嘉陵江重庆段水体富营养化及底泥重金属污染评价

李 燕，但 言*，王恕桥，余凤琴，张 闯，沈子伟

(1. 重庆市水产科学研究所，重庆 401120；2. 中国水产科学研究院长江水产研究所/农业部长江中上游渔业资源环境科学观测实验站, 湖北 武汉 430223)

【研究意义】嘉陵江发源于秦岭南麓，流经陕西、甘肃、四川、重庆4省(市)，在重庆市朝天门汇入长江，全长1345 km ，流域面积约16万平方千米，主要支流包括涪江、渠江、八渡河、西汉水、白龙江等。嘉陵江重庆段全长约153 km，沿岸有许多城镇、工业园、企业和居民点，企业排污、生活污水、农业用水等多种水源流入嘉陵江及其支流，影响水体质量，且自草街电站修建以来，水体流速减慢，自我净化能力减弱，一定程度造成了水体富营养化和重金属元素污染。加强水环境监测，对水体富营养化和重金属污染评价具有重要的意义。【前人研究进展】前人对嘉陵江的水体研究主要包括浮游生物多样性、有毒重金属研究和营养盐浓度。【本研究切入点】本研究以长江渔业资源与环境调查(嘉陵江下游渔业资源与环境调查)和农业部长江中上游鱼类资源环境科学观测实验站开放课题为依托，开展嘉陵江重庆段水环境调查。【拟解决的关键问题】评价嘉陵江重庆段水体富营养化现状和重金属污染现状，底泥重金属污染现状，为渔业资源和环境调查、水污染防治提供基础数据。

1 材料与方法

1.1 监测点的设置

本研究参照文献[1-2]在嘉陵江重庆段设置了利泽镇、渠江口、涪江口、草街电站 (坝前)4个监测点(图1)，每个监测点设左、中、右3个采水点。

1.2 样品采集

2018年5、8月对4个监测点分别采样2次，用5 L的有机琉璃采水器采集水面下0.5 m的水样，底泥样品用不锈钢彼得森抓斗式采泥器采样，每个监测点采一个底泥样品，样品采集符合水质采样技术指导(HJ 494-2009)的要求，水样品保存和管理符合水质样品的保存和管理技术规定(HJ 493-2009)的要求。

1.3 样品分析

样品在规定的时间内检测总磷(TP)、总氮(TN)、氨氮(NH3-N)、高锰酸盐指数(COMMn)、叶绿素a(Chl a)、透明度(SD)、溶解氧(DO)和pH。总磷检测采用钼酸铵分光光度法，总氮检测采用碱性过硫酸钾紫外分光光度法，氨氮检测采用纳什试剂分光光度法，高锰酸盐指数采用酸式高锰酸钾滴定法，叶绿素a采用紫外分光光度法，透明度采用Secchi盘法，溶解氧和pH测定采用化学探头法。

水样和底泥样品在规定的时间内检测铜、砷、铅、镉、汞和锌，用原子吸收分光光度计火焰检测器检测铜、锌，用原子吸收分光光度计石墨炉检测器检测铅、镉，用原子荧光光度计检测砷和汞，底泥的测定参照国家环境保护局标准方法GB/T 171382-1997和GB/T 171412-1997。

1. 利泽镇，2. 渠江口，3. 涪江口，4. 草街电站图1 嘉陵江重庆段水样采集点分布图Fig.1 Map showing the location of the sampling sites in Chongqing section of Jialing river

1.4 评价方法

1.4.1 单因子评价水体类别 水体监测结果与地表水环境质量标准(GB 3838-2002)、中国渔业水质标准(GB 11607-1989)和生活饮用水卫生标准(GB 5749-2006)比较，以该监测点反映的最低水质类别作为该监测点的水质类别[3]。

1.4.2 卡尔森综合营养状态指数(TLI)评价水体富营养化 利用总磷、总氮、高锰酸钾指数、透明度、叶绿素a的监测结果按下列公式计算TLI[4]：

TLI(∑)=∑Wj×TLI(j)

①

式中，TLI(∑)表示综合营养状态指数，TLI(j)表示第j种参数的营养状态指数，Wj表示第j种参数的营养状态指数权重[5-7]。以叶绿素a为基准参数，总磷、总氮、高锰酸钾指数、透明度、叶绿素a的权重分别为0.188、0.179、0.183、0.183、0.266。当TLI(∑)<30为贫营养，30≤TLI(∑)≤50为中营养，5070为重度富营养。

TLI(chla)=10×(2.5+1.086·lnchla)

TLI(TP)=10×(9.436+1.624·lnTP)

TLI(TN)=10×(5.453+1.694·lnTN)

TLI(SD)=10×(5.118-1.941·lnSD)

TLI(COD)=10×(0.109+2.66·lnCOD)

1.4.3 浮游植物限制因子 总磷、总氮为浮游植物生长的营养盐限制因子，当TP、TN的浓度分别达到0.02、0.2 mg/L这两个阈值时，两者均能满足浮游植物的生长。但日本合田健教授对TN/TP值与藻类增殖的关系做了研究后认为，其比值大于10时，磷为藻类增长的限制性因子，小于10时，氮为藻类增长的限制性因子；在12～13最适宜藻类增殖[8]。

1.4.4 采用地质积累指数(Geoaccumulation Index, Igeo)对底泥中重金属富积程度进行量化评价 Igeo的计算公式为[9]：Igeo=ln(Cn/1.5Bn)

(2)

式中，Cn指所测底泥所含元素的浓度，Bn是地球化学背景浓度，1.5为考虑到成岩作用会引起背景的变动。地质积累指数包括7个等级，即(Igeo)≤0、0～1、1～2、2～3、3～4、4～5和≥5，分别对应几乎没有污染、没有污染到中度污染、中度污染、中度污染到重度污染、重度污染、重度污染到极度污染和极度污染。

2 结果与分析

2.1 水体分析

2.1.1 单因子评价水体类别 表1的数据显示，4个监测点2次监测结果的pH值在6.88～8.69范围内，符合地表水的要求，但在丰水期渠江口和涪江口的pH值接近或超过8.5，呈弱碱性，略超过渔业水质的要求。4个监测点两次监测结果的DO在6.88～9.04 mg/L范围内，均满足渔业水质的要求；氨氮在0.02～0.15 mg/L范围内，均满足一级地表水的要求。5月COD监测结果在2.15～4.24 mg/L范围内，满足Ⅲ级地表水要求，8月监测结果在1.56～2.18 mg/L范围内，满足Ⅱ地表水要求；5月TP监测结果在0.052～0.130 mg/L范围内，满足Ⅲ级地表水要求，8月监测结果在0.051～0.090 mg/L范围内，满足Ⅱ地表水要求，2次监测结果均表现出CODMn和TP以涪江口监测结果最高，其次是渠江口；5月TN监测结果在0.75～1.76 mg/L范围内，8月监测结果在0.86～1.62 mg/L范围内，总体上2次监测结果的数据相差不大，部分监测点已在Ⅳ～Ⅴ类水之间，总氮是引起水体类别降低的关键因子。

从图2可以看出，各监测点总磷、总氮、氨氮、高锰酸盐指数、叶绿素a平均值的变化趋势，在枯水期(5月)叶绿素a、高锰酸盐指数和总氮的变化幅度较大，在丰水期(8月)叶绿素a的变化幅度最大，同时也可以清楚地看到叶绿素a在丰水期浓度明显增大，这与丰水期阳光促进浮游植物的生长有关。

由整体监测数据判断，利泽镇监测点为Ⅳ类地表水，渠江口监测点为Ⅲ～Ⅳ类地表水，涪江口监测点为Ⅳ～Ⅴ类地表水，草街电站监测点为Ⅳ类地表水。

表1 水质监测结果

续表1 Continued table 1

图2 水监测平均值变化趋势Fig.2 Trend of average value of water monitoring

2.1.2 水体重金属 4个监测点的重金属元素浓度如表2，6个监测指标中，只有汞的浓度达到Ⅲ类地表水，其他指标的浓度均在Ⅰ类地表水范围内。4个监测点的6个监测指标均满足中国渔业水质标准(1989年)和生活饮用水卫生标准(2006年)。比较4个监测点各监测指标的浓度发现变化范围均不大，这与水体处于流动状态的特征有关，且水体自我净化能力较强，受重金属污染程度较小。

表2 水体重金属元素监测结果

表3 水营养状态评价

2.1.3 卡尔森综合营养状态指数(TLI)评价水体富营养化 利用表1中的总磷、总氮、高锰酸钾指数、透明度、叶绿素a的监测结果计算出卡尔森综合营养状态指数，结果显示，涪江口监测点的水体达到轻度富营养等级，其他3个监测点水体都处于中营养等级，但草街电站监测点和渠江口监测点的TLI已接近轻度富营养等级的阈值(表3)。

监测点左、中、右段面水样的监测数据显示，同一断面左、中、右水质也存在一定的差异，这主要与两岸受污染影响程度有关，其中差异较突出的是涪江口监测点，其右岸是合川主城区的文峰古镇和码头，而左岸则只居住少量农户和居民，两次监测的结果都表现出右岸受污染的程度比左岸大，而且右岸两次监测的综合营养状态指标平均值已达到轻度富营养等级。

对比两次监测结果的综合营养状态指标，8月的监测结果比5月有下降的趋势，但相差不大，引起差距的主要数据来源与透明度、高锰酸盐指数和叶绿素a。引起差距的原因可能在于5月是枯水期，水位低，水体中污染物浓度相对较高，而8月是丰水期，水位高、水流量也大，水体中污染物浓度相对较低。

2.1.4 浮游植物限制因子 利用4个监测点左、中、右断面的TP、TN检测结果计算出TN/TP结果在6.64～31.76范围内，除渠江口监测点在5月监测中、右断面的TN/TP结果小于10，N为浮游植物生长的营养盐限制因子，其他监测点的TN/TP均大于10，P为浮游植物生长的营养盐限制因子。总体上，嘉陵江重庆段TN/TP平均值为18.04，P为浮游植物生长的营养盐限制因子。

2.2 底泥检测结果及分析

底泥中的重金属元素监测结果见表4，各重金属浓度变化范围如下：汞，0.048(渠江口)～0.209 mg/kg(涪江口)；镉，0.120(草街电站)～0.398 mg/kg(涪江口)；铜，10.49(渠江口)～26.5 mg/kg(涪江口)；铅，14.57(利泽镇)～83.81 mg/kg(涪江口)；锌，23.56(渠江口)～153.64 mg/kg(涪江口)；砷，4.96(利泽镇)～10.43 mg/kg(涪江口)。总体分析，所监测的6个重金属元素都表现出涪江口监测点的浓度最高，可能是因为涪江口监测点特殊的地理位置所造成的。由表4数据可知，底泥重金属元素浓度变化范围与水体重金属元素浓度变化范围比较相差较大，这与底泥的沉积作用有一定的关系。

Igeo指数评价参照中国陆壳(CCC)和上层陆壳(UCC)背景值，结果见表5。4个监测点除砷、镉、铅属轻度污染外，汞、铜、锌属几乎没有污染。

表4 底泥金属元素监测结果

表5 基于不同地壳背景下底泥重金属元素的地质积累指数

3 讨 论

利泽镇监测点位于嘉陵江重庆段上游，水体流动性大，但也会受嘉陵江四川段的影响，部分监测指标比渠江口大。渠江口监测点位于合川区郊外，受合川市区的影响较小，水质较涪江口好；涪江口监测点处于合川区主城区，右岸是文峰古镇和码头，右岸沿江是滨江公园，受居民在江中洗衣、游泳等人为活动的影响和其他综合因素的影响较大，涪江口监测点的水质较差，且涪江口受上游沿岸绵阳市、射洪县、遂宁县和潼南区等城镇的影响，污染相对较重，部分污染物汇集到下游，影响水体质量。数据还显示，涪江口监测点左、右岸水质存在明显差异，右岸已达到轻度富营养化等级，Ⅴ级地表水，左岸是中等营养等级，Ⅳ类地表水；这一定程度说明左、右岸环境等因素的影响会造成水体质量差异。下游草街电站监测点处于大坝前，水流十分缓慢，受上游水体中的污染物沉积作用，一定程度造成水体富营养化。

4 结 论

嘉陵江重庆段枯水期水体水质在Ⅲ～Ⅴ类水之间，丰水期在Ⅲ～Ⅳ类水之间。枯水期水体综合营养状态指数在42.67～51.43，平均值为46.92，但部分监测点已处于或接近轻度富营养等级。丰水期的水体综合营养状态指数在44.32～47.75，平均值为45.5，处于中营养等级。

水体受重金属元素污染较小，除Hg是潜在的污染物质外，其他重金属元素浓度均能达到Ⅰ级地表水要求，并满足中国渔业水质标准(1989年)和生活饮用水卫生标准(2006年)的要求。

底泥重金属元素变化幅度比水体重金属元素变化幅度大，利用Igeo指数评价底泥中重金属，只有As、Cd的Igeo在0～2范围内，存在轻度污染，Zn、Hg、Cu几乎没有污染。