赣江流域水库沉积物重金属污染特征与风险评价

胡 强 ，吴晓彬 ，王 姣 ，熊 威 ，万小强

（1.江西省水利科学院，江西 南昌，330029；2.江西省水工安全工程技术研究中心，江西 南昌，330029）

重金属元素在水库沉积物和水体之间发生迁移和转化，因此，水库沉积物既是污染受体又是污染源[1]。近年来，水库沉积物的重金属污染问题备受关注。现有研究主要以单座水库为研究对象[2-7]，从流域或区域尺度研究的鲜见报道。研究河流沉积物、水体污染性的较多，而水库沉积物重金属污染方面的研究相对较少[8-9]。

赣江流域主河道长823km，流域面积82 809km2，是江西省第一大河流。从北至南流经赣州、吉安、新余、宜春、南昌等设区市。赣江上游矿业、果业持续发展，赣江中游沿江城镇工业、养殖业快速发展，赣江下游有色金属冶炼和畜禽养殖业发达，长期的污染排放使河流沉积物中积聚了大量的重金属[19]。据统计，赣江流域已修建完成大中型水库132座，其中大（1）型2座，大（2）型14座，中型116座；累计总库容约94.59亿m3，防洪库容约24.42亿m3[10]。为了解赣江流域水库沉积物的重金属污染水平，笔者测定了赣江流域7座中型水库沉积物中 Cu、Cr、Zn、Pb、Cd、As、Hg 七种重金属含量，并采用地积累指数法、潜在生态风险指数法进行了综合评价，以期为防范水库沉积物重金属污染风险提供参考。

1 样品采集与分析

2020年6月至12月，在赣江流域典型水库周边采集淤积物样品并进行了检测分析。本次采样的7座中型水库分别位于赣江上游、中游、下游的几条重要支流，能较好地代表赣江流域水库沉积物的特点。水库特性及采样分布图见表1～表2、图1。样品采用水上作业平台搭载便携式钻机进行采集。Cd、Cr、Cu、Pb、Zn 等 5种重金属含量采用原子吸收分光光度计（AA-6880）测定，Hg、As含量采用原子荧光光度计（RGF-6300）测定。同时，笔者收集了沉积物样品采集期间最近一次的库水水质检测报告进行对比分析。

表1 流域典型水库详情表

表2 流域典型水库沉积物样品信息表

图1 赣江流域主要支流及典型水库分布示意图

2 评价方法及评价标准

2.1 地积累指数法

地积累指数（Igeo）是一种沉积物重金属富集程度的定量表征方法，将重金属浓度实测值与该区域土壤重金属元素背景值进行对比，以综合反映重金属的自然变化特征和人为活动对环境的影响[11]。计算公式为：

式中：ci为重金属元素i的实测值；k为考虑各地岩石差异可能引起的背景值变动而取的系数，一般取1.5；Bi为元素i在该区域的土壤地球化学背景值，根据现有研究成果，江西省 Cu、Cr、Zn、Pb、Cd、As、Hg 所对应的土壤化学元素背景值分别为20.8、48.0、69.0、32.1、0.10、10.4、0.08mg/kg[12]。

地积累指数评价标准见表3。

表3 地积累指数评价标准

2.2 潜在生态风险指数法

潜在生态风险指数法（RI）是环境风险评价中广泛应用的方法之一。指数综合反映了单项重金属的毒理性质及多项指标间的协同效应[13]。计算公式为：

式中：RI为综合潜在风险指数；Eri为单项潜在风险指数；Ti为重金属 i的生态毒性响应系数，Cu、Cr、Zn、Pb、Cd、As、Hg 所对应的生态毒性分别为 5、2、1、5、30、10、40[7]。

潜在生态风险指数评价标准见表4。

表4 潜在风险指数评价标准

3 结果与分析

3.1 检测成果统计分析

由表5、表6可知，7座水库沉积物中Cd、Cr、Zn、Cu含量的平均值均高于江西省土壤环境背景值，分别为背景值的4.09倍、1.04倍、1.01倍和2.64倍，表明赣江流域水库沉积物中Cd、Cu污染较为严重。对比变异系数可知，除Hg和Pb外，其余5种重金属的变异系数均大于35%，为高度变异，表明实测值的离散性较大，水库沉积物中重金属含量受人为活动影响较大。

表5 典型水库沉积物重金属含量成果表mg/kg

表6 典型水库沉积物重金属含量统计表mg/kg

7座水库采样期间最近一次的库水水质检测报告表明，各重金属元素的含量均低于检出限，沉积物中的重金属处稳定状态。

3.2 地积累指数法

本次评价采用江西省重金属元素土壤地球化学背景值为依据[12]。由重金属地积累指数计算成果（表7）可知：7座典型水库沉积物中，Cd、Cu两种元素重金属元素的地累积指数平均值均小于1，总体属轻度污染。Cd元素的地累积指数最高，其中，属轻度污染等级的水库3座，偏中度污染、偏重度污染等级的水库各1座。Cu元素的地累积指数居次，其中，属轻度污染、偏中度污染等级的水库均为3座。Hg、As、Pb元素均属无污染等级。Cr、Zn轻度污染等级的水库分别为2座、1座，流域总体呈无污染等级。

表7 典型水库沉积物重金属地积累指数成果表

为分析水库与下游河道沉积物重金属生态风险的关系，对水库下游河道的沉积物重金属地积累指数的相关研究成果进行了整理（见表8）。分析成果表明：1）水库下游河道沉积物中Hg、As、Zn三种元素的污染等级均高于水库沉积物。水库沉积物均为无污染，下游河道沉积物污染等级分别为中到重污染、无到中污染、中到重污染，表明水库上游该三种元素污染强度较低。2）水库和下游河道的沉积物中Pb、Cr两种元素的污染程度无明显的差异，均为无污染，表明二者的污染强度相当。3）水库下游河道沉积物的Cd、Cu的污染等级高于水库沉积物。两种元素的污染等级均由无到中污染分别变化为重污染、中污染，表明在流域Cd、Cu整体污染的情况下，水库沉积物中的Cd、Cu的污染性存在加剧的可能性。

表8 水库所在河道沉积物地积累指数表

3.3 潜在生态风险指数法

潜在生态风险指数法计算成果见表9。As、Pb、Cr、Zn、Cu五种重金属元素的潜在生态风险指数最大值均小于40，属轻微风险。Hg元素潜在生态风险指数为32.0～42.50，平均值35.86，总体呈轻微风险。Cd元素潜在生态风险指数最大值为480.0，2座沉积物风险等级为中等风险，2座为较强风险，曾家桥水库为极强风险。从多种重金属综合潜在生态风险指数RI来看，7座水库潜在生态风险指数为90.33～550.11，平均值184.39，总体为中等风险。对照污染分级标准可知，5座水库为轻微风险，禾山水库、曾家桥2座水库为中等风险。

表9 水库沉积物重金属潜在生态风险指数统计分析表

4 分析与讨论

（1）水库沉积物中 Cd、Cr、Zn、Cu 四种重金属含量的平均值均高于江西省的背景值，分别为背景值的4.09倍、1.04倍、1.01倍和2.64倍，表明赣江流域水库沉积物中Cd、Cu污染较为严重。赣江流域水库沉积物Cd含量超标的原因，可能与矿产资源的开采和治炼有关[15-19]。水库水体未受污染，沉积物中重金属均处稳定状态。

（2）由于计算公式和分级标准的差异，地累积指数法和潜在生态风险指数法的评价结论不同。地累积指数法对各种重金属污染严重性评价的顺序依次为Cd＞Cu＞Zn＞Cr＞Hg＞Pb＞As，潜在生态风险指数法评价的污染严重性顺序为 Cd＞Hg＞Cu＞As＞Pb＞Cr＞Zn。两种评价方法中Cd的污染严重性均为最高，表明赣江流域水库沉积物中Cd的污染较为严重，这与江西省表层土壤、赣江河道沉积物中Pb严重超标的结论相符[12，14-21]。评价结论的差异主要体现在Zn元素：地累积指数法评价结论为曾家桥水库Zn属轻度污染；赣江流域7座水库Zn含量平均值超标，但由于Zn元素的毒性最小（值为1），潜在生态风险指数法评价结论为Zn的污染程度最小。

（3）除Pb、Cr元素外，水库下游河道沉积物中Cd、Cu、Hg、As、Zn等重金属含量均高于水库沉积物，说明水库上游重金属的污染强度小于下游河道。从潜在生态风险指数来看，赣江流域水库沉积物重金属潜在生态风险总体处于轻微风险至中等风险。高安市曾家桥水库为极强风险，可能与高安市的传统产业、支柱产业——陶瓷有关[22，23]。