金沙江上游底泥重金属污染及潜在生态风险评价

赵祖军

(云南省环境监测中心站，云南昆明650034)

金沙江是长江的上游河段，其主源沱沱河发源于青藏高原唐古拉山脉主峰格拉丹东雪山的西南侧。沱沱河由南向北出唐古拉山后折向东流，从右岸汇入当曲后称通天河。通天河流至青海玉树附近汇入巴塘河后称金沙江，其中玉树 (巴塘河口)至石鼓为金沙江上游河段。本次调查区域为金沙江青海玉树的巴塘河河口至云南迪庆的奔子栏河段，河段长约772km，天然落差1516m，河道平均坡降1.96‰。金沙江干流是我国水能资源最富集的河流，是我国能源规划战略布局的一大水电基地。调查和了解该区域重金属的总体水平及其潜在生态风险对该地水电资源的开发和布局具有重要意义。

进入水环境中的重金属大部分会迅速转移到悬浮物和沉积物中，并在沉积物中大量富集，沉积物中重金属的含量可以反映河流重金属的污染状况［1，2］。因而在本文的研究中，以金沙江上游的底泥为研究对象，采用地质累积指数法［3～6］和潜在生态危害指数法［7～9］，对金沙江上游河段表层底泥重金属污染特征进行研究和评价，旨在为该地的水资源的污染防治和开发利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 样品采集

在枯水期选择金沙江上游河段极具代表性的监测断面4处:臧曲河断面、奔子栏断面、相古断面和河坡断面，用不锈钢泥斗，采集表层0～30cm沉积物泥样。将采集样品分别装入聚乙烯塑料袋中，封口后带回实验室分析。

1.2 样品处理及测定

沉积物样品自然风干，去掉杂物及石块后，将各监测断面的样品混合，得各监测断面的混合样品。用玛瑙研钵将样品研磨过100目筛后，采用四分法取样得待测样品，将样品装入聚乙烯样品袋中储存备用。样品送至云南省环境检测中心进行分析检测，测试样品中 Cr、Pb、Zn、As、Hg、Cu和Cd的含量。

2 结果与分析

2.1 重金属的含量特征

金沙江上游段底泥重金属的平均含量见表1。从表1中可以看出，4个监测断面底泥中Cd含量均高于土壤环境质量标准 (GB15618－1995)［10］三级标准 (Cd≤1.0mg/kg);Cr、Zn、Hg和Cu的含量符合国家一级标准 (Cr≤90mg/kg，Zn≤100mg/kg，Hg≤0.15mg/kg，Cu≤35mg/kg);Pb符合国家二级标准 (Pb≤250mg/kg);对于元素As而言，奔子栏符合国家二级标准 (As≤30mg/kg)，河坡符合国家三级标准 (As≤40mg/kg)，而臧曲河和相古高于国家三级标准 (As≤40mg/kg)。根据土壤环境质量标准［10］，金沙江上游水体底泥应满足一类土壤环境质量标准。参照此标准可知，除Cr、Zn、Hg和Cu外，其他重金属均有一定程度的富集，主要为Cd，臧曲河、奔子栏、相古和河坡底泥中的Cd平均含量依次为一类标准 (Cd≤0.2mg/kg)的15.15、11.85、12.3和10倍。其次为As，各采样点的As平均含量依次为一类标准 (As≤15mg/kg)的2.668(臧曲河)、1.637(奔子栏)、4.261(相古)和1.935倍 (河坡)。此外，Pb在底泥中也有一定程度的积累，各采样点底泥中的含量依次为 61.84(臧曲河)、62.57(奔子栏)、49.37(相古)和40.54mg/kg(河坡)，略高于一类标准 (Pb≤35mg/kg)但远低于二类土壤质量标准 (Pb≤≤300mg/kg)。

2.2 重金属污染评价

表1 各采样点底泥重金属平均含量 (mg/kg)

2.2.1 基于地质累积指数 (Igeo)的污染评价

地质累积指数 (Igeo)一般用来反映底泥中重金属的富集程度，根据已有的研究资料，将Igeo划分为7级 (表2)［3］。其计算公式为:

式中，Cn为重金属元素在底泥中的总含量;Bn为重金属元素的环境背景值，根据调查区域的实际情况，选择土壤环境质量标准一类标准作为Bn值，A 为常数，通常取值为 1.5［4～6，11］。

根据公式 (1)计算得各采样点底泥中重金属的地质累积指数，见表3。从表3中可以看出，上述采样点底泥中的Cr、Zn、Hg、Cu以及相古和河坡底泥中的Pb没有富集 (Igeo≤0)，不会对环境造成任何危害。臧曲河和奔子栏底泥中Pb和As，以及河坡底泥中的As有了一定程度的富集 (0＜Igeo＜1)，按照污染等级分类为Ⅱ级 (表2)。相古底泥中As富集程度较高 (1≤Igeo＜2)，属于中度富集，会对环境造成一定程度的影响。4个采样点底泥中Cd的富集程度均较高，臧曲河、奔子栏和相古底泥中的Cd为Ⅳ级富集，河坡为Ⅴ级，因而对于底泥中的Cd元素应予以重点关注。

2.2.2 基于潜在生态风险指数 (RI)的风险评价

潜在生态风险指数［7］可以按式 (2) ～式 (4)计算:

表2 地累积指数与污染分级

表3 各采样点底泥重金属地质累积指数 (Igeo)和生态风险指数 (RI)

表4 潜在生态危害系数 ()和潜在生态风险指数 (RI)分级

表4 潜在生态危害系数 ()和潜在生态风险指数 (RI)分级

按照潜在生态指数法计算出金沙江上游底泥中7种重金属的潜在生态风险系数 ()及潜在生态风险指数 (RI)见表5。各采样点底泥中的Cr、Pb、Zn、Hg和 Cu对环境均无危害 (＜40);臧曲河、奔子栏和河坡底泥中的As对环境无危害，而相古底泥中的As对环境有轻微的危害 (40≤＜80);对环境危害最大的为Cd元素，各采样点底泥中的Cd均对环境有极强的危害。

通过各采样点的RI值可以看出 (表3)，各采样点底泥中的重金属对环境的潜在危害很大 (300≤RI＜600)。比较不同采样点的RI值 (表3)可以看出，臧曲河采样点的RI最大 (RI=507.06)，其次为相古 (RI=431.11)，第三为奔子栏 (RI=391.82)，RI值最小的为河坡 (RI=336.28)。上述RI值的比较说明，各采样点底泥中重金属对环境的危害程度从大到小依次为:臧曲河＞相古＞奔子栏＞河坡。

比较不同重金属对RI值的贡献率可知 (表5)，底泥中的 Cd对 RI值的贡献最大，分别为89.63%(臧曲河)、90.73%(奔子栏)、85.60%(相古)和89.22%(河坡)。重金属Cd是底泥对环境造成危害的主要原因，是污染防治的重点对象。另外As元素对RI值也有较高的贡献，尤其是相古，其中As元素对RI值的贡献高达9.88%;其次为河坡，对RI值的贡献率为5.75%;臧曲河和相古底泥中As对RI值的贡献率依次为5.29%和4.18%。因而，对于底泥中的As元素也应予以相当的关注。

表5 各重金属值对RI值的贡献率 (%)

表5 各重金属值对RI值的贡献率 (%)

2.2.3 二种评价方法的比较

二种评价方法得出的结果见表3。在采用二种评价方法评价4种底泥中Cr、Zn、Hg和Cu对环境的危害程度时，均得出上述4种金属对环境无危害的结论。但是在评价Pb、As和Cd三种元素对环境的危害时，二种评价方法得出的结论有一定的差异。在采用地质累积指数方法 (Igeo)评价臧曲河和奔子栏底泥中Pb元素对环境的危害程度时，得出了对环境有轻微危害的结论;而采用潜在生态风险指数法 (RI)得出了无危害的结论。同样，在评价As对环境的危害程度时，采用RI方法评价臧曲河、奔子栏和相古底泥时均得出了无危害的结论;但采用Igeo方法时得出了有轻微污染的结论。二种评价方法在评价相古底泥的Cd元素对环境的危害程度时得出的结论差别较大，采用Igeo得出了中度污染的结论，而采用RI得出了重度污染的结论。造成这种差别的主要原因是:地质累积指数方法 (Igeo)主要考虑的是单一重金属在环境中的富集程度，而不考虑该种重金属的环境毒性;而潜在态风险指数法 (RI)在考虑单一重金属对环境危害的同时，也考虑到了多种重金属对环境的污染。二种评价方法的着眼点有一定的差异，因而造成了评价结论的细微差别［13］。但二种定量指标对底泥中重金属污染的总体趋势反应基本一致，二种方法结合使用可以达到相互补充的效果。

3 结论

(1)金沙江上游底泥中均受到不同程度的重金属污染，特别是Cd，所有采样点底泥中Cd的含量均超过GB15618－1995三级标准;臧曲河和相古底泥中As含量高于三级标准，河坡底泥中的As符合三级标准，奔子栏底泥中As含量符合二级标准;4个采样点底泥中的Pb含量均符合二级标准;各采样点底泥中Cr、Zn、Hg和Cu 4种金属元素的含量均符合国家一级标准。

(2)对底泥中重金属的富集程度 (Igeo)评价结果表明，4种底泥中富集程度最大的元素为Cd，其次为As。除此之外，臧曲河和奔子栏底泥中的Pb也有一定程度的富集，但富集程度不大。

(3)对底泥中重金属潜在生态风险 (RI)评价结果表明，底泥中Cd的潜在危害指数远大于其他金属，具有极强的生态危害性。Cd是导致金沙江上游底泥中重金属潜在生态风险增加的主要原因。不同底泥的潜在生态风险依次为:臧曲河＞相古＞奔子栏＞河坡。

［1］陈静生.沉积物金属污染研究中的若干问题［J］.环境科学丛刊，1983，(8):1－12.

［2］朱栩，向黎黎，曾正强，等.都江堰 (内江)水系河床底泥重金属污染调查与评价 ［J］.四川环境，2008，27(5):53－56.

［3］Yu G B，Liu Y，Yu S，et al.Inconsistency and comprehensiveness of risk assessments for heavy metals in urban surface sediments［J］.Chemosphere，2011，85(6):1080 －1087.

［4］Santos Bermejo J C，Beltran R，Gomez Ariza J L.Spatial variations of heavy metals contamination in sediments from Odiel river(Southwest Spain)［J］.Environment International，2003，29(1):69－77.

［5］JI Y，FENG Y，WU J，et al.Using geoaccumulation index to study source profiles of soil dust in China［J］.Journal of Environmental Sciences，2008，20(5):571 －578.

［6］Praveena S，Ahmed A，Radojevic M，et al.Multivariate and Geoaccumulation Index Evaluation in Mangrove Surface Sediment of Mengkabong Lagoon，Sabah ［J］.Bulletin of Environmental Contamination and Toxicology，2008，81(1):52 －56.

［7］Hakanson L.An ecological risk index for aquatic pollution control—A sediment ecological approach ［J］.Water Research，1980，14(1):975－1001.

［8］Fu C，Guo J S，Pan J，et al.Potential Ecological Risk Assessment of Heavy Metal Pollution in Sediments of the Yangtze River Within the Wanzhou Section，China ［J］.Biological Trace Element Research，2009，129(1):270.

［9］Fernandes H M.Heavy metal distribution in sediments and ecological risk assessment:The role of diagenetic processes in reducing metal toxicity in bottom sediments［J］.Environmental Pollution，1997，97(3):317－325.

［10］GB15618－1995，土壤环境质量标准 ［S］.

［11］Singh M，Ansari A A，Müller G，et al.Heavy metals in freshly deposited sediments of the Gomati River(a tributary of the Ganga River):effects of human activities ［J］.Environmental Geology，1997，29(3):246－252.

［12］徐争启，倪师军，庹先国，等.潜在生态危害指数法评价中重金属毒性系数计算 ［J］.环境科学与技术，2008，31(2):112－115.

［13］彭景，李泽琴，侯家渝.地积累指数法及生态危害指数评价法在土壤重金属污染中的应用及探讨［J］.广东微量元素科学，2007，14(8):13－17.