黑臭河道底泥重金属污染特征及生态风险评价

罗坤　吴从林　孙凌凯

摘要：为了解平原河网地区河道沉积物中重金属的污染特征，选取江阴市城区10条非黑臭河道和17条黑臭河道作为研究对象，分析河道表层沉积物中Cu、Cr、Ni、Zn、Pb、Cd、As、Hg等8种重金属的分布特征，并对其来源及生态风险进行评价。评价结果表明：①江阴市城区黑臭河道与非黑臭河道沉积物中重金属均超过其背景值，已表现出明显的富集累积趋势，但各重金属浓度在黑臭河道与非黑臭河道中没有显著差异（p>0.05）。②相关性分析及主成分分析表明，沉积物中多数重金属元素来源具有一定的相似性，主要受到工业污染、农田面源污染、交通污染和自然地质作用的影响。③潜在生态风险系数评价结果显示，各重金属的潜在生态风险顺序

在黑臭河道中为Hg>Cd>Pb>As>Ni>Cu>Zn>Cr，在非黑臭河道中为Hg>Cd>Cu>As>Pb>Ni>Zn>Cr，

其中Hg和Cd对潜在生态风险指数的贡献最大，在黑臭河道与非黑臭河道中的贡献占比均超过60%。8种重金属潜在生态风险指数介于53.1～961.5，总体处于低或中等生态风险水平，但局部河段具有高生态风险。

关键词：重金属污染; 污染源解析; 生态风险评价; 平原河网城市; 江阴市

中图法分类号： X53

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.10.007

0引 言

城市的扩张和人类活动的不断加强导致大量污染物排放到河流并沉积到底泥中，对城市水生态系统和人类健康构成严重威胁。底泥中重金属由于其潜在的生物毒性和环境持久性，越来越受到人们关注[1-2]。研究表明，经过工农业废水排放、大气沉降及雨水径流进入水体中的重金属污染物，通过水体沉积物的形式在底泥中富集，不仅难以被微生物分解，且会随着水体环境的变化被释放进入水体，最终通过食物链的富集作用威胁人类健康[3]。王云等指出，进入环境中的重金属，尤其是Cd、As、Pb和Hg等会通过食物链进入人体，对人体产生严重危害，如生殖毒性、免疫毒性、内分泌干扰作用等[4]。

目前，国内外关于底泥重金属的研究主要集中在污染源解析、污染分布特征、风险评价及重金属迁移转化等方面[5]。例如，为全面了解底泥重金属污染程度，德国、英国、日本和瑞典等国研究者从沉积物角度提出了多种重金属的评价方法，包括地累积指数评价法、潜在生态风险评价法、污染负荷指数法等，并广泛用于河湖底泥重金属污染状况评价[6-8]。中国研究人员除了对重金属污染的生态风险进行评价以外，还采用多元统计分析对重金属来源进行解析，通过分析底泥中重金属变量之间的相关关系判断污染的主要来源路径。例如，易雨君等采用潜在生态风险指数法对长江中下游及湖泊底泥重金属污染进行了评价，并采用相关分析和主成分分析对重金属的污染来源进行了分析[5];贾英等采用地累积指数和潜在生态风险指数评估了上海市河流沉积物中重金属污染级别和潜在生态风险，并指出上海市河流沉积物中重金属主要来源于工业废水、交通污染和农药等[3];杨强等对钱塘江沉积物中重金属污染源的解析和生态风险评价表明重金属主要来源于工业生产，且表现出强生态风险[9]。

虽然国内外众多学者对河流、湖泊沉积物中重金属污染状况做了大量研究，但鲜有针对城区黑臭河道底泥重金属污染特征进行分析[10]。江阴市位于长江三角洲太湖平原北缘，是中国工业百强县第一。然而，随着经济的快速发展和城市现代化的快速建设，江阴市城区水系受到严重污染，出现多条黑臭水体。本文选取江阴市城区27条主要河段作为研究对象，对其底泥中重金属的分布特征和来源进行分析，并采用地累积指数法和潜在生态风险指数法对底泥重金属污染风险进行全面评价，以期为平原城市黑臭河道治理、重金属污染防治及底泥处置生态风险管理提供科学依据。

1研究区域概况

江阴市位于长江三角洲太湖平原北缘，北枕长江，南近太湖，东接常熟、张家港，西连常州，地处苏锡常“金三角”几何中心，平均气温15.8 ℃，平均降水量1 098.3 mm。与周边城市相比，江阴市产业结构以传统制造业为主，包括装备制造业、纺织服装业、黑色金属冶炼和压延加工业、石化行业和化学纤维制造业，能耗高、污染排放总量大，对城区河道水体造成严重污染。

2样品采集与检测

2.1样品采集与处理

本次沉积物样品采自江阴市城区10条非黑臭河道和17条黑臭河道，其中10条非黑臭河道采样点13个，17条非黑臭河道采样点24个（见图1）。采用抓斗式采样器采集表层沉积物样品（0～10 cm），并将采集的样品用聚乙烯密封袋包裝后立刻带回实验室。经常温风干后去除砾石颗粒、塑料和动植物残体等杂物，用玛瑙研钵研磨后过100目筛，装入聚乙烯密封袋中，在冰箱内-4 ℃密封保存，以供检测。

2.2样品测试

底泥样品消解：准确称取0.100 0 g（精确到0.000 1 g）经初步处理后的沉积物样品放入消解管中，加入15 mL盐酸和5 mL硝酸，在电热板180 ℃加热至约1～2 mL，再加入5 mL硝酸和5 mL高氯酸，在220 ℃加热至接近烧干时，继续升温到240 ℃，直至高氯酸冒烟冒尽并接近烧干，冷却后加入1 mL 1∶1硝酸，定容至50 mL，摇匀备测。

对沉积物样品中As、Hg和Pb含量采用原子荧光分光光度计（AFS-230E）测定，对Cu、Zn、Ni、Cr和Cd含量采用AA370MC型火焰原子吸收分光光度法测定[11]。在重金属的分析过程中，采用沉积物标准样品进行过程质量控制，实验过程中，每个样品设置2个平行样，平行样分析误差< 5%，结果取测量平均值。

2.3数据分析

采用Microsoft Excel 2010、Origin 8.0、IBM SPSS 20.0等统计分析软件进行数据处理、图形制作及方差分析、相关性分析和因子分析。

3评价方法

潜在生态风险指数法是一种基于底泥重金属元素特性和环境行为，用于评价沉积物重金属生态危害的方法[3]。该方法不仅反映了多种重金属污染物的综合影响，也能定量划分潜在生态风险的程度，被广泛用于沉积物重金属污染质量评价。其计算公式如下：

4结果与讨论

4.1重金属含量与分布

江阴市城区黑臭河道与非黑臭河道沉积物中8种重金属含量统计结果列于表2。在黑臭河道内，沉积物中8种重金属的浓度均值介于0.179～246.300 mg/kg之间，平均浓度由高到低依次为Zn>Pb>Cr>Ni>Cu>As>Cd>Hg，且除Cr和Hg以外均超过背景值。其中，平均浓度最高的是Zn和Pb，分别为246.300 mg/kg和89.300 mg/kg，平均浓度最低的是Cd 和Hg，分别为0.245 mg/kg和0.179 mg/kg。在非黑臭河道内，沉积物中8种重金属的浓度均值介于0.370～277.200 mg/kg之间，平均浓度由高到低依次为Zn>Cu>Cr>Pb>Ni>As>Hg>Cd，且均超过背景值。其中，平均浓度最高的是Zn和Cu，分别为277.200 mg/kg和169.000 mg/kg，平均浓度最低的也是Hg和Cd，分别为0.448 mg/kg和0.370 mg/kg。方差分析结果表明：黑臭河道与非黑臭河道内沉积物中8种重金属含量均没有显著差异。因此，江阴市城区河道沉积物中重金属含量与分布不受河道黑臭的影响。同时，黑臭河道与非黑臭河道沉积物中重金属均超过其背景值，表明江阴市城区河道沉积物重金属已表现出明显的富集累积趋势。

4.2沉积物中重金属来源分析

表3为河道沉积物中8种重金属的Pearson相关系数。由表3可以看出：除了Ni与Pb、Ni与Hg之间不存在显著相关性（p>0.05），其余各重金属元素之间均具有显著相关性（p<0.05），表明江阴市城区黑臭河道与非黑臭河道沉积物中多数重金属元素来源具有一定的相似性。

为进一步分析江阴市城区河道沉积物中重金属的污染来源，采用主成分分析法对污染源进行解析。根据主成分分析结果（见表4），江阴市城区河道沉积物中8种重金属主要由2个主成分F1和F2表达，分别可以解释总方差的52.409%和20.930%，累积方差解释率达73.340%。从表4可以看出，Ni、Cr、Cu、Cd、As、Zn在第一个主成分中具有较高的载荷，表明这6种重金属元素可能来自同一个污染源。其中，Zn、Cu、Cr和Ni含量较高，表明受工业污染比较严重[3];Cd一般可作为使用农药和化肥等农业活动的标识元素[13-14];As 主要存在于农药和工农业废水中[15]，因此，第一个主成分代表工业污染和农田面源污染。Pb在第二个主成分中具有较高的载荷。根据廖启华等对江苏省土壤重金属污染来源分析结果，江苏省境内Pb含量受工业化、城市化及自然地质作用等多种因素影响[12]。同时，Pb也是机动车污染源的标识元素[16]。对江阴市城区500多家工业企业的调查结果显示，江阴市城区工业企业中没有废水Pb和废气Pb的产生和排放，可以排除工业活动对河道沉积物中Pb的贡献。因此，沉积物中Pb含量超标可能来源于城区交通污染和自然地质作用。为更准确地识别沉积物中重金属的污染源，未来的研究将采用同位素示踪进行源解析。

4.3沉积物中重金属污染生态风险评价

江阴城区河道表层沉积物中重金属生态风险评价统计分析结果分别如表5和表6所列。在黑臭河道点位中，Cd的Er值在11.2～162.0之间，平均值为51.5，其中16.67%的点位超过了80，达到较高生态风险水平;Hg的Er值在19.7～127.2之间，平均值为46.0，其中12.5%的点位超过了80，达到较高生态风险水平，生态风险程度仅次于Cd;其余各重金属基本处于低生态风险水平，仅在局部点位存在较高生态风险。在非黑臭河道点位中，Hg、Cd和Cu属于生态风险较高的重金属元素。其中，Hg的Er值在16.6～447.2之间，平均值为87.9，其中23.1%的点位大于80，有较高生态风险，7.69%的点位大于320，有极高生态风险;Cd的Er值在12.8～117.1之间，平均值为55.7;Cu的Er值在2.88～359.30之间，平均值为54.40，且有7.69%的点位达到极高生态风险水平。虽然Hg和Cd在沉积物中的浓度较低，但却是江阴市城区河道主要风险污染物，这与贾英等[3]对上海市河道沉积物重金属污染特征的研究结果类似。

从表5和表6可以看出：黑臭河道沉积物中8种重金属RI介于53.1～961.5之间，平均值为197.8，其中62.50%的点位处于低风险，29.20%的点位处于中等或较高生态风险，仅8.33%的点位具有高生态风险;非黑臭河道中RI介于63.8～611.2，平均值为239.7，其中76.80%的点位处于中等或低生态风险，仅7.69%的点位具有高生态风险。因此，江阴市城区河道沉积物中8种重金属潜在生态风险总体处于低或中等水平，仅局部河段具有高生态风险。此外，方差分析的结果显示，黑臭河道与非黑臭河道沉积物潜在生态风险没有显著差异（p>0.05）。

图2为黑臭河道与非黑臭河道表层沉积物中不同重金属对潜在生态风险指数的贡献程度。在黑臭河道中，Cd和Hg对潜在生态风险指数的平均贡献分别达到29.64%和29.66%，而其余6种重金属对潜在生态风险指数的平均贡献仅约40%，各重金属的潜在生态风险从高到低依次为 Hg>Cd>Pb>As>Ni>Cu>Zn>Cr。在非黑臭河道中，Cd和Hg对潜在生态风险指数平均贡献超過60%，各重金属的潜在生态风险从高到低依次为Hg>Cd>Cu>As>Pb>Ni>Zn>Cr。

5结 论

（1） 江陰市城区黑臭河道与非黑臭河道沉积物中Cu、Cr、Ni、Zn、Pb、Cd、As、Hg 含量均没有显著差异，表明河道沉积物中重金属含量与分布不受河道黑臭的影响。同时，黑臭河道与非黑臭河道沉积物中重金属均超过其背景值，已表现出明显的富集累积趋势。

（2） 黑臭河道与非黑臭河道沉积物中多数重金属元素来源具有一定的相似性，其中，Ni、Cr、Cu、Cd、As、Zn可能主要来源于工业污染和农田面源污染，Pb可能主要受到城区交通污染和自然地质作用影响。

（3） 8种重金属在江阴城区黑臭河道沉积物中潜在生态风险从高到低依次为Hg>Cd>Pb>As>Ni>Cu>Zn>Cr，在非黑臭河道沉积物中潜在生态风险从高到低依次为Hg>Cd>Cu>As>Pb>Ni>Zn>Cr，Hg和Cd在黑臭河道与非黑臭河道中对潜在生态风险指数的贡献最大，均达到约60%。因此，虽然沉积物中Hg和Cd的浓度较低，但却是江阴市城区河道主要风险污染物。

（4） 对8种重金属潜在生态风险指数（RI）分析表明，江阴市城区河道沉积物中8种重金属潜在生态风险总体处于低或中等水平，但局部河段具有高生态风险。

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（编辑：刘 媛）

Abstract：In order to understand the pollution characteristics of heavy metals in surface sediments of plain river network city，the distributions characteristics of 8 heavy metals including Cu，Cr，Ni，Zn，Pb，Cd，As and Hg in sediment from 17 black-odor rivers and 10 non black-odor rivers in Jiangyin City were analyzed，and the potential ecological risks of each heavy metals were evaluated.The results showed that：① the concentrations of 8 metals in the sediment of both black-odor rivers and non black-odor rivers were higher than background sediments of Jiangsu Province，which showed an obvious trend of enrichment and accumulation，but the concentrations of 8 metals in the sediment of black-odor rivers and non black-odor rivers had no significant differences（p>0.05）.② The results of correlation analysis and principal component analysis indicated that the source of most heavy metals in sediments were similar，mainly affected by industrial wastewater，agricultural non-point source，vehicle pollution and some natural geological processes.③ The potential ecological risk of 8 heavy metals in surface sediments in black-odor rivers and non black-odor rivers were in the following order：Hg>Cd>Pb>Ni>Cu>As>Zn>Cr and Hg>Cd>Cu>As>Pb>Ni>Zn>Cr，with Hg and Cd contributing the most to the total potential ecological risk，accounting for more than 60% of both black-odor and non black-odor rivers.The potential ecological risk indices（RI）of 8 heavy metals at all sampling sites were from 53.1 to 961.5，in a low or medium potential ecological risk，but local reaches had high ecological risk.

Key words：heavy metal pollution;pollution source identification;ecological risk assessment;plain river network area;Jiangyin City