丹江沉積物重金屬的污染特征和潛在生態風險評價

李 麗，趙 培，周 楠

(商洛學院 城鄉規劃與建筑工程學院，陜西 商洛 726000)

河流沉積物是水體污染物尤其是重金屬元素重要的源和匯。經過大氣沉降、工農業廢水排放和水土流失等途徑進入水體的重金屬會優先吸附到如膠體的顆粒物上，在水流作用下，與顆粒物一同進入沉積物。而沉積物中的重金屬在一定的物化條件下(如pH值、溫度改變)會被釋放入水體，適當條件下又被吸附，過程反復，對水安全和生態系統構成威脅，通過食物鏈富集還會影響生物健康[1-2]。由于重金屬污染具有持久性、生物富集和放大作用等特點，因此河流沉積物中重金屬含量是評價河流水環境質量的重要指標。河流沉積物中重金屬含量及其生態風險評價研究已成為水環境學研究關注的焦點[3-5]。

國內外學者對河流沉積物重金屬污染的研究自20世紀70年代后才逐漸增多，其中主要對大中型河流進行了大量且深入的研究。到目前為止對大部分大中河流都有研究，例如有研究表明漢江上游漢中段各監測點層級重金屬污染屬于輕微生態危害[6]。雷沛等[7]研究表明，漢江襄陽段入江支流沉積物存在中度重金屬生態風險，且Cd累積風險突出。但是目前國內對小型河流研究依然較少，例如丹江流域。

丹江是漢江的最大支流，是我國南水北調中線工程的重要水源地。丹江沉積物中重金屬的含量和風險水平將直接影響當地居民飲水安全和南水北調的水質。因此，本文以丹江沉積物為研究對象，分析了常見5種重金屬的含量水平、分布特征及來源，了解研究區沉積物重金屬污染現狀，并對其重金屬污染程度和潛在生態風險進行評價，研究結果可為該流域水資源管理和研究提供基礎數據，為重金屬污染預防和治理提供科學依據。

1 研究方法

1.1 研究區概況

本文以丹江為研究對象。丹江流域位于E 109°30′～111°1′、N 33°12′～34°11′。丹江發源于商洛市商州區秦嶺東南鳳凰山，經商洛地區，在荊紫關出陜入河南淅川，向南流入湖北省境內與漢水交匯后注入亞洲最大的人工淡水湖，南水北調中線工程的水源地——丹江口水庫(圖1)。丹江全長443 km，集水面積17190 km2。在陜西省境內全長249.6 km，流域面積7510 km2。全部為山區河道，是漢江的主要分支。

圖1 丹江水系沉積物采樣點

1.2 樣品采集與處理

2016年1月在丹江流域的干流共設置10個沉積物采樣點(圖1)。采樣時根據采樣區的具體情況，利用竹制采樣器采集足量河流表層底泥，將采集的樣品用聚乙烯密封袋包裝后于室外自然風干，待風干后，將樣品中的石塊、動植物殘體和塑料等雜物剔除干凈，然后用石制研磨器研磨后過120目篩，裝入密實袋中，送至中科院山地所通過耦合等離子質譜法進行測定。

1.3 生態風險評價

本文采用地累積指數法和潛在生態風險指數法2種方法進行研究和評價。1969年德國科學家Muller提出的地累積指數法[8]是沉積物重金屬富集程度常用的指標之一，其公式如下:

Igeo=log2[Ci/(1.5×Bi)]

(1)

式中，Igeo指地累積指數；Ci為重金屬樣品i在沉積物中的實測含量(mg/kg)；Bi為該重金屬元素i的參比值(mg/kg)。本研究以陜西省土壤重金屬的背景值作為參比值。

1980年瑞典學者Hakanson提出的潛在生態風險指數法[9]是目前用于評價重金屬潛在生態風險的一種快速簡便的方法，計算公式如下：

Cfi=Csi/Cni

(2)

Cd=∑Cfi

(3)

Eri=Tri×Cfi

(4)

RI=∑Eri

(5)

式中：Cfi為單一金屬污染系數；Cd為多金屬污染度；Csi為重金屬i在沉積物中的實測含量(mg/kg)；Cni為重金屬i的參比值(mg/kg)，即背景值；Tri為i元素的毒性響應因子；Eri是重金屬i的潛在生態風險因子；RI是多個重金屬潛在生態風險指數。

1.4 評價參數的確定

研究區沉積物重金屬的含量取該次實驗的實測值，參比值包括陜西省表層土壤背景值[15]、國家土壤環境質量標準[16]、重金屬的毒性相應系數引自文獻[17]等(表1)。

表1 丹江流域沉積物重金屬評價參數

2 結果與分析

2.1 沉積物中重金屬含量與分布

表2列出了丹江沉積物中各重金屬含量的統計結果。河流沉積物中重金屬Cu、Pb、Cr、Zn、Cd的測值范圍分別為22.38～60.11、18.57～42.60、67.70～249.56、84.97～347.98、0.43～4.78 mg/kg；均值分別為36.24、29.98、108.91、155.30、1.40 mg/kg。與陜西省表層土壤背景值[15]比較發現，Cu、Pb、Cr、Zn、Cd這5種重金屬的平均值均存在超標現象，平均超標倍數分別為0.69、0.40、0.74、1.24、14.56。而通過與《國家土壤環境質量標準》[17](GB 15618─1995)對比分析可知，研究區內重金屬元素Cu、Pb、Cr元素含量的最大值介于土壤環境質量標準一級標準與二級標準之間，但元素Zn、Cd元素含量的最大值超過了二級標準，其中Cd的濃度為國家二級標準的8倍，流域內土壤中Cd元素異常的原因之一可能是整個流域成土礦物本身擁有高含量的Cd元素[18]；從中能夠明顯地看出研究區內沉積物重金屬含量較高，且出現一定程度的重金屬累積現象，甚至部分樣品重金屬含量很高，一旦水環境條件發生變化會對研究區水質構成威脅。

表2 丹江流域表層沉積物重金屬含量統計分析

注：變異系數=(標準偏差/平均值)×100%；平均超標倍數=(平均值-背景值)/背景值。

從變異系數來看，Cu、Pb、Cr、Zn、Cd的變異程度由大到小依次為Cd>Zn>Cr>Cu>Pb，其中Cu、Pb元素屬于中等變異程度，變異不大，可能不屬污染元素，僅在背景幅度中變化。Cd、Zn、Cr的變異系數明顯高于其他元素，屬于強變異程度，反映出這3種重金屬元素的離散程度較高，在表層沉積物中的分布變化比較大，受到污染、沉降等多種綜合因素的影響。

2.2 丹江流域沉積物重金屬地累積指數評價

采用陜西省土壤背景值計算重金屬的地累積指數Igeo，結果見表3。丹江流域沉積物中的Cu、Pb、Cr、Zn、Cd地累積指數的平均值分別是0.12、-0.15、0.11、0.45、3.06，其污染程度表現為Cd>Zn>Cu>Cr>Pb；Pb元素的污染等級在大部分采樣點為0，表明Pb元素在大部分流域表現為清潔狀態；Cu、Cr、Zn元素的Igeo平均值介于0～1之間，這3種元素表現為輕度污染狀態；Cd元素的Igeo平均值大于3，污染等級為4，表現為強度污染。污染程度最大的元素為Cd，大多數采樣點則呈現出中度污染到偏重污染，5號采樣點為嚴重污染，靠近城市，表明人類活動對丹江流域Cd污染有重要影響。

此外，對同一采樣點5種重金屬的地累積指數取平均值后發現，5號采樣點Igeo指數最高，其次是采樣點2和7，表明城市對河流重金屬的污染影響不容忽視，應注重城市地表徑流、生活污水處理和揚塵的控制等[19-20]。

表3 丹江流域沉積物中重金屬的地累積指數(Igeo)及其分級

2.3 丹江沉積物重金屬潛在危害生態評價

表4列出了丹江流域沉積物中重金屬的潛在生態危害指數。5種重金屬Cu、Pb、Cr、Zn、Cd元素潛在生態危害指數(Eri)的平均值分別為8.47、7.00、3.49、2.24、466.00，單項潛在危害指數(Eri)由強到弱的順序為Cd>Cu>Pb>Cr>Zn。從Eri平均值來判斷，Cu、Pb、Cr、Zn元素均表現為輕微生態危害程度，Cd元素屬于極強生態危害程度，表明丹江流域的Cd元素存在較嚴重的生態風險。通過對生態危害指數評價(RI)的平均值分析，研究區域內RI的均值為487.20，300≤RI<600，總體處于強生態危害，主要是源于Cd元素的高含量。在生態危害指數評價(RI)中，4、5、6號采樣點屬于中等生態風險等級，1、2、7、8、9、10號采樣點屬于強生態風險等級，3號采樣點則是很強生態風險等級，與地累積指數法的結果基本一致。

由于評價方法的側重方向不同，地累積指數與生態危害系數的評價結果也略有不同。但2種方法對研究區沉積物重金屬進行分析發現，城市對河流沉積物重金屬富集有重要影響。

表4 丹江河流沉積物重金屬Eri和RI指數

3 結論

(1)丹江流域表層沉積物重金屬Cu、Pb、Cr、Zn和Cd的平均含量分別是36.24、29.98、108.91、155.30、1.40 mg/kg。這5種重金屬的平均值均超過了陜西省土壤背景值，其中Cd的平均超標倍數高達14.56。這5種重金屬的變異程度由大到小依次為Cd>Zn>Cr>Cu>Pb。

(2)地累積指數評價結果表明：各種重金屬的污染程度由高到低依次表現為Cd>Zn>Cu>Cr>Pb，在多數采樣點Pb元素的污染等級為0，表現為清潔，Cu、Cr、Zn元素為輕度污染狀態，Cd元素為污染程度強。

(3)潛在生態風險評價的結果表明：研究的5種沉積物中的重金屬對丹江水環境潛在的生態風險強弱順序是Cd>Cu>Pb>Cr>Zn，在所有采樣點中Cu、Pb、Cr、Zn元素的生態危害程度均為輕微，而Cd元素對生態環境的危害程度極強；研究的5種重金屬的潛在生態風險(RI)的均值為487.20，總體上處于強生態危害。這2種評價方法均表明城市對河流沉積物重金屬富集有重要影響，應加強對城市污水和揚塵的治理，更好地保護丹江水質。