苏州河市郊段底泥重金属分布及其生态风险评价

2022-05-11姜铁军顾小双

水资源开发与管理 2022年4期

潘岳姜铁军顾小双

(上海山南勘测设计有限公司，上海 200120)

苏州河是上海市重要的自然地表水体，原水质清澈。20世纪20年代，随着上海市的经济发展，河道两岸因水路交通便捷而兴建大量工厂[1]。20世纪50年代，两岸的工业到了鼎盛时期，苏州河开始出现黑臭现象，至20世纪70年代，苏州河终年黑臭，鱼虾灭绝，在外滩的苏州河和黄浦江合流交汇处，形成了黑黄分明的“两夹水”[2]。苏州河具有坡降小、河道弯曲、水流缓慢的特点，流量平均仅10m3/s，旱季则接近于0，导致河道中的污染物在底泥中不断累积，造成污染物浓度升高，其中铜、锌、镍、镉等重金属超标[3-7]。底泥中污染物质可以通过水-沉积物的交换反应在固液之间形成动态迁移富集平衡，在一定条件下重新进入水体造成水体的二次污染。

污染底泥疏浚整治是苏州河综合整治工程的重要一环。上海市从1996年开始全面启动苏州河环境综合整治工程，截至目前已完成三期，苏州河水质得到明显改善。本次研究项目依托苏州河环境综合整治四期工程，采集苏州河市郊段(蕰藻浜—真北路桥段)底泥，分析重金属沿程和垂向分布特征及其潜在风险，为后续苏州河(真北路—蕰藻浜)底泥疏浚工程提供数据支撑。

1 内容与方法

1.1 研究区域概况

研究区域为上海市苏州河蕰藻浜—真北路桥段，该河段位于上海市西部，途径嘉定、普陀和长宁区，河道途径多为上海市市郊区域。

研究共进行两次样品采集工作。第一次采样工作于2018年3月进行，按照2km的间距在研究区域布置采样孔，共设置13个点位进行底泥采样。第二次采样工作于2018年12月进行，主要根据第一次采样结果，在断面污染相对较为严重的河段区域进行加密采样。采集的底泥样品均为柱状样，并根据不同深度进行分层留样。两次采样共设置32个断面，采集柱状样孔共84个(每个断面采集2～3个柱状样)，采样深度为0～2.5m，柱状分层样品共402个，分析样品中汞、砷、铬、铜、锌、镍、镉、铅8种重金属的浓度。断面位置见图1。

图1 断面位置 (单位:km)

1.2 环境风险评价方法

瑞典科学家Hakanson[8]于1980年提出了潜在生态危害指数法，在表层沉积物重金属污染评价方面应用较为广泛。该方法不仅反映了某一特定环境下沉积物的污染程度和环境中多种污染物的综合效应，而且定量划分出了潜在生态风险程度，其算式如下：

(1)

表1 毒性响应系数

底泥中多种重金属的综合潜在生态风险程度，Hakanson则通过潜在生态风险指数RI来表征：

潜在生态危害指数值与污染程度级别的对应关系见表2。

2 结果与讨论

2.1 苏州河底泥污染特征

2.1.1 沿程分布特征

根据检测结果，对各断面底泥中8种重金属的均值进行统计分析，结果见图2。

由图2可以看出，重金属浓度沿程变化趋势较为相似，在前20km呈现波动状，20～23km呈现明显上升趋势，20km为长宁区靠近新槎浦支流的汇入点。周立旻等[10]初步研究了苏州河沉积物的重金属污染特征，发现底泥中重金属污染物的累积量与上海地区工业化和环境保护进程密切相关。本次调查的下游区域为工业发达的长宁区，企业密集，初步分析可能是新槎浦支流和长宁区两岸带来的重金属污染。

图2 底泥中各重金属的沿程分布特征

为探究底泥中重金属的同源性，本研究分析了沿程重金属相关性，典型重金属沿程关系矩阵见表3，汞和铬、砷和铅相关关系不显著，其余典型重金属间呈显著正相关关系，说明这些重金属之间存在相似的来源，同时也反映了这些重金属在表层沉积物中含量比具有相对的稳定性[11]。镉一般可作为农药和化肥等农业活动的标识元素，汞、砷主要来源于农药和化肥等人类活动，而水生环境中的铬、铜、锌、镍、铅主要来源于各类工农业废水和船舶运输复合污染[12-14]。除铬与长度呈负相关外，汞、砷、铜、锌、镍、镉和铅与长度呈正相关，污染物浓度水平下游较上游严重。

表3 重金属沿程相关系数矩阵(n=32)

2.1.2 垂向分布特征

除沿程分布外，本研究还分析了重金属在底泥中的垂向分布特征，对各个底泥深度中8种金属的平均浓度进行统计分析。从图3可以看出，典型重金属在垂向分布较为相似。0～0.5m在一定范围内波动，浓度较低；0.5～2.1m呈现先上升后波动的趋势，检测浓度较高；而在2.1～2.5m重金属的浓度呈现下降的趋势。这与许世远等[15]等报道的“三段式”结构相吻合，即苏州河底泥污染主要集中于中部黑泥层(20～300cm厚)，顶部流动浮泥层(约20cm厚)和底部灰色自然层污染相对较低。

图3 底泥中重金属的垂向分布特征

重金属垂向相关性分析见表4。从表4中可以看出，重金属间呈极显著正相关关系，说明重金属间在垂向上关系密切，变化规律相似，进一步说明重金属之间有着一定的同源性。

表4 典型重金属垂向相关矩阵(n=32)

2.2 环境风险评价

2.2.1 潜在生态危害系数评价

对各个断面不同深度处重金属的检出浓度进行统计，见表5。相比于背景浓度，苏州河底泥中汞的检出浓度较高，平均值为背景值的4.845倍。汞、铜、锌、镉4种金属变异系数分别为93.363%、35.017%、46.414%、72.013%，表明这4种重金属可能存在点源污染。砷、铬、镍和铅4种重金属变异系数分别为16.938%、13.944%、13.054%、18.549%，表明这4种重金属可能存在面源污染。

表5 重金属检出浓度统计分析

计算各重金属的潜在生态危害系数Er，见表6。从表6可以看出，重金属汞的平均Er值达193.784，属于4级很强生态污染；重金属镉的平均Er值达44.862，属于2级中等生态污染；其余重金属平均Er值均小于40.000，属于轻微生态污染。同时，注意到部分断面砷Er值超过40.000，该断面主要集中在中游Z13断面苏州河和盐浦仓交界处。

表6 重金属潜在生态危害系数统计汇总

2.2.2 潜在生态危害指数评价

利用潜在生态危害指数(RI)法对苏州河市郊段底泥的环境风险进行评价，典型重金属RI沿程变化趋势见图4，垂向变化趋势见图5。从图4中可以看出，严重风险主要集中于23.5km处长宁区采样点位，其他区域多为中风险。从图5中可看出，苏州河市郊段垂向0～0.7m、1.3～1.8m为中风险，0.9～1.3m为重风险，2.1m附近为严重风险。