河湖底泥重金屬污染分布特征分析與處置對策
——以鎮(zhèn)江市為例

黃嘉良，梅曉潔，方 寧，郭亞麗,*，周維奇

(1.中國長江三峽集團(tuán)有限公司，長江生態(tài)環(huán)境工程研究中心<上海>，上海 200335；2.上海勘測設(shè)計研究院有限公司，上海 200335)

河道底泥是河道的污染內(nèi)源，其中污染物能直接或間接地對生態(tài)系統(tǒng)造成危害，因而在河流污染治理中備受重視[1]。隨著河岸兩側(cè)人類生產(chǎn)活動的日益頻繁，河道底泥的重金屬污染日益嚴(yán)重。重金屬不可降解且積累性強(qiáng)[2]，長期沉積在河道底泥中，并通過生物富集和食物鏈的放大作用，進(jìn)而影響陸地生物[3]。

圖1 采樣點位分布圖Fig.1 Distribution of Sampling Points

王磊等[4]對上海市100條河流底泥中8種重金屬進(jìn)行檢測，研究發(fā)現(xiàn)Hg和Cd元素屬于中等～強(qiáng)生態(tài)風(fēng)險；趙華林[5]對旴江-南豐段河流中底泥4種重金屬沿程變化分析，發(fā)現(xiàn)水體中Zn、Cr、Pb這3種重金屬均無法滿足水功能區(qū)劃中對應(yīng)的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，但是底泥中4種重金屬含量較為穩(wěn)定；肖茗明等[6]對上海滴水湖及其引水河道的底泥進(jìn)行重金屬分析，發(fā)現(xiàn)Cd元素表現(xiàn)出明顯的累積特征，同時也是滴水湖水系沉積物重金屬污染的主要貢獻(xiàn)元素，而Cu和Cd已經(jīng)呈現(xiàn)生物富集特征，并且主要來源于交通、農(nóng)業(yè)等人為因素。可見，城市河道底泥中重金屬污染風(fēng)險的調(diào)研對提升城市環(huán)境質(zhì)量和降低健康風(fēng)險十分重要。

本文分析鎮(zhèn)江市域內(nèi)8條河流、2片水庫和3個湖泊中22個代表性斷面的6種重金屬空間分布特征，分別采用地積累指數(shù)和內(nèi)梅羅指數(shù)評價底泥中重金屬的污染程度，為鎮(zhèn)江市河道底泥質(zhì)量評價和生態(tài)修復(fù)治理提供數(shù)據(jù)支撐。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)域與樣品采集

綜合考慮水文條件、河湖情況、周邊布局等實際情況，選取鎮(zhèn)江市8條河流、2片水庫、3個湖泊中22個代表性斷面。取樣點分布如圖1所示，取樣點名稱及位置如表1所示。S1位于高姿港河，附近主要是港口和工廠，點位布置靠近長江口；S2位于便民河，附近主要為化工廠與機(jī)械制造廠，點位布置靠近長江口；S3～S5位于金山湖與北固灣，金山湖與北固灣通過運(yùn)糧河連接，屬于鎮(zhèn)江人文自然景區(qū)，且位于鎮(zhèn)江市區(qū)東側(cè)江邊；S6位于江南運(yùn)河鎮(zhèn)江段上游，靠近長江口，點位布置于碼頭與機(jī)械設(shè)備制造附近；S7～S11處于古運(yùn)河的全流域，古運(yùn)河是連通金山湖和江南運(yùn)河的主要河流，也是貫穿鎮(zhèn)江市區(qū)的河流；S12、S13、S14、S15分別位于市區(qū)的團(tuán)結(jié)河、友誼港、虹橋港、運(yùn)糧河；S16～S19為御橋港河及周邊支流，點位主要布置于城市生活區(qū)域；S20、S21、S22分別為遠(yuǎn)離鎮(zhèn)江市區(qū)的回龍水庫、西麓水庫和困山湖。

表1 采樣斷面名稱及位置Tab.1 Names and Locations of Sampling Section

每個斷面選取3個采樣點，混合后作為該斷面的樣品。采用挖斗式采樣器，采集河湖底部表層泥樣(0～10 cm)，放入密封袋中，4 ℃冷藏保存。

1.2 樣品預(yù)處理與分析方法

河湖底泥樣品經(jīng)48 h冷凍干燥后，研磨過篩(100目)備用。底泥重金屬檢測指標(biāo)為Zn、Cu、Cr、Pb、Ni、As 6種重金屬。酸消解后采用電感耦合等離子發(fā)射光譜儀(ICP-720ES，Agilent，美國)進(jìn)行測定。為保證樣品的精確性和準(zhǔn)確性，對所有樣品進(jìn)行3組平行試驗，同時按照《土壤和沉積物 12種金屬元素的測定 王水提取-電感耦合等離子體質(zhì)譜法》(HJ 803—2016)的質(zhì)量控制要求進(jìn)行分析。所有分析結(jié)果均以底泥干重計。

1.3 評價方法

1.3.1 地積累指數(shù)法

地積累指數(shù)法是由20世紀(jì)60年代德國科學(xué)家Muller提出的研究沉積物及其他物質(zhì)中重金屬污染程度的定量指標(biāo)[7]。此評價指標(biāo)除了考慮人為污染因素、環(huán)境地球化學(xué)背景值外，還考慮自然成巖作用下引起的背景值變動的因素[8]。

地積累指數(shù)(Igeo)是基于測量的金屬濃度與其參考值之間的關(guān)系，檢驗單個元素的污染程度，計算如式(1)。根據(jù)地積累指數(shù)值的大小，將重金屬的污染程度分為7個等級，分級情況如表2所示[9]。

(1)

其中：Cn——實測重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)，mg/kg；

K——考慮到自然成巖作用下可能引起背景值的變動而設(shè)定的常數(shù)，取1.5；

Bn——普通頁巖中該元素的地球化學(xué)背景值，本文選取江蘇省土壤背景值[10]作為對比，Zn、Cu、Cr、Pb、Ni、As背景值分別為62.6、22.3、77.8、26.2、26.7、10.6 mg/kg。

表2 基于地積累指數(shù)的重金屬污染級別Tab.2 Pollution Levels of Heavy Metals Based on Geoaccumulation Index

1.3.2 內(nèi)梅羅指數(shù)法

內(nèi)梅羅指數(shù)法是當(dāng)前國內(nèi)外進(jìn)行綜合污染指數(shù)評價最常用的方法之一，是一種兼顧極值或突出最大值的計權(quán)型多因子環(huán)境質(zhì)量指數(shù)[11]。內(nèi)梅羅指數(shù)不僅考慮到各種影響參數(shù)的平均污染狀況，而且特別強(qiáng)調(diào)污染最嚴(yán)重的因子，同時通過加權(quán)避免了主觀因素的缺陷[12]，計算如式(2)～式(3)。

(2)

其中：Pi——第i種重金屬元素的單項污染指數(shù)；

Ci——第i個監(jiān)測點位的實測值，mg/kg；

C0——第i中污染物的標(biāo)準(zhǔn)值，mg/kg。

(3)

其中：P——內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)；

Pimax——最大項污染指數(shù)；

Piave——單項污染指數(shù)平均值。

本文中的內(nèi)梅羅指數(shù)評價方法采用的污染物環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》(GB 15618—2018)的污染篩選值進(jìn)行計算。內(nèi)梅羅指數(shù)土壤評價等級分為5級，如表3所示。

表3 內(nèi)梅羅指數(shù)土壤污染評價等級Tab.3 Pollution Levels of Heavy Metals Based on Nemerow Index

表4 鎮(zhèn)江市河道底泥整體情況Tab.4 Overall Situation of River Sediments in Zhenjiang City

2 結(jié)果與討論

2.1 鎮(zhèn)江市河湖底泥重金屬分布特征分析

鎮(zhèn)江市河湖底泥中6種重金屬元素含量的最大值、最小值、平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)等如表4所示。采樣點位的Zn、Cu、Cr、Pb、Ni、As元素平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為361.95、64.49、111.16、63.31、45.21、11.97 mg/kg，單元素分別有95.45%、95.45%、63.64%、77.27%、77.27%、9.09%的點位超過江蘇省土壤背景值，除As元素外，重金屬含量整體遠(yuǎn)高于土壤背景值。

圖2～圖7為各個重金屬元素含量分布圖。Zn、Cu、Cr、Pb和Ni的含量在空間分布上體現(xiàn)了一致性，5種重金屬的含量均在古運(yùn)河和江南運(yùn)河水系中出現(xiàn)較高值，最低值出現(xiàn)在西麓水庫。而其他水系均有不同程度的重金屬含量超過土壤背景值，整體上6種重金屬含量分布表現(xiàn)為古運(yùn)河>江南運(yùn)河>友誼港>虹橋港>御橋港>便民河>北固灣水系>其他水系。

圖2 Zn元素含量分布Fig.2 Contents and Distribution of Element Zn

圖3 Cu元素含量分布Fig.3 Contents and Distribution of Element Cu

圖4 Cr元素含量分布Fig.4 Contents and Distribution of Element Cr

圖5 Pb元素含量分布Fig.5 Contents and Distribution of Element Pb

圖6 Ni元素含量分布Fig.6 Contents and Distribution of Element Ni

圖7 As元素含量分布Fig.7 Content and Distribution of Element As

在所測6種重金屬元素含量中變異系數(shù)差距較大，其中Zn、Cu、Cr、Pb和As的變異系數(shù)為40%～100%，而As元素的變異系數(shù)則超過100%，反映出這幾種重金屬元素的離散程度較高，表明重金屬含量存在明顯的空間差異。當(dāng)變異系數(shù)超過20%時，人類活動是導(dǎo)致重金屬含量空間差異的主要驅(qū)動因子[13-15]。由圖2～圖7可知，古運(yùn)河河道貫穿鎮(zhèn)江市區(qū)，城市用地復(fù)雜，河道與商業(yè)區(qū)、工業(yè)區(qū)和住宅區(qū)均有不同程度的相連情況，且毗鄰道路，同時受到路面交通和污水排放的影響，導(dǎo)致監(jiān)測斷面河道底泥中重金屬含量大多超過土壤背景值，這說明人類活動對河道影響較大。同時，古運(yùn)河連接著金山湖與江南運(yùn)河，而金山湖與江南運(yùn)河的部分重金屬含量低于古運(yùn)河不同河段，并且古運(yùn)河目前已不再通航。因此，古運(yùn)河底泥(S7～S11)中存在的高濃度重金屬，這是老城區(qū)污水管網(wǎng)溢流、交通尾氣排放導(dǎo)致。而目前江南運(yùn)河還保持著通航，故河道底泥中較高濃度的重金屬也與船只航行排放的污染有關(guān)。

個別河道存在著部分重金屬含量高于土壤背景值，也可能與附近存在的工廠產(chǎn)生的生產(chǎn)廢水有關(guān)，如便民河(S2)的As元素顯著高于其他河道，這可能是因為S2附近存在著化工、五金制造公司。污水管網(wǎng)破損、雨污河流、偷排漏排都會使生產(chǎn)廢水進(jìn)入河道，從而導(dǎo)致河道中As污染。友誼港(S13)河段附近存在印刷包裝廠，產(chǎn)生的印染廢水流入河道會導(dǎo)致底泥中Cr含量升高。河道中的Pb元素則與車用燃油尾氣有關(guān)，這也導(dǎo)致市區(qū)河流如虹橋港(S14)、古運(yùn)河(S7～S10)Pb元素較高，郊區(qū)河湖如回龍水庫、困山湖Pb元素濃度較低。而回龍水庫的采樣點S20中Cr、Ni元素較高，這可能與水庫附近電子廠排放的生產(chǎn)廢水有關(guān)。

2.2 鎮(zhèn)江市河湖底泥重金屬污染程度評價

2.2.1 地積累指數(shù)法

鎮(zhèn)江市河湖底泥重金屬地積累指數(shù)、內(nèi)梅羅指數(shù)結(jié)果如圖8所示。鎮(zhèn)江市河湖底泥中6種重金屬元素的污染程度為Zn>Cu>Pb>Ni>Cr>As。Zn元素污染相對最嚴(yán)重，偏重污染點位達(dá)到18.0%，主要分布于古運(yùn)河與江南運(yùn)河水系,中度污染點位占比達(dá)到32.8%，主要存在于御橋港河段；除西麓水庫的Zn元素地積累指數(shù)為清潔外,其他均為輕度污染。Cu和Pb元素污染也較為嚴(yán)重，達(dá)到中度污染的點位占比分別達(dá)到31.8%和22.7%，主要集中在古運(yùn)河和虹橋港，Cu有59.1%的點位達(dá)到輕度污染;而Pb相較于Cu污染較輕，輕度污染點位占比為27.3%。Cr、Ni和As元素污染較低，中度污染僅為4.5%，其余點位均達(dá)到清潔水平。

圖8 基于地積累指數(shù)和內(nèi)梅羅指數(shù)的污染等級評估Fig.8 Evaluation of Pollution Levels Based on Geoaccumulation Index and Nemerow Index

從水系分布看，古運(yùn)河、江南運(yùn)河、御橋港重金屬污染最為嚴(yán)重。Zn、Cu元素在研究點位的河湖底泥中Igeo為古運(yùn)河>江南運(yùn)河>御橋港>虹橋港>運(yùn)糧河>其他水系；Pb、Cr、Ni元素在研究點位的河湖底泥中的Igeo為古運(yùn)河>江南運(yùn)河>友誼港、虹橋港、團(tuán)結(jié)河>御橋港河>其他水系。古運(yùn)河污染元素主要為Zn、Cu和Pb元素，都達(dá)到中度污染水平，Zn元素達(dá)到了偏重度污染；江南運(yùn)河主要為Zn元素污染嚴(yán)重，而御橋港河的Zn和Cu元素污染比較嚴(yán)重。鎮(zhèn)江市內(nèi)部河流的河湖底泥重金屬污染較外圍河湖的污染程度高，其中最為典型的是古運(yùn)河。古運(yùn)河作為貫穿鎮(zhèn)江的主要河流，河道周圍遍布商業(yè)區(qū)、住宅區(qū)和工業(yè)區(qū)，用地類型復(fù)雜。老舊城區(qū)合流制排水管網(wǎng)溢流、污水管網(wǎng)破損及生活垃圾可能是Zn、Cu元素污染嚴(yán)重的原因，而復(fù)雜的交通、汽車尾氣排放以及工業(yè)廢水排放可能是Pb元素污染的主要原因。

2.2.2 內(nèi)梅羅指數(shù)法

鎮(zhèn)江市重金屬內(nèi)梅羅指數(shù)污染等級評價如圖8所示。鎮(zhèn)江市河道底泥內(nèi)梅羅指數(shù)超過2(中度污染)的斷面主要位于古運(yùn)河和江南運(yùn)河，說明城區(qū)河道的重金屬污染較嚴(yán)重河道嚴(yán)重，這與地積累指數(shù)分析結(jié)果相一致。經(jīng)統(tǒng)計分析，研究區(qū)域所選的布點斷面中72.7%的點位未受污染，屬于清潔或尚清潔，輕度污染占比達(dá)到9.1%，中度污染點位為4個，占18.2%，主要集中在市區(qū)內(nèi)的古運(yùn)河和江南運(yùn)河，與人類的生產(chǎn)活動密切相關(guān)。

3 結(jié)果與討論

基于調(diào)研結(jié)果與數(shù)據(jù)分析，鎮(zhèn)江市河道底泥中的重金屬含量整體較土壤背景值較高(As元素除外)。鎮(zhèn)江市河道湖泊22個監(jiān)測斷面中重金屬Zn、Cu、Cr、Pb、Ni、As元素平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為361.95、64.49、111.16、63.31、45.21和11.97 mg/kg，單元素分別有95.45%、95.45%、63.64%、77.27%、77.27%和9.09%的點位超過江蘇省土壤背景值。其中，重金屬含量污染程度較高的河段主要為城區(qū)內(nèi)河河道和附近工廠較多的河道。

古運(yùn)河作為貫穿鎮(zhèn)江城區(qū)的河道，周邊的生活區(qū)、商業(yè)區(qū)污水管網(wǎng)的偷排漏排、錯接混接以及道路交通排放的尾氣等增加了河道的污染負(fù)荷，城市內(nèi)河河道流速較慢，重金屬易沉淀匯聚于底泥中。而江南運(yùn)河作為京杭大運(yùn)河的起點，目前仍保持通航，這也是底泥中的重金屬含量污染較嚴(yán)重的原因之一。對于重金屬污染相對嚴(yán)重的內(nèi)河河道若采用原位修復(fù)，往往需要投加大量化學(xué)藥品，可能造成河道二次污染，也可能對河道內(nèi)生物的生存環(huán)境造成影響，破壞原有的生態(tài)系統(tǒng)。因此，對于城區(qū)污染程度相對較高的河湖底泥，建議采用異位修復(fù)技術(shù)固化重金屬，通過清淤工程將河湖底泥清掏后，單獨(dú)堆置進(jìn)行泥沙分離、脫水減容、固化穩(wěn)定處理達(dá)標(biāo)后再進(jìn)行資源再利用。異位疏浚底泥處理可以基本清除河湖底泥，降低重金屬對河道的影響，同時清淤后有利于河道生態(tài)環(huán)境的恢復(fù)[16]。

鎮(zhèn)江市大多數(shù)城市外圍河湖(西麓水庫、困山湖)底泥污染程度較輕，這主要是因為河湖遠(yuǎn)離鎮(zhèn)江市區(qū)，受人類生產(chǎn)生活影響較小。而金山湖與北固灣雖然位于市區(qū)，但作為鎮(zhèn)江知名景點，環(huán)境保護(hù)較為重視，該水域不受航道影響。對于底泥污染較輕的河段，建議采用生物原位修復(fù)技術(shù)。通過生物修復(fù)技術(shù)，如利用沉水或挺水植物的根系，吸附底泥中的重金屬，降低對河湖的污染。生物修復(fù)技術(shù)主要有植物操控技術(shù)、浮島技術(shù)、人工濕地技術(shù)等[17]。在應(yīng)用時，根據(jù)污染程度、水環(huán)境現(xiàn)狀和生態(tài)功能進(jìn)行綜合評估，采用生物修復(fù)技術(shù)中多組合的方式達(dá)到經(jīng)濟(jì)與生態(tài)的共贏。