生态风险具有实际价值。其公式为[7～9]：

式中，RI为多种污染物的潜在生态危害指数，为第i种重金属的潜在生态危害指数，为第i种重金属的毒性系数，具体值见表2，为第i种重金属的污染系数，为样品中第i种重金属的实际含量值；为第i种污染物含量背景值，根据实际情况使用安徽省背景值，具体值见表3。潜在生态风险指数法判断标准见表4。

表3 安徽省土壤重金属背景值和毒性系数

2 结果与讨论

2.1 宿州市景观河流底泥重金属的含量分布

宿州市景观河流12个采样点中Cr、Cu、Zn、Ni、As和Pb实测浓度值如表5，本文采用安徽省背景值为参照。

由表5的测定结果分析得到，河流中所有采样点中，H1、H2、H4、H5、H7、H8、H9、H10、H11 和H12一共10个点重金属Cr实际值高于参考值，最高值位于 H4，为 102 mg/kg，是参考值的 1.6倍，最低值出现在H6，为54 mg/kg，低于背景值，Cr平均值为73.1 mg/kg，略高于土壤背景值；Ni实测值只有H4为108 mg/kg，是其1.58倍，其余全部低于背景值，最小值位于H3采样点，为10 mg/kg，Ni的平均值为47.5 mg/kg，略低于背景值，说明Cr污染比较轻微；Cu的实测值只有H4低于土壤背景值，为41 mg/kg，其余11个点全部不同程度高于土壤背景值，最大值出现在H3采样点，为 173 mg/kg，是背景值 7 倍，H1、H5、H6、H7、H9、H10、H11、H12采样点均超过土壤背景值的2倍，Cu实测均值为105.8 mg/kg，是参照值的2.3倍，说明污染较为严重；Zn实测值除了H4低于背景值，其余均大于背景值，最大值1 040 mg/kg位于H7，是背景值的8.8倍，污染较为严重。Ni含量平均值为414.8 mg/kg，是背景值的3.5倍；所有采用点中 As 实际含量在 H1、H3、H6、H7、H9、H10、H11、H12全部略高于背景值；所有采用点中Pb实际含量除了H4小于参照值，为27.0 mg/kg，其余均高于参照值，最大值位于H1采样点，为74 mg/kg，是背景值的2.1倍；As均值为 54.7 mg/kg，是参照值的1.61倍，说明Pb污染程度比较重。

表4 潜在生态风险指数法判断标准

表5 宿州市景观河流底泥重金属实测值

2.2 地累积指数法评价

本文以宿州市景观河流作为研究对象，根据实际情况，地累积指数法评价法的背景值以《土壤含量质量标准》[10]各种金属的一级标准作为参照值，见表6。参照12个点所检测的底泥重金属浓度，利用地累积指数相关公式分析宿州市景观河流底泥重金属生态风险，评价结果见表7。

由表7可知，12个采集点Cr的地累积指数均小于0，污染级别为无污染，说明宿州市景观河流流中底泥受Cr的污染不大；Ni重金属在H1、H2、H3、H6、H7、H9、H11、H12 采样点地累积指数小于0，处于无污染状态，H4、H5、H8、H10 地累积指数介于0～1之间，级别为1，处于轻度污染状态；Cu重金属在H4的Igeo低于0，处于无污染状态，H2、H6、H8、H11、H12 的Igeo介于 0～1，处于轻度污染状态，H1、H3、H5、H7、H9、H10 地累积指数介于1～2之间，属于偏中度污染状态；Zn重金属在H4的Igeo小于 0，处于无污染状态，H2、H3、H5、H8 的Igeo介于 0～1，处于轻度污染状态，H1、H6、H9、H11、H12介于1～2之间，为偏中度污染状态，H7、H10的Igeo介于 2～3，为中度污染状态；As重金属在H7的Igeo介于0～1，为轻微污染状态，其它Igeo均小于0，为无污染状态；Pb重金属在H2、H4、H6、H8、H11 的Igeo小于 0，为无污染状态，其它7个点均介于0～1，为轻微污染状态。因此，宿州市景观河流中Cu和Zn的污染程度最为严重，在河流治理中应当重点防治，Ni和Pb污染程度次之，Cr和Pb几乎为无污染状态。

2.3 潜在生态风险指数法评价

通过选取安徽省土壤重金属的背景值，对Cu、Zn、As、Cr、Pb、和 Ni的和RI计算数值如表 8所示。

表7 底泥重金属的Igeo及级别

表8 宿州市景观河流底泥重金属的Eir及RI

从表8可以分析出，宿州市景观河流底泥12个采样点中，Cr的生态危害系数介于1.64～3.09之间，远远低于40，处于轻微污染程度；Ni的生态危害系数介于0.74～7.94之间，处于轻微污染程度；Cu在H1和H3生态危害系数分别为48.57和51.55，为中等危害程度，其余介于12.22～36.35之间，为轻微污染程度；Zn的生态危害系数普遍较低，全部低于18，处于轻微污染程度；As的生态危害系数最小值在H4采样点，为5.44，最高值在H7采样点，为15.64，全部低于40，处于轻微污染程度；Pb的生态危害系数在H1为40.17，处于中等污染程度，其余介于14.66～36.37，相对于其他重金属元素较高，但是仍然处于轻微污染程度；所有重金属的平均值介于2.22～31.54之间，总体上属于轻微污染；重金属潜在生态风险指数（RI）全部低于150，平均值为83.45，说明宿州市景观河流重金属元素属于轻微污染，程度较轻。

3 小结

宿州市景观河流底泥中 Cr、Ni、Cu、Zn、As、Pb平均实测值为 73.1 mg/kg、47.5 mg/kg、105.8 mg/kg、414.8 mg/kg、15.7 mg/kg、54.7 mg/kg，其中 Cr、As、Pb重金属实测值均略高于参照值，重金属Ni低于参照值，重金属Zn实测值最高，是安徽省土壤背景值的2.35倍，重金属Cu次之，是参照值的3.51倍，重金属Cr、As接近于参考值，Ni低于背景值且差距较大。

地累积指数法研究结果说明，Cu和Zn污染程度较重，Cr、Ni、As、和 Pb 受到轻微污染，各重金属元素的污染程度为 Zn＞Cu＞Pb＞Ni＞As＞Cr。

潜在生态风险指数法研究结果说明，12个采样点中只有H1和H3中Cu和Pb的潜在危害系数超过 40，分别为 48.57，40.17，51.55，处于中等生态危害，其余重金属都小于40，处于轻微生态危害。其中RI计算值全部低于150，说明宿州市景观河流重金属的污染程度总体较轻。

参考文献：

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