广东省西伶通道内河航道底泥重金属污染状况与生态风险评价

秦建桥, 黄晓萍, 阮文刚

(1.肇庆学院 环境与化学工程学院, 广东 肇庆 526061; 2.广东省环境科学研究院, 广州 510045)

河流是重要的地表水资源，河流水体及底部沉积物质量的好坏会直接或间接地影响其排入的湖泊或海洋的水体环境质量，对局部地区水生态系统和人类健康构成潜在威胁。沉积物是河流污染物的“汇”与“源”，是众多污染物在环境中迁移转化的载体、归宿和蓄积库。其中沉积物中的重金属是长期积累的结果，其浓度相对稳定[1]。

重金属的密度大于4.5 g/cm3，具有明显的生物毒性和难降解性，由于这些重金属在水体中无法被充分吸收分解，而且容易跟水中的其他物质结合形成更大毒性的物质，因此，人们和相关政府部门越来越关注底泥的重金属污染问题与防护治理的研究工作[2-3]。由于重金属元素进入受纳水体后不容易被溶解，其中大多数会进行一定的物理、化学、生物作用，接着物质很快完成从液相转变为固相的相变过程，最后进入底泥中积累起来[4-5]。底泥不仅是重金属的积聚地和最终寄宿体，同时也是组成水生态环境的关键部分。虽然底泥可以吸收水中各类污染物，但是一旦底泥情况受到影响变化时，其中的重金属就会被又一次释放从而成为二次污染源，进而导致水环境系统存在潜在的威胁，接着通过在食物链中各级生物的富集浓缩作用，最终由生物循环进入人体体内，对人体健康造成巨大的危害[6]。通常被用来判断与识别河流水环境质量的参考指标是底泥的重金属含量，因此，研究与分析底泥重金属污染问题的现实意义与重要性是不言而喻的[7]。

随着珠江—西江经济带流域地区城市化、工业化和农业集约化的快速发展，由此带来的一系列污染问题愈发严重，人们越来越重视流域中底泥重金属污染问题。与此同时，国内外学者也十分关注底泥重金属污染的相关研究。在“十二五”期间，本着发展航运、开发滩涂资源以及改善生态环境的原则，国家及政府部门努力打造低碳、绿色、便捷、高效的珠江高等级航道[8-9]。2014年，《珠江—西江经济带发展规划》的方案被正式批复，该文件旨在按照“一轴，两核，四组团，延伸区”的格局规划发展，构建综合型交通大通道，建设绿色生态廊道[10-11]。西伶通道内河航道是实施《珠江—西江经济发展规划》和省政府加快西江，北江等渠道改建和扩建的关键渠道。目前，由于西伶通道内河航道生态环境较为脆弱，部分河流水体污染加剧，水生态系统退化。因此，积极加强保护水体生态环境，努力打造环保珠江，着力建设绿色环保的西伶通道内河航道更为迫切。

本文以西伶通道内河航道为研究对象，对其底泥的重金属As，Hg，Pb，Cu，Zn，Cr，Ni，Cd污染情况进行分析，开展河流底泥调查与评价工作，为西伶通道内河航道的生态环境保护、重金属污染防治和底泥处理风险评价提供可靠的科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

西伶通道内河航道流经广东省境内，主要包括广州、佛山和中山市，这3个城市的年平均气温约22 ℃，夏长冬短，气候温和，降雨充沛，热量充足，为亚热带季风气候，风况和降水均由海洋气象调节。研究区域附近水体主要包括东海、容桂、洪奇沥、下横沥和枕箱等5条水道。东海水道发源于南华的西边界，延至莺歌嘴的东部，全长共21 km，主要位于顺德县的西南边，由于处于西江主流的东边，故名为东海，由此被命名为东海水道；容桂水道源于中山市莺歌嘴，经过容奇，东边到达板沙尾，水道全长约19 km，流经区域面积319 km2；洪奇沥水道流经广州市南沙区西南边，与顺德市和中山市相邻，起源于顺德县板沙尾，经过容桂水道向东南方向流经广州南沙区万顷沙镇后，又经洪奇门汇入海洋；下横沥水道从义沙头起至蕉门口，约14 km，属内河Ⅰ级航道，与蕉门水道汇合处，濒临珠江口,三面环水，呈半岛形；枕箱水道从南沙口起至大角咀，约7 km。

1.2 样品采集与处理

根据西伶通道内河航道的实际情况，本次底泥采样点在河流断面处，沿水流方向，对各水道进行分段布设监测断面，结合区域水体分布特征及区域周围环境特点，本次监测共布设5个河流底泥监测断面(表1)。

利用活塞式柱状底泥采样器采集河流底泥表层0—20 cm泥样3份，混合均匀后立即封存于干净的聚乙烯袋中并做标记，冷藏条件下运回实验室保存(-20℃)。分析前先将采集的底泥样品放于阴凉处风干，去除植物根系、石块等杂质，经玛瑙研钵研磨后过100目尼龙筛低温保存、备用。

表1 西伶通道底泥采样断面

1.3 样品测定

采用石墨全自动消解仪(ST-60)，用盐酸—硝酸—氢氟酸—高氯酸体系方法消解底泥样品[12-13]。底泥重金属Cd，Cr，Cu，Ni，Pb，As，Hg和Zn的含量使用电感耦合等离子体光谱仪ICAP 6200 型ICP-OES(美国Thermos Scientific)测定。土壤基本化学性质测定均采用土壤农业化学分析法[14]：将水土以2.5∶1混合后用pH计测土壤pH值。

1.4 评价标准及方法

1.4.1 评价标准 由于有关河流底泥的质量标准还没有颁布，根据水环境的特点及行为，确定本次研究河流底泥的环境质量评价标准将按照《海洋沉积物质量》(GB18668—2002)第2类标准和《土壤环境质量标准》(GB15618—1995)二级标准的相关要求来执行，参考广东省土壤重金属背景值[15]进行分析评价，具体见表2。

表2 河流底泥环境质量评价标准 mg/kg

1.4.2 评价方法

(1) 内梅罗综合指数法。内梅罗综合指数法是基于单因素指数评价的加权多因子环境质量指数，其基于极值或最大值，目前该方法常用于计算综合污染指数。该方法的计算公式如下：

Pi=Ci/Si(i=1,2,3,…,k;p=1,2,3,…,m)

(1)

式中：Pi是污染物i的单项污染指数；Ci是污染物实测值；Si是重金属土壤环境标准值。

(2)

表3 内梅罗指数的土壤污染水平划分等级

(2) 变异系数法。变异系数是权衡各个测量值变化水平的度量，也称为标准偏差[8]。其计算公式为：

(3)

(4)

式中：CV是重金属变异系数；Sn是每个横截面中重金属元素的标准偏差；Ln是各重金属元素含量的平均值。

(3) 地累积指数法。地累积指数是由Muller(德国海德堡大学沉积物研究所教授)提出来的，用于定量研究和分析水生环境中的底泥重金属污染状况。该指数计算公式：

Igeo=log2Cn/(K·Bn)

(5)

式中：Cn为实测重金属浓度(mg/kg)；Bn为土壤重金属背景值；K为一个恒定常数(由各因素造成的背景波动的数值)，通常为1.5[16]。

选取不同的背景值会导致计算结果有较大的差别，选择一个好的Bn值对Igeo值的计算非常重要。从已进行的研究显示，在进行底泥重金属污染状况的研究时，计算相关参数的地球化学背景值通常利用该地区沉积物或土壤重金属背景值，由于该研究所在区域在广东省境内，故选取广东省土壤重金属背景值作为本次污染评价的背景值。重金属的地累积指数与其污染水平的关系见表4。

表4 地累积指数与其污染水平的关系

(4) 潜在生态危害指数法。潜在生态危害指数法是由Hakanson所提出的，其基于底泥重金属元素的特性和环境行为，此方法被广泛应用于研究与评价沉积物的重金属污染状况。通过归纳结合生态学、环境学和生物毒理学等各方面的内容，量化重金属的潜在危害程度[17-19]。其计算公式如下：

(6)

表5 重金属背景值和生态毒性反应系数取值

表6 潜在生态危害系数、潜在危害指数与危害程度的关系

2 结果与分析

2.1 底泥现状监测结果与分析

西伶通道内河航道底泥现状监测及统计结果见表7。结果表明，W1(东海水道)、W3(洪奇沥水道)、W4(下横沥水道)和W5(枕箱水道)这4个监测断面的各项监测指标均满足《海洋沉积物质量》(GB18668—2002)第2类标准和《土壤环境质量标准》(GB15618—1995)二级标准的要求；W2(容桂水道)监测断面铬指标超过《土壤环境质量标准》(GB15618—1995)二级标准，超标率为44.5%，其他监测因子均符合标准限值范围内。

表7 西伶通道内河航道底泥现状监测及统计

As和Hg平均含量没有超过土壤重金属背景值，其他监测因子均出现不同程度的超标现象。该航道底泥中8个重金属的平均总含量为362 mg/kg，其中，以容桂水道(W2处)流域污染最为严重，所有重金属的平均总含量为738 mg/kg；东海水道(W1处)和下横沥水道(W4处)流域情况稍好，重金属平均总含量大致相同，分别为182 mg/kg，183 mg/kg。

2.1.1 底泥重金属的含量分析 西伶通道内河航道底泥各个重金属在5个监测点的平均含量分布见表7。

结果表明，该航道5个监测点底泥重金属平均含量最大的因子是Cr，为115.2 mg/kg。各重金属元素平均含量的大小顺序为：Cr>Zn>Pb>Cu>Ni>As>Cd>Hg。

2.1.2 底泥重金属的空间特征分析 针对西伶通道内河航道底泥重金属的空间特征进行具体分析，重金属元素的空间特性分析结果见图1。结果表明，除了As以外，其他重金属因子均有不同程度超过土壤背景值，但基本不超过《土壤环境质量标准》的二级标准值，所有重金属含量的最大值均出现在W2断面。

各重金属的空间分布特征：As和Hg空间分布较均匀，分布规律基本一致，各点重金属含量顺序为W2>W1>W4>W3>W5；Pb，Cu，Cr和Ni空间分布出现较大差异，分布规律大致相同，各重金属含量顺序为W2>W5>W3>W4>W1；Zn空间分布不均匀，每个监测断面的重金属含量排序为W2>W5>W3>W1>W4；Cd空间分布较均匀，重金属含量大小顺序为W2>W4>W1>W5>W3。

2.1.3 底泥重金属的相关性分析 从表8的结果可知，除了Cd与各重金属，As与Pb，Cu，Cr，Zn和Ni，Hg与Pb，Cu，Zn和Ni，Pb与Cr等呈现为弱正相关性，其余重金属之间存在一定的正相关性。在0.05 水平上表现正相关性的有Hg与As和Cr，Zn与Pb，Cu和Cr，Cu与Cr，Ni与Cr和Zn；在0.01水平上呈现高度正相关性有Cu与Pb和Ni，Pb和Ni，即Cu与Pb，Cu与Ni，Pb与Ni可能为同源污染。西伶通道内河航道底泥重金属元素来源不一，综合性复合污染特征表现明显。

图1 底泥沉积物中重金属含量空间分布特征

表8 西伶通道内河航道底泥重金属相关系数(Pearson相关性)

2.2 底泥污染现状评价

本次研究采用内梅罗综合污染指数法、变异系数法、地累积指数法和潜在生态危害指数法等对西伶通道内河航道的底泥重金属污染状况进行准确有效的评价。

2.2.1 底泥污染评价 内梅罗综合指数法。结果表明(表9)，西伶通道内河航道底泥各重金属的指数均值都小于0.7，除了As，Hg，Pb，其他5个重金属因子的最大污染指数都超过0.7。该内河航道底泥中Cr的内梅罗综合指数为1.10，达到Ⅲ级，受到轻度污染；Cu的内梅罗综合指数为0.78，污染级别相对较低，属于Ⅱ级(尚清洁)；其余重金属的内梅罗综合指数都小于0.7，定义为Ⅰ级(清洁)，无污染。虽然大多数重金属的污染水平在清洁—尚清洁之间，但需要及早采取措施，以防止底泥中的重金属继续积累使其达到轻度污染的程度。

表9 西伶通道内河航道底泥重金属污染水平

2.2.2 变异系数法 从表10结果的变异系数值大小可知，该航道中底泥各重金属元素的变异程度为：Cu >Pb >Zn >Cr>Ni >Hg>Cd>As，表现数据的高度离散特性，说明人类活动可能对该航道造成一定的影响。西伶通道内河航道研究区域底泥各重金属沿程分布规律见图2。

表10 西伶通道内河航道底泥重金属的变异系数

结果表明，Cr和Zn 沿程变化较大，且变化趋势类似；Pb和Cu沿程变化过程相对较慢，变化规律一般；Ni沿程变化规律不明显；As，Cd 和Hg沿程基本无变化。在航道W1—W3范围内各重金属含量分布波动较大，有明显峰值；在监测点W3—W5之间，各个重金属因子的含量分布相对平坦，没有明显的峰和谷，该分布情况主要与河道的实际排污及水文情况有一定关系。

2.2.3 底泥污染评价 地累积指数法。从表11的结果可知，航道底泥已经受到一定程度的重金属污染，其中Pb，Cu，Cr和Zn在整条航道研究区域中均只有两处没有污染，其余监测点都出现不同程度的污染现象。Pb的累积指数范围在-1.18～1.04之间，取样点的40%达到I级，10%的取样点达到Ⅱ级，已经被轻度污染；Cu的累积指数在-0.21，1.94之间，其中60%的采样点在I级及以上，达到轻度污染水平；Cr和Zn的累积指数分别为-0.49～1.93和-0.58～1.33，采样点的40%为I级，20%达到Ⅱ级，同样是轻度污染；Cd的地累积指数在1.32～1.87之间，全部取样点均处于Ⅱ级，污染水平已达到偏中度污染。

图2 西伶通道内河航道底泥重金属的分布格局

表11 西伶通道内河航道底泥重金属地累积指数和污染水平评价

底泥中每种重金属的富集水平大小为Cd>Cu >Cr>Zn >Pb >Ni >Hg>As。其中基本没有出现As，Hg和Ni污染，属于清洁级别；Pb，Cu，Cr，Zn的污染等级都是I级，达到轻度污染；镉污染较严重，已经达到偏中度污染水平。因此，西伶通道内河航道底泥镉污染的防治工作不能懈怠，与此同时，其他重金属因子的污染更不容忽视，防止污染趋势继续恶化。

2.2.4 潜在生态危害评价 从表12的计算结果可知，5个监测断面重金属综合生态危害指数均超过150，达到中等生态危害。各种重金属的生态危害依次为：Cd>Hg>Cu>Pb>As>Cr>Ni>Zn；As，Pb，Cu，Cr，Zn和Ni等对潜在生态风险指数的贡献率较小，生态污染轻微，W2断面的Hg潜在生态危害系数表现为中等生态危害，但Cd对潜在生态风险指数有57.7%～74.2%的贡献率，潜在生态危害系数为135，生态危害最强，是产生生态危害和潜在生态风险的主要控制因子。

表12 西伶通道内河航道底泥重金属潜在生态危害系数及指数

表13 西伶通道内河航道底泥重金属潜在生态危害程度评价

由表13的重金属潜在生态危害程度评价结果可知，西伶通道内河航道重金属污染总体呈现为中等生态危害，应该引起重视和加强航道的环境保护。

3 结 论

本文基于西伶通道内河航道底泥重金属污染现状的调查监测，对各种重金属的含量、空间特征及相关性进行分析。结果可知，西伶通道内河航道底泥重金属来源多样，表现一定的综合性复合污染，其中W2监测断面(容桂水道)的铬指标超过《土壤环境质量标准》(GB15618—1995)二级标准，其他断面的监测因子均满足《海洋沉积物质量》(GB18668—2002)第2类标准和《土壤环境质量标准》(GB15618—1995)二级标准的相关要求。

运用内梅罗综合指数法、变异系数法、地累积指数法及潜在生态危害指数法进一步评价底泥的重金属污染状况。结果可知：Cr的内梅罗综合指数为1.10，为Ⅲ级，达到轻度污染；Cu的变异系数为0.62，变异程度较大，这可能与沿岸污染、实际水文情况有关；Cd的地累积指数在1.32～1.87，富集程度最高，已达到偏中度污染；Cd对潜在生态风险指数的贡献率为57.7%～74.2%，潜在生态危害系数高达135，生态危害最强，是潜在生态风险的主要控制因子[19-21]。综上分析，西伶通道内河航道底泥的主要污染物是镉污染，镉污染主要来源于航道沿岸的工业废气中的镉随风向四周扩散，经自然沉降，蓄积于工厂周围土壤中；还有周边一些含镉工业废水灌溉农田，使土壤受到镉的污染，含镉废水多数来源于河流沿岸的采矿工业、冶炼精炼和电镀工业等，大量的含镉废水排入河流而造成镉的污染，当环境受到镉污染后，镉可在生物体内富集，通过食物链进入人体引起慢性中毒[20,22]。

因此为了防止镉对西伶通道内河航道底泥环境的污染﹐必须做好环境保护工作﹐严格执行镉的环境卫生标准，提高人们的环保意识，强化企业治理；生产企业应放眼未来，倡导环保，严格遵守国家环保政策的相关规定，生产环保健康产品，废水均达标排放。