沂沭河底泥中污染物空間分布特征及評價

李 藝，呂鈴鑰，徐 毅，徐國棟，韓昕育，張麗潔

(1.山東省生態環境規劃研究院，山東濟南 250101；2. 山東建筑大學市政與環境工程學院，山東濟南 250100；3. 91144部隊，山東濟南 250101)

底泥是河流經過長期積累形成的，浮游生物、水草等腐爛堆積，漁產養殖、人類生活、生產制造的垃圾等均會沉淀到底泥中[1-2]，底泥可以記錄流域的歷史污染狀況，也存在將污染物再次釋放到水體中的風險[3]。水體浮游藻類異常增殖主要是由氮、磷等營養鹽造成的，同時它們還是導致水體富營養化的因素之一[4]。水體中營養鹽的來源主要包括內源和外源兩部分，在控制減少了外部流入的營養鹽之后，關鍵問題就在于控制內部源頭，即沉積物中釋放的營養鹽。河流底質既是營養鹽的“源”又是“匯”，當含有不多的營養鹽時，沉積物溶解釋放鹽，而當河水中含有較高的營養鹽時，則表現出“匯”的特性，即吸附水的營養鹽。綜上所述，研究河流底質的受污染狀況，對分析河道的受污染狀況非常重要[5-6]。

本研究借鑒國內外的研究成果，在充分調查沂沭河流域水環境有機質(OM)、氮、磷濃度的基礎上，分析該流域底泥中常規污染物的分布特征及各營養鹽的比值，找出造成流域污染的主要原因。并進行污染狀況風險評價，分析沂沭河流域底泥中常規污染物的含量及污染物分布的地域差異。通過測定有效磷及分析各營養鹽的比值，找出造成流域環境污染的主要原因。對流域中底泥的污染狀況進行風險評價，更全面地掌握該流域的污染狀況，并提出相應的解決措施。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

沂沭河是沂河和沭河水系的合稱，北起沂蒙山脈，東臨黃海，西至黃河，流域面積為7.96萬km2[7-8]。沂沭河流域周邊土地利用類型基本為農田，會有大量氮磷肥、除草劑、農藥的施加，經過雨水沖刷或長時間的物質遷移，污染物會進入河流，造成流域水體污染。沂沭河流域水量豐富，含沙量大，沿河有大量采砂場，水上運輸繁忙，船舶的尾氣排放、生活污染均對水體環境造成一定的破壞[9]。

1.2 采集樣品與處理

沉積物樣品的采集避開河流湍急、有橋梁及其他不宜采樣的區域，在河道順直、平緩區域取0～20 cm處的底泥。沉積物樣品自然風干，過100目篩，裝入樣品袋中，標記好備用。沂沭河流域底泥污染物采樣點如圖1所示。

圖1 沂沭河流域采樣點位分布Fig.1 Distribution of Sampling Points in Yishu River Basin

TN的測試方法為半微量凱式法[10]。TP則用酸溶-鉬銻抗比色法[11-12]。有效磷采用0.5 mol/L Na2CO3浸提-鉬銻抗比色法[13]。OM采用直接加熱消解法[14]。

1.3 評價方法與標準

河流底質環境的評價方法和標準，國內外尚未統一[15-16]。因此，參照相關文獻，本文通過有機氮和有機指數評價方法來考察沂沭河底質污染，有機指數計算如式(1)[17-19]。其中，前者通常考察水體底質環境狀況；后者主要針對河流表層沉積物的氮污染[20]。

有機指數=有機碳(%)×有機氮(%)

(1)

其中，有機碳含量等于OM除以1.724，而有機氮等于TN的0.95倍。TN需換算成百分比單位形式，即1 000 mg/kg=0.1%。表1為有機指數評價標準，表2為有機氮指數評價標準。

表1 有機指數評價標準Tab.1 Evaluation Criteria of Organic Index

表2 有機氮指數評價標準Tab.2 Evaluation Criteria of Organic Nitrogen Index

2 結果與分析

2.1 底質中氮磷及OM污染特征

圖2(a)為沂沭河底質的OM含量和分布。由圖2(a)可知：OM含量為0.01%～0.74%，平均含量為0.18%；水平分布差異較為顯著，沂河中心城區段(6～11號點位)和郯城境內的沭河段(13～14號點位)OM含量較高。沂河中心城區段建有多處橡膠壩，水體流速減慢，水面相對穩定，OM易于沉淀；郯城境內有大量的小型輕工業企業，生活垃圾沿河堆積，河道水量小、流速慢。OM的分布特征表明，沉積物的堆積和周邊環境及河流流速有極大的關系[21]。

圖2(b)為沂沭河底質各形態氮的含量及其分布。由圖2(b)可知：0.003‰～0.29% 為TN，均值為0.067‰，且存在很大的分布差異，最高值可以達到最低值的144倍；較上游河道，下游河道TN含量約高3～4倍，城區內河段的TN含量最高，約為平均值的3.5倍。由此可知，沂沭河中沉積物的堆積是由河流周邊環境和流速決定的。

圖2(c)為沂沭河底質各形態磷的含量及其空間分布特性。底質中TP含量為0.003‰～0.247‰，均值為0.064‰。底質中TP的分布特征十分明顯，與OM和TN的顯著空間分布差異相同。沂河中心城區段的TP含量較上游高，沭河郯城區段及流速較小的河段內含量相對較高，即TP堆積速率與河流周圍的環境和流速相關[22]。

圖2 沂沭河底質中OM(a)、TN(b)、TP(c)和有效磷(d)的含量及其空間分布Fig.2 Content and Spatial Distribution of OM (a), TN(b), TP(c) and AP(d) in the Sediments of Yishu River

土壤中有效磷的含量能反映周邊地區是否合理施用磷肥[21]，有效磷占底質中磷含量的大小，是決定底質的受污染程度及對現有生態系統的危害程度[23]。沂河1～4號點位含量均值為3.44 mg/kg，沂沭河流域其余點位底質中有效磷的含量均屬于高水平。圖2(d)為沂沭河底質中有效磷的含量及其空間分布。其中，沂河和沭河底泥中有效磷的含量均值為12.7 mg/kg和32.1 mg/kg，遠遠高于沂河底質中有效磷的含量。另外，在沂沭河底質中，有效磷含量約占TP的17.7%。

沂河上游，河岸兩側加固，周邊土地利用性質均為林地，較難出現水土流失，且此處底質中有效磷的含量較低。由表3可知：在5～7號點位(城區上游段)和12～15號點位(城區下游段)，河流兩岸為農田，土質松軟，水土流失風險高，這兩處有效磷的含量明顯較高；在8～11號點位，沂河中心城區段，河岸加固，無農田污染，但市民活動頻繁，此處有效磷的含量較高。由此可知，河道兩側土地利用狀況、水土流失情況及人類的生產生活狀況均對河流的污染狀況造成嚴重影響。

沭河兩岸基本全是農田，并靠近村莊，大量的生活污水直接排入河內。在郯城境內，有較多的家庭式作坊及小型輕工業加工企業。經監測，沭河底質中有機磷的含量普遍較高，有機磷的含量約為沂河的3～5倍。沂河、沭河除河道兩側土地利用性質差異較大外，沂河河道兩側有較寬的灘地，在河道與周邊污染源之間形成了緩沖帶，這應該是沭河底質中有機磷明顯高于沂河的原因。

表3 沂沭河底質中OM、TN、TP和有效磷的濃度Tab.3 Concentration of OM, TN, TP and AP in the Sediments of Yishu River

2.2 污染物來源分析

2.2.1 C/N

OM來源在某種程度上可由反映河流沉積物中的C/N 體現，不同的生物種類均有不同的C/N[5,24]，如表4所示。

表4 不同生物種類的C/NTab.4 C/N Ratio of Different Biological Species

由表5可知：沂沭河表層沉積物C/N均值為13.7，且分布穩定，但是沂河和沭河的C/N有明顯的差別，沂河流域偏高，均值為15.9；沂河的上游比值較低，在流經中心城區段、郯城段時比值較高，而沭河流域的C/N普遍較低。這說明，高等生物(即人類活動)是造成流域表層沉積物中有機物含量高的原因，而沭河中，大部分則源于浮游動植物和藻類。

表5 沂沭河底質中有機碳與TN的比值Tab.5 C/N Ratio in the Sediments of Yishu River

2.2.2 N/P

不同于均一分布的C/N，沂沭河的N/P水平分布差異大，為0.24～3.6。由表6可知：沂河下游(11～15號點位)和沭河郯城段(13～14號點位)處，N/P較大；在底質中TN、TP含量均較高的河段，N/P較穩定，基本維持在<1的水平。底質中TN、TP具有基本相似的空間分布特征，而氮、磷含量則會直接影響N/P，分布特征與TN、TP均不同，且N/P的均值為1.23。

表6 沂沭河底質中TN與TP的比值Tab.6 TN/TP Ratio in the Sediments of Yishu River

2.2.3 各營養鹽相關性比較

圖3和圖4為回歸分析后的沂沭河底質中OM與氮、磷含量的關系。由圖3和圖4可知，TN含量明顯正比于OM；OM與TN間的相關性較高(R2=0.944 5，p<0.01)；OM與TP間的相關性則不明顯(R2=0.64，p<0.39)，表明磷不是由底質中OM的富集造成。如上所述，沂沭河的土壤類型為砂質土壤，有效磷約占TP的34%，底泥中磷對流域水環境的影響較大。

圖3 OM與TN的相關曲線Fig.3 Correlation Curve of OM and TN

圖4 OM與TP的相關曲線Fig.4 Correlation Curve of OM and TP

2.3 污染狀況評價

根據相關評價方法及標準[25]，對采集的沂沭河流域的諸多采樣點數據進行分析，測定其表層沉積物，結果如圖5所示。由圖5可知：各采集點沉積物有機指數均在0.05之下，底質環境較為清潔；底質有機氮含量平均為0.063‰，在0.003‰～0.219‰，達到Ⅱ級標準，氮污染程度屬較清潔。沂沭河流域的土壤含砂量大，特別是沂河，部分河段幾乎全是河砂，底質中的OM、TN、TP含量均偏低，經評價分析不存在有機污染問題。

圖5 沂沭河底質有機指數污染狀況評價分析Fig.5 Evaluation and Analysis of Organic Index Pollution in the Sediments of Yishu River

3 結論

(1)沂沭河流域表層沉積物的TN與TP有相似的分布，空間差異較大。OM的分布特征有所不同，沂河中OM含量遠低于沭河，空間差異較大。沂河為砂質土壤，OM含量較小。因此，OM的含量不僅與河流沖刷等水動力學條件及河流周圍環境有關，還與底質的土壤特點有關。

(2)有效磷含量約占TP含量的17.7%，說明農田及人類活動對流域的水環境已經有了巨大的傷害，污染嚴重，且在泥中富集。

(3)根據C/N、N/P及OM與氮、磷含量的回歸分析，地質中的碳、氮具有同源性，且底質中OM及氮的主要來源是生物沉降，而磷則只要是來源于外部輸入。

(4)根據有機指數評價法和有機氮評價法，沂沭河底質沉積物整體上較清潔，環境質量整體較好，氮的污染程度屬于較清潔。