基于多因子分析的问津河生态风险评价研究

金毅麟，李建华

(同济大学环境科学与工程学院长江水环境教育部重点实验室，上海 200092)

0 引 言

自然河流具有由物理、水文、化学和生物完整性构成的生态完整性，不仅支撑了有多种多样的物种构成的和谐的水生态系统，也可以发挥巨大的滞洪、水体净化和景观功能。因此，最大限度地减轻对河流原有环境的扰动，维系河流的自然属性不仅可以维系河流生态系统的弹性，为构建山水林田湖生命共同体提供重要的基础保障，也有利于人类对河流各种生态服务功能的可持续利用，促进社会、经济的健康发展[1]。然而，随着经济的快速发展和城市化进程深入，我国许多城市的河流均出现了严重的水质污染和生态退化问题[2]。

2015年4月国家《水污染防治行动计划》发布后，各地都采取了大量的河流整治措施，但整治前缺乏系统评价，难以精准施策，整治后不重视效果评估，影响绩效考核，加之，学科壁垒等客观原因，生态治理理念多数仍停留在景观层面。许多黑臭治理工程只关注化学指标的达标，队河岸采用“硬质化”的措施等倾向也普遍存在。由于各地方在制定综合整治方案时忽视有效的学科交叉，也不重视全方位的诊断和评估，使得我国现阶段的河流生态整治表现出千篇一律的 “清淤+水质改善+景观”的治理模式，河流治理重眼前轻长远，重单项轻系统等问题普遍存在的结果，也导致了前期投入成本高，后期维护困难，可持续性低，长期效益较差等问题的发生[3]。

苏州市吴江区为了创建江南水乡的标杆，于2017年，专门设立了治理黑臭水体工作组办公室，并发布了整治村镇级黑臭河道的通知，并着力编制河流整治实施方案，其中桃源镇问津河被列为重点整治对象。长期以来由于周边印染纺织工业的快速发展，问津河成为工业废水和居民生活污水的受纳水体，呈现严重的富营养化，而且黑臭底泥淤积严重，水面飘满了浮萍，仿佛草地。每年春季到秋季经过河畔的村民都会嗅到从河水中散发出的刺鼻的臭味，因此，沿岸居民反映强烈。但河岸及河畔仍然保留了较好的自然岸坡和植被。

项目组依据“坚持节约优先、保护优先、自然恢复”的原则，对整治前的问津河的水环境和生态现状开展了调查和分析评估，旨在查明河水的污染程度和污染路径以及生态本底的现状，为有的放矢地实施保护和治理提供科学依据，实现综合效益的最大预期。

1 研究区域概况及采样布点

吴江区桃源镇位于吴江区西南部，东邻吴江区盛泽镇，北靠震泽镇，西南部与浙江省湖州市相连，东南部与浙江省嘉兴市接壤。全镇地处太湖流域下游地区的杭嘉湖片区中的浦南地区，是典型的江南水网地区中的低洼圩区。

问津河位于桃源镇杏花村，是朝阳联圩的一条村级河道。南起东方大道，东至浜底，全长1.28 km，通过西侧的雄壮河和东侧的雄卫河与南侧的桃源河以及北侧的朝阳河相连通，其中桃源河为朝阳联圩的外河。纳入本次整治范围的是问津河其中一段(图1中东方大道至华盛大道的阴影区域)，长约400 m。东方大道以北河段西侧有水泥路，两侧砼驳岸栏杆破损严重，长约20 m。其余河段沿线没有成型道路，大多为林地，还有部分住宅、商铺和工厂(加力加染色砂洗有限责任公司、吴江明升服装有限公司等)集中分布在东方大道南侧。河道沿岸的排水口共有4个，长期以来受纳南侧的企业排水和西侧的居民生活污水，底泥淤积严重，黑臭问题凸显。

图1 吴江区桃源镇水系示意图

2 样品的采集

对问津河浜沿河流走向每隔50 m左右设置一个采样断面，共10个采样断面，分布如图2所示。

图2 问津河现场调查布点示意图

乘坐橡胶筏子在各断面使用柱状采样器采集沉积物样品，采样深度0～30 cm，主要是底泥和腐殖质沉积物。采集好后装入聚乙烯塑封袋内密封好；使用聚乙烯瓶采集水样；采集各断面的水生植物，采集好后装入聚乙烯塑封袋内密封好。所有样品装入有冰袋的保温箱保存带回位于太浦河河畔的实验基地进行鉴定分析，重金属等指标带回同济大学，在国家重点实验室实时分析。

3 样品的处理与分析

①对水生及陆生植被的观测记录及部分物种的鉴定工作在现场完成；②使用哈希(HACH)的多功能参数仪对水样的理化参数进行测定并记录；③沉积物样品在室温条件下自然风干后，用玛瑙研钵研细，过120目尼龙筛，消解后用ICP-aes进行分析检测；④对水样中的氮磷等营养盐的测定采用紫外分光光度法完成。

4 评价方法

以问津河待整治段的河岸植被缓冲带为对象, 采用多指标评价分析法, 建立河岸植被缓冲带完整性评价体系, 并对问津河岸植物缓冲带实施了评价。

4.1 多指标评价分析法

以可操作性、定量和定性为原则, 选取植被种类、植被层次、植被带宽度、植被覆盖率、植被连续性5个调查指标用来对河岸带植被完整性进行表征[4]。构建河岸植被缓冲带评价体系, 将每个指标转化为满分10分, 2.5分为间距划分其完整性等级, 分别是:完整 (10～7.5) 、基本完整 (7.5～5) 、较不完整 (5～2.5) 、不完整 (2.5～0)。完整性评价体系满分为50分, 定义：50～37.5分表示河岸带植被完整性高；37.5～25分表示河岸带植被基本完整；25～12.5分表示河岸带植被较不完整；12.5～0分表示河岸带植被不完整。

对于重金属污染，本文采用污染负荷指数法 (Pollution Load Index)、地积累指数法和Hakanson潜在生态危害指数法3种方法进行综合评价。

4.2 地积累指数法

从环境地球化学的角度出发评价沉积物中重金属的污染，除必须考虑到人为污染因素，环境地球化学背景值外，还应考虑到由于自然造岩运动可能会引起背景值变动的因素(常数)。地积累指数法注意到了此因素弥补了其他评价方法的不足[5]。地积累指数是区分人为活动影响的重要参数。分级标准见表1。

表1 沉积物地积累指数与分级标准

计算公式：

(1)

4.3 污染负荷指数法

污染负荷指数法是Tomlinson等人[6]从事重金属污染水平的分级研究中提出来的一种评价方法。该指数由评价区域所包含的多种重金属成分共同构成，它能直观地反映各个重金属对污染的贡献程度，以及重金属在时间、空间上的变化趋势，应用比较方便。污染负荷指数等级见表2。

表2 污染负荷指数等级

计算公式如下：

首先根据某一点的实测重金属含量，进行最高污染系数(CF)的计算：

某一点的污染负荷指数(PLI)为：

式中：PLI为某一点的污染负荷指数；n为评价元素的个数。

某一区域 (流域)的污染负荷指数 (PLIzone)为 ：

污染负荷指数一般分为4个等级，见表2。

4.4 生态危害指数法

生态危害指数法由瑞典科学家Hankanson根据重金属的性质和环境行为特点提出的[7],是一种定量地计算土壤或沉积物中重金属生态危害的方法。该方法最初是为了评价表层沉积物中重金属的生态风险水平，目前也广泛应用于评价土壤中重金属的生态风险水平。为了使区域质量评价更具有代表性和可比性，Hakanson从重金属的生物毒性角度出发建议对重金属元素进行评价。

计算公式如下：

表3 潜在生态危害系数和潜在生态危害指数的对应关系

表4 重金属背景值和生态毒性响应系数

5 监测结果与分析

5.1 问津河河岸带植被生态完整性评价

问津河水体及河岸带共计鉴定出28科49属52种维管植物，植物资源比较丰富，其中水生植物及坡岸带的灌木植物的物种多样性优势明显。

依据河岸带断面植被完整性调查统计结果(表5)对问津河河岸带植被调查结果及完整性进行评价(表6)。

第一，改造低洼地，采用填埋或疏通水路的方法消灭死水，使螺没有适宜的生存环境，也可以采用石块堆积的方法，隔离牲畜接触死水，避免牲畜接触囊蚴滋生的水。第二，采取化学方法灭螺，可在每年5—6月螺类开始活动的时间，选用1∶50 000的硫酸铜、氨水、贝螺杀或血防67在沼泽地喷洒灭螺，也可在草地上小范围内的死水内用生石灰、草木灰等方法灭螺及囊蚴[3]。

由完整性评价结果来看，60%的断面，约占66%河岸线长度的河岸带植被生态完整性为完整或基本完整，40%的断面，约占34%的河岸线长度的河岸带植被生态完整性为不完整或较不完整。其中靠近东方大道工厂排污口的S1～S5区间为不完整河段，靠近华盛大道公路并有居民居住的S8～S9为较完整河段，S6～S7以及S10为完整河段。在完整河段，陆上部分有乔灌草立体植被，滨水区有从挺水向沉水植物的过渡;在基本完整河段，仅有单侧河岸植被结构完整，无挺水-沉水植物过渡区间；在不完整河段，河岸带植物结构遭到破坏，仅有稀疏的草本植物，无水生植物。

5.2 问津河水体水质测定

由表7可知河段水体pH均在6～9范围内，各点位溶解氧含量除S2外普遍较低，在S4、S5和S7处略有回升，S2可能是由于采样处有新鲜活水汇入，而S4、S5和S7处水生植物比较茂密，光合作用使得为水体补充了溶解氧[8]。水体氮磷含量均较高，营养化严重，浮萍占据了水面大量面积。按照地表水环境质量标准(GB 3838-2002)判定问津河浜为劣Ⅴ类水体。

表5 河岸带断面植被完整性调查统计结果

表6 问津河河岸带植被调查结果及完整性评价

表7 问津河各点位水质测定结果

5.3 问津河不同河段沉积物中重金属含量测定

由表8可知采样点位沉积物中重金属含量不均匀并且存在波动，其中砷含量在33.83～67.52 mg/kg，镉含量在1.225～2.062 mg/kg，铬含量在279.23～373.23 mg/kg，汞含量在0.41～1.33 mg/kg，镍含量在168.75～275.61 mg/kg，铅含量在467.32～597.06 mg/kg，锌含量在436.9～837.4 mg/kg。S1～S5河段沉积物中重金属含量普遍高于S6～S9以及S10河段，按照《土壤环

表8 河段沉积物中重金属测定值 mg/kg

境质量标准》GB15618-1995，S1～S5河段沉积物中除铬和汞外，其余各类重金属含量全都超过了3级标准，铬和汞的含量也超过了2级标准；S6～S10河段沉积物各类重金属含量均超过了2级标准。

5.4 不同河段沉积物中重金属地积累指数分析

由表9、表10可知，问津河沉积物As、Cd,地积累指数在1～2之间，Cd全河段地积累指数为2，Hg、Ni、Pb地积累指数最高为3，而Pb则在4～5之间。由图3可以看出，问津河浜重金属积累指数普遍在中度污染水平，而Pb和Zn的地积累指数明显高于其他重金属，污染程度比较严重。S1～S5河段沉积物重金属地积累指数也明显高于S6～S9以及S10河段。

5.5 重金属污染指数及污染状况

由表11可以看出问津河的流域PLI值达到了5.42，属于“极强污染”级别。各点位也均处于极强污染的程度。由图4可以看出各点PLI值以S5为明显分界线，上游PLI值较高，下游显著降低，并且在除S2及S6点外，总体呈现从上游到下游PLI值逐渐减少的趋势。

表9 各点位地积累指数

表10 各点位地积累指数分级情况

图3 各重金属在各点位地积累指数

表11 不同点位重金属污染指数

5.6 重金属污染潜在生态风险评价

由表12和图5可知，问津河浜全河段沉积物均处于生态风险极强的程度，而S1～S5河段的生态风险高于S6～S9以及S10河段。其中汞、铅、镉的潜在生态风险最大，其次是砷和镍，锌和铬的潜在生态风险最小。

6 结果与讨论

(1)依据河岸带植物完整性评价结果，问津河待整治河段可以划分为3类不同的类型：①不完整河段(S1～S5断面)；②较完整河段(S8～S9断面)；③完整河段(S6～S7及S10断面)。

表12 不同重金属的潜在生态风险

图4 各点位污染负荷指数

图5 各点位潜在生态风险

在完整河段，陆上部分有乔灌草立体植被，不仅发挥了拦截面源污染的缓冲带作用，也发挥了较好的遮阴和抑制藻类生长的作用[9]。滨水区有从挺水向沉水植物的过渡,对于净化水质提升透明度也发挥了重要作用[10]。

(2)问津河待整治河段水体富营养化程度较高，60%点位水体中溶解氧含量低于2.0 mg/L，氮磷含量均严重超标，为劣Ⅴ类水体。

(3)不同评价结果一致表明河道底泥中重金属元素含量偏高，污染较严重。地积累指数分析结果表明，问津河底泥积累了高于本底值数倍的外源性重金属[12]，其中铅、锌、镍积累数值最高，受污染程度最为严重，镉与汞积累程度相对较轻；污染负荷指数则显示出，各断面重金属污染总负荷均达到了“极强污染”的级别，意味着重金属含量远远超过问津河目前的自净能力；依据生态风险指数判断，问津河沉积物生态风险程度为极强，其中镉、铅、汞的潜在生态风险最高。

(4)综合分析各河段植物完整性与污染程度结果表明，植物缺失的不完整河段污染程度最高，较完整的河段次之，完整性最高的河段污染程度最低。主要是因为植物完整性评级最低的河段被渠化且狭窄，混凝土护岸结构导致该河段已完全丧失自净能力[11]，加之该处河段靠近排污口，黑臭底泥淤积严重，夏季可以观察到明显的甲烷气泡上浮的现象。较为完整的河段虽然南岸由于有居民居住已建成直立护岸挡墙，但北岸保留了自然河岸，河岸植被形成了较好的缓冲带，该河段的水生植物也发挥着一定的净化作用。完整性最高的河段出现了南北两个分支，不仅保留了较好的自然状态，多样性的河岸地貌特征也保留了乔灌草植物结构的相对完整，既营造了多种多样的水生生物栖息地，与桃源镇其他水系之间较好的横向连通性也使得该河段生态环境质量好于其他河段[13]，可以有效地发挥控制面源污染和净化水质的作用[14,15]。因此，需要在后续整治工程中加在重点保护，避免工程措施对河岸生态完整性的损伤。