晋江市九十九溪流域河道底泥污染特征分析与风险评价*

郦建锋 马骏超# 李华斌 崔喜博 盛 晟 陈奋飞 叶更强

(1.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 311122；2.中国电建集团华东勘测设计研究院(郑州)有限公司，河南 郑州 450000)

底泥是由陆地地表物质经过长期的物理、化学、生物作用而沉积于河流底部的沉积物，与陆地土壤具有同源性[1]。近年来，由于经济发展和人口增长，大量陆源污染物进入水体，通过吸附、絮凝、沉降等作用，从水体进入底泥中，使得底泥中污染物含量显著增加。同时，沉积在底泥中的污染物在一定环境条件下，通过溶解等作用又可从底泥中释放出来，再次进入水体。因此，底泥既是污染物的汇集地，又是对水体产生二次污染的潜在污染源，河道底泥的污染程度与水环境质量存在密切关系[2]，不同深度的底泥往往包含了不同时期河流环境特点及污染情况等真实信息[3]。因此研究不同深度河流底泥的污染情况，对于河流生态环境质量的时空变化分析和后续治理具有重要意义。

目前，常见的河道底泥污染物特征分析与风险评价主要是采集河道不同河段同一深度的底泥，采用单因子污染指数法、内梅罗综合污染指数法、地累积指数法等对污染物进行分析，利用多元统计分析和地统计分析对污染物来源进行解析，应用生态风险指数法、生物毒性不利影响指数法等对污染物进行风险评价，并提出相应的综合性治理指导意见[4]1443，鲜有研究涉及对不同深度河道底泥的对比。

晋江市九十九溪流域万亩田园风光区域为典型的工农业区域，汽车配件、陶瓷、建材等相关产业逐年发展。区域内主要水系有九十九溪干流、潘湖支流、九十九溪老河道及沿江支流，其中，潘湖支流为新开挖河道，原九十九溪干流均沿九十九溪老河道流出。由于河道周边产业类型及比例不同，受环境影响的时间不同，宜进行不同深度底泥污染特征分析与风险评价。

本研究选取九十九溪干流、潘湖支流、九十九溪老河道及沿江支流4条主要河道23处不同河段的底泥作为研究对象，分3层采集底泥样品，重点研究不同深度底泥的污染特征及其对河流环境质量时空变化的反映情况、污染来源和相应的风险评价，全面深入分析该区域的河流污染空间分布情况，探讨有效的治理策略，为后续底泥污染综合防治和处置提供科学依据。

1 采样方法

1.1 研究区概况

九十九溪流域地处福建省东南沿海的南安市与晋江市境内，是晋江市的主要河流。流域在晋江市境内长27 km，流域面积为137 km2，主河道平均坡降为0.16%[5]。流域上游属中低山地，中下游地势低洼平坦，沟渠纵横交错，河网密集。流域位于南亚热带海洋性季风气候区，多年平均蒸发量为1 997.1 mm，年降水量为1 000～1 400 mm[6]。

研究区域为九十九溪流域下游的万亩田园风光区域，该区域以农业工业用地为主，总占地面积约7.2 km2，研究河道为九十九溪干流、九十九溪老河道、沿江支流及潘湖支流，长度分别为4.37、2.02、2.43、1.47 km。

1.2 样品采集

于2019年8月共采集23处河道底泥。河道底泥采集采用均匀布点法，每个采样点间距为300～500 m(采样点位置见图1)。底泥采集采用人工方式进行，在风浪较小、环境条件较好的河段中心位置，采用抓斗式采泥器进行采样。每个采样点根据淤泥厚度，分上、中、下3层(分别记为A、B、C层)采集底泥样品(A层0.1～0.2 m，B层0.2～0.5 m，C层0.5～1.0 m)。采集的底泥样品置于1 L的聚乙烯袋中密封，装于泡沫盒中，检测前冷冻干燥保存。

图1 采样点分布Fig.1 Distribution of sampling sites

1.3 样品测定

检测指标主要包括：pH、Cd、Hg、As、Pb、Cr、Cu、Ni、Zn、TN、TP共11项。检测方法参照《城市污水处理厂污泥检测方法》(CJ/T 221—2005)和《土壤检测》(NY/T 1121.2—2006)。

2 评价方法

2.1 污染程度评价

2.1.1 重金属污染程度评价

采用地累积指数(Igeo)进行重金属污染程度评价，地累积指数是评价底泥中重金属污染的常用参数，不仅考虑了自然地质过程造成的背景值影响，也充分注意了人为活动对重金属污染的影响[7]。本研究以福建省自然土壤背景值作为污染评价参考值：Cd(0.054 mg/kg)、Hg(0.081 mg/kg)、As(5.78 mg/kg)、Pb(34.9 mg/kg)、Cr(41.3 mg/kg)、Cu(21.6 mg/kg)、Ni(13.5 mg/kg)、Zn(82.7 mg/kg)[8]70。

单一重金属的污染程度分级为：≤0，无污染；>0～1，轻污染；>1～2，偏中度污染；>2～3，中度污染；>3～4，偏重度污染；>4～5，重度污染；>5，极重度污染。

2.1.2 营养盐污染程度评价

鉴于目前中国尚没有专门针对底泥营养盐污染程度的评价方法，本研究参考文献[9]，采用内梅罗综合污染指数法对底泥中氮、磷的污染程度进行评价，评价标准值参考《中新天津生态城污染水体沉积物修复限值》(DB12/ 499—2013)中河道底泥营养盐管理目标值(TN为1 500 mg/kg、TP为400 mg/kg)。

2.2 风险评价

2.2.1 潜在生态风险评价

重金属潜在生态风险指数(RI)综合考虑重金属含量、毒性水平、水体对金属的敏感性及多元素协同作用等，综合评估多种重金属对底泥的潜在生态危险程度[10]，计算方法见式(1)。

(1)

根据重金属潜在生态风险指数，潜在生态风险评价分级为：≤55，低风险；>55～110，中风险；>110～220，高风险；>220，极高风险。

2.2.2 生物毒性不利影响评价

采用生物毒性不利影响综合评价河道底泥中多种重金属的混合生物效应[4]1444，计算方法见式(2)。

(2)

式中：n为底泥中重金属的种类数；Q为平均可能影响浓度商；PECi为底泥中重金属i的可能效应浓度，mg/kg，取Cd 4.98 mg/kg、Hg 1.06 mg/kg、As 33 mg/kg、Pb 128 mg/kg、Cr 111 mg/kg、Cu 149 mg/kg、Ni 486 mg/kg、Zn 459 mg/kg[4]1445。

根据平均可能影响浓度商，将生物毒性分为4个等级[4]1445：≤0.1，产生生物毒性效应的可能性<14%；>0.1～1.0，15%<产生生物毒性效应的可能性≤29%；>1.0～5.0，33%<产生生物毒性效应的可能性≤58%；>5.0，75%<产生生物毒性效应的可能性≤81%。

3 结果与讨论

3.1 底泥pH变化特征

河道底泥pH检测结果见图2，呈弱碱性，与福建省泉州市耕地土壤pH(5.46)差异较大[11]，可能原因为耕地长期施化肥，导致耕地土壤酸化，而研究区域河道周边分布较多汽修厂，排放碱性含油废水[12]47，长期积累导致河道底泥pH较耕地土壤高。

图2 河道底泥pH分布Fig.2 Distribution of pH of river sediment

3.2 河道底泥污染物特征分析

与福建省自然土壤背景值[8]70相比，研究区域河道底泥中绝大部分重金属含量超标，存在不同程度的污染。其中，Cd为中度、偏重度污染，Zn为偏中度污染，Hg、Pb、Cr、Cu、Ni为轻度污染，仅As不存在污染现象。重金属含量偏高主要是受周边工业废水、生活污水、农业生产废水的影响，重金属随悬浮物沉降进入底泥，造成其含量较自然土壤背景值偏高[13]1876。

同时，研究区域内不同河道不同深度的底泥重金属污染程度不同。其中，沿江支流、九十九溪老河道和潘湖支流由于位于下游，上游陶瓷厂等工业废水中富含的重金属[12]47富集沉积，致使这3条河道污染较九十九溪干流严重。此外，潘湖支流为近年新开挖河道，原先上游河水均从九十九溪干流流至九十九溪老河道再流出，因此九十九溪老河道底泥B层部分重金属地累积指数较高，污染较表层和底层严重，与其他河道重金属含量随底泥深度增加而降低的大趋势不同(见表1)。

表1 河道底泥重金属地累积指数

此外，研究区域内河道底泥中TN、TP含量均明显高于河道底泥营养盐管理目标值，呈重度污染态势(见图3)，应通过工程措施及时控制营养盐含量。内梅罗综合污染指数在A层和B层中的数值较为接近，但明显高于C层，表明从B层沉积期开始，区域内一直持续存在稳定的营养盐汇入污染。对比不同河道C层底泥的内梅罗综合污染指数发现，九十九溪干流和潘湖支流深层底泥均已严重污染，结合河道环境条件，推测九十九溪干流受营养盐污染时间久远，而潘湖支流开挖前该区域土壤已受营养盐污染。

图3 河道底泥营养盐内梅罗综合污染指数Fig.3 Nemerow comprehensive pollution index of nutrients in river sediment

造成4条河道底泥营养盐污染程度不同的原因主要为周边用地类型随时空变化明显。九十九溪干流和潘湖支流的北侧均为居住区，用地面积随时间推移而扩张，但沿河硬质化的驳岸和排口致使城镇点源、面源污染直接汇入河道，因而底泥中营养盐逐年富集，污染愈发严重。而沿江支流和九十九溪老河道周边则以农田为主，河道两岸存在50 m以上的植被缓冲带，可削减部分农业面源污染，减少对河道造成的污染。

3.3 河道底泥重金属污染源相关性分析

采用聚类分析[14]对底泥重金属来源进行分析，标准化处理重金属含量，去除异常值后运用层次聚类法绘制得到树状图(见图4)。根据聚类距离将底泥重金属归为两大类，其中Cu、Zn、Cd、Hg、Pb属于Ⅰ类，As、Cr、Ni为Ⅱ类。Ⅰ类又可具体分为3类：Ⅰ1类(Cu和Zn)、Ⅰ2类(Cd)、Ⅰ3类(Hg和Pb)；Ⅱ类又可具体分为2类：Ⅱ1类(As和Cr)、Ⅱ2类(Ni)。

图4 8种重金属聚类分析树状图Fig.4 Dendrogram results of the hierarchical cluster analysis of eight heavy metals

通过主成分分析，识别底泥中重金属来源[15]。利用KMO检验和巴特利球度检验(KMO=0.822>0.7，P<0.05)，发现8种重金属间相关性较强，适合进行主成分分析。采用Kaiser标准化的正交旋转法提取因子，利用最大方差法对因子载荷矩阵进行正交旋转(结果见表2)。主成分分析法提取出2个主成分，共解释72.69%的方差。

表2 8种重金属主成分分析结果

第1主成分贡献率为38.86%，Cd、Hg、Pb、Cu、Zn的因子载荷较高，聚类为Ⅰ类。相关研究证明，Cd、Hg、Pb、Cu、Zn主要受人类活动影响，由人类活动产生而进入河道底泥中[16]：Ⅰ1类主要源于汽车制造业，Zn是汽车轮胎生产过程中的重要添加剂，具有润滑、抗氧化和清洁作用；Cu来自车辆散热器和车辆制动系统。Ⅰ2类源于农业，Cd是农业复合肥磷肥中的重要成分，可以作为农业活动的标识元素。Ⅰ3类主要源于燃煤排放，Hg和Pb可通过燃煤排放产生，并在大气中具有较强的稳定性和移动性，通过大气干湿沉降进入河道底泥中。

结合地累积指数分析，区域污染最为严重的是Cd和Zn，推测污染源主要为周边大面积农田施用的化肥/农药和沿河分布的汽修厂汽车轮胎维修保养产生的废液。而现状汽修厂规模较小，业务以维修为主，因此同源于汽车制造业的Cu却属于轻度污染。此外，河道上游陶瓷厂、水泥厂数量较少，煤炭使用量较低，致使Hg、Pb属于轻度污染。

第2主成分贡献率为33.83%，As、Cr、Ni的因子载荷较高，聚类为Ⅱ类。相关研究证明[17]，Cr和Ni主要源于成土母质，受人为影响较小，仅九十九溪老河道和潘湖支流的部分中下层底泥中Cr和Ni含量略微超过自然土壤背景值，处于轻度污染状态，因此推测除了自然来源外，还受周边工业污染影响[13]1880。河道底泥中As整体呈无污染状态，由于As变异系数较低，因此推测底泥中的As主要来源于成土母质。

3.4 河道底泥重金属风险评价

3.4.1 潜在生态风险评价结果

九十九溪流域河道底泥中重金属的潜在生态风险评价结果见图5。九十九溪干流和沿江支流各层底泥的重金属潜在生态风险指数均小于55，表明这两条河道的重金属综合生态风险为低风险，重金属不易从底泥中释放，对河道的生态危害较小[18]。九十九溪老河道底泥B层的重金属潜在生态风险指数高于110，A层和C层的重金属潜在生态风险指数介于55～110，表示九十九溪老河道底泥中重金属总体处于中风险水平，应重视该河道的底泥处理，特别是0.2～0.5 m深的底泥处理，可选用生态清淤的方式将深度小于1.0 m(C层及以上)的底泥从河道中移除，从而减轻污染底泥中重金属对水生生物的生态影响[19]。潘湖支流底泥中A层和B层的重金属潜在生态风险指数大于55，同处于中风险水平，但C层总体属于低风险，应通过生态清淤的方式清除深度小于0.5 m(B层及以上)的底泥，减轻重金属释放的潜在风险。

图5 潜在生态风险评价结果Fig.5 Potential ecological risk assessment result

3.4.2 生物毒性不利影响评价结果

九十九溪流域4条河道底泥的平均可能影响浓度商均处于0.1～0.5(见图6)，表明由于个别重金属(Zn和Pb)污染，区域河道底泥对底栖动物产生生物毒性效应的可能性为15%～29%。此外，平均可能影响浓度商基本随底泥深度的增加而降低，可见底泥中重金属的生物毒性不利影响主要发生在近几年。因此，建议严格管控河道周边工业废水废气的排放，特别是汽修汽配厂和建材厂，以减轻Zn、Pb等重金属对河道底栖动物的危害。

4 结论与建议

(1) 通过对晋江市九十九溪流域万亩田园风光区域4条主要河道23处河道底泥进行分层检测，发现河道底泥偏碱性，与沿河分布汽修厂有较大关系。

(2) 与福建省自然土壤背景值相比，河道底泥中绝大部分重金属含量超标，存在不同程度的污染，其中Cd为中度、偏重度污染，Zn为偏中度污染，Hg、Pb、Cr、Cu、Ni为轻度污染，仅As不存在污染现象。受周边工业分布情况影响，不同河道不同深度的重金属污染程度不同。其中，沿江支流、九十九溪老河道和潘湖支流底泥中重金属污染较严重。同时，重金属含量基本随底泥深度的增加而降低，仅九十九溪老河道因不同时期汇入水量不同，导致中层底泥重金属污染比表层和底层严重。此外，底泥TN、TP含量均明显高于河道底泥营养盐管理目标值，全部呈重度污染的态势，应通过工程措施及时控制营养盐含量。

(3) 河道底泥中重金属主要来自两类：人类活动汇入和自然成土母质发育。其中，Cu和Zn主要源于河道周边的汽修厂；Hg和Pb主要源于上游零星陶瓷厂、水泥厂的燃煤排放；Cd主要源于周边农业施用的化肥农药；Cr和Ni主要受成土母质以及周边工业生产活动影响；As则主要源于成土母质。

(4) 河道底泥重金属风险评价结果显示，九十九溪干流和沿江支流的底泥重金属综合生态风险为低风险，重金属不易从底泥中释放，生态危害较小；九十九溪老河道和潘湖支流的底泥则总体处于中风险，应重视底泥处理，可选用生态清淤的方式进行处理，九十九溪老河道清理深度小于1.0 m的底泥，潘湖支流清理深度小于0.5 m的底泥，以减轻底泥中重金属释放对河道水生态的影响。此外，4条河道底泥受Zn、Pb等重金属污染，对底栖动物产生生物毒性效应的可能性为15%～29%。为防止河道底泥重金属继续富集累积，加剧对底栖动物的危害，建议加强管控河道周边工农业废水废气的排放，严格控制污染入河。