昆明市主城区主要入滇河道重金属污染评价

2022-06-23张国涵杨耀雷夏万永陈瑞娟张俊华

环境科学导刊 2022年3期

张国涵，苏涛，杨耀雷，夏万永，陈瑞娟，刘云，张俊华

（云南省生态环境厅驻昆明市生态环境监测站，云南昆明 650228）

0 引言

底泥通常是黏土、泥沙、有机质及各种矿物的混合物，经过长时间物理、化学及生物等作用及水体传输而沉积于水体底部所形成。河道表面0～15cm厚的底泥称为表层底泥，超过15cm厚的底泥称为深层底泥。底泥往往是河流污染物的最终归宿，通过各种途径进入水体的重金属污染物，通过吸附、络合、沉淀等作用绝大部分迅速地由水相转为固相，沉积到底泥中，底泥中的重金属污染物又再次释放出来对水生生态系统造成潜在危险。当重金属在生物体内富集，成为持久性污染物，并通过各种方式在生态系统中迁移循环，最终可能进入人体，产生严重危害[1]。研究表明，底泥是水体污染的指示剂，其环境质量反映着水体的污染状况[2]。因此，底泥监测及污染评价在环境监测中发挥着重要的作用。已有相关学者对滇池底泥重金属污染情况做过评价和研究[3]，但对入滇河道底泥重金属的评价却鲜有报道。本文针对昆明市主城区汇入滇池的盘龙江、船房河、运粮河等5条主要河道，收集了2014—2019年河道底泥重金属监测数据，采用污染负荷指数法、地累积指数法和潜在生态风险指数法分析和评价了昆明市主城区主要河流的重金属污染程度和环境风险，旨在为河道污染防治提供技术依据。

1 研究区域概况

昆明为云南省省会，有“春城”之美誉，是国家历史文化名城，也是中国重要的旅游、商贸城市，西部地区重要的中心城市。昆明市主城区河流众多，水网密布。随着昆明市人口不断增长和经济持续快速的发展，城市化面积不断扩大，滇池及其入湖河流的生态环境受到严重的破坏，水资源的承载能力逐渐下降。

2 布点及采样情况

根据以往河流水流量及重金属污染物含量等监测数据，本文选取了主城区具有代表性的盘龙江、大清河、船房河、新河和运粮河5条主要入滇河流作为评价目标。因河道表层底泥在水流作用下会向下游移动，为使样品更具有代表性，因此将采样点设置在各条河道下游汇入滇池口的附近，具体点位分别为：严家村桥、大清河泵站、船房河五社桥头、积善村桥和积中村入湖口，各点位经纬度如表1所示。按照《水和废水监测分析方法》（第四版）底泥监测部分的相关规定，使用抓斗采集表层底泥进行分析测试。

表1 采样点位经纬度

3 评价指标

本文选取了砷、汞、铬、铅、镉、铜和锌7项指标进行评价。

4 评价方法

根据各采样点重金属分析有效数据，采用污染负荷指数法、地累积指数法和潜在生态风险指数法，分别分析和评价了河道底泥重金属综合污染程度、底泥重金属累积情况以及重金属的环境风险。

4.1 污染负荷指数法

污染负荷指数法[4]（Pollution Load Index）是Tomlinson等从重金属污染水平的分级研究中提出的一种评价方法，现在广泛应用于环境影响评价中。计算公式如下：

式中：Ci—元素i的实测值；C0i—元素i的评价标准；n—评价元素的个数；m—采样点个数；CFi—某一金属最高污染系数；PLI—某点污染负荷指数；PLIzone—评价区域污染负荷指数。

污染负荷指数法能直观地反映各个重金属对污染的贡献程度以及重金属在空间上的变化趋势，应用比较方便，但不能反映重金属的化学活性和生物可利用性，也没有考虑各种不同污染源所引起的背景差别。污染负荷指数与污染程度之间的关系如表2所示。

表2 污染负荷指数与污染程度之间的关系

4.2 地累积指数法

应用Miilten提出的地质累积指数[5]（Index of Geoaccumulation，Igeo）法对河道底泥重金属的污染状况进行评价。

地质累积指数法计算公式：

式中：Cn—沉积物中重金属n的实测浓度（mg/kg）；K—造岩运动可能引起背景值波动而设定的常数（一般取1.5）；Bn—普通页岩中重金属元素的地球化学背景值，本文选取云南省土壤背景值作为重金属的Bn值。

根据Igeo值划分7个污染等级见表3。

表3 地累积指数与污染程度分级

4.3 潜在生态风险指数法

对底泥潜在生态风险评价，采用Hakanson潜在生态危害指数法[6]。潜在生态危害指数法计算公式如下：

潜在生态危害系数描述某一重金属污染物的污染程度，从低到高可分为5个等级；而潜在生态危害指数RI为描述某一点多个污染物潜在生态危害系数的综合值，分为4个等级，两者的关系见表4。根据Hakanson提出的全球工业化以前土壤中重金属背景值，重金属的背景和重金属的生态毒性响应系数取值见表5。

表4 潜在生态危害系数、潜在生态危害指数与危害程度的关系

表5 重金属的背景值和生态毒性响应系数取值

5 评价结果及分析

2014—2019 年昆明主城区主要河道底泥中7种重金属元素的含量见表5。由表可知，除船房河和盘龙江的砷这一指标外，5条河道7种重金属的平均含量均高于云南省土壤背景值[7]，表现出不同程度的污染。其中污染程度较轻的河道为盘龙江，Hg、Cr、Pb、Cd、Cu、Zn的含量对比云南省土壤背景值分别超标21.50、0.56、1.41、3.54、1.27和1.85倍；污染程度较重的河流为运粮河，As、Hg、Cr、Pb、Cd、Cu、Zn的含量对比云南省土壤背景值分别超标4.97、39.53、0.43 、10.67、240.32、28.78和28.57倍，各项指标均表现出明显的累积效应。

对比5条河7项重金属指标的均值与中位值可以看出：船房河、大清河、盘龙江和运粮河整体来讲平均值与中位值基本相当，只有个别指标差异较大。说明这4条河道重金属含量基本趋于稳定。新河中，7项重金属含量的中位值均高于均值，并且除Hg以外，As、Cr、Pb、Cd、Cu、Zn含量的中位值均远高于中位值，说明该区域6种重金属含量分布向高含量方向倾斜，呈现偏态分布。

由表6中标准偏差可以看出：船房河、大清河和盘龙江As、Hg、Cd 3项指标6年均值的标准偏差较小，说明3项指标随时间分布均匀且离散性较小；Cr、Pb、Cu、Zn 4项指标6年均值的标准偏差较小，说明4项指标随时间分布非常不均匀且离散性较大。新河和运粮河除Hg以外，其余6项指标标准偏差较大，重金属含量随时间波动远远高于其它3条河，时间分布极其不均匀且离散性极大。可以初步推断这两条河重金属含量受人为干扰的程度远高于其它3条河道。

表6 2014—2019年昆明市主城区河道底泥重金属监测结果表（mg / kg）

2014—2019 年各金属元素的Spearman秩相关分析结果显示：船房河中As和Zn含量呈现上升趋势但不显著，其余4项指标均呈现下降趋势，其中Cu为显著下降；大清河中7项指标均呈现下降趋势但不显著；盘龙江中Cd呈上升趋势但不显著，其余6项指标呈下降趋势，其中Hg和Cu为显著下降；新河中As和Cr呈下降趋势，其余5项指标呈上升趋势，但均不显著；运粮河中As、Pb和Zn呈下降趋势但均不显著，其余4项指标呈上升趋势，其中Cd为显著上升。2014—2019年昆明市主要入滇河道底泥重金属变化趋势如图1所示。由图可以看出，5条主要入滇河道各金属元素变化趋势与Spearman秩相关分析结果基本吻合。

图1 2014—2019年昆明市主要入滇河道底泥重金属变化趋势图

由表7可知，2014—2019年5条河道底泥重金属的CFi平均值范围为1.68～52.36，其中Cd和Hg为污染贡献最大的两项指标，各种金属指标对污染的贡献程度从大到小依次为：Cd＞Hg＞Zn＞Cu＞Pb＞As＞Cr。5条河道的PLI值范围为3.02～18.88，污染等级均为“极强污染”。污染负荷从大到小依次为：运粮河＞船房河＞新河＞大清河＞盘龙江。主城区5条河道均为流入滇池的主要河道，将其看作一个整体区域评价，计算得到PLIzone为5.08，可以看出整个昆明市主城区主要河道的污染等级为“极强污染”。其中，运粮河污染最严重，对整体的污染贡献最大，其余4条河道污染贡献相当。

表7 河道底泥重金属污染负荷指数评价

由2014—2019年昆明市主城区主要河道底泥中重金属的地质累积指数评价结果（表8）可知：5条河道中As含量年均值的Igeo值在-0.77～1.99，按污染等级划分，运粮河为“中度”污染，其余4条河道为“清洁”；Hg含量年均值的Igeo值在3.91～4.78，按污染等级划分，盘龙江为“重度”污染，其余4条河道为“严重”污染；Cr含量年均值的Igeo值在-0.07～0.41，按污染等级划分，运粮河为“清洁”，其余4条河道为“偏中度”污染；Pb含量年均值的Igeo值在0.69～2.96，按污染等级划分，船房河为“中度”污染，运粮河为“偏重度”污染，其余3条河道为“偏中度”污染；Cd含量年均值的Igeo值在1.55～7.33，按污染等级划分，船房河为“偏重度”污染，运粮河为“严重”污染，其余3条河道为“中度”污染；Cu含量年均值的Igeo值在0.60～4.31，按污染等级划分，船房河为“中度”污染，运粮河为“严重”污染，其余3条河道为“偏中度”污染；Zn含量年均值的Igeo值在0.93～4.30，按污染等级划分，船房河为“偏重度”污染，新河为“中度”污染，运粮河为“严重”污染，其余2条河道为“偏中度”污染。整体来看，5条河道中运粮河和船房河重金属累积程度远高于其它3条河道。由5条河道重金属含量的Igeo平均值可以看出，重金属总体污染顺序为：Hg＞Cd＞Zn＞Cu＞Pb＞Cr＞As，Hg和Cd的累积污染程度要高于其它5项指标。