惠济河底泥重金属污染特征及潜在生态风险评价

杨伟红

开封市环境监测站，河南 开封 475000



惠济河底泥重金属污染特征及潜在生态风险评价

杨伟红

开封市环境监测站，河南 开封 475000

连续5 a对惠济河(开封市区段)8个断面的底泥样品中Cu、Zn、Pb、Cd及Cr 5种重金属的浓度进行分析，并采用单因子污染指数法、综合污染指数法、地积累指数法、潜在生态风险指数法进行生态风险评价。监测结果表明：8个断面中除最上游孙李唐庄桥断面底泥未受重金属污染外，其余断面底泥均有不同程度的污染，以皮屯桥断面底泥污染最重，达严重污染。综合污染指数法评价结果表明：惠济河底泥Cd为重度污染，Cu和Pb为轻度污染，Zn为轻微污染，Cr为无污染；除皮屯桥断面底泥综合污染指数高达6.74外，其他断面综合污染指数为0.55～1.89。地积累指数法评价结果表明：惠济河底泥首要重金属污染物为Cd，平均流域地积累指数高达3.50，处于污染等级4，即偏重度污染；此外，Cu、Pb偏中度污染，Zn轻度污染，Cr无污染。潜在生态风险指数法评价结果表明：惠济河底泥中Cd为强生态危害，其他重金属为轻度生态危害；重金属污染综合评价为强生态危害，这主要是Cd浓度过高造成的，其最高潜在生态风险因子达2 233.50，出现在皮屯桥断面。

惠济河；底泥；重金属；单因子污染指数法；综合污染指数法；地积累指数法；潜在生态风险指数法

重金属因具有持久性、积累性和慢性毒性等特性，对生态环境存在潜在风险，其危害受到人们的广泛关注[1-3]。重金属可通过烟气沉降、降水、土壤脱附和工业排污等活动进入江、河、湖泊等水体中，水体中的重金属极易被水中的悬浮物、底泥吸附[4-5]。另一方面，沉积在底泥中的重金属在适宜的条件下会从底泥中释放而出，重新进入水体中。因此，底泥既是重金属污染物的汇集地，又是水体的潜在污染源[6]。

近年来，国内外学者不断开展河流、湖泊底泥中重金属污染的研究[7-10]，然而针对开封市惠济河底泥中重金属的研究鲜有报道。开封市惠济河是一条纳污河流，在开封境内长65.9 km。《开封市水环境功能区划分》中将开封境内惠济河按使用功能划分为农田灌溉和纳污，水质目标为Ⅴ类，惠济河中污染物浓度呈逐年上升趋势。目前惠济河已承受大量生活、工业污染，对两岸地下水造成严重影响。另一方面，惠济河河水用于农田灌溉，对周围居民的身体健康存在直接危害。为研究惠济河底泥重金属污染情况，以Cu、Zn、Pb、Cr和Cd为研究对象对底泥进行追踪监测，并分别采用单因子污染指数法、综合污染指数法、地积累指数法和潜在生态风险指数法对底泥重金属污染程度和潜在生态危害进行评价，以期为控制河流底泥污染提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域背景

惠济河是涡河一大支流，发源于开封市，在开封市区先后有黄汴河、东护城河、药厂河、东郊沟河汇入，出开封市后，在开封县太平岗附近有马家河汇入，在杞县李岗有淤泥汇入(图1)。惠济河从上游开始，就接纳了大量城市生活污水和工业废水，河水受到污染，水质较差，属地表水劣Ⅴ类水体。

研究区域主要存在4家工业废水源：东郊沟河汇入口上游有化肥厂，企业依靠燃煤生产化肥及附属产品，重金属污染主要源于煤燃烧；药厂河汇入口上游有制药厂和化工厂，重金属污染主要源自生产污水；马家河上游有1家化工厂，重金属污染主要源自化工药剂生产。

1.2 样品采集与处理

图1 惠济河支流示意Fig.1 The branches of Huiji River

在惠济河(开封市区段)设置8个代表性的水质监测断面——孙李唐庄桥、羊市桥、滨河路桥、蓝天饭店、皮屯桥、刘寺桥、汪屯中学东和太平岗桥断面(图1)。2011—2015年，每年3月1—10日，在各断面相同的平面位置设置底泥采样点，用抓斗式采泥器采集河流表层底泥，采集到的样品保存在聚乙烯自封袋中，并标记带回实验室进行分析。

1.3 样品测试

底泥样品在实验室内阴凉干燥处自然风干，避免其他污染。剔除植物残留、瓦砾和石块，用木槌敲碎，研磨，过0.15 mm筛，将处理好的样品装入塑料袋，备用[11]。

底泥消解：称取适量样品，加5 mL的HNO3过夜；加入14 mL HF、2 mL HClO4，加热消解至土壤呈灰白色；加5mL HCl溶解，再加适量超纯水赶酸；最后定容至100 mL。消解所用酸均为优级纯。

Pb、Cd采用石墨炉原子吸收分光光度法测定，Cr、Cu、Zn采用火焰原子吸收分光光度法测定。同时测试2个全程序空白、2个试剂空白、1个标准样品和10%底泥的平行样品[12]，使用NOVAA400原子吸收光谱仪进行分析。

质量控制措施：由于目前我国对于底泥检测标准偏差没有出台相关标准，因此以土壤检测标准偏差为参考，测试样品的同时添加标准样品。所得到的实验室标准偏差为SCu<2.3%，SZn<3.2%，SPb<3.9%，SCd<4.1%，SCr<5%。

1.4 评价方法

1.4.1 重金属浓度

通过对采集样品的检测，直接分析惠济河底泥中不同断面重金属污染物浓度随时间的变化趋势。我国有关底泥重金属污染的部分研究[13-14]是以地区环境背景值和GB 15618—2008《土壤环境质量标准(修订)》中的限值为参考标准，笔者采取同样的方法比对分析惠济河底泥污染情况。

1.4.2 单因子污染指数法

依照《全国土壤污染状况评价技术规定》(环发〔2008〕39号)，单因子污染指数计算公式如下：

Pi=Ci/Si

(1)

式中：Pi为土壤中污染物i的单因子污染指数；Ci为污染物i的实测浓度，mgkg；Si为污染物i的评价标准值，mgkg。单因子污染指数评价分级标准见表1。

表1 单因子污染指数评价分级标准

1.4.3 综合污染指数法

(2)

式中：P综为某地区的综合污染指数；(CiSi)max为土壤污染物中单因子污染指数最大值；(CiSi)avg为土壤污染物中单因子污染指数平均值。综合污染指数评价分级标准见表2。

表2 综合污染指数评价分级标准

1.4.4 地积累指数法

地积累指数法是用于研究沉积物中重金属污染程度的定量指标，由于其不仅考虑到人为污染因素、环境化学背景值，还考虑自然造岩作用可能引起的背景值变动，近来被国内学者多次采用[4,16-17]。地积累指数法计算公式如下：

Igeo=log2(CikBi)

(3)

式中：Igeo为地积累指数；k为考虑到成岩作用可能会引起的背景值变动而设定的常数，一般取1.5；Bi为沉积岩中所测元素的地球化学背景值，本研究采用河南省土壤背景值作参照，BCu为19.7 mgkg，BZn为60.1 mgkg，BPb为19.6 mgkg，BCd为0.07 mgkg，BCr为63.8 mgkg[19]。根据Igeo将沉积物中重金属污染程度分为7级(表3)。

表3 地积累指数评价分级标准

1.4.5 潜在生态风险指数法

潜在生态风险指数法是根据重金属性质及环境行为特点，将重金属的生态效应、环境效应与毒理学联系在一起，提出的对土壤和沉积物中重金属污染评价的方法，其计算公式如下：

Ei=Ti×CiCib

(4)

RI=∑Ei

(5)

式中：Cib为重金属浓度参照值，mgkg，研究区域目前没有开展河流底泥背景值的研究，因此选用GB 15618—2008《土壤环境质量标准(修订)》作为参照值；Ti为重金属毒性系数，其中TCu为5，TCd为30，TZn为1，TPb为5，TCr为2；Ei为重金属i的潜在生态风险因子；RI为潜在生态风险指数。潜在生态风险指数评价分级标准见表4[20]。

表4 潜在生态风险指数评价分级标准

2 结果与讨论

2.1 重金属浓度

2011—2015年惠济河8个监测断面底泥重金属平均浓度见表5，重金属累积趋势见图2。

从表5可见，孙李唐庄桥断面由于处于河流上游，未受到生活及工业污染，河流底泥各重金属浓度均能达到GB 15618—2008《土壤环境质量标准(修订)》的要求；羊市桥、滨河路桥、蓝天饭店、刘寺桥断面由于接纳了沿途生活污水和部分工业废水，受到一定程度的污染，河流底泥中Cd浓度超标；汪屯中学东断面承接刘寺桥断面的来水，又接纳了一些生活污水和工业废水，Cd浓度低于上游断面，除Cu和Pb超标外，其余3种重金属浓度达标；皮屯桥断面由于接纳了大量含有重金属的工业废水，所以其污染程度最为严重，Cu浓度超标11倍，Zn浓度超标9倍，Pb浓度超标12倍，Cd浓度超标高达70倍；开封市所有支流均在太平岗桥断面汇合，该断面是开封市出境断面，其上游接纳了开封市全部生活、工业废水，反映了惠济河开封市区段的污染状况，除Cr达标外，其余4种重金属均超标；研究区域所有断面底泥Cr浓度均达标，Cu浓度流域均值超标，而Cd浓度流域均值严重超标。

表5 2011—2015年监测断面底泥重金属平均浓度

图2 2011—2015年监测断面底泥重金属浓度变化趋势Fig.2 Trend lines of heavy metals in sediments in 2011-2015

从图2可见，惠济河底泥中Zn浓度波动最为强烈，2011—2013年皮屯桥断面底泥Zn浓度降低了5 000 mgkg，此后总流域底泥Zn浓度呈上升趋势；Cu浓度波动很强烈，其中汪屯中学东断面底泥Cu浓度从2 120 mgkg降到91.4 mgkg，而皮屯桥断面从308 mgkg升到2 130 mgkg，其他断面上底泥Cu浓度也波动较大，较难预测Cu浓度的变化趋势；Cd和Pb浓度波动较为平缓，除了皮屯桥断面底泥浓度出现较大波动以外，其他断面底泥浓度均无明显变化，整个流域底泥Cd浓度趋于稳定，而Pb浓度处于上升趋势；Cr浓度波动最小，所有断面上底泥Cr浓度均维持在40～170 mgkg，较为平稳。

2.2 重金属污染程度

根据底泥中重金属实测浓度(表5)，计算得出各断面底泥中各重金属的单因子污染指数和综合污染指数，结果见表6。

表6 各监测断面底泥重金属污染指数

由表6可知，Cd污染最重流域达重度污染，流域平均单因子污染指数高达10.32；Cu流域均值达轻度污染；Zn流域均值达轻微污染；Pb仅在皮屯桥断面底泥中超标，流域均值无污染；Cr整个流域无污染。8个断面中孙李唐庄桥是河流的最上游断面，综合评价结果为清洁(安全)级；刘寺桥、羊市桥、滨河路桥、蓝天饭店、汪屯中学东断面接纳了生活污水和部分工业废水，汪屯中学东断面底泥中除Cu外其他重金属均达标，滨河路桥断面底泥除Pb和Cd外其他重金属均达标，其余3个断面底泥除Cd外其他重金属均达标，刘寺桥为尚清洁(警戒限)，羊市桥、滨河路桥、蓝天饭店、汪屯中学东为轻度污染；皮屯桥断面接纳了大量工业废水，污染最重，除Cr达标外，其余4种重金属均超标，综合评价结论为重污染；太平岗桥断面上游接纳了市区所有污水，是开封市出境断面，该断面Cu、Zn和Cr超标，综合评价为重污染。断面污染程度为皮屯桥>太平岗桥>汪屯中学东>羊市桥>蓝天饭店>滨河路桥>刘寺桥>孙李唐庄桥。惠济河流域各重金属单因子污染指数均值只有Cr达标，其中Cd污染最为严重，单因子污染指数均值高达10.32，远高于重污染指标基准值(5)。惠济河流域综合污染指数均值为2.62，属于中度污染。

通过重金属污染指数分析可看出，污染指数最高的皮屯桥断面位于化肥厂下游，污染可能源于化肥厂工业排污，但并不排除源自于上游(东郊沟)企业。蓝天饭店断面上游的化工厂和制药厂也使得支流(药厂河)综合污染指数达到了1.11(轻度污染)。刘寺桥断面和汪屯中学东断面之间有1家化工厂，其排污活动使支流(马家河)综合污染指数从0.91(尚清洁)上升到了1.22(轻度污染)。另外不能忽视生活污染的影响，如护城河、黄汴河等支流的生活纳污过程导致在支流汇入点的羊市桥断面和滨河路桥断面综合污染指数达1.11和1.08(轻度污染)。

2.3 重金属地积累指数

河流底泥重金属地积累指数评价结果及分级见表7。

表7 各监测断面底泥重金属地积累指数及分级

由表7可见，8个断面Cr的地积累指数大部分为负值，属无污染；Cd的地积累指数除孙李唐庄桥断面处较低外，其余均达到中度污染以上(3.08～8.65)；流域多个断面也受到Cu、Zn、Pb不同程度的复合污染。整个流域平均地积累指数评价结果：Cd为偏重度污染；Cu、Pb为偏中度污染；Zn为轻度污染；Cr为无污染。重金属地积累污染程度为Cd>Cu>Pb≫Zn>Cr。皮屯桥断面各重金属(除Cr以外)地积累指数均为最高，其他重金属污染等级均为5～6级。

2.4 重金属潜在生态风险指数

研究区域底泥重金属潜在生态风险评价结果见表8。

由表8可见，Zn、Cr潜在生态风险指数均小于40，处于轻度生态危害；Pb、Cu潜在生态风险指数仅1个断面偏高，流域均值也处于轻度生态危害；Cd污染最重，皮屯桥断面潜在生态风险指数最高达2 110.00，远高于其他重金属，属极强生态危害，流域均值为很强生态危害。5种重金属潜在生态风险排序为Cd>Pb>Cu>Zn>Cr。皮屯桥断面属强生态危害，太平岗桥断面属中等生态危害，其他断面处于轻度生态危害。由于皮屯桥断面RI指数过高，导致整个流域处于强生态危害。Cd为流域重金属首要污染因子，排除Cd的影响流域均处于轻度生态危害。各断面潜在生态风险排序为皮屯桥>太平岗桥>羊市桥>蓝天饭店>滨河路桥>汪屯中学东>刘寺桥>孙李唐庄桥。

表8 底泥重金属潜在生态风险指数

3 结论

(1)惠济河流域8个断面的污染程度为皮屯桥>太平岗桥>羊市桥>蓝天饭店>滨河路桥>汪屯中学东>刘寺桥>孙李唐庄桥。孙李唐庄桥作为流域的上游断面污染程度最底，其综合污染指数为清洁(安全)，潜在生态风险指数为轻度生态危害。惠济河收纳了临河的生活、工业废水，流域综合污染指数为2.62，即中度污染；综合潜在生态风险指数为334.65，即强生态危害。

(2)皮屯桥和太平岗桥断面污染程度突出，其中太平岗桥为研究水域的最下游断面，基本收纳了上游的所有污染，而皮屯桥是惠济河支流汇入前的断面，其高污染风险应源自于东郊沟支流上游污水排放。因此，皮屯桥断面的综合污染等级达重度污染，潜在生态风险指数分别达中度和强生态危害。

(3)惠济河流域底泥中5种重金属污染程度为Cd>Cu>Pb>Zn>Cr。整个流域底泥中Cd均超标，Pb、Cu、Zn部分超标，未出现Cr超标。整个流域Cd单因子污染指数达10.32(重污染)，而其他重金属单因子污染指数均为轻度污染或更低。重金属地积累指数评价表明Cd污染突出，在各流域界面中的污染级别均达3以上，即高于中度污染。在生态危害方面，整个流域的综合潜在生态风险指数为334.65。

(4)多种评价结果表明，污染最重断面为皮屯桥，其次为太平岗桥，因此需要重点控制惠济河研究流域内以及东郊沟流域上游的排污活动，并且避免居民在重点污染断面水域活动。Cd为重点控制因子，其对人和动物的致毒性都较高，因此惠济河开封市区段底泥中的Cd污染应引起足够重视，对于Cd污染源进行排查加以管制。另一方面，还要注意河流底泥的去向，避免清淤的底泥进入土壤，从而引起沿河地区土壤污染。同时需要对重点污染水域底泥进行修复处置，防止重金属污染物对水体的重复污染。

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Characteristics and potential ecological risk assessment of heavy metals pollution in sediment of Huiji River

YANG Weihong

Kaifeng Environment Monitoring Station, Kaifeng 475000, China

The contents of heavy metals, including Cu, Zn, Pb, Cd and Cr, in the sediments of 8 sections in the Huiji Rriver were analyzed for the last continuous five years. The single factor pollution index, integrated pollution index, geoaccumulation index and potential ecological risk index were adopted to evaluate the potential risk of the heavy metal pollution. The monitoring results indicated that the sediments from 8 monitoring sections had been polluted to different degree except that from Sunlitang bridge section which was at the upstream of Huiji river, while the sediment from Pitun bridge showed the highest pollution risk, at the severity level of severe pollution.The comprehensive pollution indices suggested that the river was under heavy pollution by Cd, light pollution by Cu and Pb, slight pollution by Zn and no pollution by Cr. The comprehensive pollution indices of most sediment ranged from 0.55 to 1.89, except 6.74 for Pitun bridge section. The geoaccumulation indices suggested that the most severe pollution was caused by Cd, which leaded to a highIgeoat 3.50, referred to heavy pollution. The river was still under moderate pollution by Cu and Pb, light pollution by Zn. The potential ecological risk indices suggested that the river was under high risk of Cd pollution and low risk of other four heavy metals pollution. The comprehensive potential ecological risk was high, which is pecked at 2 233.50 in the Pitun bridge section, mainly because of the high cadmium concentration in the sediment.

Huiji River; sediment; heavy metal; single factor pollution index; integrated pollution index; geo-accumulation index; potential ecological risk index

2016-09-30

杨伟红(1961—)，女，高级工程师, 主要从事环境监测工作研究，hjkxyj@craes.org.cn

X522

1674-991X(2017)03-0340-08

10.3969/j.issn.1674-991X.2017.03.048

杨伟红.惠济河底泥重金属污染特征及潜在生态风险评价[J].环境工程技术学报,2017,7(3):340-347.

YANG W H.Characteristics and potential ecological risk assessment of heavy metals pollution in sediment of Huiji River[J].Journal of Environmental Engineering Technology,2017,7(3):340-347.