基于底泥重金属污染及生态风险评价的星云湖疏浚深度判定

魏伟伟，李春华，叶春*，侯雪超,2，王昊

1.湖泊水污染治理与生态修复技术国家工程实验室，国家环境保护湖泊污染控制重点实验室，中国环境科学研究院 2.河北大学物理科学与技术学院

底泥是水体中重金属的主要积累场所，长期富集于底泥中的重金属很难被微生物降解，在底泥中易持续积累，形成潜在生态风险，对湖泊生态环境构成威胁[1-2]。当外界环境条件发生变化时，底泥中的重金属会重新释放到上覆水体中，对水体造成二次污染[3]。污染底泥环保疏浚是治理湖泊内源污染的有效手段，通过环保疏浚可以控制污染底泥中重金属的释放或减少重金属的生物有效性[4]。疏浚深度是环保疏浚工程的关键参数之一[5]，近些年已有部分学者致力于以清除重金属污染底泥为目标的环保疏浚方面的研究，普遍认为应该通过分析重金属随底泥深度的剖面变化和环境风险来确定环保疏浚深度。如姜霞等[6]采用潜在生态风险指数法对底泥中的重金属进行生态风险评估，并结合拐点法对竺山湾重金属污染底泥环保疏浚深度进行推算；丁涛等[7]采用地累积指数法对杭州市河道底泥中的重金属进行累积性评估，并提出用临界累积深度法确定合理的环保疏浚深度。但目前国内外鲜有确定重金属污染底泥环保疏浚深度的系统方法，更无技术标准和规范。笔者基于对星云湖重金属As、Cu、Zn、Ni、Cr和Pb污染空间分布和垂向累积特征分析，运用地累积指数法和潜在生态危害法对不同深度底泥重金属生态风险进行评价，采用临界累积深度法结合生态风险变化拐点法确定合理的环保疏浚深度，以期为星云湖重金属污染底泥疏浚提供科学依据，同时也为重金属污染底泥环保疏浚深度确定方法的标准化提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

星云湖位于云南滇中腹地——玉溪市江川县境内，属珠江流域南盘江水系的源头湖泊，为半封闭高原断陷型浅水湖。星云湖流域内山区、半山区约占65%，用地类型中面积最大的为林地，其次是耕地，2015年流域种植面积为15 694.09 hm2[8]。星云湖流域内矿山开采以磷矿为主，共有2个矿山开采区，开采总面积为741.73 hm2[9]。刘永等[10]研究表明，星云湖底泥中重金属污染程度总体为轻度，但人类活动的影响已经明显呈现，受工业化影响，底泥中重金属Pb和Zn污染较为严重，其他重金属如Cd等主要为自然来源，污染尚不明显。

1.2 样品的采集与处理

在星云湖设置8个采样点(图1)，用内径为61.8 cm、外径为65 cm自制的内嵌管薄壁取样器采集0～80 cm底泥柱状样，采用中海达K3信标机进行定位导航。底泥柱状样采集后，以每层10 cm进行底泥样品切分，将样品装入聚乙烯密封袋带回实验室。底泥样品经冷冻干燥后转移至洁净搪瓷盘中，剔除石块、木屑、动植物残体等异物，混合均匀后用玛瑙研钵研磨，过100目尼龙筛后用聚乙烯密封袋保存备用。

图1 星云湖底泥采样点示意Fig.1 Schematic map of sediment sampling sites in Xingyun Lake

1.3 分析方法

1.4 评价方法

1.4.1地累积指数法

地累积指数(Igeo)由德国学者Muller[11]于1969年提出，现已在底泥重金属污染程度定量研究中广泛应用。其计算公式为：

Igeo=log2[Ci(k×Bi)]

(1)

式中：Ci为底泥中重金属i的浓度，mg/kg；Bi为重金属i的地球化学背景值，由于采用当地土壤中重金属浓度作为背景值进行重金属潜在生态风险评价具有较高的可行性[12-13]，因此选取云南省土壤中重金属浓度为背景值，取BAs、BCr、BCu、BNi、BPb、BZn分别为18.4、65.2、46.3、43.61、40.6和89.7 mg/kg[14]；k为考虑当地岩石差异可能导致背景值变化而取的参数，一般取1.5。

Igeo与重金属污染程度的关系见表1。

表1 I geo与污染程度分级

1.4.2潜在生态风险指数法

瑞典学者Hakanson[15]于1980年提出用潜在生态风险指数法(RI)对底泥重金属进行生态风险评价。该方法综合考虑了底泥中重金属的毒性、生态效应与环境效应，并采用具有可比的、等价属性指数分级法进行评价，定量区分潜在生态危害程度，已成为目前底泥重金属污染质量评价中较科学、全面的评价方法。其计算公式为：

(2)

表2 潜在生态风险指数与分级关系

1.5 数据分析

所有数据采用WPS 2016进行统计，采用Origin 9.0进行重金属浓度垂直分布制图，采用SPSS 16.0进行底泥中重金属之间的相关性分析。

2 结果与讨论

2.1 底泥中重金属水平及垂向分布特征

星云湖底泥中重金属分布特征如图2所示。由图2可知，星云湖底泥中As、Cr、Cu、Ni、Pb和Zn浓度的平均值分别为14.76、35.76、46.14、46.08、115.76和109.82 mg/kg，与GB 15618—2018《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准(试行)》中农用地土壤污染风险筛选值相比，As、Pb和Zn浓度超标，Cr、Cu和Ni浓度不超标。2#、6#和7#采样点底泥中As浓度超标，其中7#采样点0～10 cm层样品中As浓度最高(39.34 mg/kg)；1#～4#和8#采样点底泥中Pb浓度超标，其中1#采样点10～20 cm层样品中Pb浓度最高(189.42 mg/kg)；1#和2#采样点底泥中Zn浓度超标，其中2#采样点60～70 cm层样品中Zn浓度最高(287.88 mg/kg)。

图2 星云湖底泥中重金属浓度垂向分布特征Fig.2 Vertical distributions characteristics of heavy metals in Xingyun Lake

从空间分布来看，重金属浓度超标的1#和2#采样点位于星云湖北部，7#和8#采样点位于星云湖南部，而中部湖区底泥重金属浓度基本无超标。这可能与星云湖周围土地利用类型有关，星云湖流域南部和北部分布有大量的农田、居民区和工业园区，而流域中部以山体为主。可见，星云湖底泥中重金属浓度超标更多受外源输入的影响，这与东江、滇池底泥重金属研究结果一致[16-17]。从垂向变化来看，星云湖底泥中As和Pb浓度基本随深度增加呈递减趋势；Cr和Ni浓度较低且分布比较均匀，垂向变化趋势不明显；Cu和Zn浓度整体随着深度增加呈增加趋势。重金属在底泥中的富集是较为复杂的过程，受到多种因素的影响[18]。郑国璋等[19]研究指出，土壤环境中重金属元素迁移能力较差，且主要在土壤0～20 cm表层积累，其中As和Pb属积累性污染物，具有向土壤表层富集的特征，这与本研究表层底泥中As和Pb浓度高于底层的结果一致。1#采样点40～50、50～60 cm层和2#采样点60～70、70～80 cm层底泥中Zn浓度超标可能与历史上星云湖北部流域铅锌矿开采有关[20]，早年矿业开采对星云湖北部湖湾底泥重金属浓度产生了一定的影响。

2.2 底泥重金属地累积指数法评价

生物对不同重金属的毒性反应是不同的，地累积指数可以有效地反映重金属的复合污染程度。根据地累积指数计算结果，星云湖底泥中重金属污染程度多为清洁水平，因此仅统计了各采样点底泥分层样品中重金属Igeo的最大值，结果见表3。由表3可知，不同重金属污染程度总体表现为Pb>Zn>As>Ni>Cu>Cr，其中Pb污染程度最严重，有6个采样点为偏中度污染，只有5#和7#采样点为轻度污染；Zn总体为轻度污染，但在1#和2#采样点出现偏中度污染；As总体为清洁，在6#和7#采样点出现轻度污染；Ni总体为清洁，在1#采样点出现轻度污染；Cr和Cu均为清洁。

表3 各采样点底泥中重金属的Igeo最大值与污染等级

2.3 底泥重金属生态风险评价

表4 星云湖底泥重金属和RI 最大值

2.4 底泥中重金属间相关性分析

对星云湖各采样点所有底泥样品中重金属浓度进行相关性分析，结果见表5。由表5可知，各采样点底泥中As与Cu、Ni、Pb呈显著正相关(P<0.01)，Cr与Zn呈显著正相关(P<0.01)，Cu与Ni、Pb、Zn呈显著正相关(P<0.01)，Ni与Pb呈显著正相关(P<0.01)，Pb与Zn呈显著正相关(P<0.01)。星云湖底泥中6种重金属之间具有极高的相关性，说明星云湖底泥中重金属的地球化学行为可能具有一定的相似性[22]。底泥中Cr、Cu主要为自然来源，其浓度变化受人类活动影响较小，但由于农药和化肥中含有Zn、Cu和Pb，农田径流的农药和化肥可能也是其来源之一。星云湖底泥Zn与As无相关性，说明Zn的来源与其他重金属不同，由于星云湖周边早期农业种植施用了含Zn浓度较高的农家肥料，其可能与星云湖周边农田面源污染中肥料的流失有关[20]。

表5 星云湖底泥中各重金属的相关性分析

注：*表示在0.05水平上显著相关(P<0.05)；**表示在0.01水平上显著相关(P<0.01)。

2.5 底泥环保疏浚深度判定

2.5.1临界累积深度法

由星云湖底泥中重金属浓度随深度的垂直变化可以看出(图2)，底泥中As和Pb累积效应明显，说明星云湖底泥受到一定程度As、Pb污染。使用地累积指数评价结果判定临界累积深度，从而推荐环保疏浚深度。临界累积深度判定方法计算公式[7]为：

(3)

表6 星云湖底泥环保疏浚深度计算结果

2.5.2临界累积深度法+生态风险变化拐点法

图3 星云湖底泥Pb的随深度的垂向变化 Fig.3 Vertical variation of of Pb with depth of sediments in Xingyun Lake

3 结论

(1)星云湖底泥中As、Cr、Cu、Ni、Pb和Zn浓度的平均值分别为14.7、35.76、46.14、46.08、115.76和109.82 mg/kg，与GB 15618—2018中农用地土壤污染风险筛选值相比，As、Pb和Zn浓度超标。As、Pb浓度基本呈现随深度增加而递减的趋势；Cr、Ni浓度较低，垂向变化趋势不明显；Cu、Zn浓度整体呈现随深度增加而增加的趋势。

(2)星云湖底泥中重金属污染多为清洁水平，部分采样点Pb和Zn偏中度污染，总体表现为Pb>Zn>As>Ni>Cu>Cr；各采样点生态危害水平为1#>7#>2#>6#>4#>3#>8#>5#，星云湖底泥重金属潜在生态风险处于轻度生态危害水平。星云湖底泥中6种重金属具有较高的相关性。

(3)由临界累积深度法结合生态风险变化拐点法判定星云湖东南部底泥无需疏浚，推荐西南部和西北部湖湾底泥疏浚深度为20 cm，中部和东北部湖湾底泥疏浚深度为30 cm。