黑臭河道底泥重金屬污染特征及生態風險評價

羅坤　吳從林　孫凌凱

摘要：為了解平原河網地區河道沉積物中重金屬的污染特征，選取江陰市城區10條非黑臭河道和17條黑臭河道作為研究對象，分析河道表層沉積物中Cu、Cr、Ni、Zn、Pb、Cd、As、Hg等8種重金屬的分布特征，并對其來源及生態風險進行評價。評價結果表明：①江陰市城區黑臭河道與非黑臭河道沉積物中重金屬均超過其背景值，已表現出明顯的富集累積趨勢，但各重金屬濃度在黑臭河道與非黑臭河道中沒有顯著差異（p>0.05）。②相關性分析及主成分分析表明，沉積物中多數重金屬元素來源具有一定的相似性，主要受到工業污染、農田面源污染、交通污染和自然地質作用的影響。③潛在生態風險系數評價結果顯示，各重金屬的潛在生態風險順序

在黑臭河道中為Hg>Cd>Pb>As>Ni>Cu>Zn>Cr，在非黑臭河道中為Hg>Cd>Cu>As>Pb>Ni>Zn>Cr，

其中Hg和Cd對潛在生態風險指數的貢獻最大，在黑臭河道與非黑臭河道中的貢獻占比均超過60%。8種重金屬潛在生態風險指數介于53.1～961.5，總體處于低或中等生態風險水平，但局部河段具有高生態風險。

關鍵詞：重金屬污染; 污染源解析; 生態風險評價; 平原河網城市; 江陰市

中圖法分類號： X53

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.10.007

0引 言

城市的擴張和人類活動的不斷加強導致大量污染物排放到河流并沉積到底泥中，對城市水生態系統和人類健康構成嚴重威脅。底泥中重金屬由于其潛在的生物毒性和環境持久性，越來越受到人們關注[1-2]。研究表明，經過工農業廢水排放、大氣沉降及雨水徑流進入水體中的重金屬污染物，通過水體沉積物的形式在底泥中富集，不僅難以被微生物分解，且會隨著水體環境的變化被釋放進入水體，最終通過食物鏈的富集作用威脅人類健康[3]。王云等指出，進入環境中的重金屬，尤其是Cd、As、Pb和Hg等會通過食物鏈進入人體，對人體產生嚴重危害，如生殖毒性、免疫毒性、內分泌干擾作用等[4]。

目前，國內外關于底泥重金屬的研究主要集中在污染源解析、污染分布特征、風險評價及重金屬遷移轉化等方面[5]。例如，為全面了解底泥重金屬污染程度，德國、英國、日本和瑞典等國研究者從沉積物角度提出了多種重金屬的評價方法，包括地累積指數評價法、潛在生態風險評價法、污染負荷指數法等，并廣泛用于河湖底泥重金屬污染狀況評價[6-8]。中國研究人員除了對重金屬污染的生態風險進行評價以外，還采用多元統計分析對重金屬來源進行解析，通過分析底泥中重金屬變量之間的相關關系判斷污染的主要來源路徑。例如，易雨君等采用潛在生態風險指數法對長江中下游及湖泊底泥重金屬污染進行了評價，并采用相關分析和主成分分析對重金屬的污染來源進行了分析[5];賈英等采用地累積指數和潛在生態風險指數評估了上海市河流沉積物中重金屬污染級別和潛在生態風險，并指出上海市河流沉積物中重金屬主要來源于工業廢水、交通污染和農藥等[3];楊強等對錢塘江沉積物中重金屬污染源的解析和生態風險評價表明重金屬主要來源于工業生產，且表現出強生態風險[9]。

雖然國內外眾多學者對河流、湖泊沉積物中重金屬污染狀況做了大量研究，但鮮有針對城區黑臭河道底泥重金屬污染特征進行分析[10]。江陰市位于長江三角洲太湖平原北緣，是中國工業百強縣第一。然而，隨著經濟的快速發展和城市現代化的快速建設，江陰市城區水系受到嚴重污染，出現多條黑臭水體。本文選取江陰市城區27條主要河段作為研究對象，對其底泥中重金屬的分布特征和來源進行分析，并采用地累積指數法和潛在生態風險指數法對底泥重金屬污染風險進行全面評價，以期為平原城市黑臭河道治理、重金屬污染防治及底泥處置生態風險管理提供科學依據。

1研究區域概況

江陰市位于長江三角洲太湖平原北緣，北枕長江，南近太湖，東接常熟、張家港，西連常州，地處蘇錫常“金三角”幾何中心，平均氣溫15.8 ℃，平均降水量1 098.3 mm。與周邊城市相比，江陰市產業結構以傳統制造業為主，包括裝備制造業、紡織服裝業、黑色金屬冶煉和壓延加工業、石化行業和化學纖維制造業，能耗高、污染排放總量大，對城區河道水體造成嚴重污染。

2樣品采集與檢測

2.1樣品采集與處理

本次沉積物樣品采自江陰市城區10條非黑臭河道和17條黑臭河道，其中10條非黑臭河道采樣點13個，17條非黑臭河道采樣點24個（見圖1）。采用抓斗式采樣器采集表層沉積物樣品（0～10 cm），并將采集的樣品用聚乙烯密封袋包裝后立刻帶回實驗室。經常溫風干后去除礫石顆粒、塑料和動植物殘體等雜物，用瑪瑙研缽研磨后過100目篩，裝入聚乙烯密封袋中，在冰箱內-4 ℃密封保存，以供檢測。

2.2樣品測試

底泥樣品消解：準確稱取0.100 0 g（精確到0.000 1 g）經初步處理后的沉積物樣品放入消解管中，加入15 mL鹽酸和5 mL硝酸，在電熱板180 ℃加熱至約1～2 mL，再加入5 mL硝酸和5 mL高氯酸，在220 ℃加熱至接近燒干時，繼續升溫到240 ℃，直至高氯酸冒煙冒盡并接近燒干，冷卻后加入1 mL 1∶1硝酸，定容至50 mL，搖勻備測。

對沉積物樣品中As、Hg和Pb含量采用原子熒光分光光度計（AFS-230E）測定，對Cu、Zn、Ni、Cr和Cd含量采用AA370MC型火焰原子吸收分光光度法測定[11]。在重金屬的分析過程中，采用沉積物標準樣品進行過程質量控制，實驗過程中，每個樣品設置2個平行樣，平行樣分析誤差< 5%，結果取測量平均值。

2.3數據分析

采用Microsoft Excel 2010、Origin 8.0、IBM SPSS 20.0等統計分析軟件進行數據處理、圖形制作及方差分析、相關性分析和因子分析。

3評價方法

潛在生態風險指數法是一種基于底泥重金屬元素特性和環境行為，用于評價沉積物重金屬生態危害的方法[3]。該方法不僅反映了多種重金屬污染物的綜合影響，也能定量劃分潛在生態風險的程度，被廣泛用于沉積物重金屬污染質量評價。其計算公式如下：

4結果與討論

4.1重金屬含量與分布

江陰市城區黑臭河道與非黑臭河道沉積物中8種重金屬含量統計結果列于表2。在黑臭河道內，沉積物中8種重金屬的濃度均值介于0.179～246.300 mg/kg之間，平均濃度由高到低依次為Zn>Pb>Cr>Ni>Cu>As>Cd>Hg，且除Cr和Hg以外均超過背景值。其中，平均濃度最高的是Zn和Pb，分別為246.300 mg/kg和89.300 mg/kg，平均濃度最低的是Cd 和Hg，分別為0.245 mg/kg和0.179 mg/kg。在非黑臭河道內，沉積物中8種重金屬的濃度均值介于0.370～277.200 mg/kg之間，平均濃度由高到低依次為Zn>Cu>Cr>Pb>Ni>As>Hg>Cd，且均超過背景值。其中，平均濃度最高的是Zn和Cu，分別為277.200 mg/kg和169.000 mg/kg，平均濃度最低的也是Hg和Cd，分別為0.448 mg/kg和0.370 mg/kg。方差分析結果表明：黑臭河道與非黑臭河道內沉積物中8種重金屬含量均沒有顯著差異。因此，江陰市城區河道沉積物中重金屬含量與分布不受河道黑臭的影響。同時，黑臭河道與非黑臭河道沉積物中重金屬均超過其背景值，表明江陰市城區河道沉積物重金屬已表現出明顯的富集累積趨勢。

4.2沉積物中重金屬來源分析

表3為河道沉積物中8種重金屬的Pearson相關系數。由表3可以看出：除了Ni與Pb、Ni與Hg之間不存在顯著相關性（p>0.05），其余各重金屬元素之間均具有顯著相關性（p<0.05），表明江陰市城區黑臭河道與非黑臭河道沉積物中多數重金屬元素來源具有一定的相似性。

為進一步分析江陰市城區河道沉積物中重金屬的污染來源，采用主成分分析法對污染源進行解析。根據主成分分析結果（見表4），江陰市城區河道沉積物中8種重金屬主要由2個主成分F1和F2表達，分別可以解釋總方差的52.409%和20.930%，累積方差解釋率達73.340%。從表4可以看出，Ni、Cr、Cu、Cd、As、Zn在第一個主成分中具有較高的載荷，表明這6種重金屬元素可能來自同一個污染源。其中，Zn、Cu、Cr和Ni含量較高，表明受工業污染比較嚴重[3];Cd一般可作為使用農藥和化肥等農業活動的標識元素[13-14];As 主要存在于農藥和工農業廢水中[15]，因此，第一個主成分代表工業污染和農田面源污染。Pb在第二個主成分中具有較高的載荷。根據廖啟華等對江蘇省土壤重金屬污染來源分析結果，江蘇省境內Pb含量受工業化、城市化及自然地質作用等多種因素影響[12]。同時，Pb也是機動車污染源的標識元素[16]。對江陰市城區500多家工業企業的調查結果顯示，江陰市城區工業企業中沒有廢水Pb和廢氣Pb的產生和排放，可以排除工業活動對河道沉積物中Pb的貢獻。因此，沉積物中Pb含量超標可能來源于城區交通污染和自然地質作用。為更準確地識別沉積物中重金屬的污染源，未來的研究將采用同位素示蹤進行源解析。

4.3沉積物中重金屬污染生態風險評價

江陰城區河道表層沉積物中重金屬生態風險評價統計分析結果分別如表5和表6所列。在黑臭河道點位中，Cd的Er值在11.2～162.0之間，平均值為51.5，其中16.67%的點位超過了80，達到較高生態風險水平;Hg的Er值在19.7～127.2之間，平均值為46.0，其中12.5%的點位超過了80，達到較高生態風險水平，生態風險程度僅次于Cd;其余各重金屬基本處于低生態風險水平，僅在局部點位存在較高生態風險。在非黑臭河道點位中，Hg、Cd和Cu屬于生態風險較高的重金屬元素。其中，Hg的Er值在16.6～447.2之間，平均值為87.9，其中23.1%的點位大于80，有較高生態風險，7.69%的點位大于320，有極高生態風險;Cd的Er值在12.8～117.1之間，平均值為55.7;Cu的Er值在2.88～359.30之間，平均值為54.40，且有7.69%的點位達到極高生態風險水平。雖然Hg和Cd在沉積物中的濃度較低，但卻是江陰市城區河道主要風險污染物，這與賈英等[3]對上海市河道沉積物重金屬污染特征的研究結果類似。

從表5和表6可以看出：黑臭河道沉積物中8種重金屬RI介于53.1～961.5之間，平均值為197.8，其中62.50%的點位處于低風險，29.20%的點位處于中等或較高生態風險，僅8.33%的點位具有高生態風險;非黑臭河道中RI介于63.8～611.2，平均值為239.7，其中76.80%的點位處于中等或低生態風險，僅7.69%的點位具有高生態風險。因此，江陰市城區河道沉積物中8種重金屬潛在生態風險總體處于低或中等水平，僅局部河段具有高生態風險。此外，方差分析的結果顯示，黑臭河道與非黑臭河道沉積物潛在生態風險沒有顯著差異（p>0.05）。

圖2為黑臭河道與非黑臭河道表層沉積物中不同重金屬對潛在生態風險指數的貢獻程度。在黑臭河道中，Cd和Hg對潛在生態風險指數的平均貢獻分別達到29.64%和29.66%，而其余6種重金屬對潛在生態風險指數的平均貢獻僅約40%，各重金屬的潛在生態風險從高到低依次為 Hg>Cd>Pb>As>Ni>Cu>Zn>Cr。在非黑臭河道中，Cd和Hg對潛在生態風險指數平均貢獻超過60%，各重金屬的潛在生態風險從高到低依次為Hg>Cd>Cu>As>Pb>Ni>Zn>Cr。

5結 論

（1） 江陰市城區黑臭河道與非黑臭河道沉積物中Cu、Cr、Ni、Zn、Pb、Cd、As、Hg 含量均沒有顯著差異，表明河道沉積物中重金屬含量與分布不受河道黑臭的影響。同時，黑臭河道與非黑臭河道沉積物中重金屬均超過其背景值，已表現出明顯的富集累積趨勢。

（2） 黑臭河道與非黑臭河道沉積物中多數重金屬元素來源具有一定的相似性，其中，Ni、Cr、Cu、Cd、As、Zn可能主要來源于工業污染和農田面源污染，Pb可能主要受到城區交通污染和自然地質作用影響。

（3） 8種重金屬在江陰城區黑臭河道沉積物中潛在生態風險從高到低依次為Hg>Cd>Pb>As>Ni>Cu>Zn>Cr，在非黑臭河道沉積物中潛在生態風險從高到低依次為Hg>Cd>Cu>As>Pb>Ni>Zn>Cr，Hg和Cd在黑臭河道與非黑臭河道中對潛在生態風險指數的貢獻最大，均達到約60%。因此，雖然沉積物中Hg和Cd的濃度較低，但卻是江陰市城區河道主要風險污染物。

（4） 對8種重金屬潛在生態風險指數（RI）分析表明，江陰市城區河道沉積物中8種重金屬潛在生態風險總體處于低或中等水平，但局部河段具有高生態風險。

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（編輯：劉 媛）

Abstract：In order to understand the pollution characteristics of heavy metals in surface sediments of plain river network city，the distributions characteristics of 8 heavy metals including Cu，Cr，Ni，Zn，Pb，Cd，As and Hg in sediment from 17 black-odor rivers and 10 non black-odor rivers in Jiangyin City were analyzed，and the potential ecological risks of each heavy metals were evaluated.The results showed that：① the concentrations of 8 metals in the sediment of both black-odor rivers and non black-odor rivers were higher than background sediments of Jiangsu Province，which showed an obvious trend of enrichment and accumulation，but the concentrations of 8 metals in the sediment of black-odor rivers and non black-odor rivers had no significant differences（p>0.05）.② The results of correlation analysis and principal component analysis indicated that the source of most heavy metals in sediments were similar，mainly affected by industrial wastewater，agricultural non-point source，vehicle pollution and some natural geological processes.③ The potential ecological risk of 8 heavy metals in surface sediments in black-odor rivers and non black-odor rivers were in the following order：Hg>Cd>Pb>Ni>Cu>As>Zn>Cr and Hg>Cd>Cu>As>Pb>Ni>Zn>Cr，with Hg and Cd contributing the most to the total potential ecological risk，accounting for more than 60% of both black-odor and non black-odor rivers.The potential ecological risk indices（RI）of 8 heavy metals at all sampling sites were from 53.1 to 961.5，in a low or medium potential ecological risk，but local reaches had high ecological risk.

Key words：heavy metal pollution;pollution source identification;ecological risk assessment;plain river network area;Jiangyin City