蘇州河底泥典型重金屬空間分布及環(huán)境風險評價

張艷欣，李任政，劉莎莎

（1.上海清寧環(huán)境規(guī)劃設計有限公司；2.上海市巖土地質研究院有限公司，上海 200050；3.河南朗天環(huán)?？萍加邢薰?，鄭州 450000）

自《水污染防治行動計劃》發(fā)布以來，黑臭河道整治成為一項重要的民生工程。底泥疏浚在清除黑臭河道內源污染中發(fā)揮著重要作用，疏浚后底泥還田造成重金屬污染農田時有發(fā)生，因此查明重金屬污染是河道整治的重中之重。關于底泥中重金屬污染，目前已開展較多研究。單麗麗等[1]研究了長江下游市政、港口、礦業(yè)和工業(yè)等沉積物中Cu、Zn、Cd、Pb和Cr的污染特性；王莉君等[2]研究了南京城區(qū)黑臭底泥中Cu、Zn、Ni、Pb和Cr等污染；郝達平[3]研究了白馬湖底泥中Cu、Zn、Cd和Pb等的污染特征，但多數(shù)研究關注Cu、Zn、Ni、Cd、Pb和Cr中的4～5種重金屬，對毒性更大的Hg和As探究較少。本文以上海母親河——蘇州河為例，研究底泥中8種典型重金屬的空間分布規(guī)律和環(huán)境風險，為河道環(huán)境整治和底泥資源化利用提供理論支撐。

1 方法

1.1 樣品采集

結合污染物沉積特征和工農業(yè)分布特征等因素，在河道彎曲處、支流匯合處等位置布設32個斷面，每個斷面設置2～3個采樣點，共布設84個采樣點。為研究垂向分布規(guī)律，各采樣點取0.6～2.5 m柱狀樣，以0.2 m為間隔分2～13層進行連續(xù)取樣，共采集402個樣品。采樣斷面情況如圖1所示。

圖1 采樣斷面

1.2 分析方法

利用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀測定Pb、Ni、Cu、Zn和Cr；利用原子吸收光譜法測定Cd；As和Hg的測定則利用原子熒光分光光度計。利用OriginPro 9.1軟件進行作圖。

1.3 評價方法

重金屬污染評價基于沉積學原理提出了多種方法，分別為地累積指數(shù)法（Igeo）、潛在生態(tài)污染指數(shù)（RI）法和污染負荷指數(shù)（IPL）法等[1]。其中，地累積指數(shù)法客觀地反映重金屬污染狀況，側重評價單項重金屬污染；潛在生態(tài)危害指數(shù)法反映重金屬單項和綜合潛在生態(tài)危害程度，引入生物有效性，但毒性響應因子比較主觀。兩種方法側重點不同，因此需要互相補充和借鑒，其評價分級如表1所示。地累積指數(shù)和潛在生態(tài)污染指數(shù)的計算公式分別為：

表1 評價分級

式中：Ci為元素i的實測值，mg/kg；為現(xiàn)代工業(yè)化前沉積物中重金屬的最高背景值，mg/kg；為元素i的單因子潛在生態(tài)風險系數(shù)；為元素i的毒性響應因子，元素Zn、Cr、Ni、Cu、Pb、As、Cd和Hg的毒性響應因子分別為1、2、5、5、5、10、30和40；為元素i的污染指數(shù)。

2 結果與分析

2.1 沿程分布規(guī)律

為客觀反映沿程分布情況，采用斷面上重金屬均值繪制沿程變化圖，如圖2所示。圖2中，8種典型重金屬沿程變化較為相似，表現(xiàn)為22 km前出現(xiàn)較大幅度波動，22 km后上升，一方面是因為22 km后的河段為市區(qū)段，受工業(yè)影響較大；另一方面是受現(xiàn)場條件限制，該河段僅采集2～4層樣品，用于計算均值的樣本量相對較少。

圖2 沿程分布

2.2 垂向變化趨勢

為研究垂向分布情況，采用不同深度重金屬均值繪制垂向變化圖，如圖3所示。

圖3中，8種典型重金屬在垂向上分布較為相似。0～0.5 m內，均值較低，波動較小；0.5～2.1 m內，均值較高，且呈上升趨勢；2.1～2.5 m內，均值較低，波動較大。這種現(xiàn)象表明，經(jīng)過前三期環(huán)境綜合整治，蘇州河污染源得到控制，但0～0.5 m重金屬累積效應明顯，切斷污染源后，該層與上覆水交互比較密切，稀釋作用較大，致使該層濃度較低；0.5～2.1 m較0～0.5 m與上覆水的交互作用弱，而較2.1～2.5 m強，因此，該層濃度較高；2.1～2.5 m內，重金屬與上覆水交互作用較弱，但累積效應亦較弱，造成該層濃度較低。

圖3 垂向分布

2.3 環(huán)境風險評價

考慮區(qū)域特點，背景值采用《中國土壤元素背景值》中上海市C層算術均值來計算地累積指數(shù)和潛在生態(tài)風險指數(shù)，如表2所示。

表2中，As、Cr和Pb的地累積指數(shù)均小于0，為無污染；Ni分布在小于0和0～1，為無污染和無-中污染；Cu、Zn和Cd分布在小于0、0～1和1～2，分別為無污染、無-中污染和中污染，中污染區(qū)域位于市區(qū)段；Hg分布在0～1、1～2、2～3和3～4，分別為無-中污染、中污染、中-強污染和強污染，中污染和中-強污染區(qū)域分別位于10 km以后河段和市區(qū)段。Cu、Zn、Cd和Hg的中污染及其以上污染程度區(qū)域多靠近市區(qū)段，說明工農業(yè)混合區(qū)較農業(yè)區(qū)污染嚴重。

表2 地累積指數(shù)和潛在生態(tài)風險指數(shù)

As、Cr、Cu、Zn、Ni和Pb的單因子潛在生態(tài)風險系數(shù)均值均小于40，為低風險；而Cd和Hg的均值分別為44.86和193.78，為中風險和很強風險。綜合潛在生態(tài)風險指數(shù)對應的生態(tài)風險程度分別為低、中、強和很強風險，多數(shù)河段為中風險；RI均值表明，重金屬污染程度為中風險。

為研究兩種評價方法的異同，對其均值進行污染評級。結果表明，用地累積指數(shù)法評價時，Hg為中污染，Cu、Zn為無-中污染，其余重金屬為無污染，污染程度為Hg＞Cu＞Zn＞Ni＞Cd＞Cr＞Pb＞As；用潛在生態(tài)危害指數(shù)法評價時，Hg為很強風險，Cd為中風險，其余重金屬為低風險，污染程度為Hg＞Cd＞Cu＞As＞Ni＞Pb＞Cr＞Zn。兩種評價方法存在較大差異，可能是地累積指數(shù)法主要考慮累積效應，而潛在生態(tài)危害指數(shù)法還引入了生物有效性。As、Cd和Zn排序也存在較大差異，是因為As、Cd的毒性響應因子較大、背景值較小，而Zn則相反。經(jīng)比較可知，潛在生態(tài)風險指數(shù)法因考慮生物有效性，更適合為人類健康生活提供科學參照，但該方法毒性響應因子較為主觀，因此需要與地累積指數(shù)法對比使用。兩種評價方法中Hg的環(huán)境風險均為最嚴重，它是蘇州河最主要的污染因子。

3 結論

典型重金屬在郊區(qū)段出現(xiàn)較大幅波動，市區(qū)段上升，垂向上表現(xiàn)為低-高-低的趨勢。潛在生態(tài)風險指數(shù)法考慮生物有效性，更適合為人類健康生活提供科學參照，但該方法毒性響應因子較為主觀，因此需要與地累積指數(shù)法對比使用。Hg作為蘇州河最主要的污染因子，底泥治理時應重點關注。