广州增城区黑臭河道表层沉积物污染特征及评价

朱小平 何瑞 雷列辉 刘艺斯

（珠江水利委员会珠江水利科学研究院 广东广州 510000）

在日益加快的工业化和城镇化过程中，由于水污染防治措施相对滞后，河道黑臭这一环境污染问题愈演愈烈，严重影响了城镇居民的幸福感和获得感。河道沉积物是入河各种污染物的主要归属之一，随着污染物的积累，沉积物物理化学结构发生了巨大的改变，直接影响河流生态系统的健康；因此，研究底泥的污染状况对于河涌黑臭治理和生态修复具有非常重要的意义。广州市近年出台了一系列黑臭水体整治的计划和措施，想要从根本上解决城区黑臭问题。本研究旨在通过分析广州增城区典型黑臭河道底泥中总氮（TN）、有机质（OM）、、总磷（TP）和重金属元素的分布和含量，进而对河道底泥污染物的分布特征、风险等作出评价，为城市黑臭河道的综合治理提供一定的科学支撑。

1 材料与方法

1.1 样品采集及处理

经调查，已增城区域为研究范围，选取了11 条典型河道，每条河道设置3 个采样点，共采集了33 个样品（详见表1）。通过彼得逊采泥器采集了表层0～20 cm 沉积物样品，除去沉积物中的杂物（如石块、塑料纸、树枝等），在房间内自然风干，用玛瑙球磨机研磨处理后全部过100 目筛，保存备用。

1.2 分析方法

沉积物中有机质（OM）的测定采用重铬酸钾容量法-外加热法；总氮（TN）测定采用催化消解，全自动蒸馏滴定法；总磷（TP）采用 钼锑抗 比色法测定［1］；重金属(Cu、Zn、Cr、Ni）经三酸（硝酸+高氯酸+氢氟酸）消解后采用ICP-AES 进行测定(SL394.1-2007）;重金属（Pb、Cd）经三酸（硝酸+高氯酸+氢氟酸）消解后采用石墨炉AAS 测定（GB/T 17141—1997）。

1.3 评价标准及方法

1.3.1 营养物（OM、TN、TP）的评价

由于黑臭河道本身浮游动植物和底栖生物种类很少，因此不宜采用针对底栖生物的生态毒性效应的评价方法，综合考虑，本研究采用有机指数及有机氮指数分别对有机质和有机氮进行分析评价，另外采用污染指数法对沉积物中磷污染分布情况进行研究分析［2］。

（1）有机指数与有机氮指数。有机指数（Org-Index）、有机碳（Org-C)和有机氮指数（Org-N）计算公式见式（1）～式（3）。

沉积物有机指数法及有机氮评价分级标准如表2 所示。

表2 沉积物有机指数法及有机氮评价分级标准

（2）TP 污染指数。污染指数Pi计算公式如式（4）。

式中：Ci为样品总磷的实测浓度，mg/kg；C0i为总磷的评价标准值，mg/kg。按照我国湖泊和水库沉积物评价的标准，总磷的评价标准值取440 mg/kg［3］。本研究分级标准如表3 所示。

表3 TP 污染指数分级标准

1.3.2 重金属评价方法及标准

（1）评价标准。因目前暂没有河道沉积物的评价标准，因此本研究参考广州市土壤地球化学背景值［4］对检测结果进行比较。

（2）评价方法。由瑞典学者Hakanson 于1980 年提出潜在生态风险指数法主要考虑沉积物中重金属的毒性、生态与环境效应［5］；而污染负荷指数法分三个步骤：首先，定量评价研究区域内各点位的所有重金属元素；然后利用分级的方法区别不同点位的污染程度；最后，针对该元素对环境污染的贡献程度，以量化的方式进行分析评价［6］。对于城区的黑臭河道，该种评价方法能较为全面地评价区域沉积物污染状况。污染负荷指数法计算方法为：

污染因子CF（contamination factor）计算公式如式（5）。

式中：Ci为样品中金属i 的实测浓度；Cbi为样品中金属i 的背景值。

污染负荷指数PLI（pollution load index）计算公式如式（6）。

由于当前暂无广州河道沉积物重金属元素背景值，参考迟清华等［7］著《应用地球化学 元素丰度数据手册》中珠江底泥化学元素含量作为背景值。不同CF 值对应的污染程度见表4；不同PLI 值对应的污染程度如表5。

表4 不同CF 值对应的污染程度表

表5 不同PLI 值对应的污染程度表

2 结果与讨论

2.1 沉积物污染物分布特征及相关性分析

2.1.1 沉积物污染物分布特征

（1）沉积物TN、TP、OM 污染特征。11 条黑臭河道沉积物中TN 如图1 所示（每条河涌三个柱子表示三个采样点结果，图2、图3 同理），最高值5 700 mg/kg，位于石下左支涌，最低值为298 mg/kg，位于白江涌，平均值为2 841 mg/kg，不同河涌、同一河涌不同位置TN 含量差异较大；由图2 可知：沉积物TP 含量范围为445 mg/kg～3 793 mg/kg，平均值为2 005 mg/kg；和TN 一样，沉积物TP 空间差异性也较大；图3 所示，沉积物中OM 含量在1.1%～12.0%之间，平均值为6.3%，其变化特征与TN、TP 有较好的同步性。

图1 黑臭河道沉积物TN 含量

图2 黑臭河道沉积物TP 含量

图3 黑臭河道沉积物OM 含量

（2）沉积物重金属污染特征。增城区黑臭河道沉积物重金属含量统计结果如表6 所示，与广州市土壤地球化学背景值作对比，沉积物中6 种重金属含量均存在超标情况。其中Cu、Zn、Pb、Cd 监测点位全部超标，Cr 和Ni 的超标点位占比分别为70%和82%。Cd 含量为0.15 mg/kg～7.69 mg/kg，最大值达到了背景值（0.15 mg/kg）的50 倍，平均超标倍数为9 倍，超标最为严重。其次为Cu，平均超标倍数为8.9 倍、Cr、Ni 的超标情况相对较轻，平均超标倍数分别为0.6 倍和1.0 倍。按照Wilding对变异程度的分类［8］，CV＞36%为高度变异，结果表明，除Pb外，其他5 种重金属含量全部为高度变异，说明这5 种重金属可能存在点源污染。

表6 黑臭河道沉积物中重金属统计表

2.1.2 相关性分析

相关性分析是对两个或多个具备相关性的变量元素进行分析，从而衡量两个变量因素的相关密切程度。本文拟通过对沉积物中的营养盐和重金属元素进行相关性分析，来探寻增城区黑臭河道沉积物中各类污染物之间的联系，并进一步揭示其污染的可能来源。研究分析结果（见表7）表明。TN 和TP、OM 关系为极显著正相关，TP 与OM 关系为显著正相关，由此可见OM、TN、TP 之间存在较密切的关系，另外，其有极大可能来源于相同的污染源。

表7 黑臭河道沉积物中污染物的相关性分析

与TN、TP 和Pb 呈显著正相关的情况不同，沉积物中营养物质与其他重金属元素间未出现显著的相关性，由此可见，营养物质与其他重金属元素可能来源于不同的污染源。分析不同重金属元素之间的相关性，可以发现Cu、Ni、Cd 三者之间互相呈极显著正相关，说明Cu、Ni、Cd 三种重金属较低可能受到人类生产活动的影响，而Cr 仅与Ni、Cd，Zn 仅与Cu 有着极显著的正相关，Pb 仅与Cu 有着显著的正相关性，说明Cr、Zn、Pb这三种元素受人类生产活动影响的可能性较大。

2.2 沉积物污染状况

2.2.1 沉积物TN、TP、OM 评价

TN、TP、OM 的评价结果见表8。75.8%的点位沉积物有机污染程度为重度，有机氮污染程度为重度的点位和有机污染一致，约占到78.8%，3%的点位有机污染和有机氮污染程度为清洁；通过对比研究，增城区黑臭河道沉积物较为严重污染物是TP，90.9%点位的为重度；污染程度为清洁的点位占比为0%。

表8 沉积物有机指数、有机氮指数及TP 污染指数评价结果

2.2.2 沉积物重金属评价

沉积物重金属污染因子评价结果表明（见表9）。增城城区11 条黑臭河道污染最为严重的重金属元素是Cd，CF 值大于6 的点位占比为78.8%；其次是Zn 和Cu，处于严重污染水平的点位分别约有45.5%和33.3%；对于Pb 来说，约有12.1%点位处于严重度污染程度以上，对比发现，Cr 和Ni 没有点位污染水平为重度以上，相比其他金属污染程度较轻。增城河涌沉积物的污染负荷指数（PLI）在1.8～4.5 之间，平均值为3.1（如图4 所示），污染负荷指数最高的为水南支涌，最低的为上邵涌。总体来看，增城区11 条黑臭河道沉积物均受到重金属污染。

图4 河道沉积物重金属平均PLI 值

表9 沉积物重金属污染因子评价结果

3 结论

（1）广州增城区黑臭河道沉积物中TP、TN、及OM 的含量范围分别为445 mg/kg～3 793 mg/kg，298 mg/kg～5 700 mg/kg，1.1%～12.0%，三者在空间分布上差异性较大。TN 和TP、OM 均呈极显著正相关，TP 与OM 呈显著正相关；重金属Cu、Zn、Pb、Cr、Ni 及Cd 的平均含量分别为220 mg/kg、541 mg/kg、121 mg/kg、69.7 mg/kg、31.8 mg/kg 和1.49 mg/kg，各元素均远超广州土壤背景值，受到点源污染的可能性较大，污染程度顺序为Cd＞Cu＞Zn＞Pb＞Cr＞Ni。相关性分析表明：Cu、Ni、Cd 之间互相呈极显著正相关，表明人类活动对这3 种金属的影响较小，Cr、Zn、Pb 仅与其他个别元素呈显著正相关，说明这3 种金属受到人类活动的影响相对较大。

（2）评价表明，相比有机污染和有机氮污染，增城区黑臭河道沉积物更为严重的是TP 污染。重金属评价结果表明，处于严重污染水平的是重金属Cd，有78.8%的监测点位。程度次之污染物为Zn、Cu、Pb，对比其他重金属元素，Cr 和Ni 污染负荷指数在1.8～4.5 之间，污染程度较轻。整体而言，增城区黑臭河道沉积物重金属污染普遍较为严重。