内梅罗综合指数法在河道底泥重金属污染评价中的应用与研究

张 晶,邬 立,冯晓琳

(1.华北有色工程勘察院有限公司,河北 石家庄 050021;2.河北省矿山地下水安全技术创新中心,河北 石家庄 050021;3.天津华北地质勘查局,天津 300170;4.黑龙江省地质环境监测总站,黑龙江 哈尔滨 150090)

0 引言

底泥是河道水体重要内源污染源,底泥污染物分布及环境影响评价研究对河道水体生态修复和避免二次污染具有重要意义[1-5]。我国在河道底泥污染评价尚无明确标准,有学者对河湖底泥污染物作了一定程度的研究,但研究方向主要集中在污染物类别、污染分布规律、评价方法等领域[2-10],对河道底泥重金属污染风险的评价甚少。常用的评价方法有单因子指数法、内梅罗综合指数法、潜在生态危害指数法、污染负荷指数法、地累积指数法等。薛娇等运用地累积法、潜在生态危害指数法、内梅罗综合指数法在北京市萧太后河开展了底泥重金属研究,评价了7种重金属(Cu、Zn、Ni、Cd、Pb、As、Cr)污染情况;贾宝杰等运用潜在生态危害指数法对台州安溶泾河道底泥中Cu、Zn、Pb、Cd重金属污染物的生态风险进行评价。

本文运用单因子指数法、内梅罗综合指数法、潜在生态危害指数法对邢台市某清淤河段底泥8种重金属(镉Cd、汞Hg、砷As、铅Pb、铬Cr、铜Cu、锌Zn、镍Ni)污染分布及生态环境风险进行评估,探索不同评价方法对河道底泥重金属污染程度评价结果的差异,为河道水环境修复治理提供科学依据。

1 研究区概况

研究河道全长25.81 km,河口宽度为8.5～40 m,河底宽度为4.5～20 m,河深约1.5～3.8 m。河道底泥厚0.5～2.3 m,表层为黑色、黑灰色流塑态,有明显恶臭气味;深层底泥为黄色细砂层,无明显嗅味。

2 样品采集

本次研究在平面上垂直于水流方向均匀布设17条采样断面,见图1。采样点位于采样断面中心处。

在每个采样点使用圆状取土钻采集3个样品,置于干净的玻璃器皿中,用塑料勺截取3个样品中央未受扰动部分,置于取样瓶中混合,形成一组检测样品。将取样瓶编号、密封后低温保存送往实验室。

将底泥样品冻干处理,研磨过100目尼龙筛,按照《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准》(GB 15618-2018)提供的污染物分析方法检测镉、汞、砷、铅、铬、铜、镍、锌的含量。

3 评价方法

3.1 单因子指数法

单因子指数法是以元素背景值为评价标准来评价重金属元素的累积污染程度的方法,是其它污染指数法、污染分级的基础[11-12]。

单因子指数法表达式为:Pi=Ci/Si

(1)

式中:Pi为污染物i的环境污染指数;Ci为污染物i的实测浓度;Si为污染物i的评价标准,选取《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准》(GB 15618-2018)筛选值作为评价标准,见表1。

若Pi≤1.0,则底泥没有受到人为污染;若Pi>1.0,则底泥已受到人为污染,Pi越大则表明底泥重金属污染程度越高。

3.2 内梅罗综合指数法

内梅罗综合指数法是基于单因子污染指数法,兼顾单元素污染指数平均值和最大值,突出高浓度重金属元素污染作用的方法。它是国内外进行环境综合污染指数计算的最常用方法之一。

表2 综合污染指数分级标准

3.3 潜在生态危害指数法

瑞典科学家Hakanson根据重金属性质及环境特征,从沉积学角度提出了潜在生态危害指数法,被广泛应用于环境风险评价中[13-21]。

潜在生态危害指数法表达式为:

(2)

表3 重金属浓度背景值及毒性响应系数

运用潜在生态危害指数法评价底泥多元素生态危害程度分级标准见表4。

表4 潜在生态危害指数及分级关系

4 结果与讨论

采集样品中重金属因子含量检测结果见表5。

表5 底泥样品检测结果

4.1 底泥重金属超标情况

根据底泥取样检测结果,重金属含量高于《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准》(GB 15618-2018)标准的有Cd、Cr、Cu、Zn。各项金属因子超标情况分别是:Cd浓度范围为0.33～1.91 mg/kg,超标样品共11个,超标率为64.7%;Cr浓度范围为34～1 237 mg/kg,超标样品共4个,超标率为23.5%;Cu浓度范围为14～383 mg/kg,超标样品共4个,超标率为23.5%;Zn浓度范围为68.2～953 mg/kg,超标样品共6个,超标率为35.3%。

4.2 单因子指数评价

按照单因子指数法计算各项金属因子Pi值,Pi>1.0的金属因子有:Cd、Cr、Cu、Zn。将该四项金属因子Pi值绘制成柱状图,见图2。

图2 重金属元素污染指数图

由计算可知,PCd>1.0的采样点有11处,max(PCd)为3.18,超标样品分别是Y1、Y3、Y4、Y6、Y7、Y9、Y10、Y11、Y15、Y16、Y17,在清淤河道的上游、中游、下游均有分布;PCr>1.0的采样点有4处,max(PCr)为4.95,超标样品分别是Y7、Y9、Y10、Y11,主要集中在清淤河道的中游;PCu>1.0的采样点有4处,max(PCu)为3.83,超标样品分布与Cr相同;PZn>1.0的采样点有6处,max(PZn)为3.18,超标样品分别是Y3、Y9、Y10、Y11、Y15、Y16,主要分布在清淤河道的中游和下游。由以上分析可以看出,清淤河道重金属污染程度较高的位置在清淤河段中游,采样点Y7、Y9、Y10、Y11处。由以上分析可以看出,清淤河道重金属污染程度较高的位置在清淤河段中游,采样点Y7、Y9、Y10、Y11、Y15处。

4.3 内梅罗综合指数评价

按照内梅罗综合指数法计算各底泥样品PN值,并按表2评价分级,评价结果见表6。

表6 底泥多因子综合污染程度

由评价结果可以看出,底泥样品受重金属元素综合污染等级差别较大,多因子综合污染指数PN最小值为0.424,最大值为3.794,平均值为1.282。底泥样品处于非污染等级的有9处,多分布于清淤河道上游;处于轻度污染等级的有4处,分别为Y4、Y7、Y16、Y17、均布于清淤河道;处于中度污染等级的有3处,分别为Y9、Y11、Y15,分布于清淤河道中游和下游;处于重度污染等级的有1处,为Y10,分布于清淤河道中游。

4.4 潜在生态危害指数评价

经计算,和RI数值见表7。

表7 底泥重金属潜在生态风险指数

由计算结果可知,按照表4评价:样品RI值均小于150,即均为低潜在生态风险。环境风险指数大于40的金属元素只有Cd,其中样品Y4、Y7、Y11、Y15、Y16、Y17中Cd含量处于[40,80),为中潜在生态风险;样品Y9、Y10中Cd含量处于[80,160),为较高潜在生态风险,处于清淤河道中游;其它样品均为低潜在生态风险。

5 结语

(1)邢台市某清淤河段底泥中,Cd、Cr、Cu、Zn四种重金属含量高于筛选值范围,其中Cd超标数量最多,Cr超标倍数最高。

(2)从底泥重金属污染程度分布来看,清淤河道上游污染程度轻;中游染程度最重,以取样点Y9、Y10、Y11处最重;下游污染程度中等,在取样点Y15、Y16处较明显。分析底泥污染程度与化工园区的分布、河流走向改变等因素相关。

(3)运用三种方法对清淤河道底泥重金属污染程度的评价结果指向一致,且各有特点:单因子指数法计算简便,但只能评价单项金属元素的污染程度,且评价结果分级不明确;内梅罗综合指数法可反映出多种元素的综合污染程度,评价结果更严格、分级更精准;潜在生态危害指数法综合考虑了重金属含量、多元素协同作用、污染物毒性特征等因素,评价结果分级较为宽松。