廣州增城區黑臭河道表層沉積物污染特征及評價

朱小平 何瑞 雷列輝 劉藝斯

（珠江水利委員會珠江水利科學研究院 廣東廣州 510000）

在日益加快的工業化和城鎮化過程中，由于水污染防治措施相對滯后，河道黑臭這一環境污染問題愈演愈烈，嚴重影響了城鎮居民的幸福感和獲得感。河道沉積物是入河各種污染物的主要歸屬之一，隨著污染物的積累，沉積物物理化學結構發生了巨大的改變，直接影響河流生態系統的健康；因此，研究底泥的污染狀況對于河涌黑臭治理和生態修復具有非常重要的意義。廣州市近年出臺了一系列黑臭水體整治的計劃和措施，想要從根本上解決城區黑臭問題。本研究旨在通過分析廣州增城區典型黑臭河道底泥中總氮（TN）、有機質（OM）、、總磷（TP）和重金屬元素的分布和含量，進而對河道底泥污染物的分布特征、風險等作出評價，為城市黑臭河道的綜合治理提供一定的科學支撐。

1 材料與方法

1.1 樣品采集及處理

經調查，已增城區域為研究范圍，選取了11 條典型河道，每條河道設置3 個采樣點，共采集了33 個樣品（詳見表1）。通過彼得遜采泥器采集了表層0～20 cm 沉積物樣品，除去沉積物中的雜物（如石塊、塑料紙、樹枝等），在房間內自然風干，用瑪瑙球磨機研磨處理后全部過100 目篩，保存備用。

1.2 分析方法

沉積物中有機質（OM）的測定采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法；總氮（TN）測定采用催化消解，全自動蒸餾滴定法；總磷（TP）采用 鉬銻抗 比色法測定［1］；重金屬(Cu、Zn、Cr、Ni）經三酸（硝酸+高氯酸+氫氟酸）消解后采用ICP-AES 進行測定(SL394.1-2007）;重金屬（Pb、Cd）經三酸（硝酸+高氯酸+氫氟酸）消解后采用石墨爐AAS 測定（GB/T 17141—1997）。

1.3 評價標準及方法

1.3.1 營養物（OM、TN、TP）的評價

由于黑臭河道本身浮游動植物和底棲生物種類很少，因此不宜采用針對底棲生物的生態毒性效應的評價方法，綜合考慮，本研究采用有機指數及有機氮指數分別對有機質和有機氮進行分析評價，另外采用污染指數法對沉積物中磷污染分布情況進行研究分析［2］。

（1）有機指數與有機氮指數。有機指數（Org-Index）、有機碳（Org-C)和有機氮指數（Org-N）計算公式見式（1）～式（3）。

沉積物有機指數法及有機氮評價分級標準如表2 所示。

表2 沉積物有機指數法及有機氮評價分級標準

（2）TP 污染指數。污染指數Pi計算公式如式（4）。

式中：Ci為樣品總磷的實測濃度，mg/kg；C0i為總磷的評價標準值，mg/kg。按照我國湖泊和水庫沉積物評價的標準，總磷的評價標準值取440 mg/kg［3］。本研究分級標準如表3 所示。

表3 TP 污染指數分級標準

1.3.2 重金屬評價方法及標準

（1）評價標準。因目前暫沒有河道沉積物的評價標準，因此本研究參考廣州市土壤地球化學背景值［4］對檢測結果進行比較。

（2）評價方法。由瑞典學者Hakanson 于1980 年提出潛在生態風險指數法主要考慮沉積物中重金屬的毒性、生態與環境效應［5］；而污染負荷指數法分三個步驟：首先，定量評價研究區域內各點位的所有重金屬元素；然后利用分級的方法區別不同點位的污染程度；最后，針對該元素對環境污染的貢獻程度，以量化的方式進行分析評價［6］。對于城區的黑臭河道，該種評價方法能較為全面地評價區域沉積物污染狀況。污染負荷指數法計算方法為：

污染因子CF（contamination factor）計算公式如式（5）。

式中：Ci為樣品中金屬i 的實測濃度；Cbi為樣品中金屬i 的背景值。

污染負荷指數PLI（pollution load index）計算公式如式（6）。

由于當前暫無廣州河道沉積物重金屬元素背景值，參考遲清華等［7］著《應用地球化學 元素豐度數據手冊》中珠江底泥化學元素含量作為背景值。不同CF 值對應的污染程度見表4；不同PLI 值對應的污染程度如表5。

表4 不同CF 值對應的污染程度表

表5 不同PLI 值對應的污染程度表

2 結果與討論

2.1 沉積物污染物分布特征及相關性分析

2.1.1 沉積物污染物分布特征

（1）沉積物TN、TP、OM 污染特征。11 條黑臭河道沉積物中TN 如圖1 所示（每條河涌三個柱子表示三個采樣點結果，圖2、圖3 同理），最高值5 700 mg/kg，位于石下左支涌，最低值為298 mg/kg，位于白江涌，平均值為2 841 mg/kg，不同河涌、同一河涌不同位置TN 含量差異較大；由圖2 可知：沉積物TP 含量范圍為445 mg/kg～3 793 mg/kg，平均值為2 005 mg/kg；和TN 一樣，沉積物TP 空間差異性也較大；圖3 所示，沉積物中OM 含量在1.1%～12.0%之間，平均值為6.3%，其變化特征與TN、TP 有較好的同步性。

圖1 黑臭河道沉積物TN 含量

圖2 黑臭河道沉積物TP 含量

圖3 黑臭河道沉積物OM 含量

（2）沉積物重金屬污染特征。增城區黑臭河道沉積物重金屬含量統計結果如表6 所示，與廣州市土壤地球化學背景值作對比，沉積物中6 種重金屬含量均存在超標情況。其中Cu、Zn、Pb、Cd 監測點位全部超標，Cr 和Ni 的超標點位占比分別為70%和82%。Cd 含量為0.15 mg/kg～7.69 mg/kg，最大值達到了背景值（0.15 mg/kg）的50 倍，平均超標倍數為9 倍，超標最為嚴重。其次為Cu，平均超標倍數為8.9 倍、Cr、Ni 的超標情況相對較輕，平均超標倍數分別為0.6 倍和1.0 倍。按照Wilding對變異程度的分類［8］，CV＞36%為高度變異，結果表明，除Pb外，其他5 種重金屬含量全部為高度變異，說明這5 種重金屬可能存在點源污染。

表6 黑臭河道沉積物中重金屬統計表

2.1.2 相關性分析

相關性分析是對兩個或多個具備相關性的變量元素進行分析，從而衡量兩個變量因素的相關密切程度。本文擬通過對沉積物中的營養鹽和重金屬元素進行相關性分析，來探尋增城區黑臭河道沉積物中各類污染物之間的聯系，并進一步揭示其污染的可能來源。研究分析結果（見表7）表明。TN 和TP、OM 關系為極顯著正相關，TP 與OM 關系為顯著正相關，由此可見OM、TN、TP 之間存在較密切的關系，另外，其有極大可能來源于相同的污染源。

表7 黑臭河道沉積物中污染物的相關性分析

與TN、TP 和Pb 呈顯著正相關的情況不同，沉積物中營養物質與其他重金屬元素間未出現顯著的相關性，由此可見，營養物質與其他重金屬元素可能來源于不同的污染源。分析不同重金屬元素之間的相關性，可以發現Cu、Ni、Cd 三者之間互相呈極顯著正相關，說明Cu、Ni、Cd 三種重金屬較低可能受到人類生產活動的影響，而Cr 僅與Ni、Cd，Zn 僅與Cu 有著極顯著的正相關，Pb 僅與Cu 有著顯著的正相關性，說明Cr、Zn、Pb這三種元素受人類生產活動影響的可能性較大。

2.2 沉積物污染狀況

2.2.1 沉積物TN、TP、OM 評價

TN、TP、OM 的評價結果見表8。75.8%的點位沉積物有機污染程度為重度，有機氮污染程度為重度的點位和有機污染一致，約占到78.8%，3%的點位有機污染和有機氮污染程度為清潔；通過對比研究，增城區黑臭河道沉積物較為嚴重污染物是TP，90.9%點位的為重度；污染程度為清潔的點位占比為0%。

表8 沉積物有機指數、有機氮指數及TP 污染指數評價結果

2.2.2 沉積物重金屬評價

沉積物重金屬污染因子評價結果表明（見表9）。增城城區11 條黑臭河道污染最為嚴重的重金屬元素是Cd，CF 值大于6 的點位占比為78.8%；其次是Zn 和Cu，處于嚴重污染水平的點位分別約有45.5%和33.3%；對于Pb 來說，約有12.1%點位處于嚴重度污染程度以上，對比發現，Cr 和Ni 沒有點位污染水平為重度以上，相比其他金屬污染程度較輕。增城河涌沉積物的污染負荷指數（PLI）在1.8～4.5 之間，平均值為3.1（如圖4 所示），污染負荷指數最高的為水南支涌，最低的為上邵涌。總體來看，增城區11 條黑臭河道沉積物均受到重金屬污染。

圖4 河道沉積物重金屬平均PLI 值

表9 沉積物重金屬污染因子評價結果

3 結論

（1）廣州增城區黑臭河道沉積物中TP、TN、及OM 的含量范圍分別為445 mg/kg～3 793 mg/kg，298 mg/kg～5 700 mg/kg，1.1%～12.0%，三者在空間分布上差異性較大。TN 和TP、OM 均呈極顯著正相關，TP 與OM 呈顯著正相關；重金屬Cu、Zn、Pb、Cr、Ni 及Cd 的平均含量分別為220 mg/kg、541 mg/kg、121 mg/kg、69.7 mg/kg、31.8 mg/kg 和1.49 mg/kg，各元素均遠超廣州土壤背景值，受到點源污染的可能性較大，污染程度順序為Cd＞Cu＞Zn＞Pb＞Cr＞Ni。相關性分析表明：Cu、Ni、Cd 之間互相呈極顯著正相關，表明人類活動對這3 種金屬的影響較小，Cr、Zn、Pb 僅與其他個別元素呈顯著正相關，說明這3 種金屬受到人類活動的影響相對較大。

（2）評價表明，相比有機污染和有機氮污染，增城區黑臭河道沉積物更為嚴重的是TP 污染。重金屬評價結果表明，處于嚴重污染水平的是重金屬Cd，有78.8%的監測點位。程度次之污染物為Zn、Cu、Pb，對比其他重金屬元素，Cr 和Ni 污染負荷指數在1.8～4.5 之間，污染程度較輕。整體而言，增城區黑臭河道沉積物重金屬污染普遍較為嚴重。