伊通河(长春段)表层沉积物中重金属污染特征及风险评价

2020-09-27韩锦辉丁苏丽

广州化工 2020年18期

韩锦辉，丁苏丽

(1 重庆大学建筑规划设计研究总院有限公司两江院区，重庆 401121；2 重庆川仪环境科技有限公司，重庆 401121)

河流沉积物是水环境系统的重要组成部分，沉积物因其独特的性质，成为水环境中污染物的“源”和“汇”[1]。一方面，进入水体中的污染物通过各种物理、化学、生物途径在沉积物中富集，汇聚在沉积物中，另一方面，当水体环境发生变化时，富集了大量污染物的沉积物又会成为一个污染源，释放出污染物对水体造成二次污染[2]。重金属广泛存在于环境介质中，其具有隐蔽性、致病性、持久性和生物富集性等特点[3]。重金属难以被生物降解，可通过生物富集进入人体，当在人体中累积到一定程度时，会造成人体慢性中毒[4]。因此，开展河流表层沉积物重金属污染研究和评价对保护水体环境和人类健康具有重要的意义。

伊通河是松花江二级支流，是长春市内最大河流，从南到北横穿整个长春市，是长春市的母亲河，它承载着整个市区的主要工业和生活污水，同时也是南溪湿地和北湖湿地等湿地的主要水源补充[5]。随着工业的发展和人类活动的加剧，伊通河水环境污染加重，作为松花江的主要支流和长春市的最大河流，开展伊通河(长春段)表层沉积物中重金属污染特征研究和风险评价，可为伊通河表层沉积物重金属污染防治提供依据。

1 实验

1.1 样品的采集和处理

本研究于2017年5月对伊通河(长春段)表层沉积物样品进行了采集，各采样点的位置见图1，各采样点的具体坐标见表1。每个采样点采集3份平行样，去除树根、碎石等杂质，混匀封存于聚乙烯采样袋中进行保存。样品带回后，经过干燥、研钵研磨后过100目尼龙筛保存备用。

图1 伊通河(长春段)采样点位示意图Fig.1 Schematic diagram of sampling points of Yitong River (Changchun section)

表1 采样点编号及地理坐标Table 1 Sampling point number and geographicalcoordinates

1.2 样品重金属测定

称取0.1～0.3 g样品于消解管内，加入65%浓硝酸7 mL和30%的过氧化氢1 mL，放置于微波消解仪(Milestone Ethos One)中，在190 ℃下消解45 min，待冷却至室温后取出，然后，转移到离心管中定容，静置沉淀一晚，每一批同时做空白实验。处理完样品后，用电感耦合等离子体发射光谱仪(PerkinElmer-Optima7000DV)对重金属Cr、Ni、Cu、Zn、Pb的含量进行测定。所有样品均进行3个平行样测定，Cr、Ni、Cu、Zn、Pb的相对标准偏差均小于5%。

1.3 污染评价方法

1.3.1 地累积指数法

地积累指数(index of geoaccumulation)又被称为Muller指数，是德国科学家Muller在20世纪60年提出的，在国内外研究中被广泛应用于研究沉积物以及其他物质中重金属污染程度[6]。地累积指数法在研究中充分考虑了人为因素、自然因素和背景值对研究结果的影响，其评价结果可靠度较高[6]。其表达方式如下：

Igeo=log2[Ci/(k·C0)]

式中：Igeo表示地累计指数；Ci表示样品中元素i的实测值；k表示各地岩石差异可能会引起背景值的变动而取的系数(在本次研究中取值为1.5)；C0表示样品中该元素的地球化学背景值。本研究背景值选取长春市土壤重金属元素背景值[7](Cr、Ni、Cu、Zn和Pb分别为53.96、25.70、18.87、59.86和17.90 mg/kg)。

根据计算出的地累积指数值，地积累指数评价等级划分标准见表2。

表2 地累积指数分级标准Table 2 Grading standard of index of geoaccumulation

1.3.2 潜在生态风险指数法

瑞典科学家Hakanson在1980年提出了潜在生态风险指数法(the potential ecological risk index)，该方法被广泛应用于对土壤或沉积物中的重金属的潜在生态风险进行评价[8]。潜在生态危害指数法在应用过程中综合考虑了重金属的毒性、在沉积物中的迁移转化规律和评价区域对重金属污染的敏感性，以及重金属区域背景值的差异，消除了区域差异和异源污染的影响[2,8]。潜在生态风险指数计算公式为：

表3 重金属元素毒性系数Table 3 Toxicity coefficient of heavy metals

表4 潜在生态风险指数分级标准Table 4 Classification standard of the potential ecological risk index

1.4 源解析方法

用SPSS软件对数据进行相关性分析和主成分分析，对沉积物中重金属来源进行解析[2,10-11]。

2 结果和讨论

2.1 表层沉积物中重金属含量及空间分布特征

表5 表面沉积物中重金属含量统计数据Table 5 Statistics of heavy metals content in surface sediments

表5为伊通河(长春段)表层沉积物中重金属含量的统计数据。伊通河(长春段)表层沉积物中Cr、Ni、Cu、Zn和Pb的变化范围分别为25.50～54.60 μg/g、13.58～26.08 μg/g、13.03～64.77 μg/g、65.91～396.43 μg/g和6.96～31.61 μg/g，平均值分别是其背景值的0.71、0.72、1.98、3.20、0.96倍。其中，Cu、Zn和Pb的变化范围较大，Cr和Ni的变化范围较小，Zn的超标情况比较严重。Cu、Zn和Pb的变异系数较大，说明这三种金属元素的区域分布差异比较明显。

图2 沉积物中重金属含量空间分布曲线Fig.2 Spatial distribution curves of heavy metals content in sediments

图2为伊通河(长春段)表层沉积物中重金属含量的空间分布曲线，从图中可以看出，5种重金属随采样点的变化趋势基本保持一致。重金属含量整体呈现上升的态势，5种重金属含量的最小值均出现在S1采样点，最大值出现在S6采样点。S1采样点位于研究河段的上游，污染源较少，水质条件较好，随着采样点原来越靠近市区和工业区；S2采样点到S4采样点5种重金属含量都不断增大，在S4采样点达到一个高峰，说明伊通河作为长春市的主要纳污河流，承载着市区较大的污染物排放；S4采样点和S5采样点之间矗立着长春市最大污水处理厂(北郊污水处理厂)，由于污水处理厂对上游污水进行了处理，位于污水厂下游的S5采样点5种重金属的含量比S4采样点均出现下降；随着空间的移动，表层沉积物中重金属含量在S6采样点均出现最大值，原因是S6采样点位于长春市北湖湿地公园，人工湿地中的植物对重金属存在一定的富集能力[12]，使得S6采样点重金属含量高于其他五个采样点。

2.2 表层沉积物中重金属污染评价

图3 平均地累积指数Fig.3 Average index of geoaccumulation

图3为六个采样点的平均地累积指数。从图中可以看出，六个采样点的平均地累积指数大小顺序为1>S6>0>S4>S5>S3>S2>S1，从评价结果来看，S6采样点的污染级别为1级，处于轻度污染状态，其他五个采样点的污染级别为0级，处于无污染状态，S6采样点沉积物中重金属污染程度最大，S4采样点沉积物中重金属污染程度处于轻度污染和无污染的临界值，应特别关注。从单因子方面看，地累积指数大小顺序为1>Zn>Cu>0>Pb>Ni>Cr，Zn和Cu的污染级别为1级轻度污染，Pb、Ni和Cr的污染级别为0级无污染，说明Zn、Cu是伊通河(长春段)沉积物重金属污染的主要风险因子。

图4 潜在生态风险指数Fig.4 Potential ecological risk index

2.3 来源解析

2.3.1 相关性分析

表6 表层沉积物中重金属的相关性Table 6 Correlation of heavy metals in surface sediments

通过SPSS对表层沉积物中5种重金属含量进行相关性分析，可初步确定伊通河(长春段)表层沉积物中重金属的污染来源。通过相应分析，可以看出，除Ni与Cr，Ni与Pb之间呈显著相关(P<0.05)外，Cr、Cu、Zn、Pb 4种重金属之间都呈呈极显著相关(P<0.01)，表明Cr、Cu、Zn、Pb具有共同的污染来源，Ni的污染来源和Cr、Cu、Zn、Pb的污染来源略有差异。

2.3.2 主成分分析

图5 沉积物中不同重金属主要成分荷载图Fig.5 Load diagram of main components of different heavy metals in sediments

图5为伊通河长春段表层沉积物中重金属的主成分分析二维因子载荷图。KMO检验的MSA值为0.631，Bartlett的球形度检验结果中Sig.为0.000，小于显著水平0.01，说明该数据服从正态分布，适合做因子分析[13]。本研究采用主成分提取法提取公因子并结合方差极大旋转进行因子分析，提取出2个主因子。2个主因子的累计方差贡献率为99.264%，分别解释总方差的57.483%和41.782%，说明这2个因子具有很高的代表性。

从图5看出，Cr、Cu、Zn、Pb在第一主成分上有较高的载荷，同时从相关性分析也可以看出Cr与Cu、Zn、Pb之间有极显著相关性，说明它们之间有共同的来源。根据几种重金属的浓度分布，可以看出它们存在一定的污染程度，受到一定的人为干扰，说明人类生活生产活动是Cr、Cu、Zn、Pb这4种重金属的主要来源，根据相关研究，Pb主要来源于交通排放和工业排放，Cr、Cu、Zn主要来源于机械生产制造过程，因此，推测第一主成分主要表征了交通源和工业来源[2,11]。Ni在第二主成分上有较高的载荷，说明他与Cr、Cu、Zn和Pb的污染来源略有不同，Ni在表层沉积物中含量都小于背景值(S6点除外)，说明其污染受人类活动的影响较小[11]，由此推断，第二主成分主要表征了重金属的自然来源。