重庆市江津区中小河流底泥重金属调查与生态评价

刘陈飞 王宇翔 唐鸿琴 兰峰

摘要：

随着人类活动的影响，重金属污染程度一直在增加，大多数重金属都储存在河流沉积物中。为研究重庆市中小河流底泥重金属污染情况，2020年6月，以江津区流域面积大于50 km2的李市小溪、石板溪、綦江、笋溪河、壁南河、桥溪河、大溪河、安家溪等8条河流，以及山区的卫星水库，作为研究对象，共布设22个监测点位，对其底泥Cd，Cr，Cu，Pb，Zn和As 等6 种重金属进行本底调查，通过地累积指数法、潜在生态风险评价指数法对其重金属污染进行综合评估。结果表明：江津区中小河流底泥重金属整体污染状态不高，依据 I  geo评价，Cd达到中度污染水平，其余元素处于低污染或者无污染水平；潜在生态风险评价，大部分处于中度风险状态，Cd对RI的贡献率最大（平均贡献率为93.05%），需要作为重点监控对象；通过主成分分析和聚类分析，表明Cr，Cu，Zn，Cd，Pb元素可能具有相同的来源，且重金属污染主要发生在工业为主导的区域（S17，德感工业园区）、人口集中的城市区域（S18，双福街道）和污水管网不全的农业污染区域（S4，李市小溪；S22，卫星水库）。

关键词：

中小河流； 底泥； 重金属； 潜在生态风险； 主成分分析； 重庆市

中图法分类号：X825

文献标志码：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.05.016

文章编号：1006-0081（2023）05-0100-07

0 引 言

重庆市江津区位于长江上游，三峡水库库尾，境内江河纵横交错，其生态環境问题直接关系三峡水库库区的生态安全格局。江津区长江干流水质总体处于良好状态，但支流水质污染明显［1］。主要是由于城镇化的发展，生活污染源增加明显，污水治理设施不够等因素导致。此外，农田面源、工业污染等也是较为主要的污染源［2］。

底泥是中小河流生态系统的重要构成部分，不仅为生态系统提供基本营养，也是各种重金属元素富集的场所。进入水体的重金属元素，通过吸附沉淀等过程，绝大部分由水相转为固相，沉积到底泥中，经过生物富集或食物链放大后，对生态系统产生直接或间接的危害，威胁人体健康［3-5］。中小河流底泥中的营养物质对维持水体的富营养化状态有重要贡献，当底泥与水体营养盐浓度动态平衡被打破时，底泥中的污染物会释放出来对生态系统造成危险［6］。

通过检测底泥中重金属和营养盐的含量，可以反映其水体的污染程度。目前，河流底泥中重金属污染的研究大部分是针对大型河流流域，或者选取单一中小河流，而对于山地型中小河流的研究较少。张占梅等［6］以重庆市主城区花溪河等5条河流为研究对象，采用内梅罗综合指数法和地累积指数法分析了河流底泥重金属污染程度。郭杰等［7］对长江中游近岸表层沉积物进行重金属污染特征分析和风险评估，通过重金属的含量、地累积指数法、潜在生态指数法等综合评定。张志永［8］等用重金属、地累积指数法、沉积物质量基准法等对长江中上游表层沉积物重金属污染程度进行风险评价。潘延安［9］以重庆主城区次级河流为研究对象，采集次级河流表层沉积物及表层水样品，采用地累积指数法、富集系数法、潜在生态危害指数法和综合污染指数法对重金属污染风险进行评价。

在长江大保护的背景下，以重庆市江津区水环境综合治理规划为龙头，在对流域水环境开展区域统筹、系统治理的治水模式下，选取江津区流域面积大于50 km2的李市小溪、石板溪、綦江、笋溪河、壁南河、桥溪河、大溪河、安家溪等8条河流，以及山区的卫星水库作为研究对象。根据江津区河长办公室公布的河流监测情况，上述河流部分存在超标现象，例如：大溪河江津段水质管理目标为Ⅳ类，现状水质为Ⅴ类；石板溪水质管理目标为Ⅲ类，现状水质为Ⅳ类；桥溪河水质管理目标为Ⅲ类，现状水质为Ⅳ类。本研究对上述中小河流底泥基本理化指标，Cd，Cr，Cu，Pb，Zn和As 等6 种重金属指标进行本底调查，通过地累积指数法、重金属潜在生态风险评价指数法等方法对江津区中小河流重金属污染进行综合评估，排查超标水体的水环境问题，锁定各项污染来源，为江津区水环境综合治理规划编制及下一步底泥治理方案提供基础数据。

1 材料与方法

1.1 样品采集

本次江津区域本底调查时间为2020年6月，选取了李市小溪等8条河流和卫星水库作为典型，布设22个监测点位。其中S1～S4为李市小溪监测点；S5～S6为石板溪监测点；S7～S8为綦江监测点，S8监测点位因綦江河水位暴涨无法取样；S9～S11为笋溪河监测点；S12～S13为璧南河监测点；S14～S17为桥溪河监测点；S18～S19为大溪河监测点；S20～S21为安家溪监测点；S22为卫星水库监测点。采样点位见图1。对每个监测点位进行现场水质监测，并用柱状采样器采集水样、彼得森采泥器采集表层沉积物样品。为了使样品更具代表性，每个断面至少采集3次，现场充分混匀后装入清洁的聚乙烯密封袋中，运回实验室内自然风干。

1.2 样品处理

按照GB/T 36197-2018《土壤质量采样技术指南》，采集的底泥放入预先处理好（先用洗涤剂洗刷、清水漂洗、稀硝酸荡洗，再用清水冲洗干净后晾干）的塑料盘内，摊成约3 cm厚的薄层，在通风、干净和清洁的实验室内风干，防止阳光暴晒和酸碱蒸气遇尘埃的污染。在风干过程中，定时翻动样品，并用木棒或木锤敲碎，捡出石块、螺丝、杂草和动植物的残留物等。最后，将风干的样品用玛瑙研钵研细，用尼龙网筛过筛。

1.3 分析方法

采样现场用塞氏盘测定水样的透明度，便携式多参数分析仪（Hach HQ-30d，美国）测定氧化还原电位，溶解氧，氨氮、化学需氧量、总氮、总磷等指标采用《水和废水监测分析方法（第四版）》推荐方法分析。

底泥样品粒径分布用马尔文激光粒度分布仪（MS2000，英国）分析，氮、磷、有机质等指标参考《NY/T 1121土壤检测》系列标准进行分析，重金属（Cd，Cr，Cu，Pb，Zn和As） 采用电感耦合等离子光谱发射仪（ICP）分析。

1.4 评价方法

1.4.1 地累积指数法

地累积指数法（Index of Geoaccumulation）是一种综合考虑了人为污染因素、自然成岩作用和地球化学背景值的研究方法，地累积指数常用作水环境中沉积物重金属污染的衡量指标［10］，其计算公式为

I  geo = log  2C ikB  i （1）

式中： I  geo为沉积物中重金属元素的地累积指数； C i为沉积物中重金属元素i 实测浓度，mg/kg； B i为沉积物中重金属i 元素的环境背景值，mg/kg；本研究选取重庆市都市圈土壤为背景值，Cd，Cr，Cu，Pb，Zn和As背景值分别为0.133，76.14，23.83，25.48，75.84 mg/kg和5.82 mg/kg［11］； k 为考虑各地岩石差异可能引起环境背景值变动而取的常数，取 k =1.5。

根据 I  geo值的大小，将沉积物重金属污染划分为7个等级，见表1。

1.4.2 潜在生态风险指数法

潜在生态风险指数法（Index of Potential Ecological Risk Assessment）由瑞典科学家Hakanson提出，是根据重金属性质及其在环境中迁移转化沉积等行为特点，将环境生态效应与毒理学联系起来。该指数法不仅反映了某一特定环境中的每种重金属的影响，而且也反映了多种重金属的综合影响，并且用定量的方法划分出潜在生态风险程度。重金属潜在生态风险指数的计算公式为

RI=∑ni=1Ei r=∑ni=1Ti r×Ci fCi n（2）

式中： RI 为潜在生态风险指数； Ei r 為沉积物中重金属元素 i 的潜在生态危害指数； Ti r 为沉积物中重金属元素 i 的毒性系数，Cd，Cr，Cu，Pb，Zn和As依次为30，2，5，5，1和10［12］。 Ci f 为沉积物中重金属元素 i 的实测浓度，mg/kg； Ci n 为沉积物中重金属元素 i 的背景参考值，mg/kg；本研究选取重庆市都市圈土壤为背景值（Cd，Cr，Cu，Pb，Zn和As背景值分别为0.133，76.14，23.83，25.48，75.84 mg/kg和5.82 mg/kg）。

根据 RI 值的大小，将沉积物中重金属的潜在生态风险等级划分为5级： RI＜150，轻度潜在生态风险；150≤RI＜300，中度潜在生态风险；300≤ RI＜600，强度潜在生态风险；RI≥600 ，重度潜在生态风险。

1.4.3 沉积物质量基准法

沉积物质量基准法（Sediment Quality Guideline，SQG）是基于临界效应浓度（TEL）和可能效应浓度（PEL）评价沉积物重金属生物毒性风险的方法，其中Cd，Cr，Cu，Pb，Zn和As的 TEL 值分别是0.596，37.3，35.7，35，123 mg/kg和5.9 mg/kg， PEL 值分别是3.53，90，197，91.3，315 mg/kg和17 mg/kg［13］。沉积物重金属浓度小于 TEL时，不对生物产生影响。重金属浓度大于PEL时，重金属对生物的毒性影响频繁发生；浓度介于TEL和PEL 之间时，对生物的毒性影响偶尔发生［4］。

1.5 数据处理

利用主成分分析（PCA）和系统聚类分析（HCA）解析沉积物中重金属来源。在PCA 和HCA 前，对实验数据进行Z-score 标准化处理，实验数据通过了Kaiser-Meyer-Olkin（KMO值为0.642>0.500）和 Bartlett 球形测试。

上述数据分析通过SPSS 19 和Canoco 5 软件完成。图形绘制采用Origin9.0软件完成。

2 结果与分析

2.1 底泥基本理化指标

8条河流和卫星水库泥沙按粒径分类有显著差异，其颗粒级配曲线见图2。其中，綦江河和大溪河底泥绝大部分为砂砾（粒径0.062～2.000 mm）（占比分别为95.6%和77.1%）。石板溪、笋溪河、桥溪河3条河流泥沙粒径组成较为相似，砂砾占比居多（分别为51.4%，55.7%，53.2%），其次为粉砂（粒径0.004～0.062 mm，占比分别为38.4%，33.8%，34.3%），黏粒（粒径<0.004 mm）占比最少（约10%）。其余河流以粉砂为主（占比为42.7%～50.2%），其次为砂砾，黏粒最少。中值粒径为0.022～0.365 mm，平均值为0.119 mm。

21个底泥样品的含水率、有机质（OM）、总氮（TN）、总磷（TP）含量见表2。部分样品有机质含量较高（最高含量在S4点位，为58.0 g/kg）。总氮和总磷含量范围分别在0.648～3.850 g/kg，0.171～1.073 g/kg。

2.2 底泥重金属含量水平

底泥样品的重金属含量见图3，Cd的含量为0.55～1.15 mg/kg，除S7以外，其余含量均在临界效应浓度（TEL）和可能效应浓度（PEL）之间，存在一定的生物毒性影响；Cr的含量为38.61～155.12 mg/kg，其中S17和S18样品浓度（含量分别为149.56 mg/kg和155.12 mg/kg）均超过 PEL ，存在较大的生物毒性，其余样品均处于 TEL和PEL 之间；Cu的含量为7.79～38.90 mg/kg，除S17样品浓度超出 TEL 外，其余点位均小于 TEL ，生物毒性影响较小；Pb的含量为13.8～47.28 mg/kg，除S17，S4，S13，S14含量超出 TEL 外，其余点位均小于 TEL ；Zn的含量约为30.21～197.51 mg/kg，除S17和S18超出 TEL 外，其余点位均小于 TEL 。As含量在未检出（＜0.01）至2.67 mg/kg，所有点位均小于TEL，生物毒性影响很小。样品的地累积指数（ I  geo）见图4。样品底泥中Cd，Cr，Cu，Pb，Zn和As的地累积指数分别为2.02，-0.77，-1.17，-0.53，-0.87和-4.45。底泥中各重金属富集程度从高到低依次为Cd，Pb，Cr，Zn，Cu和As。其中Cd的污染水平最高，部分样品的Cd处于中度污染水平，部分样品的Cd处于偏中度污染水平。其余重金属，除S17，S18样品值处于偏中度污染或轻度污染外，均无污染。

样品底泥的重金属潜在生态风险见图5。各点位的 RI 值为134.5～284.6，平均值为198.4±35.4。按照潜在生态风险等级划分，大部分点位处于中度风险状态（150≤ RI <300），仅有S7点位处于低度风险状态（ RI 值为134.5）。潜在生态风险按照大小排序，最高的是S17点位（ RI 值为284.6），其次是S22，S18，S4，S5，分别是桥溪河、卫星水库、大溪河、李市小溪、石板溪监测点。Cd，Cr，Cu，Pb，Zn和As对 RI 的贡献率分别为93.05%，0.97%，1.82%，2.68%，0.47%和1.02%，Cd的贡献率最大。

2.3 底泥重金屬污染来源分析

沉积物中重金属含量的空间分布状况能够反映外源输入的主要因素，由于重金属不易迁移，沉积物中重金属含量较高的区域往往是外源输入的主要区域［14］。调查区域底泥重金属污染状况、重金属的空间分布及其相关性可以提供有关其来源和途径的有效信息。对样品进行主成分分析（PCA）和系统聚类分析（HCA），将数据都进行了标准化处理，HCA采用的方法为Ward法，选用的距离为欧氏距离，其结果分别见图6和图7。

PCA分析（图6）显示，共提取到4 个主成分，前4个主成分的总方差贡献率为85.29%（分别为37.7%，20.6%，16.8%和10.1%），4 个主成分的特征值（分别为4.15，2.27，1.85和1.11）均大于1，表明这4 个主成分完全可以代表原始数据。主成分1 的贡献率为37.7%，特征表现因子变量在Cr，Cu，Zn，Cd，Pb元素上具有较高的负载，表明这几种元素可能具有相同的来源；主成分2的贡献率是20.6%， C/N，N/P 和中速粒径等指标在主成分2中都具有较高负载，表明营养盐和底泥颗粒大小是影响重金属含量分布的另外一个因素。有研究表明，营养负荷的增加可能有助于沉积物中重金属的富集［15-17］。

HCA分析（图7）显示，可以将样品分为3个区域。第一个区域是S7，即綦江支流倒流溪入河口采样点，该区域采样时，正遭遇自有水文记录以来最大洪水，2020年6月22日，江津綦江五岔站出现洪峰水位205.85 m，超过保证水位（200.51 m）5.34 m，超过1998年洪水水位0.30 m，已达建站以来最高水位。与其他样品相比，S7底泥绝大部分为砂砾，其重金属含量相对与其他采样点较小，潜在生态风险也处于低度风险，尽管该采样点位于綦江支流，但入河口位置仍受到洪水较大的影响，这可能是区别于其他样品的最主要原因。

第二个区域是S17，S18 和S4，其断面分别为桥溪河下游断面、大溪河入江津断面和李市小溪中游断面。S17是桥溪河沿途布点（S14～S17）的中段（图1），其位于德感工业园区，园区内有重工机械、石油化工、漆业、复合材料等企业，S14～S17点位重金属含量、潜在生态风险值均在德感工业园区S17达到最高值。S18是大溪河入江津断面，处于双福街道城区内，其全段水质均为V类，主要原因为：① 断面上游1 km为九龙坡区走马镇排污设施不够完善，影响入境断面水质；② 双福街道污水管网不完善，且片区人口较为密集。S4是李市小溪支流刁夹小河汇入口，为沿途布点（S1～S4）的中段，李市小溪流经李市镇、双河村、沙梗村等，由于该区域生活污水管网不全，且存在较多的畜禽水产养殖，S4点以下河段至入笋溪河口水质为V类，主要超标因子为高锰酸盐指数、COD、总磷。所以主成分1中的重金属污染主要发生在工业为主导的区域（S17，德感工业园区）、人口集中的城市区域（S18，双福街道）、污水管网不全的农业污染区域（S4，李市小溪），表明主成分1的污染源可能是工业和生活污水。

此次调查结果中，Cd的地累积指数最高，达到偏中度污染至中度污染之间的水平，并且对潜在生态风险的贡献率也最高。将潜在生态风险排名较前的点位各重金属含量与背景值相比较（表3），Cd的最高含量是背景值的8.6倍，与潜在生态风险结果相符合，是需要重点关注的对象。在长江干流重庆段、长江中游近岸区、洪湖以及珠江流域龙江河等沉积物调查中，都表明Cd有较大的生态危害性和潜在风险性［7，18-20］。

S22点位潜在生态风险（ RI 值为255.2）仅次于S17，该断面为卫星水库，距离杜市镇1 km，由于场镇污水管网不全，且水库周边存在较多的家禽养殖，水体呈现富营养化状态，水体氨氮含量为1.62 mg/L（Ⅴ类），与S4点位原因相似，污水管网不全的农业污染区域会出现底泥重金属生态污染的情况。

此次调查表明，江津区中小河流重金属整体污染水平较低，在后续的生态环境治理中，要进一步加强污泥资源化利用，实现“四化”目标。值得注意的是，流域内部分河道，由于污水管网的不完善，存在较多外源污染的持续输入，再加上中小河流本身较差的水动力条件，容易导致河道形成内源污染负荷，其特征是底泥中具有较大的氮、磷蓄积量。对于此类区域，一方面需要加强污水处理厂管网改造，减少面源污染，另一方面需要通过底泥清淤有效削减内源负荷，解决河流水质超标问题。

3 结 论

（1） 在江津区中小河流底泥重金属调查中， I  geo评价表明，Cd富集程度达到中度污染水平，其余元素在低污染或者无污染水平。中小河流底泥重金属整体污染水平较低。

（2） 潜在生态风险评价表明绝大部分区域处于中度风险状态，Cd，Cr，Cu，Pb，Zn和As对 RI 的平均贡献率分别为93.05%，0.97%，1.82%，2.68%，0.47%和1.02%，其中，Cd的贡献率最大。

（3） 主成分分析和聚类分析表明，Cr，Cu，Zn，Cd，Pb元素可能具有相同的来源，主要发生在工业为主导的区域（S17，德感工业园区）、人口集中的城市区域（S18，双福街道）、污水管网不全的农业污染区域（S4，李市小溪；S22，杜市镇卫星水库）。

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（编辑：李 晗）

Abstract：

Heavy metal pollution is becoming increasingly serious as a result of human activities，and most heavy metals are stored inriversediments.To study the heavy metal pollution in the sediment of small and medium-sized rivers，in June 2020，eight rivers with drainage area greater than 50 km2，with Lishixiaoxi River，Shiban River，Qijiang River，Sunxi River，Binan River，Qiaoxi River，Daxi River，Anjiaxi River，and the Weixing Reservoir in the mountains and 22 of sensors monitoring points.The Cd，Cr，Cu，Pb，Zn，and As，six kinds of heavy metal sediment was studied as the research object.The heavy metal pollution was comprehensively assessed by the method of land accumulation index and heavy metal potential ecological risk assessment index.The results showed that the pollution status of heavy metals in the sediment was not high.According to  I  geo evaluation，Cd reached the moderate pollution level，and other elements were at the low or no pollution level.According to the assessment of potential ecological risks，most of the areas were at moderate risk，and Cd had the largest contribution rate to  RI （average contribution rate was 9305%），which should be taken as the key monitoring object.Principal component analysis and cluster analysis showed that Cr，Cu，Zn，Cd，and Pb elements may have the same source，and heavy metal pollution mainly occurred in the industrial-dominated area （S17，Degang Industrial Park） or the urban area with concentrated population （S18，Shuangfu Street）.Agricultural polluted areas with incomplete sewage network （S4，Lishixiaoxi River；S22，the Weixing Reservoir）.

Key words：

small and medium rivers； sediment； heavy metal； potential ecological risk； principal component analysis； Chongqing City