北京通惠河底泥重金属风险评价及溯源

2022-04-07韩金龙杨兰琴王培京

人民黄河 2022年4期

韩金龙，杨兰琴，王培京，王昊，郁爽

（1.华北理工大学建筑工程学院，河北唐山 063009； 2.北京市水科学技术研究院，北京 100048；3.流域水环境与生态技术北京市重点实验室，北京 100048）

底泥是河湖的重要组成部分，受到外源污染后，有机物、重金属等沉积于底泥成为污染物的源和汇［1］。重金属污染具有毒性强、不可逆、累积性和不易降解等特征［2］，重金属在水生动物体内富集进而通过食物链危害人体健康［3］。 Matthiessen 等［4］推测，底泥重金属可能来源于岩石的自然风化及腐蚀，也有可能来自于工农业生产等人类活动向水体直接或间接排放的各种重金属污染物。因此，开展重金属风险评价和溯源，对于了解河流底泥中重金属污染现状、开展源头控制具有重要意义。

重金属风险评价方法主要有地积累指数、潜在生态风险指数、生物毒性风险分析等。李经伟等［5］采用地积累指数分析了白洋淀底泥重金属危害等级；陈明等［6］通过生物毒性风险分析，发现Cd 和Hg 可能会对底栖动物产生危害。重金属溯源分析方法主要有相关性分析、主成分分析、聚类分析等。王磊等［7］对上海100 条河流底泥重金属进行相关性分析发现，大多数重金属来源具有相似性；时春景等［8］对永定河底泥重金属进行相关性分析及主成分分析，推断Cd、Pb、Hg、Cu 和Cr 具有相同的来源。

为了解北京市通惠河底泥重金属的污染特征，选取通惠河城市河段进行底泥重金属溯源以及风险评价，采用地积累指数、潜在生态风险指数以及生物毒性风险分析等方法分析河段底泥重金属污染以及存在的生态风险，通过相关性分析和主成分分析探索底泥重金属来源，以期为通惠河底泥重金属风险识别和控制提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

通惠河位于北京市西部，西起东便门，经朝阳区至通州区入北运河，全长20.3 km，主要支流有28 条，总流域面积258.3 km2，其中研究区域为高碑店闸以上中心城河道及其下游，长8.0 km。通惠河是北京市排水河道之一，自20 世纪中叶开始，河湖附近城区产生的生活污水及工业废水未经处理直接入河，导致河流污染严重。北京市水资源短缺，夏季汛期雨量大，河道底泥污染物上浮，形成黑臭水体。近年来已对通惠河开展整治，但部分河道仍存在淤积和水环境污染问题，特别是上游补水水源改为再生水厂再生水和京密引水渠来水后，上覆水条件变化，底泥可能成为污染源，应重点关注。

1.2 样品采集及处理

为保证样品代表性，沿高碑店闸以上中心城河道以及下游均匀设置10 个采样点，采用柱状采泥器采样，样品深度为10～50 cm。将采集的底泥样品用密封袋封好带回流域水环境与生态技术北京市重点实验室，风干后去除杂物并研磨过60 目筛，置于4 ～6 ℃冰箱待测。

1.3 样品检测

Cd、Cr、Cu、Pb、As、Zn、Ni 采用王水提取－电感耦合等离子体质谱法检测，检出限分别为2.00、0.09、0.60、2.00、0.40、1.00、1.00 mg／kg，准确度分别为99.43%、95.15%、96.57%、99.75%、94.49%、98.65%、95.54%。 Hg 采用微波消解／原子荧光法检测，检出限为0.002 mg／kg，准确度为96.32%。

1.4 评价方法

（1）地积累指数。地积累指数是通过重金属含量与土壤地球化学背景值的关系定量研究重金属在底泥中的污染程度［9－10］，北京市土壤地球化学背景值见表1，地积累指数风险等级划分见表2。地积累指数（Igeo）可以反映人类活动对城市河湖底泥重金属的影响，计算公式为

表1 各重金属的参数值及地球化学背景值

表2 重金属污染程度及风险评判标准

式中：Ci为重金属i在底泥中的实测值，mg／kg；Bi为重金属i的土壤地球化学背景值。

（2）生物毒性风险分析。生物毒性风险（mPECQ）由Ingersoll 等［15］提出，可以评价重金属对河流中生物的影响，具体公式：

式中：n为重金属种类；PECi为第i种重金属的可能效应浓度。

mPEC－Q包括可能效应浓度（PEC）和阈值效应浓度（TEC），见表1。通过重金属含量与PEC或TEC的比值来判断底泥重金属的生物毒性。当重金属含量小于TEC时，对河流中底栖动物不产生危害；当重金属含量小于PEC但大于TEC时，对河流中底栖动物可能产生危害；当重金属含量大于PEC时，一定会对河流中底栖动物产生危害。生物毒性风险等级划分见表2。

（3）潜在生态风险指数。潜在生态风险指数是Hakanson［13］在1980 年提出的一种评价重金属潜在生态风险程度的指标，包括单一重金属生态风险指数和多种重金属生态风险指数，潜在生态风险指数等级划分见表2，具体计算公式为

式中：Er，i为单一重金属潜在生态风险指数；RI为多种重金属潜在生态风险指数；Cf，i为重金属i的污染因子；Tr，i为重金属i的毒性因子；Cs，i为重金属i的实测值；Cn，i为重金属i的土壤地球化学背景值。

2 结果与讨论

2.1 底泥重金属含量

8 种重金属含量平均值Zn＞Cu＞Cr＞Pb＞Ni＞As＞Hg＞Cd，见表3。与北京市土壤地球化学背景值相比，Hg、Zn、Cu、Cd、Cr、Pb、Ni 含量平均值均超过背景值，分别为背景值的33.00、5.31、5.21、3.28、2.88、2.44、1.26倍，说明底泥重金属富集程度较高。变异系数可以反映人类活动对底泥的影响［16］，重金属变异系数Hg＞Cd ＞As＞Pb ＞Cu ＞Zn ＞Ni＞Cr，其变异系数分别为1.02、0.65、0.62、0.43、0.41、0.37、0.29、0.18。 Hg 的变异系数最大为1.02，其次为Cd 和As，变异系数较小的是Cr 和Ni，说明Hg、Cd、As 沿河道分布极不均匀，受人类活动影响较大。 Hg、Cd、As、Pb 空间分布差异较大，在采样点S4、S7 处于峰值，推测附近存在集中排污。

表3 通惠河底泥重金属含量统计 mg／kg

2.2 底泥重金属污染程度及风险评价

（1）地积累指数。通过式（1）计算8 种重金属As、Ni、Cr、Pb、Cd、Cu、Zn、Hg 的地积累指数平均值分别为－1.57、－0.22、－0.03、0.72、1.13、1.34、1.55、4.54。Hg 的地积累指数最大，其风险等级属于高风险；Cu、Cd、Zn 除个别采样点为中风险外，大都为低风险；Cr、Ni 整体属于低风险；As 属于极低风险。由图1 可以看出，8 种重金属的地积累指数在S4 和S7 两个采样点出现峰值，其中Hg 在这两个采样点属于极高风险。这与重金属含量空间分布结果较一致。

图1 通惠河底泥重金属地积累指数

（2）生物毒性风险。将底泥重金属含量与TEC和PEC比较发现，Hg 的生物毒性风险mPEC－Q最大，大于PEC且比值为2.12，会对通惠河底栖动物产生危害。生物毒性风险mPEC－Q小于PEC大于TEC的重金属有Cu、Zn、Cd、Pb，与TEC的比值分别为2.74、2.30、2.00、1.49，可能会对通惠河底栖动物产生危害。生物毒性风险mPEC－Q小于TEC的重金属有Cr、As和Ni，对通惠河底栖动物几乎无危害。采用式（2）计算发现，通惠河底泥重金属mPEC－Q为0.2 ～1.6，平均值为0.60，生物毒性风险为中风险。各采样点mPECQ见图2（其中百分数为各采样点生物毒性风险占研究河段的比例），采样点S4、S7 的生物毒性风险占研究河段生物毒性风险的40.67%，生物毒性风险均属于高风险。

图2 通惠河底泥重金属生物毒性风险

（3）潜在生态风险指数。通惠河底泥重金属单一重金属潜在生态风险指数Er，i和多种重金属潜在生态风险指数RI见表4。可以看出：Hg 的潜在生态风险极高，生态风险指数远大于其他重金属的；其次为Cd，潜在生态风险为中风险；其他重金属均为极低风险。采样点S4、S7、S10 属于极高风险，S3、S5、S6、S8、S9 属于高风险，S1、S2 属于中风险。 Hg 对通惠河潜在生态风险影响较大。 S7 的潜在生态风险高于其他采样点的，说明周边可能存在含Hg 污染废水集中排放，从而对底泥产生污染。

表4 通惠河底泥重金属潜在生态风险指数

2.3 底泥重金属溯源分析

（1）相关性分析。对8 种重金属进行皮尔逊（Pearson）相关系数计算，结果见表5。 Pb 与Cu，Zn 与Cd，As 与Cu、Pb、Hg、Zn 极显著相关（显著性水平p＜0.01），Hg 与Cu、Pb，Zn 与Cu 显著相关（显著性水平p＜0.05），说明重金属之间具有相同的污染源或受到共同因素影响，推测Hg、Cd、Pb、As、Zn、Cu 具有同源性。高瑞忠等［17］研究发现，工业生产或交通运输可能导致Hg 污染；韩玉丽等［18－19］研究北京市河流发现，Cd 可能来自汽车轮胎磨损或者汽油燃烧；张家泉等［20］分析发现，Pb 来源与交通运输密切相关；胡孙等［21］研究发现，As 主要来自于工农业废水排放，同时也可能通过交通运输随空气沉降到河湖中；Cu 在自然环境中存在较少，主要来源于工农业生产、交通运输等［22］；Zn 主要来源为汽车轮胎润滑油使用与轮胎磨损［23］，推断研究河段Zn 来源为交通运输。通惠河贯穿北京市东部，周边汽车服务行业较多，因此推测通惠河底泥重金属Hg、Cd、Pb、Cu、和Zn 可能来自交通运输。相关性分析表明，Ni 和Cr 之间没有相关性，说明两种重金属的来源或受控因素不同。但是Ni 和Cu，Pb 和Cr 负相关，说明Ni、Cr 受到人为影响较小，主要受到自然因素影响［24］。

表5 通惠河底泥重金属Pearson 相关系数

（2）主成分分析。为进一步分析通惠河底泥重金属的来源，运用主成分分析法对通惠河8 种底泥重金属进行分析。提取特征值大于1 的主成分，第一主成分贡献率为58.47%，特征值为4.68；第二主成分贡献率为20.06%，特征值1.61。两种主成分累计贡献率为78.53%，表明两个主成分可以包含大部分信息，主成分分析结果见图3。 Hg、Cd、As、Zn、Cu、Pb 共6 种重金属在第一主成分具有较高载荷，推测这6 种重金属来源具有相似性，与上文分析结果一致。 Ni 和Cr 在第二主成分具有较高载荷，两种重金属变异系数较小，分布均匀，受人类活动影响较小，因此推测第二主成分来源可能为岩石侵蚀或风化等。