城乡交错带河流表层沉积物重金属污染及潜在生态风险评价

彭 越，刘国东，骆 斌，叶伦文，吴永康

（1．西南民族大学 化学与环境保护工程学院，成都610041；2．四川大学建筑与环境学院，成都610065；3．四川大学 水利水电学院，成都610065；4．成都市规划局，成都610081）

城乡交错带是城乡要素逐渐过渡、相互渗透、相互作用的特殊地域，城市化和工业化进程较快，是人地关系发展变化的敏感地带［1－2］，具有特殊的地域特征和独特的生态环境特点［3］。这一地带受城市扩张影响，人地矛盾突出，其生态退化和环境污染不容忽视。不少学者针对这一特殊地域开展生态景观方面的研究［4－5］，在环境污染方面主要为土壤和大气污染。但是，专门针对这一特殊地域开展水环境污染方面研究的不多［5］，特别是沉积物重金属污染的研究更少。

城乡交错带水体往往位于城市水体中上游，直接影响着城市水环境质量。随着城市化和工业化进程的加快，城乡交错带土地覆被的变化导致水环境发生变化［6］，重金属污染加重。重金属污染物进入水体后，多以沉积物形式存在于水体中［7］，在水环境条件发生改变时将重新释放出来，从而危害水生生态环境［8］。沉积物中的重金属污染情况及其潜在生态风险是许多环境工作者关注的问题［9－10］。

江安河是与府河、南河、沙河齐名的成都市四大水系之一，是成都市重要的水资源。随着成都城市化进程的加快，沿部分河段已经形成了具有一定规模的居住带，具有明显的城市和乡村特征。沿江安河畔分布的皮革厂和印染厂等工业厂矿以及农田，工农业生产排放的污染物与生活污水一起影响江安河的水环境质量。2011年的调查显示，江安河河水电导率过高，已受到重金属污染［11］，但污染程度并不清楚。

因此，本文以成都市江安河为例，对城乡交错带这一特殊地域的水体沉积物重金属污染及其潜在生态风险开展研究，探讨其与城市化的关系，以期为成都市城乡交错带的环境治理提供依据。

1 研究区域与测定方法

1．1 采样区概况及样品采集

江安河源于岷江，始于都江堰止于双流华阳流入锦江，流经都江堰市、温江区、双流县和武侯区等地，是双流县九江镇和武侯区金花镇的一条界河，温江、双流和武侯区段全长18km，处于城乡交错带。选取武侯区与双流县交界段（东经103°57′—103°58′，北纬30°34′—30°40′，海拔高度：677．70～689．42m），从上游至下游设4个表层沉积物采样断面，分别为何家湾、马家市、金花桥和凉港大桥，如图1所示。每个断面设4个采样点，在各采样点表层（0—20cm）以沉积物采集器取样1～2kg，聚乙烯塑料袋盛装、封口。弃去样品中的枯叶、干枝和石块等杂质，常温下风干研碎。因为重金属主要富集于细颗粒沉积物中，且沉积物对重金属的吸附能力与粒度有关［12］，所以将样品过140目筛选取细粒作为实验样品。

1．2 样品测定

对4个采样断面实验样品各取0．5g，用HNO3—HF—HClO4消解，采用原子吸收法测定重金属元素Cu、Pb、Cr、Ni、Mn、Zn和 Cd的含量［13］，同时进行空白实验和质量控制。实验中，各重金属元素取3个样平行测定，取平均值作为测试结果（表1）。

图1 研究区地理位置及采样点示意图

表1 各采样点表层沉积物重金属含量 mg／kg

2 结果与分析

2．1 重金属污染分析

地积累指数法由德国学者Müller提出，是在实测重金属浓度的基础上，考虑当地沉积物重金属背景值，定量反映沉积物中重金属污染程度的一种方法，在国内外被广泛应用，尤其适用于现代沉积物中重金属污染评价［14］。本文采用地积累指数法分析比较4个沉积物采样断面的沉积物污染情况。地积累指数Igeo的计算公式为

式中：Cn——元素n在沉积物中的含量；Bn——元素n的地球化学背景值；Igeo分为0～6共7级［15］，污染程度由无至极强，一般以中国土壤元素几何平均值作为背景值进行划分（表2）［16］。

根据分析测试结果计算得江安河4个断面7种重金属元素的地积累指数及污染级数（表3）。4个断面Zn的污染级数为2或1，说明沉积物受到Zn污染，其中何家湾污染级数为2，为中度污染，马家市、金花桥、凉港大桥污染级数为1，为轻度污染。何家湾、金花桥和凉港大桥Cu和Cr的污染级数为1，受重金属Cu和Cr轻度污染。4个断面Pb、Ni、Mn和Cd四种重金属元素的污染级数均为0，说明均未受这4种重金属污染。该污染情况与沿岸的工农业生产分布相关。何家湾上游及其周边城市化速度较快，长期的农业生产、迅速发展中的工业生产及增长的人口，造成该断面沉积物中度Zn污染（污染级数为2），轻度Cu和Cr污染（污染级数为1）。金花桥和凉港大桥周边除零散分布的农田外，还有印染、制鞋等中小型企业，且其地处城乡交错带交通要道，导致轻度Cu、Cr、Zn污染（污染级数为1）。可见，4个断面的污染级数与其周边的工农业分布和城市化程度有一定的相关性。

表2 中国土壤重金属元素背景值 mg／kg

表3 江安河各断面地积累指数及污染级数

2．2 重金属污染的潜在生态风险评价

目前，重金属污染生态风险常用的评价方法是Hakanson指数法。该法利用潜在生态风险指数RI判断沉积物中重金属污染对生态系统的危害。Hakanson指数不仅考虑了重金属元素的背景值，而且考虑了不同重金属的生物毒性［17］，是一种理论较为完备，可定量评价重金属生态风险的有效方法。因此，采用Haknson指数法对江安河城乡交错段进行潜在生态风险评价。潜在生态风险指数RI计算公式为［18］：

式中：Cif——单一金属污染系数；Cd——多金属污染系数；Eir——单一金属潜在生态风险参数；CiD——重金属实测浓度；CiR——沉积物背景参考值；Tir——生物响应因子，即Hakanson毒性系数，本文以中国土壤元素的几何平均值作为背景值，如表4所示。

表4 重金属元素的Hakanson毒性系数

根据式（2）—（5）计算各断面7种重金属元素的Eir和RI值。沉积物中各重金属的Eir均值由高到低为Cu＞Pb＞Ni＞Cr＞Zn＞Cd＞Mn（表5）。4个断面重金属的RI值由高到低为：何家湾（33．43）＞凉港大桥（32．98）＞金花桥（32．43）＞马家市（23．67）。所有断面重金属Eir均小于40，RI均小于140，属于轻微生态风险，这与江安河城乡交错段的重金属污染程度较轻一致。但是，目前城市化所带来的重金属污染初显端倪，该问题不容忽视。现场调研中发现，该河段有生活和生产废水直接排入河流的排污口存在，生活垃圾沿岸随意堆放。因此，环境管理部门应积极做好对工业企业的环境管理，并加强城乡交错带的环境管理与整治，采取疏浚清淤措施［19］，从而减少并避免沉积物污染带来的生态风险。

表5 沉积物中重金属的潜在生态风险指数

3 结 论

本文对江安河城乡交错段沉积物的重金属元素含量进行了测定，采用地积累指数法进行重金属污染级数分析，并采用Hakanson指数法进行潜在生态风险评价，结论如下：

（1）江安河城乡交错段沉积物中存在重金属Cu、Zn和Cr污染；其中，何家湾断面沉积物中度Zn污染，轻度Cu和Cr污染，与其上游及其周边较快的城市化，长期的农业生产、迅速发展中的工业生产及增长的人口有关；金花桥和凉港大桥轻度Cu、Cr、Zn污染，与其周边分布有零散的农田、及印染与制鞋等中小型企业，地处城乡交错带的交通要道有关。马家市相对其他3个断面城市化较慢且其周边以农业生产为主，只受到轻度Zn污染。

（2）4个断面沉积物中各重金属潜在生态风险指数均值由高到低为Cu＞Pb＞Ni＞Cr＞Zn＞Cd＞Mn，均小于40；潜在生态风险指数值由高到低为：何家湾（33．43）＞凉港大桥（32．98）＞金花桥（32．43）＞马家市（23．67），均小于140，属于轻微生态风险。

（3）城市化带来的江安河城乡交错段的重金属污染初见端倪，建议对其进行疏浚清淤，且环境管理部门应加强城乡交错带的环境管理与整治，特别是对工业企业的环境管理，以减少并避免沉积物污染带来的生态风险。

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