宿州沱河沉积物重金属分布及污染评价

王春雷 桂和荣 梅静梁 陈家玉 李晨 陈晨 江雅琪

摘 要：为探明宿州沱河沉积物重金属分布和污染特征，对沱河表层沉积物中8种重金属进行分析，利用地累积指数（[Igeo]）和潜在生态风险指数（RI）评价重金属的生态风险。结果表明：除Pb外，沉积物中重金属含量均高于各自背景值。从[Igeo]评价结果看，Pb、Cr、Ni、Mn处于未污染状态，Cu、Zn、As处于轻度污染状态，Cd部分采样点评价结果达到偏中度污染状态。从RI评价结果看，Cd属于很强的生态风险水平，其余元素属于轻微生态风险水平。污染来源方面，Cr、Mn、Ni主要来自金属加工;Cu、Zn主要来自居民生活产生的污染;As主要来源于工业活动产生的废水或农业生产过程中的农药化肥;Cd、Pb来源于汽车尾气、工业生产中煤的运输和燃烧及轮胎磨损中所含的粉尘等交通污染输入源。

关键词：重金属;沉积物;污染评估;沱河

中图分类号 X522; X142文献标识码 A文章编号 1007-7731（2021）10-0126-05

Distribution and Pollution Assessment of Heavy Metals in Sediments of Suzhou Tuo River

WANG Chunlei1，2 et al.

（1 School of Earth and Environment， Anhui University of Science and Technology， Huainan 232001， China;2 National Engineering Research Center of Coal Mine Water Hazard Controlling （Suzhou University）， Suzhou 234000， China）

Abstract： In order to explore the distribution and pollution characteristics of heavy metals in the Tuo River sediments in Suzhou， the contents of 8 heavy metals in the surface sediments of the Tuo River were studied using the geoaccumulation index （[Igeo]） and potential ecological risk index （RI） evaluate the ecological risks of heavy metals. The results showed that the heavy metals in sediments were higher than their background values except Pb. [Igeo] evaluation results show that Pb， Cr， Ni， and Mn are in a non-polluted state， Cu， Zn， and As are in a lightly polluted state， and the evaluation results of Cd sampling and evaluation have reached a moderately polluted state. The RI evaluation results show that Cd belongs to a strong ecological risk level， and the other elements belong to a slight ecological risk level. The results of pollution source analysis show that the heavy metals Cr， Mn and Ni in the sediments mainly come from metal processing; Cu and Zn mainly come from the pollution of residents′ life; As mainly comes from the waste water from industrial activities or pesticides and fertilizers in agricultural production; Cd and Pb mainly come from the traffic pollution input sources such as automobile exhaust， coal transportation and combustion in industrial production and dust in tire wear.

Key words： Heavy metals; Sediment; Pollution assessment;Tuohe River

工農业生产等活动造成的重金属污染问题越来越受到社会的广泛关注[1，2]。人类生产生活中产生的各种重金属未经处理或处理不完全，经污水管道、地表径流、大气沉降等多种途径进入水体中，通过吸附和沉降作用，最终导致产生的重金属储存在沉积物中[3，4]。进入沉积物中的重金属性质不稳定，容易受到外界因素的干扰，一旦外界环境（pH、DO、氧化还原电位等）发生变化时，储存在沉积物中性质不稳定的重金属会重新进入到水体中，从而使水质发生严重的重金属污染，对生态环境造成破坏，影响人类正常的生产生活[5-7]，严重时甚至会危害人类的生命安全。因此，关于沉积物中重金属的污染问题值得进行相关研究[8]。

沱河自宿州市的西北部流入，从东南流出，途径市区居民区和商业娱乐区，对宿州居民生产生活及工业发展等发挥了重要作用。但是，目前关于沱河沉积物中重金属分布和污染评估方面的研究还鲜有报道。为此，笔者以宿州沱河为研究对象，使用专业的底泥采集器获取表层沉积物样品，测定沉积物中8种重金属元素（Pb、Cr、Cd、Ni、Cu、Zn、Mn、As）含量，探讨沱河沉积物中重金属的空间分布特征[9-11]，同时采用潜在生态风险指数法（RI）和地累积指数法（[Igeo]）对沉积物中重金属是否受到污染及污染程度进行评价[8，12-14]，并且借助主成分分析（PCA）来了解沉积物重金属来源的相关信息，从而为沱河沉积物重金属污染的防控提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况 宿州位于安徽省东北部，全市面积9787km2，总人口651万人[15]。沱河全长243km，流域面积2983km2，对宿州经济发展和居民生产生活等方面具有重要作用。

1.2 样品采集 本研究区域采样点起点为沱河与新汴河交叉口附近，靠近宿州三角洲公园，终点为宿州东二环路。利用专业的沉积物采集器共采集沱河表层沉积物样品9个，其中上游（T1、T2、T3）、中游（T4、T5、T6）和下游（T7、T8、T9）各取3个沉积物样品，每个采样点采集2个沉积物样品，将2个样品均匀混合后作为1个采集点样品。并采用全球定位系统（GPS）在取样点进行定位（如图1）。取好的样品放入干净的密封袋内带回实验室。

1.3 样品处理与测定 将采集的沉积物样品挑出杂物进行预处理，然后进行重金属的测定。测定前将聚四氟乙烯消解管浸泡在含20%的HNO3溶液中24h，取出后清洗干净，烘干备用。准确称取（0.5000±0.0010）g土壤样品放入消解管中，再加入6mL王水（HNO3∶HCl=1mL∶3mL），120℃消解4h;再加入4mL HF，120℃消解4h;冷却后加4mL高氯酸，盖上盖，放入与之配套的不锈钢反应器中，将反应器放入190℃的烘箱中，烘10h，冷却取出，放入电热板上进行赶酸（180～220℃），待样品呈少量浅黄绿色粘稠状且白烟量减少时，将消解管中的样品转移并定容后摇匀待测[11，16]。待测样品采用电感耦合等离子质谱仪器（安捷伦ICP-MS 7500CX）进行测定。为保证测定结果真实可靠，在测试过程中进行重复性分析和标样分析。对试验结果进行分析，显示试验结果符合质量控制要求。

1.4 沉积物重金属生态风险评价

1.4.1 地累积指数法（[Igeo]） 地累积指数法被国内外广泛应用于重金属污染评价，通过测定重金属含量对重金属污染程度进行定性判断[17]。计算公式如下：

[Igeo=log2[Cn/（K×Bn）]] （1）

式中，[Cn]表示沉积物重金属元素含量的实际测量值;[Bn]为所评价元素的背景值，本研究选用安徽省土壤环境背景值，Pb 26.6mg/kg、Cr 66.5mg/kg、Cd 0.097mg/kg、Ni 29.8mg/kg、Cu 20.4mg/kg、Zn 62.0mg/kg、Mn 530mg/kg、As 9.0mg/kg;[K]为系数，一般取1.5。地累积指数法关于沉积物重金属污染等级划分和具体污染程度分级结果见表1。

1.4.2 潜在生态危害指数法（RI） 潜在生态危害指数法全面考虑了环境影响与生态影响，能够综合体现多种重金属对生态环境的污染影响及存在的潜在危害。计算公式如下：

[Cif=Ci0/Cin] （2）

[Eir=Tir×Cif] （3）

[RI=i=1nEir] （4）

式中：[Cif]为重金属i的污染指数;[Ci0]为实測值;[Cin]为参照值，采用安徽省土壤重金属背景值[18];[Eir]是所测元素的潜在生态风险系数（表2）;[Tir]为重金属的毒性系数（表3）。

1.5 数据处理 使用Excel对数据进行相关处理，SPSS 22.0软件进行主成分分析，Origin2020进行绘图。

2 结果与分析

2.1 重金属分布特征 沱河表层沉积物中重金属平均含量表现为Mn（609.70mg/kg）[>]Zn（127.55mg/kg）>Cr（72.68mg/kg）>Cu（47.92mg/kg）>Ni（32.45mg/kg）>Pb（26.52mg/kg）>As（20.05mg/kg）>Cd（0.69mg/kg），分别是各自背景值的1.15、2.06、1.09、2.35、1.09、0.99、1.87、7.01倍。除Pb略低于背景值外，沱河沉积物中其他重金属元素平均含量在不同程度上均超过背景值，其中Zn、Cu、Cd超过背景值含量较多，尤其是Cd的平均含量达到背景值的7倍。研究区域内沉积物中Cd、Cu、Zn、[As]超过背景值的采样点达到100%，Mn和Ni超过背景值的采样点达到77%，Pb超过背景值的采样点达到55%，Cr超过背景值的采样点达到44%。进一步对上游采样点（T1、T2、T3）、中游采样点（T4、T5、T6）和下游采样点（T7、T8、T9）重金属含量进行分析，结果显示Cr、Ni、Cu、Zn、As、Pb平均含量均表现为中游>下游>上游，Cd的平均含量表现为上游[>]中游[>]下游，Mn的平均含量表现为下游>中游>上游。

由图1可知，上游穿过三角洲公园，中游为穿过城区河段，下游河段处于城郊位置。结合图2可知，沉积物中Cr、Ni、Cu、Zn、As、Pb含量具有相同的空间分布特征，均表现为中游>下游>上游，这表明位于上游河段的三角洲公园环境良好，对沱河生态环境没有产生明显的危害和不良影响。上游取样点位于三角洲公园附近，受附近工厂及人为活动的影响较小。但除Pb外，各种重金属含量在一定程度上仍大于背景值，这表明相对于沱河中游和下游而言，上游沉积物重金属元素虽然人为积累量相对较小，但仍会受到人类活动的相关影响。在8种重金属元素中，Cd含量最低，但在研究区域内Cd含量高于背景值的采样点达到了100%，这表明沱河沉积物中Cd存在一定的人为污染。Pb平均含量整体处于较低水平，研究区内Pb平均含量低于背景值，说明Pb元素在研究区域的人为积累量相对较小，但仍有部分采样点Pb含量超过背景值，如T5和T6采样点的含量分别达到了33.15mg/kg和38.12mg/kg。

2.2 重金属污染程度

2.2.1 地累积指数法（[Igeo]） 结合评价标准（表1）和图3可知，沉积物中Cr、Ni、Mn、Pb的[Igeo]平均值均小于0，根据评价标准属于无污染状态;Cu、Zn、As属于轻度污染状态，但Cu、Zn仍有部分采样点处于无污染状态，且无污染的取样点均位于研究区上游，这表明在上游区域Cu、Zn受人为污染影响较小，中游和下游受人为影响较大;Cd大部分取样点属于偏中度污染状态，还有部分取样点达到中度污染或偏重度污染标准，其中T1采样点处于偏重度污染状态，这表明T1采样点Cd的积累受人为影响最大，应当引起重视。

上游采样点沉积物重金属[Igeo]大小依次为Cd>As>Zn>Cu>Mn>Ni>Cr>Pb，除Cd和As处于中度和轻度污染外，其余重金属元素均处于无污染状态。中游采样点沉积物重金属[ Igeo]大小依次为Cd>Cu>Zn>As>Cr>Pb>Ni>Mn，前4种元素处于不同程度污染状态，其中Zn、As的污染水平属于轻度污染，Cd、Cu达到了中度污染，Cr及其后的元素处于无污染状态。结合图3可知，中游采样区域Cu、Zn的污染程度高于上游和下游采样区域，表明在中游采样区域Cu、Zn受人为活动影响较大。下游采样沉积物重金属[ Igeo]大小依次为Cd>Cu>Zn>As>Mn>Ni>Cr>Pb，Cd污染相对较为严重，属于偏中度污染，Cu、Zn、As略有污染，属于轻度污染，Cd为下游采样点的主要污染物。由此可见，研究区域内上游采样点沉积物重金属污染最小，其次是下游和中游区域。这可能与采样点的地理位置及周边环境有关，上游采样区处于风景区，自然环境较好，受人为影响较少，故沉积物重金属污染较小;下游采样区域位于城郊区域，人口密度相对较低，污染主要来自农业和上游径流作用;中游采样区域位于城区，人口密度大，受多种污染因素影响，导致沉积物重金属污染程度相对较高。

2.2.2 潜在生态危害指数法（RI） 通过潜在生态危害指数法（RI）和其相关评价标准对沱河沉积物中重金属是否处于污染状态及污染程度进行定性评价，结果显示沉积物8种重金属[ Eir]平均值大小依次为Cd>As>Cu>Pb>Mn>Cr>Ni>Zn，结合图4可知，沉积物中主要生态风险因子是Cd，其中Cd达到了高及以上生态风险的取样点达到55.5%，达到较高生态风险水平的取样点占44.5%。该评价结果与地累积指数法评价结果相似，表明评价结果可信，因此在沱河沉积物重金属污染治理过程中应特别注意对Cd的治理。根据[ Eir]结果及其评价标准，除Cd外，其余沉積物重金属元素均处于轻微生态风险水平。As和Cu的[ Eir]平均值仅次于Cd，结合累积指数法评价结果，As和Cu可能会成为仅次于Cd的生态风险贡献因子。

研究区沉积物中8种重金属RI值范围为130～720，其中达到中等及以上潜在生态风险的采样点占88.9%，处于轻微潜在生态风险采样点占比为11.1%，但还有部分采样点达到极强潜在生态风险。结合图4可知，T1采样点Cd的[ Eir]值异常。除去异常采样点，上、中、下游采样点RI平均值表现为中游>下游>上游，这表明上游研究区采样点重金属潜在生态风险最低，环境质量相对较好。该评价结论与地累积指数法评价结果大致相同。

2.3 沉积物重金属来源 通过地累积指数法和潜在生态危害指数法评价可知沱河沉积物中存在一定的重金属污染。主成分分析方法广泛应用于污染来源的解析，因此采用主成分分析对沱河沉积物重金属的污染来源进行分析[19]。通过主成分分析共得到2个大于1的特征值成分（表4），表明研究区沉积物中重金属主要来自2个主成分，即重金属的来源主要有2个。2个主成分的积累贡献率为94.108%，主成分1和主成分2的积累贡献率分别为62.012%和23.707%，表明主成分1所代表的污染源为更主要的污染源。由表5和图5可知，第1主成分包括Cr、Ni、Cu、Zn、Mn，Cr、Mn，多用于电池电镀生产、机械制造、金属加工等行业;Cu、Zn含量受燃煤、铅锌矿工业及居民生活产生的污染影响较大;Ni不仅是工业制造的主要来源，同时也代表自然源，沉积物中Ni含量仅略高于背景值，因此Ni的来源主要来自土壤母质或地球化学活动[14，16，20]。由于Zn、Cu污染较为严重的采样点出现在中游和下游，因此第1主成分主要代表燃煤、机械制造、金属加工和生活污水排放的污染源。第2主成分包括Cd、As、Pb，Cd、Pb，可能来源于汽车尾气、工业生产中煤的运输和燃烧及轮胎磨损中所含的粉尘等交通污染输入源;As可能来源于农药化肥或工业废水[16]。因此，第2主成分主要代表交通污染源和经雨水径流作用进入沱河的农药化肥污染源。

3 结论

研究结果表明：（1）沱河沉积物中Cr、Cd、Ni、Cu、Zn、Mn、As含量超过安徽省土壤背景值;Cr、Ni、Cu、Zn、As、Pb含量在空间分布上具有一致性，整体表现为中游>下游>上游，Cd平均含量表现为上游>中游>下游，Mn平均含量表现为下游>中游>上游。（2）地累积指数法评价显示，Cr、Ni、Mn、Pb处于无污染状态，Cu、Zn、As处于轻度污染状态，Cd多数取样点处于偏中度污染状态，部分取样点达到中度污染或偏重度污染标准。研究区域内上游采样点沉积物重金属污染最小，其次是下游和中游区域。（3）潜在生态危害指数法评价显示，Cd为沉积物中主要生态风险因子，其中达到高及以上生态风险的取样点占55.5%，达到较高生态风险水平的取样点占44.5%，其余重金属处于轻微生态风险水平。（4）主成分分析结果表明，沉积物重金属Cr、Mn、Ni主要来自金属加工;Cu、Zn主要来自居民生活产生的污染;As来源于农药化肥或工业废水;Cd、Pb来源于汽车尾气、工业生产中煤的运输和燃烧及轮胎磨损中所含的粉尘等交通污染输入源。

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（责编：徐世红）