山東省某河流疏浚后底泥中Zn，Cr，Hg的含量變化及潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

胡安梁，劉長(zhǎng)青，殷 悅，石 佳

(青島理工大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院，青島 266033)

隨著城市工業(yè)化的快速發(fā)展，含有重金屬的廢水會(huì)通過各種途徑排入水體。進(jìn)入水體的重金屬經(jīng)過絡(luò)合、吸附、沉淀等作用大部分由水相轉(zhuǎn)為固相，沉積在底泥中，而當(dāng)外界條件發(fā)生變化時(shí)，蓄積在底泥中的重金屬又會(huì)重新釋放到水體，造成二次污染。重金屬具有危害持久、毒性較強(qiáng)、不易降解等特點(diǎn)，且可以通過食物鏈危害人體健康。將受污染水體的底泥進(jìn)行疏浚是改善水體水質(zhì)的有效措施。雖然我國(guó)很多城市已開展污染水體底泥的疏浚工作，但是疏浚后底泥重金屬含量是否真正得到有效控制，仍值得關(guān)注。因此，研究疏浚后底泥重金屬的含量變化及其生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)于指導(dǎo)河流的治理與管理具有十分重要的意義。

山東省某河流沿岸及周邊城鎮(zhèn)化水平較高，分布著較多的工業(yè)企業(yè)，在入河污水通過沿河鋪設(shè)的截污管道實(shí)現(xiàn)截流的2010年之前，大量城市居民的生活污水和工業(yè)企業(yè)的生產(chǎn)廢水排入到河水中。根據(jù)《山東省重點(diǎn)污染湖泊、河流、入海口灘涂底泥重金屬污染狀況調(diào)查報(bào)告》的調(diào)查結(jié)果可知，該河道底泥中重金屬Zn，Cr，Hg污染程度較強(qiáng)。為了消除底泥污染帶來的風(fēng)險(xiǎn)，當(dāng)?shù)卣罁?jù)調(diào)查結(jié)果開展了底泥疏浚的示范工程，并于2015年完成了對(duì)重度和中度污染區(qū)域底泥的疏浚工作。

為了明確該河段示范工程實(shí)施后底泥中重金屬的含量變化情況，評(píng)價(jià)底泥中重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，本研究在進(jìn)行了示范工程河段底泥重金屬采樣分析的基礎(chǔ)上，采用國(guó)際較為通用的HAKANSON潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法[1]對(duì)示范工程實(shí)施后該河段潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評(píng)估。此外，為了解河道流量變化對(duì)底泥重金屬的擾動(dòng)情況，在河流的豐水期及枯水期分別取樣評(píng)估。本研究為明確該河流底泥疏浚示范工程環(huán)境質(zhì)量改善的效果，同時(shí)也為該河流重金屬的污染防治和長(zhǎng)期管理工作提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

研究河段位于山東省境內(nèi)，疏浚的長(zhǎng)度約為1000 m，河道寬度400～500 m，水深2～5 m，沉積物厚度約為50 cm，屬泥沙混合質(zhì)，部分區(qū)域底泥含沙量較大，河流兩岸植被覆蓋率較高，在疏浚河段上游有一處城市污水處理廠的排污口。根據(jù)該河流的水文地質(zhì)條件，在綜合考慮河流疏浚范圍的基礎(chǔ)上，以該河段中設(shè)置的橡膠壩為起點(diǎn)，在疏浚工程區(qū)域每隔100 m布設(shè)1個(gè)取樣斷面，每個(gè)斷面在靠近河道兩岸和河道中間各布設(shè)1個(gè)取樣點(diǎn)位(圖1)，采用GPS定位器進(jìn)行導(dǎo)航定位，分別于2017年12月(枯水期)和2018年6月(豐水期)，使用重力抓斗取樣器，采集表層0～20 cm的底泥，將同一斷面采集的3個(gè)底泥樣品就地混合為一個(gè)樣品，作為該取樣段面底泥的代表性樣品。取樣后裝入聚乙烯樣品袋中，依次編號(hào)，帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析。

圖1 采樣點(diǎn)位示意

1.2 樣品分析

將采集回的樣品放在通風(fēng)、陰涼、干燥的地方，待樣品自然風(fēng)干后，除去樣品中的垃圾、大石塊等雜物，用木棒碾碎，經(jīng)過研缽研磨后，過200目尼龍篩，將篩好的樣品放入聚乙烯樣品袋中備用。底泥中Cr和Zn采用火焰原子吸收分光光度法進(jìn)行測(cè)定，Hg采用原子熒光法進(jìn)行測(cè)定，pH采用電位法進(jìn)行測(cè)定。實(shí)驗(yàn)所用藥劑均為優(yōu)級(jí)純，實(shí)驗(yàn)用水為超純水，實(shí)驗(yàn)所用的器皿全部經(jīng)過5%的硝酸浸泡24 h，超純水洗凈烘干待用。

1.3 評(píng)價(jià)方法

本研究采用瑞典學(xué)者HAKANSON于1980年提出的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法[1]進(jìn)行評(píng)價(jià)，該方法綜合考慮重金屬的毒性水平、生態(tài)效應(yīng)與環(huán)境效應(yīng)，給出了重金屬元素潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度的定量劃分，已成為沉積物重金屬風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中應(yīng)用最為廣泛的方法，被較多學(xué)者采用[2-4]。其計(jì)算公式為

表1 重金屬的參比值和毒性響應(yīng)系數(shù)

表2 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的等級(jí)劃分

2 結(jié)果與討論

2.1 底泥重金屬的含量變化及分布

通過對(duì)疏浚河段所采集的底泥樣品進(jìn)行分析測(cè)定，得到枯水期、豐水期底泥樣品中Zn，Cr，Hg 3種重金屬含量的分布情況(圖2)。

從圖2中可以看出，底泥中重金屬在空間分布上表現(xiàn)出一定的規(guī)律性，無論在枯水期還是豐水期，底泥中重金屬Zn，Cr，Hg的含量分布在疏浚河段沿程變化趨于一致，均表現(xiàn)為疏浚河段下游(靠近橡膠壩)底泥中重金屬含量要高于疏浚河段上游底泥中重金屬的含量，這主要是由于橡膠壩的攔截作用引起的，經(jīng)過橡膠壩的攔截，河水的水流速度變慢，水體中懸浮的泥沙和攜帶的污染物容易在此沉積，導(dǎo)致這部分區(qū)域底泥中重金屬含量較高。

河道內(nèi)水體流量變化對(duì)底泥中重金屬的含量有一定影響，疏浚河段底泥中Zn和Cr在枯水期與豐水期的含量整體上變化不大，豐水期底泥中Zn和Cr含量的平均值略高于枯水期；Hg的含量變化較大，Hg在各個(gè)點(diǎn)位枯水期的含量均大于豐水期，枯水期均值為豐水期均值的4.05倍。

河流不同流量期底泥中重金屬Zn，Cr，Hg的含量變化與不同重金屬污染源的排放規(guī)律有關(guān)，在疏浚河段上游分布著機(jī)械制造等類型企業(yè)，雖然這些企業(yè)的生產(chǎn)廢水經(jīng)過嚴(yán)格處理后達(dá)標(biāo)排放，但其中仍可能含有一定濃度的Zn和Cr，在河流豐水期階段，河水水量較大，水體中所攜帶的重金屬污染物總量大，且豐水期在取樣時(shí)間上滯后于枯水期，雖然豐水期橡膠壩會(huì)打開行洪，但重金屬物質(zhì)的沉淀積累仍然是造成豐水期底泥污染濃度高的重要原因。Hg含量豐水期下降的原因主要在于當(dāng)?shù)赜嘘P(guān)部門對(duì)涉Hg的企業(yè)在研究時(shí)段內(nèi)的重點(diǎn)排查和監(jiān)督，有效控制了外源排放，同時(shí)水體環(huán)境的改變對(duì)底泥中Hg的含量變化有一定影響，一方面豐水期河水水量增大，水體流速增大，水體的紊流強(qiáng)度增加從而導(dǎo)致底泥和水體的分子擴(kuò)散反應(yīng)加快，同時(shí)還會(huì)加快底泥中孔隙水與上覆水的水分子擴(kuò)散速率，底泥中的重金屬與孔隙水的交換速率也得到相應(yīng)的增強(qiáng)[6]，有利于底泥中的Hg向水體中釋放；另一方面豐水期河水溫度升高，水體環(huán)境條件發(fā)生改變，吸附平衡也隨之改變，會(huì)使底泥中重金屬離子的吸附—解吸速度加快，上覆水和底泥中離子直接交換速率加快[7]，有利于底泥中的Hg向水相中遷移以及釋放于孔隙水中的Hg向上覆水中遷移，使得豐水期底泥中Hg的含量低于枯水期。

所研究河流作為當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)用水的主要來源，對(duì)水環(huán)境質(zhì)量要求較高，本次研究采用《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)》(GB 15618—2018) 中的農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值(6.5

變異系數(shù)可以用來反映數(shù)據(jù)離散程度的大小，變異系數(shù)越大，表明受人類活動(dòng)影響的程度越大。由表3可知，無論是在枯水期還是豐水期，疏浚河段底泥中Zn，Cr，Hg 3種重金屬均表現(xiàn)出一定程度的變異。其中，Zn的變異系數(shù)相對(duì)較小，表明Zn在各斷面的水平差異較小，分布較為均勻；Cr和Hg的變異系數(shù)相對(duì)較大，表明Cr和Hg在空間分布上不均勻，受人類活動(dòng)的影響較大。

表3 疏浚河段底泥中重金屬的變異系數(shù) %

2.2 底泥重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

3 結(jié)論

1) 疏浚河段底泥中Zn，Cr，Hg 3種重金屬含量在沿河空間分布上表現(xiàn)為疏浚河段下游(靠近橡膠壩)大于疏浚河段上游；受不同重金屬污染源排放與河道內(nèi)水體流量變化的影響，疏浚河段底泥中Zn，Cr，Hg表現(xiàn)出一定的變化規(guī)律，其中，豐水期疏浚河段底泥中Zn和Cr的含量平均值要高于枯水期，枯水期疏浚河段底泥中Hg的含量要高于豐水期，其枯水期均值為豐水期均值的4.05倍；無論是枯水期還是豐水期，疏浚河段底泥中Zn，Cr，Hg含量的平均值均低于《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)》(GB 15618—2018) 中的農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值(6.5