晉江市九十九溪流域河道底泥污染特征分析與風險評價*

酈建鋒 馬駿超# 李華斌 崔喜博 盛 晟 陳奮飛 葉更強

(1.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 311122；2.中國電建集團華東勘測設計研究院(鄭州)有限公司，河南 鄭州 450000)

底泥是由陸地地表物質經過長期的物理、化學、生物作用而沉積于河流底部的沉積物，與陸地土壤具有同源性[1]。近年來，由于經濟發展和人口增長，大量陸源污染物進入水體，通過吸附、絮凝、沉降等作用，從水體進入底泥中，使得底泥中污染物含量顯著增加。同時，沉積在底泥中的污染物在一定環境條件下，通過溶解等作用又可從底泥中釋放出來，再次進入水體。因此，底泥既是污染物的匯集地，又是對水體產生二次污染的潛在污染源，河道底泥的污染程度與水環境質量存在密切關系[2]，不同深度的底泥往往包含了不同時期河流環境特點及污染情況等真實信息[3]。因此研究不同深度河流底泥的污染情況，對于河流生態環境質量的時空變化分析和后續治理具有重要意義。

目前，常見的河道底泥污染物特征分析與風險評價主要是采集河道不同河段同一深度的底泥，采用單因子污染指數法、內梅羅綜合污染指數法、地累積指數法等對污染物進行分析，利用多元統計分析和地統計分析對污染物來源進行解析，應用生態風險指數法、生物毒性不利影響指數法等對污染物進行風險評價，并提出相應的綜合性治理指導意見[4]1443，鮮有研究涉及對不同深度河道底泥的對比。

晉江市九十九溪流域萬畝田園風光區域為典型的工農業區域，汽車配件、陶瓷、建材等相關產業逐年發展。區域內主要水系有九十九溪干流、潘湖支流、九十九溪老河道及沿江支流，其中，潘湖支流為新開挖河道，原九十九溪干流均沿九十九溪老河道流出。由于河道周邊產業類型及比例不同，受環境影響的時間不同，宜進行不同深度底泥污染特征分析與風險評價。

本研究選取九十九溪干流、潘湖支流、九十九溪老河道及沿江支流4條主要河道23處不同河段的底泥作為研究對象，分3層采集底泥樣品，重點研究不同深度底泥的污染特征及其對河流環境質量時空變化的反映情況、污染來源和相應的風險評價，全面深入分析該區域的河流污染空間分布情況，探討有效的治理策略，為后續底泥污染綜合防治和處置提供科學依據。

1 采樣方法

1.1 研究區概況

九十九溪流域地處福建省東南沿海的南安市與晉江市境內，是晉江市的主要河流。流域在晉江市境內長27 km，流域面積為137 km2，主河道平均坡降為0.16%[5]。流域上游屬中低山地，中下游地勢低洼平坦，溝渠縱橫交錯，河網密集。流域位于南亞熱帶海洋性季風氣候區，多年平均蒸發量為1 997.1 mm，年降水量為1 000～1 400 mm[6]。

研究區域為九十九溪流域下游的萬畝田園風光區域，該區域以農業工業用地為主，總占地面積約7.2 km2，研究河道為九十九溪干流、九十九溪老河道、沿江支流及潘湖支流，長度分別為4.37、2.02、2.43、1.47 km。

1.2 樣品采集

于2019年8月共采集23處河道底泥。河道底泥采集采用均勻布點法，每個采樣點間距為300～500 m(采樣點位置見圖1)。底泥采集采用人工方式進行，在風浪較小、環境條件較好的河段中心位置，采用抓斗式采泥器進行采樣。每個采樣點根據淤泥厚度，分上、中、下3層(分別記為A、B、C層)采集底泥樣品(A層0.1～0.2 m，B層0.2～0.5 m，C層0.5～1.0 m)。采集的底泥樣品置于1 L的聚乙烯袋中密封，裝于泡沫盒中，檢測前冷凍干燥保存。

圖1 采樣點分布Fig.1 Distribution of sampling sites

1.3 樣品測定

檢測指標主要包括：pH、Cd、Hg、As、Pb、Cr、Cu、Ni、Zn、TN、TP共11項。檢測方法參照《城市污水處理廠污泥檢測方法》(CJ/T 221—2005)和《土壤檢測》(NY/T 1121.2—2006)。

2 評價方法

2.1 污染程度評價

2.1.1 重金屬污染程度評價

采用地累積指數(Igeo)進行重金屬污染程度評價，地累積指數是評價底泥中重金屬污染的常用參數，不僅考慮了自然地質過程造成的背景值影響，也充分注意了人為活動對重金屬污染的影響[7]。本研究以福建省自然土壤背景值作為污染評價參考值：Cd(0.054 mg/kg)、Hg(0.081 mg/kg)、As(5.78 mg/kg)、Pb(34.9 mg/kg)、Cr(41.3 mg/kg)、Cu(21.6 mg/kg)、Ni(13.5 mg/kg)、Zn(82.7 mg/kg)[8]70。

單一重金屬的污染程度分級為：≤0，無污染；>0～1，輕污染；>1～2，偏中度污染；>2～3，中度污染；>3～4，偏重度污染；>4～5，重度污染；>5，極重度污染。

2.1.2 營養鹽污染程度評價

鑒于目前中國尚沒有專門針對底泥營養鹽污染程度的評價方法，本研究參考文獻[9]，采用內梅羅綜合污染指數法對底泥中氮、磷的污染程度進行評價，評價標準值參考《中新天津生態城污染水體沉積物修復限值》(DB12/ 499—2013)中河道底泥營養鹽管理目標值(TN為1 500 mg/kg、TP為400 mg/kg)。

2.2 風險評價

2.2.1 潛在生態風險評價

重金屬潛在生態風險指數(RI)綜合考慮重金屬含量、毒性水平、水體對金屬的敏感性及多元素協同作用等，綜合評估多種重金屬對底泥的潛在生態危險程度[10]，計算方法見式(1)。

(1)

根據重金屬潛在生態風險指數，潛在生態風險評價分級為：≤55，低風險；>55～110，中風險；>110～220，高風險；>220，極高風險。

2.2.2 生物毒性不利影響評價

采用生物毒性不利影響綜合評價河道底泥中多種重金屬的混合生物效應[4]1444，計算方法見式(2)。

(2)

式中：n為底泥中重金屬的種類數；Q為平均可能影響濃度商；PECi為底泥中重金屬i的可能效應濃度，mg/kg，取Cd 4.98 mg/kg、Hg 1.06 mg/kg、As 33 mg/kg、Pb 128 mg/kg、Cr 111 mg/kg、Cu 149 mg/kg、Ni 486 mg/kg、Zn 459 mg/kg[4]1445。

根據平均可能影響濃度商，將生物毒性分為4個等級[4]1445：≤0.1，產生生物毒性效應的可能性<14%；>0.1～1.0，15%<產生生物毒性效應的可能性≤29%；>1.0～5.0，33%<產生生物毒性效應的可能性≤58%；>5.0，75%<產生生物毒性效應的可能性≤81%。

3 結果與討論

3.1 底泥pH變化特征

河道底泥pH檢測結果見圖2，呈弱堿性，與福建省泉州市耕地土壤pH(5.46)差異較大[11]，可能原因為耕地長期施化肥，導致耕地土壤酸化，而研究區域河道周邊分布較多汽修廠，排放堿性含油廢水[12]47，長期積累導致河道底泥pH較耕地土壤高。

圖2 河道底泥pH分布Fig.2 Distribution of pH of river sediment

3.2 河道底泥污染物特征分析

與福建省自然土壤背景值[8]70相比，研究區域河道底泥中絕大部分重金屬含量超標，存在不同程度的污染。其中，Cd為中度、偏重度污染，Zn為偏中度污染，Hg、Pb、Cr、Cu、Ni為輕度污染，僅As不存在污染現象。重金屬含量偏高主要是受周邊工業廢水、生活污水、農業生產廢水的影響，重金屬隨懸浮物沉降進入底泥，造成其含量較自然土壤背景值偏高[13]1876。

同時，研究區域內不同河道不同深度的底泥重金屬污染程度不同。其中，沿江支流、九十九溪老河道和潘湖支流由于位于下游，上游陶瓷廠等工業廢水中富含的重金屬[12]47富集沉積，致使這3條河道污染較九十九溪干流嚴重。此外，潘湖支流為近年新開挖河道，原先上游河水均從九十九溪干流流至九十九溪老河道再流出，因此九十九溪老河道底泥B層部分重金屬地累積指數較高，污染較表層和底層嚴重，與其他河道重金屬含量隨底泥深度增加而降低的大趨勢不同(見表1)。

表1 河道底泥重金屬地累積指數

此外，研究區域內河道底泥中TN、TP含量均明顯高于河道底泥營養鹽管理目標值，呈重度污染態勢(見圖3)，應通過工程措施及時控制營養鹽含量。內梅羅綜合污染指數在A層和B層中的數值較為接近，但明顯高于C層，表明從B層沉積期開始，區域內一直持續存在穩定的營養鹽匯入污染。對比不同河道C層底泥的內梅羅綜合污染指數發現，九十九溪干流和潘湖支流深層底泥均已嚴重污染，結合河道環境條件，推測九十九溪干流受營養鹽污染時間久遠，而潘湖支流開挖前該區域土壤已受營養鹽污染。

圖3 河道底泥營養鹽內梅羅綜合污染指數Fig.3 Nemerow comprehensive pollution index of nutrients in river sediment

造成4條河道底泥營養鹽污染程度不同的原因主要為周邊用地類型隨時空變化明顯。九十九溪干流和潘湖支流的北側均為居住區，用地面積隨時間推移而擴張，但沿河硬質化的駁岸和排口致使城鎮點源、面源污染直接匯入河道，因而底泥中營養鹽逐年富集，污染愈發嚴重。而沿江支流和九十九溪老河道周邊則以農田為主，河道兩岸存在50 m以上的植被緩沖帶，可削減部分農業面源污染，減少對河道造成的污染。

3.3 河道底泥重金屬污染源相關性分析

采用聚類分析[14]對底泥重金屬來源進行分析，標準化處理重金屬含量，去除異常值后運用層次聚類法繪制得到樹狀圖(見圖4)。根據聚類距離將底泥重金屬歸為兩大類，其中Cu、Zn、Cd、Hg、Pb屬于Ⅰ類，As、Cr、Ni為Ⅱ類。Ⅰ類又可具體分為3類：Ⅰ1類(Cu和Zn)、Ⅰ2類(Cd)、Ⅰ3類(Hg和Pb)；Ⅱ類又可具體分為2類：Ⅱ1類(As和Cr)、Ⅱ2類(Ni)。

圖4 8種重金屬聚類分析樹狀圖Fig.4 Dendrogram results of the hierarchical cluster analysis of eight heavy metals

通過主成分分析，識別底泥中重金屬來源[15]。利用KMO檢驗和巴特利球度檢驗(KMO=0.822>0.7，P<0.05)，發現8種重金屬間相關性較強，適合進行主成分分析。采用Kaiser標準化的正交旋轉法提取因子，利用最大方差法對因子載荷矩陣進行正交旋轉(結果見表2)。主成分分析法提取出2個主成分，共解釋72.69%的方差。

表2 8種重金屬主成分分析結果

第1主成分貢獻率為38.86%，Cd、Hg、Pb、Cu、Zn的因子載荷較高，聚類為Ⅰ類。相關研究證明，Cd、Hg、Pb、Cu、Zn主要受人類活動影響，由人類活動產生而進入河道底泥中[16]：Ⅰ1類主要源于汽車制造業，Zn是汽車輪胎生產過程中的重要添加劑，具有潤滑、抗氧化和清潔作用；Cu來自車輛散熱器和車輛制動系統。Ⅰ2類源于農業，Cd是農業復合肥磷肥中的重要成分，可以作為農業活動的標識元素。Ⅰ3類主要源于燃煤排放，Hg和Pb可通過燃煤排放產生，并在大氣中具有較強的穩定性和移動性，通過大氣干濕沉降進入河道底泥中。

結合地累積指數分析，區域污染最為嚴重的是Cd和Zn，推測污染源主要為周邊大面積農田施用的化肥/農藥和沿河分布的汽修廠汽車輪胎維修保養產生的廢液。而現狀汽修廠規模較小，業務以維修為主，因此同源于汽車制造業的Cu卻屬于輕度污染。此外，河道上游陶瓷廠、水泥廠數量較少，煤炭使用量較低，致使Hg、Pb屬于輕度污染。

第2主成分貢獻率為33.83%，As、Cr、Ni的因子載荷較高，聚類為Ⅱ類。相關研究證明[17]，Cr和Ni主要源于成土母質，受人為影響較小，僅九十九溪老河道和潘湖支流的部分中下層底泥中Cr和Ni含量略微超過自然土壤背景值，處于輕度污染狀態，因此推測除了自然來源外，還受周邊工業污染影響[13]1880。河道底泥中As整體呈無污染狀態，由于As變異系數較低，因此推測底泥中的As主要來源于成土母質。

3.4 河道底泥重金屬風險評價

3.4.1 潛在生態風險評價結果

九十九溪流域河道底泥中重金屬的潛在生態風險評價結果見圖5。九十九溪干流和沿江支流各層底泥的重金屬潛在生態風險指數均小于55，表明這兩條河道的重金屬綜合生態風險為低風險，重金屬不易從底泥中釋放，對河道的生態危害較小[18]。九十九溪老河道底泥B層的重金屬潛在生態風險指數高于110，A層和C層的重金屬潛在生態風險指數介于55～110，表示九十九溪老河道底泥中重金屬總體處于中風險水平，應重視該河道的底泥處理，特別是0.2～0.5 m深的底泥處理，可選用生態清淤的方式將深度小于1.0 m(C層及以上)的底泥從河道中移除，從而減輕污染底泥中重金屬對水生生物的生態影響[19]。潘湖支流底泥中A層和B層的重金屬潛在生態風險指數大于55，同處于中風險水平，但C層總體屬于低風險，應通過生態清淤的方式清除深度小于0.5 m(B層及以上)的底泥，減輕重金屬釋放的潛在風險。

圖5 潛在生態風險評價結果Fig.5 Potential ecological risk assessment result

3.4.2 生物毒性不利影響評價結果

九十九溪流域4條河道底泥的平均可能影響濃度商均處于0.1～0.5(見圖6)，表明由于個別重金屬(Zn和Pb)污染，區域河道底泥對底棲動物產生生物毒性效應的可能性為15%～29%。此外，平均可能影響濃度商基本隨底泥深度的增加而降低，可見底泥中重金屬的生物毒性不利影響主要發生在近幾年。因此，建議嚴格管控河道周邊工業廢水廢氣的排放，特別是汽修汽配廠和建材廠，以減輕Zn、Pb等重金屬對河道底棲動物的危害。

4 結論與建議

(1) 通過對晉江市九十九溪流域萬畝田園風光區域4條主要河道23處河道底泥進行分層檢測，發現河道底泥偏堿性，與沿河分布汽修廠有較大關系。

(2) 與福建省自然土壤背景值相比，河道底泥中絕大部分重金屬含量超標，存在不同程度的污染，其中Cd為中度、偏重度污染，Zn為偏中度污染，Hg、Pb、Cr、Cu、Ni為輕度污染，僅As不存在污染現象。受周邊工業分布情況影響，不同河道不同深度的重金屬污染程度不同。其中，沿江支流、九十九溪老河道和潘湖支流底泥中重金屬污染較嚴重。同時，重金屬含量基本隨底泥深度的增加而降低，僅九十九溪老河道因不同時期匯入水量不同，導致中層底泥重金屬污染比表層和底層嚴重。此外，底泥TN、TP含量均明顯高于河道底泥營養鹽管理目標值，全部呈重度污染的態勢，應通過工程措施及時控制營養鹽含量。

(3) 河道底泥中重金屬主要來自兩類：人類活動匯入和自然成土母質發育。其中，Cu和Zn主要源于河道周邊的汽修廠；Hg和Pb主要源于上游零星陶瓷廠、水泥廠的燃煤排放；Cd主要源于周邊農業施用的化肥農藥；Cr和Ni主要受成土母質以及周邊工業生產活動影響；As則主要源于成土母質。

(4) 河道底泥重金屬風險評價結果顯示，九十九溪干流和沿江支流的底泥重金屬綜合生態風險為低風險，重金屬不易從底泥中釋放，生態危害較小；九十九溪老河道和潘湖支流的底泥則總體處于中風險，應重視底泥處理，可選用生態清淤的方式進行處理，九十九溪老河道清理深度小于1.0 m的底泥，潘湖支流清理深度小于0.5 m的底泥，以減輕底泥中重金屬釋放對河道水生態的影響。此外，4條河道底泥受Zn、Pb等重金屬污染，對底棲動物產生生物毒性效應的可能性為15%～29%。為防止河道底泥重金屬繼續富集累積，加劇對底棲動物的危害，建議加強管控河道周邊工農業廢水廢氣的排放，嚴格控制污染入河。