渭河陕西段沉积物中重金属污染综合评价

黄悦 张风宝 杨明义 李玄添

摘 要：为分析渭河陕西段沉积物中重金属的污染程度，对沉积物中10种重金属元素Pb、Zn、Cr、Cu、Co、Ni、Cd、As、Sb、Mn的含量进行分析，采用地累积指数、富集系数、污染负荷指数、内梅罗综合污染指数及潜在生态风险指数对沉积物中重金属污染进行综合评价，结果表明：2015年沉积物中除Cr外其他9种重金属均高出陕西土壤背景值1.49%～91.49%，Cd高出最多;2016年只有Pb、Cu、Co、Cd、Mn分别高出陕西土壤背景值6.21%、2.10%、7.92%、17.02%、4.41%，除Cr、Cd外重金属含量年际之间差异均不显著;10种重金属的污染程度及潜在生态风险整体较低，其中Cd及清姜河、灞河断面污染最严重，应加强对渭河周边农业及交通污染的防控，同时密切关注城市生活污水处理及入渭支流对干流的污染输入影响。

关键词：沉积物;污染评价;重金属;渭河陕西段

中图分类号：X522;TV211.1+1   文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.12.016

引用格式：黄悦，张风宝，杨明义，等.渭河陕西段沉积物中重金属污染综合评价[J].人民黄河，2021，43（12）：80-85，99.

Abstract： In order to analyze the pollution degree of heavy metals in the sediments of the Shaanxi section of the Weihe River， the contents of 10 heavy metal elements Pb， Zn， Cr， Cu， Co， Ni， Cd， As， Sb and Mn in the sediments were analyzed by using the geoaccumulation index， enrichment coefficient， pollution load index， Nemero comprehensive pollution index and potential ecological risk index for comprehensive evaluation of heavy metal pollution in sediments. The results show that in 2015， except for Cr， the other 9 heavy metals in the sediments are all higher than Shaanxi soil background values of from 1.49% to 91.49% and Cd is the highest; in 2016， only Pb， Cu， Co， Cd and Mn are higher than that the background values of 6.21%， 2.10%， 7.92%， 17.02% and 4.41%. Except for Cr and Cd， the inter-annual differences in heavy metal content are not significant. The pollution levels and potential ecological risks of the 10 heavy metals are generally lower， and the 17 sampling sites are medium in general. Among them， Cd， Qingjiang River and Bahe River are the mostly polluted. The prevention and control of agricultural and traffic pollution around the Weihe River should be strengthened and pay close attention to the urban domestic sewage treatment and the input of pollution from the tributaries to the main river.

Key words： sediment; pollution assessment; heavy metals; Shaanxi section of the Weihe River

重金屬污染因其生物累积能力强、环境持久性、隐蔽性、高毒性而引起了人们的极大关注[1]。近年来，经济和工业的迅猛发展，工业生产、冶金和采矿等活动正在改变重金属元素的生物地球化学循环过程，加剧了环境污染，造成濒危物种数量增加和生态环境恶化等问题[2]。大量重金属通过岩石、土壤风化作用及污水排放等方式进入河流，释放到水体中的重金属与悬浮颗粒物相结合并在沉积物中不断积累，因此沉积物是河流中重金属的主要储存库[3]。一旦环境条件（气候、pH值等）发生变化，重金属会从沉积物中释放出来，造成水体二次污染，重金属还可能被水生动植物吸收，进而通过食物链进入人体[4-5]。

渭河流域是我国重要的工业基地之一，流域内拥有机械、电子、煤炭、化工等众多工业企业[6]。随着沿岸城市化与工业化的发展，大量工农业废水、生活污水、废弃物未经处理或未有效处理直接排入渭河，渭河干流78%的断面水质为劣V类，渭河污染问题日益突出，严重制约了当地经济的发展[7-8]，因此亟须解决渭河水质污染问题。有关学者以往对陕西渭河沉积物重金属污染的研究多限于部分河段（如西安段、宝鸡段、渭南段、杨凌—兴平段等）[8-11]，关于渭河陕西段的研究[12-15]因采样断面或重金属元素较少而使得相关评价不够全面。

沉积物中重金属污染评价方法的优点及适用性各不相同，其中：地累积指数法、富集系数法考虑了人类活动对环境的影响;污染负荷指数法、内梅罗综合污染指数法能较全面反映沉积物的总体质量，但没有考虑重金属的迁移特性和重金属间的生物毒性效应[16-18];潜在生态风险指数法综合考虑了重金属的毒性、迁移转化规律和评价区域对重金属污染的敏感性，可以综合反映沉积物中重金属对环境的潜在影响[17-18]。笔者综合分析了2015年、2016年汛后渭河陕西段沉积物中10种重金属的含量，并采用地累积指数法、富集系数法、污染负荷指数法、内梅罗综合污染指数法及潜在生态风险指数法对沉积物中重金属的污染程度及其潜在生态风险进行综合评价，以期为渭河陕西段沉积物中重金属的污染防治及水环境保护提供依据。

1 研究方法

渭河是黄河的最大支流，主要流经甘肃天水，以及陕西省关中平原的宝鸡、咸阳、西安、渭南等地，最后在渭南市潼关港口汇入黄河。渭河流域属于典型的大陆性季风气候区，采样以渭河陕西段为主，干流长502.4 km，入渭支流有清姜河、黑河、泾河、灞河、洛河等[15]。

1.1 样品采集及重金属含量测定

采样时间为2015年11月及2016年11月，采样点设置在渭河流经的主要城市及支流入渭口，共设置了17个采样断面（见图1），每个采样断面设置3个采样点，每个采样点采集表层10 cm的沉积物样品至少2.0 kg。样品带回实验室阴凉处自然风干3～4周，剔除样品中的可见侵入物后，使用电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）[19]测定沉积物中Pb、Zn、Cr、Cu、Co、Ni、Cd、As、Sb、Mn等10种重金属的含量。

1.2 污染评价方法

（1）地累积指数法。地累积指数法由德国学者Muller提出，其综合考虑了自然地质过程重金属背景值及人类活动对重金属污染的影响，广泛用于评价河流沉积物中重金属污染问题，地累积指数计算公式为

2 结果与讨论

2.1 重金属含量

对2015年、2016年17个采样点表层沉积物中重金属元素的含量进行描述性统计分析，得到10种重金屬元素含量的最大值、最小值、平均值、标准差等，见表5。2015年渭河陕西段沉积物中除Cr外其余9种重金属元素的平均含量均高出陕西土壤背景值1.49%～91.49%，其中Cd高出最多。2016年只有Pb、Cu、Co、Cd、Mn的平均含量高出陕西土壤背景值2.10%～17.02%，Cd高出最多。2015年、2016年Pb、Cu、Co、Cd、Mn的平均含量均超出了土壤背景值，除Cr、Cd外其他8种重金属元素的平均含量年际之间均无显著差异（显著性水平p>0.05）。除2015年Cd为高度变异外，其他重金属元素均为中低度变异[27]，说明渭河陕西段重金属含量空间变异性相对较小。

2.2 重金属污染评价

（1）地累积指数。2015年、2016年渭河陕西段表层沉积物中10种重金属整体为无污染状态，见图2。2015年Co、Ni及2016年Cr、Co、Ni、As、Sb在各断面均无污染;2015年Cd污染最严重（林家村、清姜河、虢镇桥、咸阳铁桥、草滩、灞河、耿镇桥、潼关吊桥断面为轻度污染），Pb次之（清姜河、卧龙寺桥、虢镇桥、灞河断面为轻度污染）;2016年Cd污染最严重（清姜河、草滩、灞河断面为轻度污染），其他重金属的轻度污染断面占比在12%以内，且多为清姜河、灞河断面。渭河陕西段沉积物中Cd污染最严重，且支流的污染程度高于干流，2016年重金属污染程度较2015年有所改善。

（2）富集系数。2015年除Cd为中度污染外其他9种重金属均为轻微污染，2016年除Cr、Sb为无污染外其他8种重金属均为轻微污染，见图3。2015年林家村、清姜河、虢镇桥、草滩、灞河、耿镇桥、潼关吊桥断面的Cd，卧龙寺桥、虢镇桥、灞河断面的Cu，黑河、虢镇桥断面的Mn，卧龙寺桥、灞河断面的Zn，沙王渡断面的Sb，清姜河断面的Pb，咸阳铁桥断面的As均为中度污染;2016年只有草滩、灞河断面的Cd，灞河断面的Pb为中度污染，其他断面均为无污染或轻微污染。渭河陕西段沉积物中Cd污染最严重，2016年较2015年重金属污染程度明显降低。

（3）污染负荷指数。2015年林家村、清姜河、卧龙寺桥、虢镇桥、黑河、咸阳铁桥、草滩、灞河、耿镇桥、新丰镇大桥、洛河、潼关吊桥等12个断面均为中度污染，2016年只有林家村、清姜河、常兴桥、黑河、草滩、灞河断面为中度污染，其他断面均为无污染，见图4。2015年渭河陕西段沉积物重金属总体呈中度污染状态，2016年则呈无污染状态。从空间分布来看，2015年、2016年中度污染断面均位于上中游地区。2016年各采样断面沉积物的重金属综合污染程度均明显降低，但清姜河、灞河断面的污染仍较严重。

（4）内梅罗综合污染指数。2015年渭河陕西段沉积物中Cd污染最严重，18%的断面为重污染、12%的断面为中污染;Pb、Zn、As、Sb、Mn次之，分别有12%、6%、6%、6%、6%的断面为中污染;Cu、Co、Ni、Cr污染较轻，各断面均为无污染或轻污染。2016年Pb、Cd污染较严重，均有6%的断面为中污染;Sb在各断面均为无污染;其他7种重金属污染程度较轻，各断面均为无污染或轻污染，见图5。渭河陕西段沉积物中Cd污染最严重，2016年渭河陕西段重金属污染程度大幅降低。

2015年、2016年渭河陕西段沉积物中重金属综合污染指数总体为轻污染。2015年潼关吊桥断面为中污染，清姜河、灞河断面为重污染;2016年灞河断面为中污染，其他断面为警戒线或轻污染，见图6。从空间分布来看，2015年、2016年渭河陕西段重金属污染无明显变化规律。2016年各采样断面沉积物重金属综合污染程度均显著降低，但灞河断面的污染程度仍较严重。

（5）潜在生态风险指数。2015年除Cd为中等潜在生态风险外，其他9种重金属的潜在生态风险均为低，Cd有18%的断面为较高风险，53%的断面为中等风险;2016年10种重金属潜在生态风险等级均为低风险，且潜在生态风险指数有所降低（见图7），仅24%的断面Cd为中等风险。重金属Cd对各断面综合潜在生态风险指数（RI）的平均贡献率均最高，2015年、2016年分别为55.16%、47.32%，可见Cd是造成渭河陕西段重金属综合潜在生态风险最主要的元素。

2015年渭河陕西段表层沉积物重金属综合潜在生态风险总体为较高风险，2016年则为中等风险。2015年林家村、清姜河、虢镇桥、咸阳铁桥、草滩、灞河、潼关吊桥断面为较高潜在生态风险，2016年清姜河、灞河断面为较高潜在生态风险，其他断面均为中等潜在生态风险，见图8。从空间分布来看，其整体无明显变化规律。2016年渭河陕西段沉积物重金属综合潜在生态风险显著降低，但清姜河、灞河断面的潜在生态风险仍较高。

2.3 重金属污染综合评价

地累积指数和富集系数计算结果均显示2015年、2016年渭河陕西段表层沉积物中Cd污染最严重。污染负荷指数计算结果显示，2015年沉积物重金属综合污染总体为中度污染，2016年则为无污染，对比发现两年中灞河断面污染均最严重，其次为清姜河断面。内梅罗综合污染指数计算结果显示，沉积物重金属综合污染等级总体为轻污染，其中Cd污染最严重，灞河是污染最严重的断面。潜在生态风险指数计算结果显示，2015年沉积物的重金属综合潜在生态风险总体为较高风险，2016年则为中等风险，其中Cd的潜在生态风险最高，清姜河、灞河断面潜在生态风险最高。

2016年渭河陕西段沉积物的重金属污染程度较2015年显著降低，表明对渭河陕西段的污染治理及对污染源的管控效果显著。10种重金属的污染程度及潜在生态风险均较低，其中Cd污染最严重，与其他研究结果一致[12-14]。Cd主要来源于农业污染，尤其是化肥、农药的施用，应加强对渭河周边农业污染的防治;汽车尾气及轮胎磨损的碎屑中也含有Cd粉尘，同时应注意交通污染的防控[28-29]。17个采样点的综合污染程度及综合潜在生态风险为中等，其中清姜河、灞河断面的污染程度最严重，表明支流的污染程度高于干流的，應密切关注入渭支流对干流的污染输入，同时清姜河、灞河分别靠近宝鸡市和西安市市区，表明人类活动对渭河污染有重要影响，应注重城市生活污水处理。

3 结 论

（1）重金属含量分析表明，2015年渭河陕西段表层沉积物中，除Cr外，Pb、Zn、Cu、Co、Ni、Cd、As、Sb、Mn均高于陕西土壤背景值，其平均值分别高出23.46%、11.60%、20.28%、15.94%、5.73%、91.49%、14.95%、1.49%、15.20%。2016年只有Pb、Cu、Co、Cd、Mn分别高出陕西土壤背景值6.21%、2.10%、7.92%、17.02%、4.41%，其他5种重金属均低于背景值。2015年、2016年，除Cr、Cd外，其他8种重金属的平均含量均无显著差异。

（2）地累积指数评价结果显示：重金属Cd污染最严重，且支流的污染程度高于干流的。富集系数评价结果显示：2015年除Cd为中度污染外，其他9种重金属均为轻微污染;2016年除Cr、Sb为无污染外，其他8种重金属均为轻微污染。污染负荷指数评价结果显示：2015年17个采样断面沉积物重金属综合污染总体为中度污染，2016年则为无污染，两年中灞河断面污染均最严重，其次为清姜河断面。内梅罗综合污染指数评价结果显示：17个采样断面沉积物重金属综合污染等级总体为轻污染，其中Cd及灞河断面污染最严重。潜在生态风险指数评价结果显示：2015年17个采样断面沉积物重金属综合潜在生态风险总体为较高风险，2016年为中等风险，其中清姜河、灞河断面的潜在生态风险最高。

（3）渭河陕西段沉积物中10种重金属的污染程度及潜在生态风险均较低，17个采样断面的综合污染程度及潜在生态风险为中等，其中重金属Cd及清姜河、灞河断面的污染程度最严重，应加强对渭河周边农业及交通污染的防控，同时密切关注城市生活污水处理及入渭支流对干流的污染输入影响。

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【责任编辑 吕艳梅】