惠濟河底泥重金屬污染特征及潛在生態風險評價

楊偉紅

開封市環境監測站，河南 開封 475000

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惠濟河底泥重金屬污染特征及潛在生態風險評價

楊偉紅

開封市環境監測站，河南 開封 475000

連續5 a對惠濟河(開封市區段)8個斷面的底泥樣品中Cu、Zn、Pb、Cd及Cr 5種重金屬的濃度進行分析，并采用單因子污染指數法、綜合污染指數法、地積累指數法、潛在生態風險指數法進行生態風險評價。監測結果表明：8個斷面中除最上游孫李唐莊橋斷面底泥未受重金屬污染外，其余斷面底泥均有不同程度的污染，以皮屯橋斷面底泥污染最重，達嚴重污染。綜合污染指數法評價結果表明：惠濟河底泥Cd為重度污染，Cu和Pb為輕度污染，Zn為輕微污染，Cr為無污染；除皮屯橋斷面底泥綜合污染指數高達6.74外，其他斷面綜合污染指數為0.55～1.89。地積累指數法評價結果表明：惠濟河底泥首要重金屬污染物為Cd，平均流域地積累指數高達3.50，處于污染等級4，即偏重度污染；此外，Cu、Pb偏中度污染，Zn輕度污染，Cr無污染。潛在生態風險指數法評價結果表明：惠濟河底泥中Cd為強生態危害，其他重金屬為輕度生態危害；重金屬污染綜合評價為強生態危害，這主要是Cd濃度過高造成的，其最高潛在生態風險因子達2 233.50，出現在皮屯橋斷面。

惠濟河；底泥；重金屬；單因子污染指數法；綜合污染指數法；地積累指數法；潛在生態風險指數法

重金屬因具有持久性、積累性和慢性毒性等特性，對生態環境存在潛在風險，其危害受到人們的廣泛關注[1-3]。重金屬可通過煙氣沉降、降水、土壤脫附和工業排污等活動進入江、河、湖泊等水體中，水體中的重金屬極易被水中的懸浮物、底泥吸附[4-5]。另一方面，沉積在底泥中的重金屬在適宜的條件下會從底泥中釋放而出，重新進入水體中。因此，底泥既是重金屬污染物的匯集地，又是水體的潛在污染源[6]。

近年來，國內外學者不斷開展河流、湖泊底泥中重金屬污染的研究[7-10]，然而針對開封市惠濟河底泥中重金屬的研究鮮有報道。開封市惠濟河是一條納污河流，在開封境內長65.9 km。《開封市水環境功能區劃分》中將開封境內惠濟河按使用功能劃分為農田灌溉和納污，水質目標為Ⅴ類，惠濟河中污染物濃度呈逐年上升趨勢。目前惠濟河已承受大量生活、工業污染，對兩岸地下水造成嚴重影響。另一方面，惠濟河河水用于農田灌溉，對周圍居民的身體健康存在直接危害。為研究惠濟河底泥重金屬污染情況，以Cu、Zn、Pb、Cr和Cd為研究對象對底泥進行追蹤監測，并分別采用單因子污染指數法、綜合污染指數法、地積累指數法和潛在生態風險指數法對底泥重金屬污染程度和潛在生態危害進行評價，以期為控制河流底泥污染提供依據。

1 材料與方法

1.1 研究區域背景

惠濟河是渦河一大支流，發源于開封市，在開封市區先后有黃汴河、東護城河、藥廠河、東郊溝河匯入，出開封市后，在開封縣太平崗附近有馬家河匯入，在杞縣李崗有淤泥匯入(圖1)。惠濟河從上游開始，就接納了大量城市生活污水和工業廢水，河水受到污染，水質較差，屬地表水劣Ⅴ類水體。

研究區域主要存在4家工業廢水源：東郊溝河匯入口上游有化肥廠，企業依靠燃煤生產化肥及附屬產品，重金屬污染主要源于煤燃燒；藥廠河匯入口上游有制藥廠和化工廠，重金屬污染主要源自生產污水；馬家河上游有1家化工廠，重金屬污染主要源自化工藥劑生產。

1.2 樣品采集與處理

圖1 惠濟河支流示意Fig.1 The branches of Huiji River

在惠濟河(開封市區段)設置8個代表性的水質監測斷面——孫李唐莊橋、羊市橋、濱河路橋、藍天飯店、皮屯橋、劉寺橋、汪屯中學東和太平崗橋斷面(圖1)。2011—2015年，每年3月1—10日，在各斷面相同的平面位置設置底泥采樣點，用抓斗式采泥器采集河流表層底泥，采集到的樣品保存在聚乙烯自封袋中，并標記帶回實驗室進行分析。

1.3 樣品測試

底泥樣品在實驗室內陰涼干燥處自然風干，避免其他污染。剔除植物殘留、瓦礫和石塊，用木槌敲碎，研磨，過0.15 mm篩，將處理好的樣品裝入塑料袋，備用[11]。

底泥消解：稱取適量樣品，加5 mL的HNO3過夜；加入14 mL HF、2 mL HClO4，加熱消解至土壤呈灰白色；加5mL HCl溶解，再加適量超純水趕酸；最后定容至100 mL。消解所用酸均為優級純。

Pb、Cd采用石墨爐原子吸收分光光度法測定，Cr、Cu、Zn采用火焰原子吸收分光光度法測定。同時測試2個全程序空白、2個試劑空白、1個標準樣品和10%底泥的平行樣品[12]，使用NOVAA400原子吸收光譜儀進行分析。

質量控制措施：由于目前我國對于底泥檢測標準偏差沒有出臺相關標準，因此以土壤檢測標準偏差為參考，測試樣品的同時添加標準樣品。所得到的實驗室標準偏差為SCu<2.3%，SZn<3.2%，SPb<3.9%，SCd<4.1%，SCr<5%。

1.4 評價方法

1.4.1 重金屬濃度

通過對采集樣品的檢測，直接分析惠濟河底泥中不同斷面重金屬污染物濃度隨時間的變化趨勢。我國有關底泥重金屬污染的部分研究[13-14]是以地區環境背景值和GB 15618—2008《土壤環境質量標準(修訂)》中的限值為參考標準，筆者采取同樣的方法比對分析惠濟河底泥污染情況。

1.4.2 單因子污染指數法

依照《全國土壤污染狀況評價技術規定》(環發〔2008〕39號)，單因子污染指數計算公式如下：

Pi=Ci/Si

(1)

式中：Pi為土壤中污染物i的單因子污染指數；Ci為污染物i的實測濃度，mgkg；Si為污染物i的評價標準值，mgkg。單因子污染指數評價分級標準見表1。

表1 單因子污染指數評價分級標準

1.4.3 綜合污染指數法

(2)

式中：P綜為某地區的綜合污染指數；(CiSi)max為土壤污染物中單因子污染指數最大值；(CiSi)avg為土壤污染物中單因子污染指數平均值。綜合污染指數評價分級標準見表2。

表2 綜合污染指數評價分級標準

1.4.4 地積累指數法

地積累指數法是用于研究沉積物中重金屬污染程度的定量指標，由于其不僅考慮到人為污染因素、環境化學背景值，還考慮自然造巖作用可能引起的背景值變動，近來被國內學者多次采用[4,16-17]。地積累指數法計算公式如下：

Igeo=log2(CikBi)

(3)

式中：Igeo為地積累指數；k為考慮到成巖作用可能會引起的背景值變動而設定的常數，一般取1.5；Bi為沉積巖中所測元素的地球化學背景值，本研究采用河南省土壤背景值作參照，BCu為19.7 mgkg，BZn為60.1 mgkg，BPb為19.6 mgkg，BCd為0.07 mgkg，BCr為63.8 mgkg[19]。根據Igeo將沉積物中重金屬污染程度分為7級(表3)。

表3 地積累指數評價分級標準

1.4.5 潛在生態風險指數法

潛在生態風險指數法是根據重金屬性質及環境行為特點，將重金屬的生態效應、環境效應與毒理學聯系在一起，提出的對土壤和沉積物中重金屬污染評價的方法，其計算公式如下：

Ei=Ti×CiCib

(4)

RI=∑Ei

(5)

式中：Cib為重金屬濃度參照值，mgkg，研究區域目前沒有開展河流底泥背景值的研究，因此選用GB 15618—2008《土壤環境質量標準(修訂)》作為參照值；Ti為重金屬毒性系數，其中TCu為5，TCd為30，TZn為1，TPb為5，TCr為2；Ei為重金屬i的潛在生態風險因子；RI為潛在生態風險指數。潛在生態風險指數評價分級標準見表4[20]。

表4 潛在生態風險指數評價分級標準

2 結果與討論

2.1 重金屬濃度

2011—2015年惠濟河8個監測斷面底泥重金屬平均濃度見表5，重金屬累積趨勢見圖2。

從表5可見，孫李唐莊橋斷面由于處于河流上游，未受到生活及工業污染，河流底泥各重金屬濃度均能達到GB 15618—2008《土壤環境質量標準(修訂)》的要求；羊市橋、濱河路橋、藍天飯店、劉寺橋斷面由于接納了沿途生活污水和部分工業廢水，受到一定程度的污染，河流底泥中Cd濃度超標；汪屯中學東斷面承接劉寺橋斷面的來水，又接納了一些生活污水和工業廢水，Cd濃度低于上游斷面，除Cu和Pb超標外，其余3種重金屬濃度達標；皮屯橋斷面由于接納了大量含有重金屬的工業廢水，所以其污染程度最為嚴重，Cu濃度超標11倍，Zn濃度超標9倍，Pb濃度超標12倍，Cd濃度超標高達70倍；開封市所有支流均在太平崗橋斷面匯合，該斷面是開封市出境斷面，其上游接納了開封市全部生活、工業廢水，反映了惠濟河開封市區段的污染狀況，除Cr達標外，其余4種重金屬均超標；研究區域所有斷面底泥Cr濃度均達標，Cu濃度流域均值超標，而Cd濃度流域均值嚴重超標。

表5 2011—2015年監測斷面底泥重金屬平均濃度

圖2 2011—2015年監測斷面底泥重金屬濃度變化趨勢Fig.2 Trend lines of heavy metals in sediments in 2011-2015

從圖2可見，惠濟河底泥中Zn濃度波動最為強烈，2011—2013年皮屯橋斷面底泥Zn濃度降低了5 000 mgkg，此后總流域底泥Zn濃度呈上升趨勢；Cu濃度波動很強烈，其中汪屯中學東斷面底泥Cu濃度從2 120 mgkg降到91.4 mgkg，而皮屯橋斷面從308 mgkg升到2 130 mgkg，其他斷面上底泥Cu濃度也波動較大，較難預測Cu濃度的變化趨勢；Cd和Pb濃度波動較為平緩，除了皮屯橋斷面底泥濃度出現較大波動以外，其他斷面底泥濃度均無明顯變化，整個流域底泥Cd濃度趨于穩定，而Pb濃度處于上升趨勢；Cr濃度波動最小，所有斷面上底泥Cr濃度均維持在40～170 mgkg，較為平穩。

2.2 重金屬污染程度

根據底泥中重金屬實測濃度(表5)，計算得出各斷面底泥中各重金屬的單因子污染指數和綜合污染指數，結果見表6。

表6 各監測斷面底泥重金屬污染指數

由表6可知，Cd污染最重流域達重度污染，流域平均單因子污染指數高達10.32；Cu流域均值達輕度污染；Zn流域均值達輕微污染；Pb僅在皮屯橋斷面底泥中超標，流域均值無污染；Cr整個流域無污染。8個斷面中孫李唐莊橋是河流的最上游斷面，綜合評價結果為清潔(安全)級；劉寺橋、羊市橋、濱河路橋、藍天飯店、汪屯中學東斷面接納了生活污水和部分工業廢水，汪屯中學東斷面底泥中除Cu外其他重金屬均達標，濱河路橋斷面底泥除Pb和Cd外其他重金屬均達標，其余3個斷面底泥除Cd外其他重金屬均達標，劉寺橋為尚清潔(警戒限)，羊市橋、濱河路橋、藍天飯店、汪屯中學東為輕度污染；皮屯橋斷面接納了大量工業廢水，污染最重，除Cr達標外，其余4種重金屬均超標，綜合評價結論為重污染；太平崗橋斷面上游接納了市區所有污水，是開封市出境斷面，該斷面Cu、Zn和Cr超標，綜合評價為重污染。斷面污染程度為皮屯橋>太平崗橋>汪屯中學東>羊市橋>藍天飯店>濱河路橋>劉寺橋>孫李唐莊橋。惠濟河流域各重金屬單因子污染指數均值只有Cr達標，其中Cd污染最為嚴重，單因子污染指數均值高達10.32，遠高于重污染指標基準值(5)。惠濟河流域綜合污染指數均值為2.62，屬于中度污染。

通過重金屬污染指數分析可看出，污染指數最高的皮屯橋斷面位于化肥廠下游，污染可能源于化肥廠工業排污，但并不排除源自于上游(東郊溝)企業。藍天飯店斷面上游的化工廠和制藥廠也使得支流(藥廠河)綜合污染指數達到了1.11(輕度污染)。劉寺橋斷面和汪屯中學東斷面之間有1家化工廠，其排污活動使支流(馬家河)綜合污染指數從0.91(尚清潔)上升到了1.22(輕度污染)。另外不能忽視生活污染的影響，如護城河、黃汴河等支流的生活納污過程導致在支流匯入點的羊市橋斷面和濱河路橋斷面綜合污染指數達1.11和1.08(輕度污染)。

2.3 重金屬地積累指數

河流底泥重金屬地積累指數評價結果及分級見表7。

表7 各監測斷面底泥重金屬地積累指數及分級

由表7可見，8個斷面Cr的地積累指數大部分為負值，屬無污染；Cd的地積累指數除孫李唐莊橋斷面處較低外，其余均達到中度污染以上(3.08～8.65)；流域多個斷面也受到Cu、Zn、Pb不同程度的復合污染。整個流域平均地積累指數評價結果：Cd為偏重度污染；Cu、Pb為偏中度污染；Zn為輕度污染；Cr為無污染。重金屬地積累污染程度為Cd>Cu>Pb?Zn>Cr。皮屯橋斷面各重金屬(除Cr以外)地積累指數均為最高，其他重金屬污染等級均為5～6級。

2.4 重金屬潛在生態風險指數

研究區域底泥重金屬潛在生態風險評價結果見表8。

由表8可見，Zn、Cr潛在生態風險指數均小于40，處于輕度生態危害；Pb、Cu潛在生態風險指數僅1個斷面偏高，流域均值也處于輕度生態危害；Cd污染最重，皮屯橋斷面潛在生態風險指數最高達2 110.00，遠高于其他重金屬，屬極強生態危害，流域均值為很強生態危害。5種重金屬潛在生態風險排序為Cd>Pb>Cu>Zn>Cr。皮屯橋斷面屬強生態危害，太平崗橋斷面屬中等生態危害，其他斷面處于輕度生態危害。由于皮屯橋斷面RI指數過高，導致整個流域處于強生態危害。Cd為流域重金屬首要污染因子，排除Cd的影響流域均處于輕度生態危害。各斷面潛在生態風險排序為皮屯橋>太平崗橋>羊市橋>藍天飯店>濱河路橋>汪屯中學東>劉寺橋>孫李唐莊橋。

表8 底泥重金屬潛在生態風險指數

3 結論

(1)惠濟河流域8個斷面的污染程度為皮屯橋>太平崗橋>羊市橋>藍天飯店>濱河路橋>汪屯中學東>劉寺橋>孫李唐莊橋。孫李唐莊橋作為流域的上游斷面污染程度最底，其綜合污染指數為清潔(安全)，潛在生態風險指數為輕度生態危害。惠濟河收納了臨河的生活、工業廢水，流域綜合污染指數為2.62，即中度污染；綜合潛在生態風險指數為334.65，即強生態危害。

(2)皮屯橋和太平崗橋斷面污染程度突出，其中太平崗橋為研究水域的最下游斷面，基本收納了上游的所有污染，而皮屯橋是惠濟河支流匯入前的斷面，其高污染風險應源自于東郊溝支流上游污水排放。因此，皮屯橋斷面的綜合污染等級達重度污染，潛在生態風險指數分別達中度和強生態危害。

(3)惠濟河流域底泥中5種重金屬污染程度為Cd>Cu>Pb>Zn>Cr。整個流域底泥中Cd均超標，Pb、Cu、Zn部分超標，未出現Cr超標。整個流域Cd單因子污染指數達10.32(重污染)，而其他重金屬單因子污染指數均為輕度污染或更低。重金屬地積累指數評價表明Cd污染突出，在各流域界面中的污染級別均達3以上，即高于中度污染。在生態危害方面，整個流域的綜合潛在生態風險指數為334.65。

(4)多種評價結果表明，污染最重斷面為皮屯橋，其次為太平崗橋，因此需要重點控制惠濟河研究流域內以及東郊溝流域上游的排污活動，并且避免居民在重點污染斷面水域活動。Cd為重點控制因子，其對人和動物的致毒性都較高，因此惠濟河開封市區段底泥中的Cd污染應引起足夠重視，對于Cd污染源進行排查加以管制。另一方面，還要注意河流底泥的去向，避免清淤的底泥進入土壤，從而引起沿河地區土壤污染。同時需要對重點污染水域底泥進行修復處置，防止重金屬污染物對水體的重復污染。

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Characteristics and potential ecological risk assessment of heavy metals pollution in sediment of Huiji River

YANG Weihong

Kaifeng Environment Monitoring Station, Kaifeng 475000, China

The contents of heavy metals, including Cu, Zn, Pb, Cd and Cr, in the sediments of 8 sections in the Huiji Rriver were analyzed for the last continuous five years. The single factor pollution index, integrated pollution index, geoaccumulation index and potential ecological risk index were adopted to evaluate the potential risk of the heavy metal pollution. The monitoring results indicated that the sediments from 8 monitoring sections had been polluted to different degree except that from Sunlitang bridge section which was at the upstream of Huiji river, while the sediment from Pitun bridge showed the highest pollution risk, at the severity level of severe pollution.The comprehensive pollution indices suggested that the river was under heavy pollution by Cd, light pollution by Cu and Pb, slight pollution by Zn and no pollution by Cr. The comprehensive pollution indices of most sediment ranged from 0.55 to 1.89, except 6.74 for Pitun bridge section. The geoaccumulation indices suggested that the most severe pollution was caused by Cd, which leaded to a highIgeoat 3.50, referred to heavy pollution. The river was still under moderate pollution by Cu and Pb, light pollution by Zn. The potential ecological risk indices suggested that the river was under high risk of Cd pollution and low risk of other four heavy metals pollution. The comprehensive potential ecological risk was high, which is pecked at 2 233.50 in the Pitun bridge section, mainly because of the high cadmium concentration in the sediment.

Huiji River; sediment; heavy metal; single factor pollution index; integrated pollution index; geo-accumulation index; potential ecological risk index

2016-09-30

楊偉紅(1961—)，女，高級工程師, 主要從事環境監測工作研究，hjkxyj@craes.org.cn

X522

1674-991X(2017)03-0340-08

10.3969/j.issn.1674-991X.2017.03.048

楊偉紅.惠濟河底泥重金屬污染特征及潛在生態風險評價[J].環境工程技術學報,2017,7(3):340-347.

YANG W H.Characteristics and potential ecological risk assessment of heavy metals pollution in sediment of Huiji River[J].Journal of Environmental Engineering Technology,2017,7(3):340-347.