青浦区白鹤镇村级河道底泥重金属污染调查与分析

朱益萍

(上海市青浦区白鹤水务管理所,上海 201700)

随着我国城镇化的快速发展,污染物排放量增大,河流生态系统遭到破坏,尤其是河道底泥重金属污染问题较为突出。重金属污染物经由周边企业产生的废渣、废水及废气,通过雨水冲刷、地表径流等途径下进入河流中,再通过吸附、络合和沉降等作用富集在底泥中,在水环境条件发生变化后可能反向污染水体质量[1-3]。由于重金属污染具有潜在性、长期性和生物毒性等特性,分析底泥重金属污染状况成为研究河流生态环境的焦点,也是河道污染防冶工作重点[4]。

肖茗明等[5]对上海滴水湖及其引水河道的底泥进行了分析,结果表明,重金属镉(Cd)呈累积趋势,同时也是滴水湖水系河道底泥中重金属污染的主要贡献因子。黄嘉良等[6]研究了江苏省镇江市不同河流、水库、湖泊等代表性河道断面底泥重金属分布特征,结果表明,城区内河河道和工厂附近河道底泥中重金属污染程度较高,其主要与交通排放尾气和工业排放废水相关。郑敏慧等[7]分析了苏州100km2水网地区的河道底泥重金属含量,结果发现,污染水平达到中度及以上的重金属有铜(Cu)、铅(Pb)、锌(Zn)、砷(As)、铬(Cr)、镍(Ni),结合相关性分析和主成分分析表明,底泥重金属污染可能来源于尾气排放、农药使用和电子制造业污染物排放。由此可见,开展底泥重金属污染调查对河道污染防治和水环境质量提升至关重要。

为持续改善上海市水环境质量,“十三五”期间,青浦区多措并举、多管齐下,全面开展河湖整治工作,水系统治理工作取得了显著成效,区域内河湖水面率提升至18.69%,基本消除劣Ⅴ类水体。为实现青浦区发布的《青浦区国民经济和社会发展第十四个五年规划和二〇三五年远景目标》文件中提出的“基本实现河湖健康美丽、河湖生态品质显著提升”的建设目标,加快推进经济社会高质量发展,区域内河道水环境治理工作仍需加强。两底泥污染状况调查是河道治理实施前期工作中不可或缺的一环,是制定相关治理措施的重要依据。目前,关于上海市的底泥重金属污染评价的研究主要集中在黄浦江、苏州河等河段,但对于村级河道底泥重金属富集状况研究较少[8-10]。

本文以青浦区白鹤镇内36条村级河道底泥为研究对象,定点采取河道底泥样品并分析底泥样品中重金属含量,着重探讨底泥中不同重金属空间分布特征,并对河道重金属污染状况进行评价,以期为白鹤镇水环境治理工作提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况及样品采集

白鹤镇位于青浦区北部,西与江苏昆山市接壤,东与重固、华新镇为邻,南起青浦工业园区,北至江苏昆山市及嘉定区,是青浦的北大门。全镇总面积58.74km2,水域面积5.32km2。本次采集的底泥样品来自白鹤镇管辖范围内的36条村级河道,将每条河道中间段位置作为一个采样单元,在采样单元中设置5个采样点,用抓斗式采样器采取0～15cm表层底泥,每份样品采集1kg,然后将5个样品混合装入布袋,待排干大部分水后装入密封袋。具体采样位置见图1,共采集混合样品36个。

图1 底泥采样点位

1.2 样品测试

将采集的河道底泥样品运送至实验室低温冷藏。测试各项指标前,将底泥进行避光风干,取部分样品进行低温(40～50℃)烘干,研磨、过筛备用。底泥检测指标为Cd、Hg、As、Ni、Cu、Zn、Cr、Pb 8种重金属含量。各种重金属检测方法见表1。

表1 检测项目及方法

1.3 评价方法

目前,常用于底泥重金属污染评价的方法有地累积指数法、污染负荷指数法及潜在生态风险指数法[11-12]。地累积指数法可反映单个重金属污染特征,难以反映采样点综合污染特征;污染负荷指数法可反映各个重金属对区域污染的程度,也可反映重金属时空分布特征,但未考虑不同重金属带来的背景差异;潜在生态风险指数法综合考虑了重金属危害性及其对环境的影响,可反映各个重金属对其的贡献程度[13]。本文底泥分析的重金属种类较多,且空间尺度较大,需考虑不同重金属的危害性及其对采样点的重金属污染综合程度。因此,本文选取潜在生态风险指数法进行评价研究。

(1)

(2)

表2 不同重金属毒性响应系数和背景值

表3 重金属和RI与污染程度的关系[17-18]

2 结果与分析

2.1 重金属分布特征

各个村级河道底泥重金属含量特征见表4。从重金属平均含量来看,研究区域内村级河道底泥重金属平均含量由高到低依次为Zn>Cr>Ni>Cu>Pb>As>Cd>Hg。对照《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB 15618—2018)各项重金属限值,除个别采样点的锌超标之外,其他重金属均在限值以下,在后续底泥处置中应着重关注锌的含量,并采取合适的处置方法。

表4 各个采样点底泥重金属含量的描述性统计

变异系数一般用来表示一组数据分布特征:变异系数<25%为均匀分布,25%≤变异系数<50%为弱分异型,50%≤变异系数<75%为分异型[19]。从变异系数来看,大小依次为Ni>Cu>Zn>Cr>Cd>Pb>Hg>As,Ni属于分异型,Cu、Zn、Cr、Cd、Pb、Hg属于弱分异型,As属于均匀分布。重金属Ni变异系数大于50%,可能受周围人类活动、水利条件影响较大[20]。

2.2 重金属污染潜在生态风险

表5 研究区域河道底泥各种重金属潜在生态风险指数及危害程度

研究区域内河道底泥中8种重金属的综合潜在生态风险指数RI为72.80～157.68,均值为111.67,各重金属对综合潜在生态风险指数平均贡献率见图2。由图2可知,重金属Hg和Cd对综合潜在生态风险指数的平均贡献率分别达到42.56%和27.09%。王磊等[21]也在研究中发现,上海市河道底泥中Hg和Cd对综合潜在生态风险指数的贡献率最大。因此,河道底泥处置工作应着重关注这两种重金属的含量。

图2 不同重金属对综合潜在生态风险指数的贡献率

2.3 重金属的来源分析

2.3.1 重金属Pearson相关性分析

相关性分析是衡量两个因素间的密切程度,相似来源会使因素间存在一定的相关性。因此,相关性分析是推测重金属之间是否存在相同的污染源的重要依据[22]。本次采样的底泥重金属相关性见表6,由表6可知,在P<0.01的水平下,Cd与Cu、Pb、Zn、As、Cr呈中度正相关(0.5≤R<0.8),Cu与Zn、Cr呈中度正相关(0.5≤R<0.8),Pb与As呈中度正相关(0.5≤R<0.8),Zn与Cr呈强相关(R≥0.8)。在P<0.05的水平下,Cu与Hg、Pb与Cr、Hg与As呈弱相关(0.3≤R<0.5),Ni与其他7种重金属不存在显著相关性。因此可判断该研究区域内底泥中的Cu、Cd、Zn、Cr的污染源相似,Pb和As的污染源相似,Ni的污染源与其他7种重金属来源不同。

表6 研究区域河道底泥重金属相关性分析

**在0.01级别(双尾),相关性显著。

*在0.05级别(双尾),相关性显著。

2.3.2 重金属R型聚类分析

为研究底泥中各项重金属与污染源之间的关系,对所有底泥采样点中的重金属采用R型聚类分析,由图3聚类分析结果可知,8种重金属在联动距离为10时被分为4类,第1类为Zn、Cr、Cu、Cd,第2类为Pb和As,第3类为Hg,第4类为Ni,聚类分析结果与上述Pearson相关分析结果一致。

图3 研究区域河道底泥重金属R型聚类分析结果

Cd、Zn、Cu主要来自化肥和农药使用过程中产生的污染物,化肥和农药使用会导致这3种重金属含量的升高[21]。据统计,世界上通过化肥输入到土壤中的Cr为0.03～0.38t/a,过量使用磷肥会造成Cr的累积[23]。因此可推测第1类重金属污染源可能是来自农业生产过程中使用的化肥或农药。

Pb是机动车污染源的标识性元素,主要来自汽车尾气、磨损的轮胎及刹车衬片等[24-25],含有这些重金属的污染物释放至环境中,在地面沉降后随地表径流进入河道底泥。研究发现,As主要来自工业或农业废水排放,同时也可能来源于交通运输产生的废气[26]。由此可见,第2类重金属污染源可能是来自河道周边区域的交通运输产生的废气。马新耀等[27]研究发现河道沉积物中的Hg可能来自杀虫剂和杀菌剂等农药。结合相关性分析结果,Hg和As呈弱相关,可推测该研究区域内的重金属Hg的来源与第1类来源相似。第4类中仅有重金属Ni,与其他重金属没有相关性,说明Ni与其他重金属来源不同。一般Ni源于工业生产排放的污水,可推测第4类污染源可能为周边的工业企业排放的污染物。为准确识别研究区域村级河道底泥重金属污染源,可考虑采用同位素示踪法进行源解析。

3 结 语

本文以白鹤镇36条村级河道为研究对象,对其底泥中重金属含量进行分析,发现研究区域底泥重金属含量受周边环境影响较大,主要与农业生产过程中使用的化肥或农药有关。因此,在疏浚底泥处置工作中应着重关注各项重金属含量,检测符合标准后再进行相应的处置。同时,在河道污染防治工作中,对河道周边存在的污染源可从“源头治理、过程拦截、末端净化”3个方面进行整治,巩固前期河道整治成效,持续提升河道水环境质量。