流域底泥重金屬分布特征及其生態風險評價

陽 輝，樊貴盛，劉 婷

（1.太原理工大學 環境科學與工程學院，山西 太原030024；2.太原理工大學 水利科學與工程學院，山西 太原030024）

水體污染不僅僅表現在水體富營養化以及各項有機污染物，重金屬污染也是重要的部分。鉛、鋅、鎘、鉻、銅、鎳等9種重金屬被列入我國水中優先控制的68種污染物的“黑名單”［1］。而通過各種途徑進入河流水體中的重金屬絕大部分在物理沉淀、化學吸附等作用下迅速由水相轉入固相，沉積于底泥中，因此底泥是河流中重金屬的主要蓄積庫，是河流水環境重金屬污染的指示劑，影響著河流疏浚治理的效果。同時，重金屬具有毒性甚至劇毒，不能為微生物所降解而通過富集作用累積，對生態環境具有潛在的生態危害性。

對于河流底泥污染物的研究是目前環境科學研究的熱點問題，尤其是重金屬污染，僅以研究底泥中重金屬分布特征及來源為例，大致分為3類：一是選取某條河流為研究區［2］；二是以海灣為研究對象［3－4］；三是對湖泊水體沉積物重金屬進行研究［5－6］。上述研究均選取的是單一的研究對象，對以多對象的研究還較少。在此基礎上，本研究選取隸屬于瀟河流域的白馬河和瀟河同時為研究對象，通過對河流各段表層底泥中重金屬含量進行同期檢測、定量分析研究，得出流域底泥重金屬分布特征，分析其成因，并進行潛在生態風險評價。研究結果可為重金屬在黃土高原地區的流域河道底泥中的分布情況提供基礎資料，為流域河道沉積物的污染防治和河道生態恢復及保護提供重要的理論和實驗依據。

1 材料與方法

1.1 瀟河流域概況

瀟河流域地處黃土高原東部邊緣，屬大陸性半干旱氣候，冬季寒冷干燥，夏季多雨炎熱，多年平均降水量為483mm，多年平均氣溫10.1℃，多年平均蒸發量2 063mm。河道封凍期約90d，流冰期約20d。

瀟河干流主要包括白馬河和瀟河兩支。瀟河為汾河的第二大支流，全長147km，流域面積3 894 km2，白馬河全長66.7km，流域面積1 067.5km2。整個瀟河流域包括包含了晉中地區的昔陽、壽陽、和順、太谷、榆次、盂縣（部分），太原市的小店區、清徐、陽曲（部分）等9個縣區。根據調查得知，河水中污染物主要來源為壽陽、榆次縣區，其中，壽陽縣作為煤炭資源大縣，有大量的工礦企業，包括食品廠、造紙廠、電廠、農副產品加工廠等，境內統計備案的排污口就多達9個；榆次區水資源嚴重不足，現有地表水很多由于污染嚴重已失去使用功能，河段堤岸防洪能力低且水土流失嚴重，占該區土地面積的70%，從而導致河道淤積，河床抬高。因此，進行采樣的河流為白馬河和瀟河。

1.2 采樣點布設

監測采樣點采用GPS系統精確定位。考慮到整個流域的水文水質、河道走向和彎道、支流匯流處、陸上污染源的分布以及河道進污口等因素，設置并實施采樣的點共8個。瀟河共設5個采樣點，其中，S1為位于瀟河下游段的源渦大壩，S1下游至瀟河入汾口由于水體的幾何形狀，如河流的斷面形狀和水深，以及河道坡度導致河底無淤積物，為砂礫石，因此無采樣點。S2為距S1處8.4km的西窯鎮生活污水排污口，S3為位于瀟河中下游段的西洛鎮，S4為位于瀟河和白馬河交匯后的蘆家莊水文站，S5為位于瀟河上游的白馬河和瀟河交匯前的松塔水庫庫尾。至于白馬河，共設采樣點3個，分別為S6馬首鄉，S7壽陽縣印刷廠排污口，S8壽陽污水廠出水口。

1.3 采樣方法

采樣依次從流域下游至上游。樣品主要采用直接挖掘法，取深度為0—20cm處的表層底泥。樣品采集后，裝入聚乙烯塑料袋中迅速帶回實驗室。

1.4 分析方法

底泥樣品經過預處理以后，研細過100目篩，按照王水回流消解原子吸收法（NY－T1613－2008），經HNO3—HCl消解后，用原子吸收分光光度計測定重金屬含量，所測重金屬項目有Cu，Zn，Cr，Pb，Cd及Ni，同時做空白實驗。所有器皿均用稀硝酸處理，去離子水洗凈烘干待用。

2 結果與討論

2.1 重金屬分布特征及成因

經測定，瀟河流域各采樣點表層底泥中重金屬的平均含量分布情況如圖1所示。從圖1可以看出，一方面，正常淤積下，整個流域，位于中上游的白馬河底泥重金屬含量高于下游的瀟河底泥，即流域底泥重金屬含量在水平方向呈“中上游流域高，下游流域低“的分布特征。具體看來，每條河流，無論是白馬河還是瀟河，重金屬含量在水平方向上同樣呈“上游河段高，下游河段低”的分布趨勢。

另一方面，各種重金屬含量在白馬河的S7，瀟河的S2卻又表現下游河段高于上游的變化特征，尤其是Cu和Zn含量，表現出一致的變化趨勢，這點說明Cu和Zn在底泥中的含量具有相關性。經過調查發現，S7點旁有一造紙廠的排污口，其污水未經處理直接排入河道，其中含有Pb和Cr等，且其上游S6點排出的為壽陽污水廠處理后的出水口，該點說明污水廠在處理污水時只去除了水中的COD、氮磷等物質而并未對水中重金屬進行任何處理。同樣，S2點旁設有西窯居民的生活污水排污口以及新增污水來源，分別來自源渦，榆次，清徐等三個鄉區的工礦企業，包括食品加工廠，電廠等排出的“三廢”和生活污廢水。而這些污廢水中含有大量Zn，Ni，Pb等重金屬，由此可知底泥中的重金屬主要來自水體中的重金屬，關鍵在于河流是否有外排污口——重金屬污染源。

同時，水為底泥中重金屬的遷移轉化創造了化學條件，為底泥中重金屬的吸收與釋放提供介質。因此，底泥重金屬受到某些水質參數的影響，研究表明鎘是水遷移性元素，除硫化鎘外，其它鎘的化合物均能溶于水，其溶解度受碳酸根或羥基濃度所制約；天然水體中鉛主要以Pb2＋狀態存在，其含量和形態明顯受CO2－3，SO2－4，OH－和Cl－等含量的影響；鉻在水體中主要以3價和6價鉻的化合物為主，3價鉻大多數被底泥吸附轉入固相，少量溶于水，遷移能力弱。6價鉻毒性比3價鉻大，它可被還原為3價鉻，然后被懸浮物強烈吸附而沉降至底部顆粒物中，還原作用的強弱主要取決于COD值，COD值越高，則還原作用越強；水體中大量無機和有機顆粒物，能強烈地吸附或螯合銅離子，使銅最終進入底部沉積物；在天然水的pH范圍內，鋅都能水解成可溶性配合物，在水體中易生成化學沉積物向底部沉積物遷移，其含量為水中的1萬倍；鎳常與水中硝酸鹽形成可溶性配合離子隨水流遷移［7］。據此，由于待測水體中重金屬含量相對較少，所以選取pH值，COD，NO3—N，NH4—N，總磷，總硬度和電導率7個水質參數作為研究對象，得出水質參數與底泥中重金屬含量分布的關系。水樣的分析方法按照《地面水環境質量標準（GB3838—83）》中提供的采樣和分析方法。

為減少分析過程中因素過多，故對水質參數進行主成分分析（PCA），分析結果詳見表1。取特征值大于1的主成分（P5—P7）進行分析，然后分別將6種重金屬的含量與這3個主成分進行回歸分析，得出水質對底泥中各種重金屬含量的影響。

圖1 瀟河流域各采樣點表層底泥中重金屬平均含量分布

表1 瀟河流域河流水質主成分分析結果

對于表1進行分析可得，對于瀟河流域河流水質來說，可以分為3大類影響因素。第5個主要成分可以表示的是水中Ca＋，Mg2＋含量的特征；第6個主要成分表征的是水質的酸堿程度；第7個主要成分水中硝態氮含量的特征。將底泥中各重金屬的含量與3個主要成分進行多元線性回歸分析，分別得出回歸方程：

河道底泥中重金屬的含量受到河流水質多種因素的影響，對于瀟河流域來說，對各回歸方程中各主成分的系數進行對比分析可以得出，對于底泥中Cd的含量來說，主要是受水中硝態氮含量的影響，經測定，樣點S2和S1處水中的硝態氮含量分別為4.325和5.904mg／L，在所有采樣點中處于最高水平，從圖1可知，樣點S2和S1處底泥中的鎘含量同樣處于較高水平，該點說明水中硝態氮含量越高，溶解態鎘含量越低，鎘更容易被水體中的沉積物所吸附；對于Cr，Pb，Cd，Cu，Ni來說，主要是受水質硬度的影響，通過測量各采樣點處水中硬度含量，得出各采樣點硬度含量大小順序為：S6＞S4＞S7＞S8＞S2＞S1＞S5＞S3。從圖2看出，硬度靠前的采樣點處底泥中的各個重金屬含量同樣也是靠前的，由此可知，水中硬度含量大，水中重金屬離子更容易通過沉淀，絡合等作用富集到河道底泥中。因而控制河流底泥中的重金屬含量主要是從調節河流水質硬度特征著手，其次是控制河水中硝態氮含量。此外，流域各采樣點重金屬含量參照《土壤環境質量標準（GB15618—1995）》一級標準（圖1中虛線所對應的值），從圖1可看出，除Cd以外，其他其它重金屬平均含量均低于土壤質量一級標準值，而Cd的平均含量雖偏高，也是低于土壤質量三級標準值（1.0mg／kg）。因此，瀟河流域底泥重金屬污染屬于原生型污染，對河道進行生態保護時可考慮采用近自然恢復措施［8］。

2.2 潛在生態風險評價

目前，底泥中重金屬污染評價方法主要有地質累積指數法［9］、污染負荷指數法［10］、潛在生態危害指數法［11－14］、健康風險評價方法［15］、模糊數學法［16］和基于GIS地統學評價方法［17］等。

潛在生態指數法是瑞典學者Hakanson于1980年提出的一套應用沉積學原理評價重金屬污染及生態危害的方法，被國內外學者廣泛的應用于研究河流和海域沉積物重金屬污染評價。從環境學的意義，地球化學元素的污染評價主要是評價其污染程度對生態系統或人類健康的威脅程度，而潛在生態危害指數計算加入的毒性因子恰恰能滿足評價需求，因而使用這種方法具有實際的價值。并且潛在生態危害指數法可反映：（1）潛在生態危害指數應隨污染程度的加大而增大；（2）多種金屬污染的沉積物的潛在生態危害指數應高于少數幾種金屬污染的沉積物；（3）毒性高的金屬應該對潛在生態指數的數字有較大貢獻；（4）對金屬污染敏感性大的水體應有較高的潛在生態危害指數。

因此，選擇潛在生態危害指數法評價瀟河流域底泥中重金屬的污染程度。根據這一方法，底泥中第i種重金屬的潛在生態危害參數（）及底泥中多種重金屬的潛在危害指數（RI）可分別表示為：

由表2—3可知，從單因子污染參數來看，Cu，Zn，Cr和Ni的污染參數值介于0.16～0.84之間，均小于1，所有的采樣點都屬于輕微污染；Pb的污染參數值除位于白馬河的S6和S7為1～3，屬于中等污染，其余大部分采樣點均小于1，屬于輕微污染；Cd的污染參數值大部分點都在2.05～2.85，屬于中等污染，除S2點為重度污染。對瀟河流域表層底泥中重金屬的復合污染狀況評價結果是：Cd＞Pb＞Ni＞Cu＞Cr＞Zn。其中，Cd元素的值介于19.50～99.00之間，屬于輕微到強生態危害；其余5種元素的Eir值均小于40，屬于輕微生態危害。

表2 重金屬污染潛在生態風險等級劃分

表3 表層底泥中重金屬的潛在生態危害系數與危害指數

3 結論

（1）在無外排污水口的情況下，流域河道底泥重金屬含量水平分布呈“中上游流域高，下游流域低”的趨勢；非正常淤積下，如河道起伏不定，河流有新的污染物注入，降雨等，影響其在底泥中的累積入滲量，便會表現出下游高于上游的分布特征。

（2）流域河道底泥重金屬含量易受河流水質的影響，運用PCA分析水質參數與重金屬的關系，得出3個主要的影響因素由強到弱依次為：水的硬度＞水中硝態氮含量＞酸堿度。對瀟河流域底泥重金屬污染的潛在生態風險評價，Cu，Zn，Cr和Ni屬于輕微污染，Pb屬于輕微到中等污染，Cd屬于中等到強度污染，各重金屬對河道生態風險構成危害的影響程度大小順序依次為：Cd＞Pb＞Ni＞Cu＞Cr＞Zn。對于瀟河流域來說，總潛在生態風險為輕微，就各個采樣點而言，綜合污染狀況以瀟河下游的西窯和白馬河壽陽污水廠出水口處最嚴重，瀟河上游的白馬河和瀟河交匯前的松塔水庫庫尾處的重金屬污染最輕，這主要是受鎘濃度含量的影響，因此，應該限制西窯鎮居民生活污水的排放以及加強污水廠對重金屬的處理和處置。

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