闸坝控制下沙颍河沉积物重金属污染特征与生态风险评价

马威 樊孔明 王萍

摘要 为了解在闸坝控制下沙颍河河段沉积物中重金属污染特征，分别于2015年10月和2016年4月采集沙颍河干流表层沉积物，测定了6种重金属元素的含量;并采用单因子指数和潜在生态危害指数（RI）对污染进行评价。结果表明，2015年10月，沙颍河干流表层沉积物中Cu、Cr、Pb、Zn、Cd、Ni平均含量分别为17.5、78.4、19.8、72.2、0.5、25.8 mg/kg;2016年4月，沙颍河干流表层沉积物中各重金属平均含量分别为16.8、83.2、4.1、56.1、0.8、21.3 mg/kg;Cr平均浓度明显高于河南省土壤环境背景值浓度。单因子风险评价表明，仅Cd为极强污染风险程度，重金属潜在生态风险指数RI值在134～993，平均值为318，属强污染水平。在闸坝的控制下，沙颍河干流中重金属在不同区域表层沉积物中的含量变化较大，污染风险指数差异大。

关键词 闸坝控制;沙颍河;沉积物;重金属污染;生态风险

中图分类号 X826  文献标识码 A

文章编号 0517-6611（2020）19-0077-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.19.021

Abstract In order to understand the pollution characteristics of heavy metals in the sediments of Shaying River （SYR） controlled by sluice stations，we acquired the surface sediments and determined the concentrations of 6 heavy metals （Cu，Cr，Pb，Zn，Cd and Ni） through field work and laboratory analysis in Oct. 2015 and Apr. 2016，respectively.Pollution assessment was conducted using a single factor index and the potential ecological risk index （RI）.The results showed that the average contents of Cu，Cr，Pb，Zn，Cd and Ni were 17.5，78.4，19.8，72.2，0.5 and 25.8 mg/kg  in Oct. 2015，and 16.8，83.2，4.1，56.1，0.8 and 21.3 mg/kg in Apr. 2016.The average concentration of Cr was significantly higher than the concentration of soil environmental background value in Henan Province.The singlefactor risk assessment showed that only Cd was a very strong pollution risk degree，and the heavy metal potential ecological risk index RI value was between 134 and 993，with an average value of 318，which was a strong pollution level.Controlled by the sluice stations，the pollution level and ecological risk of heavy metals were different，and the pollution risk index also different.

Key words Sluice stations;Shaying River;Sediment;Heavy metal pollution;Ecological risk

作者简介 马威（1986—），男，湖北孝感人，工程师，硕士，从事水生态与水环境监测、质量控制与管理工作。*通信作者，工程师，硕士，从事流域水环境监测工作。

收稿日期 2020-03-23

沙颍河作为淮河的最大支流，跨越豫、皖两省，总河长624 km，在安徽颍上县进入淮河。周口市以上河段称为沙颍河上游;周口市到阜阳市河段为沙颍河中游;阜阳市以下河段为沙颍河下游[1]。自20世纪90年代以来，淮河发生的大规模污染事件多与沙颍河有关[2-3]。因重金属污染具有潜在性、持久性和不可逆性，且河流生态系统的开源性易受重金属污染，所以重金属的污染问题在河流生态保护中受到重视，沙颍河污染的控制与治理是淮河治理中的关键[4-5]。河流中的沉积物是重金属的天然储库，沉积物中重金属含量能达到上覆水体含量的百倍以上，其空间分布也更容易解释重金属污染特征[6]。所以，沉积物中重金属含量在河流水环境质量评价中是重要的指标[7-9]。

当前对沙颍河重金属污染的研究多集中于某一河段，在流域尺度上的研究較匮乏[10]。笔者研究了在多闸坝控制下沙颍河表层沉积物中重金属含量及其污染特征，旨在为沙颍河重金属污染控制及流域居民用水安全提供理论依据。

1 资料与方法

1.1 研究区域

沙颍河作为淮河的最大支流，跨豫、皖两省，在安徽省颍上县入淮河。沙颖河全长624 km，流域面积近4万km2。在上、中、下游河段选取采样点位（图1），并根据沙颍河水系特征，分别于2015年10月和2016年4月进行了取样调查。

1.2 样品处理与分析

用抓斗式采泥器采集表层0～20 cm的样品。在同一点周围采样3次后将样品混匀，取适量装入密封袋中带回实验室处理。样品经烘干等前处理后，用四分法缩分得到待分析样品，用混酸（HNO3-HF）完成消解，以电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）测定Cu、Cd、Pb、Zn、Ni、Cr含量。样品分析检测中同步测定标准土壤样进行质量控制。

1.3 评价方法

1.3.1 地积累指数法。又称Müller 指数，是德国科学家Müller 在1969 年提出的用于研究水环境沉积物中重金属污染程度的定量指标，近年来被国内外科学家广泛应用于河流沉积物重金属污染特征评价[3，11] 。其表达式为：

式中，Igeo为地积累指数;Cn为样品中重金属n的实测值（mg/kg ）;Bn为沉积物中重金属元素的地球化学背景值（mg/kg ）;k 为考虑到自然成岩作用可能引起的背景值变动而引入的修正系数，一般取值1.5。地积累指数可以分为几个等级来表示污染程度的差别，具体见表1。

1.3.2 潜在生态危害指数法。

潜在生态危害指数法是瑞典科学家Hakanson（1980） 从沉积学角度提出的，用于土壤或沉积物中重金属污染生态风险评价的一种方法。该方法以沉积物中重金属的含量和背景值为基础，并结合重金属的生物毒性系数和生态环境效应，计算出重金属的潜在生态危害指数[12] 。其具体计算方式如下：

式中，Cis指沉积物中重金属i 的实际测量值（ mg/kg ）;Cin指其背景值;Tir指其毒性响应系数，这里采用Hakanson 制定的标准，Cu、Cr、Pb、Zn和Cd的响应系数分别为5、2、5、1和30;Eir指重金属i 的潜在生态危害指数;RI则为多种重金属综合潜在生态危害指数。

该方法综合考虑了重金属的毒性和重金属污染对评价区域的敏感性，消除了区域差异的影响，在国内外重金属风险评价中有着广泛的应用[13-14] 。表2 给出了潜在生态危害指数和风险程度的分级关系。

2 结果与分析

2.1 沙潁河表层沉积物重金属含量特征

从表3可以看出，总体上沙颍河各调查点重金属含量呈现中游>上游>下游的趋势。值得注意的是，Cr、Zn、Cd的含量在2次调查中分别超出了河南省土壤环境背景值 0.29倍、0.05倍、9倍。沙颍河表层沉积物中Cu与Cd的平均浓度分别为17.51、0.65 mg/kg。 在沙颍河河段中， Cu 与 Cd 浓度表现出的变化趋势为上游 >中游 >下游;Cr 的平均浓度为81.7 mg/kg，其浓度表现出的变化趋势为上游<中游<下游; Pb、Zn 与 Ni 的平均浓度分别为 18.4、65.7、23.9 mg/kg，这3种重金属元素浓度变化表现出的趋势则为中游 >上游 >下游。通过与淮河干流重金属元素平均浓度值及中国水系沉积物中元素平均浓度值的比较[15-16]，发现 Cd 与 Cr 在沙颍河表层沉积物中的浓度更高，沙颍河表层沉积物中 Ni 的浓度则与其相近，沙颍河表层沉积物中 Cu、Pb、Zn的浓度则更低。 由此可见， Cd 与 Cr在沙颍河重金属污染中相当严重。

2.2 重金属生态风险评估

根据河南省土壤背景值计算了沙颍河表层沉积物中6种重金属的平均单一污染因子，重金属的平均单项生态风险因子分别为Cu 4.38、Cr 2.58、Pb 25.30、Zn 1.05和 Ni 4.36 ，均小于40，表明存在轻微的潜在风险;Cd （300）的生态风险因子在160～320，说明其潜在的生态风险很大，接近极大风险跨度的上限。 镉污染程度反映了上游>中游>下游的变化。依据生态风险指数分类标准，除Cd外，沙颍河沉积物表层所测5种重金属的污染水平为轻度。在所调查的取样点位中，Cd 表现出强污染的监测点位占58.8%，表现出极强污染的监测点位占 29.4%。其中，在2015年10月的检测点位中，Cd超出河南省土壤环境背景值0.88～32.28倍，平均超标7.08倍;超出中国土壤环境背景值0.52～25.96倍，平均超标6.55倍;相较于淮河干流水系均值与中国水系平均值，分别平均超标0.78、2.69倍。在2016年4月的检测点位中，Cd超出河南省土壤环境背景值4.94～31.5倍，平均超标11.2倍;超出中国土壤环境背景值3.81～25.3倍，平均超标8.90倍;相较于淮河干流水系均值与中国水系平均值，分别平均超标1.70、4.58倍。

沙颍河沉积物表层中重金属潜在生态风险指数RI值在134～993，平均值为318，表明总重金属潜在生态风险指数极强，主要是由 Cd 污染造成。

3 讨论

由于河流沉积物作为水环境中重金属的主要储存库，能够反映水生态环境受重金属污染的程度。沙颍河在多闸坝的控制与调度下，对地区农业生产与防洪安全上起着极其重要的作用。同时，沙颍河也遭受着重金属污染的极大风险，尤其是来自Cd污染的生态污染威胁。沙颍河中重金属含量由上游向下游变化的原因主要由重金属元素在水体的滞留时间及闸坝控制造成的。Cd浓度在沉积物表层中沿沙颍河的变化尤其明显。

沙颍河流域是开发程度相对较低的区域，受城市化水平和工业生产方式的制约，城市生活污水的大量涌入也增加了城市重金属污染的风险。Cd作为沙颍河高风险的污染因子，与冶炼、染料、农业废水等工业废水的排放密切相关。农业和工业重金属污染的流入是造成河流中游地区生态风险高的主要原因。

总之，沙颍河流域的重金属污染成因复杂，多闸坝的调控加剧了部分河段的重金属污染生态风险。调查表明沙颍河沉积物表层中非常严重，尤其是镉污染。 该地区生态风险较高，亟待治理。

4 结论

通过2次對沙颍河干流表层沉积物取样分析发现，2015年10月，沙颍河干流表层沉积物中Cu、Cr、Pb、Zn、Cd、Ni平均含量分别为17.5、78.4、19.8、72.2、0.5、25.8 mg/kg;2016年4月，沙颍河干流表层沉积物中各重金属平均含量分别为16.8、83.2、4.1、56.1、0.8、21.3 mg/kg;Cr平均浓度明显高于河南省土壤环境背景值浓度，沙颍河各调查点重金属含量呈现中游>上游>下游的趋势，中游河段重金属含量水平最高。单因子风险评价表明，仅Cd为极强污染风险程度，重金属潜在生态风险指数RI值在134～993，平均值为318，属强污染水平。在闸坝的控制下，沙颍河干流中重金属在不同区域表层沉积物中的含量变化较大，污染风险指数差异大。

参考文献

[1] 郝守宁，彭文启，吴文强，等.沙颍河流域面源污染负荷空间分布特征研究 [J].人民长江，2014，45（17）： 6-9.

[2] 褚金庭.沙颍河流量和水质对淮河污染的影响[J].水资源保护，2001（3）：4-7.

[3] HAKANSON L.An ecological risk index for aquatic pollution control： A sediment ecological approach[J].Water Res，1980，14（8）：975-1001.

[4] FU J，ZHAO C P，LUO Y P，et al.Heavy metals in surface sediments of the Jialu River，China： Their relations to environmental factors[J].Journal of hazardous materials，2014，270： 102-109.

[5] YANG Y，JIN Q，FANG J M，et al.Spatial distribution，ecological risk assessment，and potential sources of heavy metals（loid） in surface sediments from the Huai River with the Bengbu section，China[J].Environmental science and pollution research，2017，24（12）：11360-11370.

[6] 方明，吴友军，刘红，等.长江口沉积物重金属的分布、来源及潜在生态风险评价[J].环境科学学报，2013，33（2）：563-569.

[7] 徐争启，倪师军，庹先国，等.潜在生态危害指数法评价中重金属毒性系数计算[J].环境科学与技术，2008，31（2）：112-115.

[8] 王岚，王亚平，许春雪，等.长江水系表层沉积物重金属污染特征及生态风险性评价[J].环境科学，2012，33（8）：2599-2606.

[9] RASOOL A，XIAO T F.Distribution and potential ecological risk assessment of trace elements in the stream water and sediments from Lanmuchang area，southwest Guizhou，China[J].Environmental science and pollution research，2019，26（4）：3706-3722.

[10] 钟明，万云，万安，等.沙颍河流域沉积物重金属污染特征及生态风险评价[J].生态学杂志，2016，35（7）：1857-1864.

[11] SINGH K P，MALIK A，SINHA S.Water quality assessment and apportionment of pollution sources of Gomti river （India） using multivariate statistical techniques—A case study[J].Analytica chimica acta，2005，538（1/2）：355-374.

[12] 朱光旭，郭庆军，陈同斌，等.北京市南沙河沉积物重金属污染特征及风险评价[J].生态学杂志，2013，32（8）：2148-2153.

[13] 戴纪翠，高晓薇，倪晋仁，等.深圳近海海域沉积物重金属污染状况评价[J].热带海洋学报，2010，29（1）：85-90.

[14] GHOLIZADEH M，PATIMAR R.Ecological risk assessment of heavy metals in surface sediments from the Gorgan Bay，Caspian Sea[J].Marine pollution bulletin，2018，137： 662-667.

[15] 罗斌，刘玲，张金良，等.淮河干流沉积物中重金属含量及分布特征[J].环境与健康杂志，2010，27（12）：1122-1127.

[16] 鄢明才，迟清华，顾铁新，等.中国各类沉积物化学元素平均含量[J].物探与化探，1995，19（6）：468-472.