丹江沉积物重金属的污染特征和潜在生态风险评价

李 丽，赵 培，周 楠

(商洛学院 城乡规划与建筑工程学院，陕西 商洛 726000)

河流沉积物是水体污染物尤其是重金属元素重要的源和汇。经过大气沉降、工农业废水排放和水土流失等途径进入水体的重金属会优先吸附到如胶体的颗粒物上，在水流作用下，与颗粒物一同进入沉积物。而沉积物中的重金属在一定的物化条件下(如pH值、温度改变)会被释放入水体，适当条件下又被吸附，过程反复，对水安全和生态系统构成威胁，通过食物链富集还会影响生物健康[1-2]。由于重金属污染具有持久性、生物富集和放大作用等特点，因此河流沉积物中重金属含量是评价河流水环境质量的重要指标。河流沉积物中重金属含量及其生态风险评价研究已成为水环境学研究关注的焦点[3-5]。

国内外学者对河流沉积物重金属污染的研究自20世纪70年代后才逐渐增多，其中主要对大中型河流进行了大量且深入的研究。到目前为止对大部分大中河流都有研究，例如有研究表明汉江上游汉中段各监测点层级重金属污染属于轻微生态危害[6]。雷沛等[7]研究表明，汉江襄阳段入江支流沉积物存在中度重金属生态风险，且Cd累积风险突出。但是目前国内对小型河流研究依然较少，例如丹江流域。

丹江是汉江的最大支流，是我国南水北调中线工程的重要水源地。丹江沉积物中重金属的含量和风险水平将直接影响当地居民饮水安全和南水北调的水质。因此，本文以丹江沉积物为研究对象，分析了常见5种重金属的含量水平、分布特征及来源，了解研究区沉积物重金属污染现状，并对其重金属污染程度和潜在生态风险进行评价，研究结果可为该流域水资源管理和研究提供基础数据，为重金属污染预防和治理提供科学依据。

1 研究方法

1.1 研究区概况

本文以丹江为研究对象。丹江流域位于E 109°30′～111°1′、N 33°12′～34°11′。丹江发源于商洛市商州区秦岭东南凤凰山，经商洛地区，在荆紫关出陕入河南淅川，向南流入湖北省境内与汉水交汇后注入亚洲最大的人工淡水湖，南水北调中线工程的水源地——丹江口水库(图1)。丹江全长443 km，集水面积17190 km2。在陕西省境内全长249.6 km，流域面积7510 km2。全部为山区河道，是汉江的主要分支。

图1 丹江水系沉积物采样点

1.2 样品采集与处理

2016年1月在丹江流域的干流共设置10个沉积物采样点(图1)。采样时根据采样区的具体情况，利用竹制采样器采集足量河流表层底泥，将采集的样品用聚乙烯密封袋包装后于室外自然风干，待风干后，将样品中的石块、动植物残体和塑料等杂物剔除干净，然后用石制研磨器研磨后过120目筛，装入密实袋中，送至中科院山地所通过耦合等离子质谱法进行测定。

1.3 生态风险评价

本文采用地累积指数法和潜在生态风险指数法2种方法进行研究和评价。1969年德国科学家Muller提出的地累积指数法[8]是沉积物重金属富集程度常用的指标之一，其公式如下:

Igeo=log2[Ci/(1.5×Bi)]

(1)

式中，Igeo指地累积指数；Ci为重金属样品i在沉积物中的实测含量(mg/kg)；Bi为该重金属元素i的参比值(mg/kg)。本研究以陕西省土壤重金属的背景值作为参比值。

1980年瑞典学者Hakanson提出的潜在生态风险指数法[9]是目前用于评价重金属潜在生态风险的一种快速简便的方法，计算公式如下：

Cfi=Csi/Cni

(2)

Cd=∑Cfi

(3)

Eri=Tri×Cfi

(4)

RI=∑Eri

(5)

式中：Cfi为单一金属污染系数；Cd为多金属污染度；Csi为重金属i在沉积物中的实测含量(mg/kg)；Cni为重金属i的参比值(mg/kg)，即背景值；Tri为i元素的毒性响应因子；Eri是重金属i的潜在生态风险因子；RI是多个重金属潜在生态风险指数。

1.4 评价参数的确定

研究区沉积物重金属的含量取该次实验的实测值，参比值包括陕西省表层土壤背景值[15]、国家土壤环境质量标准[16]、重金属的毒性相应系数引自文献[17]等(表1)。

表1 丹江流域沉积物重金属评价参数

2 结果与分析

2.1 沉积物中重金属含量与分布

表2列出了丹江沉积物中各重金属含量的统计结果。河流沉积物中重金属Cu、Pb、Cr、Zn、Cd的测值范围分别为22.38～60.11、18.57～42.60、67.70～249.56、84.97～347.98、0.43～4.78 mg/kg；均值分别为36.24、29.98、108.91、155.30、1.40 mg/kg。与陕西省表层土壤背景值[15]比较发现，Cu、Pb、Cr、Zn、Cd这5种重金属的平均值均存在超标现象，平均超标倍数分别为0.69、0.40、0.74、1.24、14.56。而通过与《国家土壤环境质量标准》[17](GB 15618─1995)对比分析可知，研究区内重金属元素Cu、Pb、Cr元素含量的最大值介于土壤环境质量标准一级标准与二级标准之间，但元素Zn、Cd元素含量的最大值超过了二级标准，其中Cd的浓度为国家二级标准的8倍，流域内土壤中Cd元素异常的原因之一可能是整个流域成土矿物本身拥有高含量的Cd元素[18]；从中能够明显地看出研究区内沉积物重金属含量较高，且出现一定程度的重金属累积现象，甚至部分样品重金属含量很高，一旦水环境条件发生变化会对研究区水质构成威胁。

表2 丹江流域表层沉积物重金属含量统计分析

注：变异系数=(标准偏差/平均值)×100%；平均超标倍数=(平均值-背景值)/背景值。

从变异系数来看，Cu、Pb、Cr、Zn、Cd的变异程度由大到小依次为Cd>Zn>Cr>Cu>Pb，其中Cu、Pb元素属于中等变异程度，变异不大，可能不属污染元素，仅在背景幅度中变化。Cd、Zn、Cr的变异系数明显高于其他元素，属于强变异程度，反映出这3种重金属元素的离散程度较高，在表层沉积物中的分布变化比较大，受到污染、沉降等多种综合因素的影响。

2.2 丹江流域沉积物重金属地累积指数评价

采用陕西省土壤背景值计算重金属的地累积指数Igeo，结果见表3。丹江流域沉积物中的Cu、Pb、Cr、Zn、Cd地累积指数的平均值分别是0.12、-0.15、0.11、0.45、3.06，其污染程度表现为Cd>Zn>Cu>Cr>Pb；Pb元素的污染等级在大部分采样点为0，表明Pb元素在大部分流域表现为清洁状态；Cu、Cr、Zn元素的Igeo平均值介于0～1之间，这3种元素表现为轻度污染状态；Cd元素的Igeo平均值大于3，污染等级为4，表现为强度污染。污染程度最大的元素为Cd，大多数采样点则呈现出中度污染到偏重污染，5号采样点为严重污染，靠近城市，表明人类活动对丹江流域Cd污染有重要影响。

此外，对同一采样点5种重金属的地累积指数取平均值后发现，5号采样点Igeo指数最高，其次是采样点2和7，表明城市对河流重金属的污染影响不容忽视，应注重城市地表径流、生活污水处理和扬尘的控制等[19-20]。

表3 丹江流域沉积物中重金属的地累积指数(Igeo)及其分级

2.3 丹江沉积物重金属潜在危害生态评价

表4列出了丹江流域沉积物中重金属的潜在生态危害指数。5种重金属Cu、Pb、Cr、Zn、Cd元素潜在生态危害指数(Eri)的平均值分别为8.47、7.00、3.49、2.24、466.00，单项潜在危害指数(Eri)由强到弱的顺序为Cd>Cu>Pb>Cr>Zn。从Eri平均值来判断，Cu、Pb、Cr、Zn元素均表现为轻微生态危害程度，Cd元素属于极强生态危害程度，表明丹江流域的Cd元素存在较严重的生态风险。通过对生态危害指数评价(RI)的平均值分析，研究区域内RI的均值为487.20，300≤RI<600，总体处于强生态危害，主要是源于Cd元素的高含量。在生态危害指数评价(RI)中，4、5、6号采样点属于中等生态风险等级，1、2、7、8、9、10号采样点属于强生态风险等级，3号采样点则是很强生态风险等级，与地累积指数法的结果基本一致。

由于评价方法的侧重方向不同，地累积指数与生态危害系数的评价结果也略有不同。但2种方法对研究区沉积物重金属进行分析发现，城市对河流沉积物重金属富集有重要影响。

表4 丹江河流沉积物重金属Eri和RI指数

3 结论

(1)丹江流域表层沉积物重金属Cu、Pb、Cr、Zn和Cd的平均含量分别是36.24、29.98、108.91、155.30、1.40 mg/kg。这5种重金属的平均值均超过了陕西省土壤背景值，其中Cd的平均超标倍数高达14.56。这5种重金属的变异程度由大到小依次为Cd>Zn>Cr>Cu>Pb。

(2)地累积指数评价结果表明：各种重金属的污染程度由高到低依次表现为Cd>Zn>Cu>Cr>Pb，在多数采样点Pb元素的污染等级为0，表现为清洁，Cu、Cr、Zn元素为轻度污染状态，Cd元素为污染程度强。

(3)潜在生态风险评价的结果表明：研究的5种沉积物中的重金属对丹江水环境潜在的生态风险强弱顺序是Cd>Cu>Pb>Cr>Zn，在所有采样点中Cu、Pb、Cr、Zn元素的生态危害程度均为轻微，而Cd元素对生态环境的危害程度极强；研究的5种重金属的潜在生态风险(RI)的均值为487.20，总体上处于强生态危害。这2种评价方法均表明城市对河流沉积物重金属富集有重要影响，应加强对城市污水和扬尘的治理，更好地保护丹江水质。