湘江長株潭段底泥重金屬污染現狀評價

朱余銀，戴塔根，吳塹虹

（1.中南大學 地球科學與信息物理學院，湖南 長沙，410083；2.西南科技大學 環境與資源學院，四川 綿陽，621010）

湘江是長株潭（長沙?株洲?湘潭）地區的主要供水水源。近年來，由于湘江沿岸工農業生產發展和人口增長，特別是采選、冶煉、化工等高污染企業多分布于湘江兩岸，重金屬污染物入江量大幅度增加，湘江水體和底泥中污染物不斷積累，使湘江水體富營養化程度日趨嚴重，湘江流域已成為我國重金屬污染最嚴重的區域，直接影響到流域內4 000萬人口的生活用水安全。湘江環境治理已成為十分緊迫的課題。底泥（水體沉積物）作為水環境中重金屬的主要蓄積庫，是水環境重金屬污染的敏感指示劑，底泥中重金屬污染物的濃度可以反映水體的污染程度，因此，底泥的污染狀況是全面衡量水環境質量狀況的重要因素[1?3]。國內外對底泥重金屬污染的評價方法很多，如地積累指數法[4]、模糊集理論[5]、潛在生態危害指數法[6]、回歸過量分析法[7]等。目前，對湘江水體沉積物重金屬污染特征的研究較多[8?12]，但這些研究要么未對沉積物中重金屬污染的種類和程度進行定量分析，要么數據陳舊，方法單一，對當前湘江環境污染治理不能起到指導意義。為此，本文以長株潭城市生態體系為工作單元，以湘江長株潭段底泥為研究對象，采用地積累指數法和潛在生態危害指數法對湘江長株潭段底泥的重金屬污染以及潛在生態風險進行定量分析評價，以便為當前湘江水污染防治提供基礎數據。

1 材料與方法

1.1 樣品采集與制備

本次研究分別在湘江流經長沙、湘潭和株洲三城市的入、出口地段設置監測斷面，從上游到下游共布設7個斷面，18個底泥采樣點，具體采樣點位見圖1。

圖1 湘江長株潭段底泥采樣點分布圖Fig.1 Distribution of sampling sites for sediment of Chang—Zhu—Tan section of the Xiangjiang River

利用水底樣品取樣器采集底泥表層0～20 cm沉積物樣品，每點采集3次，然后原地縮分。用聚乙烯保鮮袋包裝，封口并標記后帶回實驗室。將采集好的沉積物樣品放于陰涼處自然風干，去除植物根系、石塊等雜質，過0.15 mm尼龍篩備用。

1.2 樣品測試

測定 Cu，Pb，Zn，Cd，Ni，Cr和 As元素的底泥樣品采用超純硝酸?氫氟酸?高氯酸法進行消解，用PQ-EXCELL ICP-MS儀器分析 Cu，Pb，Zn，Cd和Ni元素含量；As和Cr含量由國土資源部湖南分析測試中心的PW2440 X熒光光譜儀和PGS2發射光譜儀測定。執行標準為《區域生態地球化學評價樣品分析指南》。

2 結果與討論

2.1 底泥重金屬含量及分布特征

湘江長株潭段18個底泥樣品中7種重金屬含量見表1。

從表 1可以看出：與中國土壤環境質量標準（GB 15618—1995）[13]中三級標準相比較，Cd元素每個樣點含量都超標，絕大多數Zn含量也超標，As含量在霞灣、馬家河和暮云市等斷面的個別采樣點超標，Pb含量只在霞灣斷面的右邊采樣點超標，Cr，Cu和Ni元素含量在各斷面都不超標；其均值與2002年長株潭地區土壤背景值相比較[14]，Cd和Zn元素每個樣點含量都超標，絕大多數As含量也超標，Pb元素含量在淥水口上、霞灣、馬家河與三叉磯斷面的個別采樣點超標，Cu含量只在霞灣斷面的右邊采樣點超標；Cd和Zn最富集，Cd和Zn含量的均值分別為長株潭地區土壤背景值的28.3倍和7.5倍，其次為Pb和As，而Cr和Ni并不富集。Cd，Pb和As的變異系數分別為2.45，1.63和1.44，相對較大。而變異系數越大，表明人為活動的干擾作用越強烈或污染程度越嚴重[15?16]，表現出重金屬元素以外源污染形式進入底泥的明顯特征。

圖2所示為湘江長株潭段底泥中重金屬含量沿程分布情況。從圖2可以看出：7種重金屬含量的分布特征基本相似，其中，Cd，As，Zn，Pb和Cu的含量最高點均在霞灣斷面右邊采樣點，說明它們具有相似的重金屬污染物來源和平面分布，從上游到下游，底泥中重金屬含量受工業影響明顯；在上游，株洲市清水塘工業區內的冶煉廠、化工廠、造紙廠等企業大多通過霞灣江段將工業廢水排入湘江，湘江霞灣江段底泥中重金屬主要來源于排放的工業污水，重金屬污染物會逐漸在納污區附近沉積，沉積后的重金屬遷移能

力較弱，導致納污區的重金屬較高；而湘江水體自凈能力較強，所以，中下游重金屬含量較低。

表1 湘江長株潭段底泥重金屬含量的含量Table 1 Content of heavy metals in sediments of Chang—Zhu—Tan section of the Xiangjiang River mg/kg

圖2 湘江長株潭段底泥中重金屬含量沿程分布Fig.2 Variation of heavy metal concentrations in sediments of Chang—Zhu—Tan section of the Xiangjiang River

2.2 底泥重金屬污染程度評價

地積累指數法（Index of Geoaccumulation,Igeo）是Müler于 1979年提出的，是一種全球廣泛使用的方法[17?18]。該方法主要是對沉積物中重金屬污染程度進行定量研究，尤其適用于對現代水環境沉積物中重金屬污染進行評價。計算公式為：

式中：Ci為元素i在沉積物中的含量（指質量分數，實測值）；Bi為參比值，即該元素的地球化學背景值或當地土壤背景值；1.5為常數，是考慮到成巖作用可能會引起背景值的變動系數。

地積累指數共分為7級（0～6級），Igeo與污染程度的對應關系見表2。

一般來說，采用所研究河流的實際顆粒物的平均元素組成作為地積累指數評價法的背景值是最合適的[18?19]。所以，本研究在評價過程采用 2002年長株潭地區土壤元素背景值作為參照標準[14]。根據表2中標準得到重金屬污染級別，見表 3。為了比較每個采樣點的重金屬綜合污染程度，本研究采用均方根綜合指數（RMS）進行分析。計算公式為：

表2 地積累指數與污染程度分級Table 2 Index of Geoaccumulation and classification of pollution degree

表3 底泥重金屬污染地積累指數（Igeo）及分級Table 3 Index of geoaccumulation and classification of heavy metals pollution of the sediments

從表3可知：幾種重金屬中，Cd的污染程度最大，平均污染級別達到 3級，為中?強度污染，其中霞灣和馬家河斷面右邊采樣點的污染級別達到6級，為極強污染，其他采樣點污染級別也都大于1級，從中度污染到強污染；Zn的污染程度也比較大，霞灣斷面的污染級別為4級，屬于強污染，其他采樣點的污染級別為2～3級，屬于中等?強污染；而As和Pb在霞灣斷面右邊采樣點為中等?強污染，其他采樣點基本上為無污染和無～中等程度污染；所有采樣點的Cr，Cu和Ni元素基本無污染。

綜合分析上述重金屬的地積累指數分級可以看出：湘江長株潭段底泥中各種重金屬的污染程度由大至小依次為：Cd，Zn，As，Pb，Ni，Cu 和 Cr。

從地域分布來看，從上游到下游，污染物的分布差異較大。株洲市內的冶煉廠、化工廠、造紙廠等產生的廢水主要污染物是Cd和Zn，其排放口所在霞灣江段的底泥綜合污染均方根指數最高，為3.14，是重金屬污染程度中最嚴重的，其次是馬家河和淥水口上斷面。

2.3 重金屬的潛在生態危害評價

潛在生態危害指數法是Hakanson于1980年提出的，是目前國內外進行重金屬生態危害評價最廣的一種方法[20?21]。該方法利用沉積物中重金屬相對于工業化以前沉積物的最高背景值的富集程度及相應重金屬的生態毒性系數進行加權求和得到生態危害指數[21]。主要受水體沉積物中重金屬的濃度、種類、毒性水平以及水體對重金屬污染的敏感性共4個因素的控制和影響[19]。潛在生態危害指數RI的計算方法如下:

式中：Csi為表層沉積物中重金屬 i的實測含量；Cni為重金屬i的參比值，采用工業化以前沉積物中重金屬的最高背景值；Cfi為某一重金屬的污染系數；Ti為重金屬i的毒性響應系數，它主要反映重金屬的毒性水平和生物對重金屬污染的敏感程度[21]；Ei為重金屬i的潛在生態危害系數。

采用工業化以前沉積物中重金屬的最高背景值，可以在更大程度上反映可能的潛在危害程度[17]，但目前沒有湖南及至中國工業化以前沉積物中重金屬的最高背景值，故本項研究中采用全球工業化以前沉積物中重金屬的最高背景值。Hankanson根據大量數據分析，提出了重金屬的生物毒性系數。Cu，Pb，Zn，Cd，Cr和As的生態風險最大，將這6種金屬作為優先考慮對象[20]。重金屬的參比值、生物毒性系數和評價標準見表4和表5。

經計算，湘江長株潭段底泥中6種金屬的潛在生態危害系數（Ei）和潛在生態危害綜合指數（RI）如表 6所示。

從表6可以看出：Cd為湘江長株潭段主要的生態風險貢獻因子，其Ei最大；除4個采樣點外，Cd的生態危害系數都大于160，平均值為276.2，達到很強危害，尤其是霞灣和馬家河斷面右邊采樣點，Ei分別為9 684.0和1 700.4，表明該江段Cd污染為極強生態危害；As在霞灣斷面右邊采樣點的 Ei為 85.2，屬于強生態危害，在馬家河斷面左邊采樣點Ei為46.5，屬于中等生態危害；其余采樣點的Ei都低于40，為輕微生態危害；Pb在霞灣斷面右邊采樣點Ei為115.8，屬于強生態危害，其余采樣點Ei值基本上都低于40.0，屬輕微危害危害。雖然Zn的地積累指數Igeo很高，但其生物毒性系數低[20]，因此，Zn的污染造成的生態危害并不大；Cu和Cr的生態危害系數（Ei）均小于40，屬輕微生態危害。

從總體污染程度來分析，各污染物對湘江長株潭段生態風險構成危害的影響程度由大至小為：Cd，As，Pb，Zn，Cu和 Cr（Pb與 Zn的相當），其中 Cd對 RI的貢獻最突出，其次是As和Pb。

表4 重金屬的參比值和生物毒性系數Table 4 References Cni and toxic coefficient Ti of different heavy metals

表5 生態危害指數、系數和危害程度分級Table 5 Ecological risk coefficient,risk index and classification of risk intensity

表6 湘江長株潭段底泥重金屬生態危害系數（EI）和生態危害指數（RI）Table 6 Ecological risk coefficient（EI）and risk index（RI）in sediments in Chang—Zhu—Tan Section of Xiangjiang River

從潛在生態危害綜合指數（RI）來看，在地域分布上，霞灣和馬家河屬于很強?極強的生態危害，淥水口上、易家灣、三叉磯屬于強生態危害，而暮云市、猴子石橋屬于中等生態危害。總體而言，湘江長株潭段從上游到下游都存在污染，只不過不同江段的污染程度不同，這與沿岸城市的功能布局相一致。

2.4 2種評價結果的比較與分析

地積累指數法計算結果表明湘江長株潭段底泥中重金屬的污染程度由大至小依次為：Cd，Zn，As，Pb，Ni，Cu和 Cr；而生態危害指數法評價結果認為，各污染物的生態危害系數排列次序由大至小為：Cd，As，Pb，Zn，Cu和Cr（Pb與Zn的相當）。對比這2種不同的評價方法可以看出：二者評價結果既有相同點，也存在差異；相對于不同的重金屬元素，2種評價結果都表明湘江長株潭段Cd污染情況最嚴重，而對Zn，As和Pb的評價結果不一致；相對于不同采樣點，二者都表明霞灣江段的重金屬污染最嚴重，而對于猴子石橋、暮云市、易家灣、三叉磯的評價結果也不完全一致。

造成這種結果的原因主要是參比值體系的不同和重金屬毒性系數的影響[21]。地積累指數的參比值（Bi）采用的是 2002年長株潭地區土壤背景值，而生態危害系數的參比值（Cni）為采用全球工業化以前沉積物中重金屬的最高背景值；重金屬Zn，As和Pb的毒性系數也有較大差別。總體而言，地積累指數法主要是對沉積物中重金屬的含量進行對比評價，很難區分出沉積物中重金屬的來源；而生態危害指數法除了對比研究重金屬的含量之外，更側重于重金屬生物毒性差異的影響。可見：生態危害指數法更全面，評價結果更準確。

3 結論

（1）與國家土壤三級標準和長株潭地區土壤背景值相比較，湘江長株潭段底泥中出現嚴重的重金屬復合污染，污染物主要為Cd，Zn，As和Pb，其中，Cd含量超標最嚴重；在空間分布上，Cd，As，Zn和Pb的含量最高點均在株洲霞灣江段。

（2）地積累指數方法評價結果表明，各污染物的污染程度由大至小為:Cd，Zn，As，Pb，Ni，Cu和Cr。

（3）從多種重金屬的潛在生態危害指數來看,各種污染物對湘江長株潭段構成的潛在生態危害由大至小依次為：Cd，As，Pb，Zn，Cu和Cr（Pb與Zn的相當），其中，Cd的影響占主導地位。

（4）總體而言，株洲霞灣江段重金屬污染程度最嚴重，這說明底泥中重金屬的含量分布和生態危害程度與湘江沿岸地區大量重工業的污水排入水體是密切相關的。可見：控制好長株潭地區特別是株洲市的重金屬污染源是改善湘江水體環境質量的關鍵。

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