洋河水库底泥重金属污染及其潜在生态危害评价

李 伟，王 萧，范瑞朋

（中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津300222）

沉积物是水库生态系统的重要组成部分，它不仅作为“汇”累积水体中重金属，当条件（氧化还原电位、温度、pH 值、溶解氧等）改变时，又可作为“源”将重金属再次释放到水体中，对水生生物产生毒害，并通过食物链传递，对人体健康构成威胁[1]。洋河是北京官厅水库的主要入库河流之一，流量占官厅水库入库流量的49%左右。1997 年，由于上游排污量剧增，导致官厅水库水质恶化进而退出北京市饮用水源地[2]。研究洋河水库底泥重金属污染对研究洋河流域污染状况、恢复官厅水库饮用水水源地功能、缓解北京用水压力具有重要意义。

评价沉积物重金属污染的方法有模糊集理论,化学、生态学和毒理学等多学科综合评价法，脸谱图法[3]，地积累指数法[4]，潜在生态危害指数法及回归过量分析等。本文采用直接对比法、地积累指数法和潜在生态危害指数法对洋河水库底泥受重金属污染的程度进行分析评价。

1 样品的采集与处理

1.1 样品采集

2021 年9 月，在洋河水库内沿洋河水库纵向、横向均匀布设取样点11 个，取得27 个不同深度底泥样品进行检测。采用直径6.6 cm 的真空吸力底泥采样器采集，采集样品为圆柱形完整泥样，单个样品质量为1～2 kg。见图1和表1。

表1 取样编号及深度

图1 洋河水库取样点位置

1.2 样品的处理及测定

底泥样品用封口的聚乙烯塑料袋装好带回试验室，经自然风干、除杂、混合均匀后烘干，将样品研磨后过筛，用四分法进行缩分，从中取出500～1 000 g，分装在用硝酸处理过的广口聚乙烯塑料瓶中并加入浓硝酸，使pH 值达到3.5，以防止重金属离子沉淀或吸附于容器表面。

污染物检测指标及依据见表2。

表2 底泥重金属检测指标及检测依据

2 测定结果与污染评价

2.1 地积累指数评价法及背景值的选取

地积累指数是用于研究沉积物及其他物质中重金属污染程度的定量指标，不仅考虑了自然地质过程对背景值的影响，还关注人类活动对重金属污染的影响，也可以反映沉积物中重金属富集情况，是区分人类活动影响的重要参数。地累积指数法

式中：Cs为沉积物中元素n的浓度实测值，mg/kg；K为考虑当地岩石差异可能引起的背景值变动而取的系数，可取为1.5；Cn为黏质沉积岩中元素n的地球背景浓度，mg/kg。

地积累指数法中，采用页岩（相当于粒径＜2 μm的黏土沉积物）的平均组成作为参比值，而目前我国在研究库区底泥颗粒物时大部分筛选粒径＜63 μm或＜50 μm，导致计算出的重金属污染水平等级下降[5]。通常采用所研究水库的实际颗粒物平均元素组成浓度作为地积累指数评价法的背景浓度最合适，本次重金属评价中，以北京地区土壤环境背景值作为背景浓度［6～7］。见表3。

表3 北京地区土壤重金属背景值 mg/kg

利用地积累指数法对污染程度进行分级，见表4。

2.2 底泥中重金属的测定值及地积累指数

洋河水库重金属污染程度处于清洁、轻度污染和中度污染，其中轻度污染主要体现在铬、锌、镉3 种重金属污染，中度污染仅体现在个别土样上；从取样地点来看，“12-3”位置处受轻度和中度污染较其他位置严重。

各采样点中重金属的测定值见表5。地积累指数见表6。

3 底泥重金属污染的潜在生态危害评价

Hakanson L[8]提出的潜在生态指数法The Potential Ecological Risk Index(RI)是目前最为常用的评价重金属生态危害评价方法[9～10]。该方法的重点之一是确定重金属的毒性系数，不仅包括单个重金属的污染系数及重金属毒性响应系数，还包括潜在的生态危害系数和底泥中多种重金属潜在的危害指数。

式中：Cir为某种重金属的污染系数；Cis为底泥中重金属元素的实际浓度，mg/kg；Cin为重金属元素背景浓度，mg/kg；Eir为单因子污染物的潜在生态危害系数；T ri为重金属的毒性响应系数，采用Hakanson制定的标准化重金属毒性响应系数作为评价依据，镉Cd=30、锌Zn=1、砷As=10、铜Cu=镍Ni=铅Pb=5、铬Cr=2、汞Hg=40。

Eir描述某一污染物（元素）的污染程度，从低到高分为5 个等级；而RI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。见表7。

表7 生态危害系数和危害指数与污染程度的关系

洋河水库底泥中金属的潜在生态危害系数和潜在生态危害综合指数见表8。

表8 洋河水库底泥重金属生态危害评价指数

对照表7 可以看出，洋河水库底泥大部分区域重金属处于轻微生态危害状态，金属镉存在中等生态危害，甚至强生态危害和很强生态危害；金属汞仅在1点处存在极强生态危害。

4 评价结果分析

根据地积累指数计算结果，洋河水库底泥重金属污染的区域主要集中在12-3 取样点附近，污染元素为锌（Zn）、汞（Hg）、镉（Cd）、铬（Cr），污染程度锌（Zn）＞汞（Hg）＞镉（Cd）＞铬（Cr）；根据生态危害指数法，洋河水库底泥重金属污染的区域同样处于12-3 取样点附近，污染元素为汞（Hg）、镉（Cd），污染程度为汞（Hg）＞镉（Cd）。

造成这种区别的主要原因：地积累指数法侧重于重金属含量与背景浓度的对比评价，主要反映外源重金属的富集程度；生态风险指数法除了考虑重金属的含量之外，更考虑到了不同金属的生物毒性影响[11]。

5 结论

1）重金属污染状态大部分处于清洁和轻度污染，其中铬、锌、镉三种重金属污染程度相对严重。

2）取样点12-3 位置处存在重金属污染，污染主要集中于表层0.2～0.4 m，污染元素为锌（Zn）、汞（Hg）、镉（Cd）、铬（Cr）。

3）洋河水库底泥重金属污染主要集中于库尾位置，建议在水库运行管理过程中注意该位置的风险预警预报，以保证饮用水源安全。

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