沂沭河底泥中污染物空间分布特征及评价

李 艺，吕铃钥，徐 毅，徐国栋，韩昕育，张丽洁

(1.山东省生态环境规划研究院，山东济南 250101；2. 山东建筑大学市政与环境工程学院，山东济南 250100；3. 91144部队，山东济南 250101)

底泥是河流经过长期积累形成的，浮游生物、水草等腐烂堆积，渔产养殖、人类生活、生产制造的垃圾等均会沉淀到底泥中[1-2]，底泥可以记录流域的历史污染状况，也存在将污染物再次释放到水体中的风险[3]。水体浮游藻类异常增殖主要是由氮、磷等营养盐造成的，同时它们还是导致水体富营养化的因素之一[4]。水体中营养盐的来源主要包括内源和外源两部分，在控制减少了外部流入的营养盐之后，关键问题就在于控制内部源头，即沉积物中释放的营养盐。河流底质既是营养盐的“源”又是“汇”，当含有不多的营养盐时，沉积物溶解释放盐，而当河水中含有较高的营养盐时，则表现出“汇”的特性，即吸附水的营养盐。综上所述，研究河流底质的受污染状况，对分析河道的受污染状况非常重要[5-6]。

本研究借鉴国内外的研究成果，在充分调查沂沭河流域水环境有机质(OM)、氮、磷浓度的基础上，分析该流域底泥中常规污染物的分布特征及各营养盐的比值，找出造成流域污染的主要原因。并进行污染状况风险评价，分析沂沭河流域底泥中常规污染物的含量及污染物分布的地域差异。通过测定有效磷及分析各营养盐的比值，找出造成流域环境污染的主要原因。对流域中底泥的污染状况进行风险评价，更全面地掌握该流域的污染状况，并提出相应的解决措施。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

沂沭河是沂河和沭河水系的合称，北起沂蒙山脉，东临黄海，西至黄河，流域面积为7.96万km2[7-8]。沂沭河流域周边土地利用类型基本为农田，会有大量氮磷肥、除草剂、农药的施加，经过雨水冲刷或长时间的物质迁移，污染物会进入河流，造成流域水体污染。沂沭河流域水量丰富，含沙量大，沿河有大量采砂场，水上运输繁忙，船舶的尾气排放、生活污染均对水体环境造成一定的破坏[9]。

1.2 采集样品与处理

沉积物样品的采集避开河流湍急、有桥梁及其他不宜采样的区域，在河道顺直、平缓区域取0～20 cm处的底泥。沉积物样品自然风干，过100目筛，装入样品袋中，标记好备用。沂沭河流域底泥污染物采样点如图1所示。

图1 沂沭河流域采样点位分布Fig.1 Distribution of Sampling Points in Yishu River Basin

TN的测试方法为半微量凯式法[10]。TP则用酸溶-钼锑抗比色法[11-12]。有效磷采用0.5 mol/L Na2CO3浸提-钼锑抗比色法[13]。OM采用直接加热消解法[14]。

1.3 评价方法与标准

河流底质环境的评价方法和标准，国内外尚未统一[15-16]。因此，参照相关文献，本文通过有机氮和有机指数评价方法来考察沂沭河底质污染，有机指数计算如式(1)[17-19]。其中，前者通常考察水体底质环境状况；后者主要针对河流表层沉积物的氮污染[20]。

有机指数=有机碳(%)×有机氮(%)

(1)

其中，有机碳含量等于OM除以1.724，而有机氮等于TN的0.95倍。TN需换算成百分比单位形式，即1 000 mg/kg=0.1%。表1为有机指数评价标准，表2为有机氮指数评价标准。

表1 有机指数评价标准Tab.1 Evaluation Criteria of Organic Index

表2 有机氮指数评价标准Tab.2 Evaluation Criteria of Organic Nitrogen Index

2 结果与分析

2.1 底质中氮磷及OM污染特征

图2(a)为沂沭河底质的OM含量和分布。由图2(a)可知：OM含量为0.01%～0.74%，平均含量为0.18%；水平分布差异较为显著，沂河中心城区段(6～11号点位)和郯城境内的沭河段(13～14号点位)OM含量较高。沂河中心城区段建有多处橡胶坝，水体流速减慢，水面相对稳定，OM易于沉淀；郯城境内有大量的小型轻工业企业，生活垃圾沿河堆积，河道水量小、流速慢。OM的分布特征表明，沉积物的堆积和周边环境及河流流速有极大的关系[21]。

图2(b)为沂沭河底质各形态氮的含量及其分布。由图2(b)可知：0.003‰～0.29% 为TN，均值为0.067‰，且存在很大的分布差异，最高值可以达到最低值的144倍；较上游河道，下游河道TN含量约高3～4倍，城区内河段的TN含量最高，约为平均值的3.5倍。由此可知，沂沭河中沉积物的堆积是由河流周边环境和流速决定的。

图2(c)为沂沭河底质各形态磷的含量及其空间分布特性。底质中TP含量为0.003‰～0.247‰，均值为0.064‰。底质中TP的分布特征十分明显，与OM和TN的显著空间分布差异相同。沂河中心城区段的TP含量较上游高，沭河郯城区段及流速较小的河段内含量相对较高，即TP堆积速率与河流周围的环境和流速相关[22]。

图2 沂沭河底质中OM(a)、TN(b)、TP(c)和有效磷(d)的含量及其空间分布Fig.2 Content and Spatial Distribution of OM (a), TN(b), TP(c) and AP(d) in the Sediments of Yishu River

土壤中有效磷的含量能反映周边地区是否合理施用磷肥[21]，有效磷占底质中磷含量的大小，是决定底质的受污染程度及对现有生态系统的危害程度[23]。沂河1～4号点位含量均值为3.44 mg/kg，沂沭河流域其余点位底质中有效磷的含量均属于高水平。图2(d)为沂沭河底质中有效磷的含量及其空间分布。其中，沂河和沭河底泥中有效磷的含量均值为12.7 mg/kg和32.1 mg/kg，远远高于沂河底质中有效磷的含量。另外，在沂沭河底质中，有效磷含量约占TP的17.7%。

沂河上游，河岸两侧加固，周边土地利用性质均为林地，较难出现水土流失，且此处底质中有效磷的含量较低。由表3可知：在5～7号点位(城区上游段)和12～15号点位(城区下游段)，河流两岸为农田，土质松软，水土流失风险高，这两处有效磷的含量明显较高；在8～11号点位，沂河中心城区段，河岸加固，无农田污染，但市民活动频繁，此处有效磷的含量较高。由此可知，河道两侧土地利用状况、水土流失情况及人类的生产生活状况均对河流的污染状况造成严重影响。

沭河两岸基本全是农田，并靠近村庄，大量的生活污水直接排入河内。在郯城境内，有较多的家庭式作坊及小型轻工业加工企业。经监测，沭河底质中有机磷的含量普遍较高，有机磷的含量约为沂河的3～5倍。沂河、沭河除河道两侧土地利用性质差异较大外，沂河河道两侧有较宽的滩地，在河道与周边污染源之间形成了缓冲带，这应该是沭河底质中有机磷明显高于沂河的原因。

表3 沂沭河底质中OM、TN、TP和有效磷的浓度Tab.3 Concentration of OM, TN, TP and AP in the Sediments of Yishu River

2.2 污染物来源分析

2.2.1 C/N

OM来源在某种程度上可由反映河流沉积物中的C/N 体现，不同的生物种类均有不同的C/N[5,24]，如表4所示。

表4 不同生物种类的C/NTab.4 C/N Ratio of Different Biological Species

由表5可知：沂沭河表层沉积物C/N均值为13.7，且分布稳定，但是沂河和沭河的C/N有明显的差别，沂河流域偏高，均值为15.9；沂河的上游比值较低，在流经中心城区段、郯城段时比值较高，而沭河流域的C/N普遍较低。这说明，高等生物(即人类活动)是造成流域表层沉积物中有机物含量高的原因，而沭河中，大部分则源于浮游动植物和藻类。

表5 沂沭河底质中有机碳与TN的比值Tab.5 C/N Ratio in the Sediments of Yishu River

2.2.2 N/P

不同于均一分布的C/N，沂沭河的N/P水平分布差异大，为0.24～3.6。由表6可知：沂河下游(11～15号点位)和沭河郯城段(13～14号点位)处，N/P较大；在底质中TN、TP含量均较高的河段，N/P较稳定，基本维持在<1的水平。底质中TN、TP具有基本相似的空间分布特征，而氮、磷含量则会直接影响N/P，分布特征与TN、TP均不同，且N/P的均值为1.23。

表6 沂沭河底质中TN与TP的比值Tab.6 TN/TP Ratio in the Sediments of Yishu River

2.2.3 各营养盐相关性比较

图3和图4为回归分析后的沂沭河底质中OM与氮、磷含量的关系。由图3和图4可知，TN含量明显正比于OM；OM与TN间的相关性较高(R2=0.944 5，p<0.01)；OM与TP间的相关性则不明显(R2=0.64，p<0.39)，表明磷不是由底质中OM的富集造成。如上所述，沂沭河的土壤类型为砂质土壤，有效磷约占TP的34%，底泥中磷对流域水环境的影响较大。

图3 OM与TN的相关曲线Fig.3 Correlation Curve of OM and TN

图4 OM与TP的相关曲线Fig.4 Correlation Curve of OM and TP

2.3 污染状况评价

根据相关评价方法及标准[25]，对采集的沂沭河流域的诸多采样点数据进行分析，测定其表层沉积物，结果如图5所示。由图5可知：各采集点沉积物有机指数均在0.05之下，底质环境较为清洁；底质有机氮含量平均为0.063‰，在0.003‰～0.219‰，达到Ⅱ级标准，氮污染程度属较清洁。沂沭河流域的土壤含砂量大，特别是沂河，部分河段几乎全是河砂，底质中的OM、TN、TP含量均偏低，经评价分析不存在有机污染问题。

图5 沂沭河底质有机指数污染状况评价分析Fig.5 Evaluation and Analysis of Organic Index Pollution in the Sediments of Yishu River

3 结论

(1)沂沭河流域表层沉积物的TN与TP有相似的分布，空间差异较大。OM的分布特征有所不同，沂河中OM含量远低于沭河，空间差异较大。沂河为砂质土壤，OM含量较小。因此，OM的含量不仅与河流冲刷等水动力学条件及河流周围环境有关，还与底质的土壤特点有关。

(2)有效磷含量约占TP含量的17.7%，说明农田及人类活动对流域的水环境已经有了巨大的伤害，污染严重，且在泥中富集。

(3)根据C/N、N/P及OM与氮、磷含量的回归分析，地质中的碳、氮具有同源性，且底质中OM及氮的主要来源是生物沉降，而磷则只要是来源于外部输入。

(4)根据有机指数评价法和有机氮评价法，沂沭河底质沉积物整体上较清洁，环境质量整体较好，氮的污染程度属于较清洁。