天津滨海河道地表水和沉积物中污染物风险评价

摘 要：本文运用单因子污染指数法和内梅罗综合污染指数法对天津滨海新区河流进行水质评价，利用生态风险评价法对沉积物中的重金属进行生态风险评价。另外，本文还运用综合污染指数法（FF）和有机质污染指数法（OI）对有机污染现状进行评价。结果表明，地表水样品中Cl-、TN、TP、NH4+和BOD5指标属于“重度污染”等级，地表水中不同指标的污染程度存在明显差异，常规指标污染严重，而重金属和石油类等有毒有害污染物浓度水平较低。沉积物样品中重金属生态风险较低，沉积物中有机污染指数属于“重度污染”；综合污染指数达到“中度污染”。

关键词：地表水；沉积物；重金属；总氮；总磷；生态风险

中图分类号：X 824" " 文献标志码：A

城市河流作为城市生态系统的重要组成部分，在调蓄洪涝、景观娱乐等方面具有重要作用[1]。河流沉积物中积累的重金属具有不可生物降解性和毒性，会对人体健康和生态环境造成不可恢复的影响[2]。另外，沉积物中的碳、氮也可以直接影响地表水的污染水平[3]。当前，关于地表水和沉积物污染物风险评价主要关注点在于大型湖泊和河流，对于乡村级河流地表水和沉积物生态风险评价研究鲜有报道。因此，本文选取单因子指数法、内梅罗综合指数法、生态风险指数法和有机污染指数法对滨海新区河流地表水和沉积物中营养盐和重金属进行风险评价，旨在为区域环境风险管控和污染治理提供技术依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于天津市滨海新区，包括苏家园干渠，全长7.5km；兴济夹道，全长15.1km；远景二用干渠，全长4km；娘娘河，全长12.6km。

1.2 样品采集与处理

1.2.1 样品采集

在4条河流各设置1个地表水采样点，符号为W1～W4；在兴济夹道和娘娘河各设置3个沉积物采样点，符号为S1-1～S1-3、S2-1～S2-3。

1.2.2 样品处理

地表水样品各指标测试方法均按照《地表水环境质量标准》（GB 3838）[4]中的要求进行。沉积物样品Ni、Cu、Pb、Zn、Cr、Cd采用电感耦合等离子体质谱法测定，As采用原子荧光法测定，总磷采用分光光度法测定，总氮采用凯氏法测定，有机质含量采样LY/T1237进行测定。

1.3 评价方法

1.3.1 单因子污染指数法

单因子污染指数（Pi）对地表水中单一污染指标的污染程度进行评价，如公式（1）所示。

Pi=Ci/Si （1）

式中：Ci为指标i的实测浓度值；Si为指标i的评价标准。

地表水评价一般选用《地表水环境质量标准》（GB 3838）中Ⅲ类标准值[4]，标准分级见表1。

1.3.2 内梅罗综合指数法

内梅罗综合指数法（Pn）能够反应环境中污染物现状水平及其对符合污染的不同贡献[3]，如公式（2）～公式（4）所示。

Pimax=（Ci/Si）max （2）

Piave=（Ci/Si）ave （3）

Pn=[（P2 imax+P2 iave）/2]1/2 （4）

式中：Ci为指标i的实测浓度值；Si为指标i的评价标准；Pimax为最大单项污染指数；Piave为平均单项污染指数；Pn为内梅罗综合污染指数。

1.3.3 潜在生态风险指数法

潜在生态风险指数（RI）广泛应用于重金属生态风险评价[5-6]。RI兼顾了污染浓度和毒性水平等因素，能够反映重金属对生态环境的潜在影响程度，如公式（5）、公式（6）所示。

Ei=Ti×（Ci/Ai） （5）

RI=∑Ei （6）

式中：Ci为第i种指标实测浓度值；Ai为第i种指标的参比值，Cu、Pb、Zn、Cr、As、Ni、Cd和Hg指标的参比值分别为21、25、68、58、9.1、24、140和42[7]；Ei为指标i潜在生态危害系数；Ti为指标i的毒性响应系数；RI为综合潜在生态风险指数。

Cu、Pb、Zn、Cr、As、Ni、Cd和Hg指标的毒性响应系数分别为5、30、1、2、10[5]、5、30[6]和40[7]。

1.3.4 有机污染指数法

目前，国内外对沉积物的污染状况评价一般采用综合污染指数法和有机污染指数法[3，8]。为了弥补综合污染指数法忽略有机物因素的不足，需要采用有机污染指数法（OI）进一步评价沉积物的污染现状。OC和ON分别表示有机碳和有机氮，单位为%，如公式（7）～公式（9）所示。

OI=OC×ON （7）

ON=TN×0.95 （8）

OC=OM/1.724 （9）

1.3.5 综合污染指数法

综合污染指数法是以沉积物中总磷和总氮污染浓度值为基础计算综合污染指数（FF）的方法[3，8]，计算公式如公式（10）、公式（11）所示。

Pi=Ci/Coi （10）

FF=[（F2+F2 max）1/2]/2 （11）

式中：Pi为单项评价指数；Ci为总氮、总磷实测浓度，mg/kg；

Coi为环境评价标准值，总氮取670mg/kg，总磷取440mg/kg。

2 结果与讨论

2.1 污染特征分析

实验室内测试分析获取了试验数据，基于Excel对数据进行分析统计，结果见表2、表3。

由表2可知，地表水样品pH为7.1～7.8；DO浓度为2.48mg/L～6.42mg/L；Cl-浓度为790.00mg/L～11300.00mg/L；TN浓度为2015mg/L～55.30mg/L；TP浓度为0.11mg/L～2.75mg/L；

氨氮浓度为0.20mg/L～42.40mg/L；石油类浓度为0.01mg/L～

0.01mg/L；COD浓度为8.50mg/L～38.30mg/L；BOD5浓度为32.10mg/L～38.30mg/L；Hg浓度为0.06μg/L～0.13μg/L；六价铬浓度为0.004mg/L～0.004mg/L；As浓度为4.08μg/L～19.40μg/L；Zn浓度为6.27μg/L～12.10μg/L；Pb浓度为0.85μg/L～1.30μg/L；

Cd浓度为0.05μg/L～0.09μg/L；Ni浓度为2.42μg/L～6.71μg/L。

由表3可知，沉积物样品pH为8.59～8.95，偏碱性；六价铬浓度为0.004mg/kg～0.004mg/kg；Hg浓度为0.02mg/kg～

0.11mg/kg；As浓度为14.30mg/kg～16.40mg/kg；Cd浓度为0.18mg/kg～

0.20mg/kg；Pb浓度为24.30mg/kg～27.40mg/kg；Cr浓度为65.00mg/kg～

82.00mg/kg；Zn浓度为126.00mg/kg～141.00mg/kg；Cu浓度为65.00mg/kg～82.00mg/kg；Ni浓度为31.00mg/kg～40.00mg/kg；TP浓度为458.00mg/kg～699.00mg/kg；TN浓度为438.00mg/kg～

1350.00mg/kg；有机质含量为9110.00mg/kg～29100.00mg/kg。

2.2 单因子污染评价结果

以《地表水环境质量标准》（GB 3838）中Ⅲ类标准值[4]进行地表水单因子评价，结果见表4。

由表4可知，地表水样品中DO、石油类、Hg、Cr6+、As、Zn、Pb、Cd和Ni指标均属于“清洁”等级，Cl-、TN、TP、NH4+和BOD5指标属于“重度污染”等级，COD指标处于“轻度污染”等级。综上所述，地表水中不同指标的污染程度存在明显差异，常规指标污染严重，而重金属和石油类等有毒、有害污染物浓度水平较低。

2.3 内梅罗综合污染评价结果

基于单因子污染评价结果计算获取了内梅罗综合污染评价结果，见表4。地表水样品中DO、Hg和COD指标处于“轻度污染”等级；石油类、Cr6+、As、Zn、Pb、Cd和Ni指标均属于“安全”等级，Cl-、TN、TP、NH4+和BOD5指标属于“重度污染”等级，综上所述，地表水中不同指标的污染程度存在明显差异，常规指标污染严重，而重金属和石油类等有毒有害污染物浓度水平较低，地表水环境风险水平较低。

2.4 潜在生态风险评价

根据公式（6）计算获得了兴济夹道和娘娘河沉积物各指标的潜在生态风险（RI），见表5。

由表5可知，兴济夹道和娘娘河沉积物样品中各监测指标的RI为65.01～75.71，均属于低风险，空间差异相对不显著。尽管各污染指标生态风险均处于“低风险”等级，但不同污染指标的生态风险存在显著差异，Pbgt;Asgt;Cugt;Nigt;Crgt;Zngt;Hggt;Cd。这说明河道周边人类生产生活活动对沉积物污染影响程度有限。整体来看，兴济夹道和娘娘河沉积物重金属生态风险水平较低。

2.5 有机污染指数

根据公式（7）～公式（9）计算获得了兴济夹道和娘娘河沉积物的有机污染指数，见表6。

沉积物中有机质和氮是重要的营养物质，也是重金属等污染物发生吸附、络合作用的活性物质[6]。因此，以沉积物中总氮和有机碳含量为基础，采用有机污染指数法表征沉积物有机污染程度。结果显示，兴济夹道和娘娘河沉积物中OC含量为0.53%～1.69%；ON含量为0.04%～0.13%；沉积物有机污染指数（OI）为0.02%～0.22%。因此，兴济夹道和娘娘河沉积物中氮磷有机污染风险属于“重度污染”水平，需要高度关注。

2.6 综合污染指数

根据公式（10）～公式（11）计算获得了兴济夹道和娘娘河沉积物的综合污染指数，结果表明，沉积物总磷指标Pi为1.0～1.6，平均值为1.3；总氮指标Pi为0.7～2.0，平均值为1.3；经过计算可知，FF为1.3～2.7，平均值为2.0，属于“中度污染”。沉积物碳氮比（C/N）是一种重要的地球化学指标，用于反映沉积物中有机质的来源和类型[8]。计算发现，各采样点沉积物C/N值为17～23。一般认为，沉积物C/N比大于14意味沉积物中有机质主要来源于陆源植物残体，这也揭示了本研究沉积物中有机污染的主要来源。

3 结语

综上所述，本文得出以下结论。1）地表水样品中Cl-、TN、TP、NH4+和BOD5指标属于“重度污染”等级，COD指标处于“轻度污染”等级。内梅罗综合污染评价结果显示DO、Hg和COD指标处于“轻度污染”等级；Cl-、TN、TP、NH4+和BOD5指标属于“重度污染”等级，总体来说，地表水中不同指标的污染程度存在明显差异，常规指标污染严重，而重金属和石油类等污染物浓度较低。2）兴济夹道和娘娘河沉积物样品中各监测指标的RI为65.01～75.71，均属于低风险，空间差异相对不显著。不同污染指标的生态风险存在显著差异，Pbgt;Asgt;Cugt;Nigt;Crgt;Zngt;Hggt;Cd。整体来看，兴济夹道和娘娘河沉积物重金属生态风险水平较低。3）兴济夹道和娘娘河沉积物中有机污染指数（OI）为0.02%～0.22%，属于“重度污染”水平，需要高度关注。综合污染指数FF为1.3～2.7，属于“中度污染”。沉积物C/N比大于14意味着沉积物中有机质主要来源于陆源植物残体，揭示了沉积物中有机污染的主要来源。

参考文献

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