苏州河底泥典型重金属空间分布及环境风险评价

2021-10-12张艳欣李任政刘莎莎

中国资源综合利用 2021年9期

张艳欣，李任政，刘莎莎

（1.上海清宁环境规划设计有限公司；2.上海市岩土地质研究院有限公司，上海 200050；3.河南朗天环保科技有限公司，郑州 450000）

自《水污染防治行动计划》发布以来，黑臭河道整治成为一项重要的民生工程。底泥疏浚在清除黑臭河道内源污染中发挥着重要作用，疏浚后底泥还田造成重金属污染农田时有发生，因此查明重金属污染是河道整治的重中之重。关于底泥中重金属污染，目前已开展较多研究。单丽丽等[1]研究了长江下游市政、港口、矿业和工业等沉积物中Cu、Zn、Cd、Pb和Cr的污染特性；王莉君等[2]研究了南京城区黑臭底泥中Cu、Zn、Ni、Pb和Cr等污染；郝达平[3]研究了白马湖底泥中Cu、Zn、Cd和Pb等的污染特征，但多数研究关注Cu、Zn、Ni、Cd、Pb和Cr中的4～5种重金属，对毒性更大的Hg和As探究较少。本文以上海母亲河——苏州河为例，研究底泥中8种典型重金属的空间分布规律和环境风险，为河道环境整治和底泥资源化利用提供理论支撑。

1 方法

1.1 样品采集

结合污染物沉积特征和工农业分布特征等因素，在河道弯曲处、支流汇合处等位置布设32个断面，每个断面设置2～3个采样点，共布设84个采样点。为研究垂向分布规律，各采样点取0.6～2.5 m柱状样，以0.2 m为间隔分2～13层进行连续取样，共采集402个样品。采样断面情况如图1所示。

图1 采样断面

1.2 分析方法

利用电感耦合等离子体发射光谱仪测定Pb、Ni、Cu、Zn和Cr；利用原子吸收光谱法测定Cd；As和Hg的测定则利用原子荧光分光光度计。利用OriginPro 9.1软件进行作图。

1.3 评价方法

重金属污染评价基于沉积学原理提出了多种方法，分别为地累积指数法（Igeo）、潜在生态污染指数（RI）法和污染负荷指数（IPL）法等[1]。其中，地累积指数法客观地反映重金属污染状况，侧重评价单项重金属污染；潜在生态危害指数法反映重金属单项和综合潜在生态危害程度，引入生物有效性，但毒性响应因子比较主观。两种方法侧重点不同，因此需要互相补充和借鉴，其评价分级如表1所示。地累积指数和潜在生态污染指数的计算公式分别为：

表1 评价分级

式中：Ci为元素i的实测值，mg/kg；为现代工业化前沉积物中重金属的最高背景值，mg/kg；为元素i的单因子潜在生态风险系数；为元素i的毒性响应因子，元素Zn、Cr、Ni、Cu、Pb、As、Cd和Hg的毒性响应因子分别为1、2、5、5、5、10、30和40；为元素i的污染指数。

2 结果与分析

2.1 沿程分布规律

为客观反映沿程分布情况，采用断面上重金属均值绘制沿程变化图，如图2所示。图2中，8种典型重金属沿程变化较为相似，表现为22 km前出现较大幅度波动，22 km后上升，一方面是因为22 km后的河段为市区段，受工业影响较大；另一方面是受现场条件限制，该河段仅采集2～4层样品，用于计算均值的样本量相对较少。

图2 沿程分布

2.2 垂向变化趋势

为研究垂向分布情况，采用不同深度重金属均值绘制垂向变化图，如图3所示。

图3中，8种典型重金属在垂向上分布较为相似。0～0.5 m内，均值较低，波动较小；0.5～2.1 m内，均值较高，且呈上升趋势；2.1～2.5 m内，均值较低，波动较大。这种现象表明，经过前三期环境综合整治，苏州河污染源得到控制，但0～0.5 m重金属累积效应明显，切断污染源后，该层与上覆水交互比较密切，稀释作用较大，致使该层浓度较低；0.5～2.1 m较0～0.5 m与上覆水的交互作用弱，而较2.1～2.5 m强，因此，该层浓度较高；2.1～2.5 m内，重金属与上覆水交互作用较弱，但累积效应亦较弱，造成该层浓度较低。

图3 垂向分布

2.3 环境风险评价

考虑区域特点，背景值采用《中国土壤元素背景值》中上海市C层算术均值来计算地累积指数和潜在生态风险指数，如表2所示。

表2中，As、Cr和Pb的地累积指数均小于0，为无污染；Ni分布在小于0和0～1，为无污染和无-中污染；Cu、Zn和Cd分布在小于0、0～1和1～2，分别为无污染、无-中污染和中污染，中污染区域位于市区段；Hg分布在0～1、1～2、2～3和3～4，分别为无-中污染、中污染、中-强污染和强污染，中污染和中-强污染区域分别位于10 km以后河段和市区段。Cu、Zn、Cd和Hg的中污染及其以上污染程度区域多靠近市区段，说明工农业混合区较农业区污染严重。

表2 地累积指数和潜在生态风险指数

As、Cr、Cu、Zn、Ni和Pb的单因子潜在生态风险系数均值均小于40，为低风险；而Cd和Hg的均值分别为44.86和193.78，为中风险和很强风险。综合潜在生态风险指数对应的生态风险程度分别为低、中、强和很强风险，多数河段为中风险；RI均值表明，重金属污染程度为中风险。

为研究两种评价方法的异同，对其均值进行污染评级。结果表明，用地累积指数法评价时，Hg为中污染，Cu、Zn为无-中污染，其余重金属为无污染，污染程度为Hg＞Cu＞Zn＞Ni＞Cd＞Cr＞Pb＞As；用潜在生态危害指数法评价时，Hg为很强风险，Cd为中风险，其余重金属为低风险，污染程度为Hg＞Cd＞Cu＞As＞Ni＞Pb＞Cr＞Zn。两种评价方法存在较大差异，可能是地累积指数法主要考虑累积效应，而潜在生态危害指数法还引入了生物有效性。As、Cd和Zn排序也存在较大差异，是因为As、Cd的毒性响应因子较大、背景值较小，而Zn则相反。经比较可知，潜在生态风险指数法因考虑生物有效性，更适合为人类健康生活提供科学参照，但该方法毒性响应因子较为主观，因此需要与地累积指数法对比使用。两种评价方法中Hg的环境风险均为最严重，它是苏州河最主要的污染因子。