李飛鵬，陳 玲，張海平，王嘉瑩

（1.同濟(jì)大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200092；2.同濟(jì)大學(xué) 污染控制與資源化研究國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092）

水體沉積物是污染物的源和匯，是影響水環(huán)境質(zhì)量的主要因素之一.進(jìn)入到水體的重金屬有相當(dāng)一部分通過(guò)吸附、絡(luò)合或沉淀等作用蓄存于沉積物中，一旦水體環(huán)境發(fā)生變化，沉積在底泥中的重金屬會(huì)重新釋放出來(lái)進(jìn)入水體，形成二次污染.沉積物中重金屬污染具有隱蔽性、累積性、不可逆性和治理難而周期長(zhǎng)等特點(diǎn)，可通過(guò)食物供給動(dòng)物和人類(lèi)從而造成健康危害.大量研究表明，在受重金屬污染的水體環(huán)境中沉積物中重金屬的含量比相應(yīng)水相中的重金屬含量高很多倍，并表現(xiàn)出較明顯的空間分布規(guī)律性［1］.沉積物中的重金屬被認(rèn)為是水體污染的敏感指示劑，具有反映水生態(tài)系統(tǒng)狀況的意義［2］.因此，對(duì)沉積物中重金屬污染的研究及評(píng)價(jià)很有必要，也很有價(jià)值.

我國(guó)城市河道通常是污水及雨水徑流的匯集地和排泄通道，接納了大量點(diǎn)、面源污染物，河道污染對(duì)居民生活和城市景觀造成了嚴(yán)重的影響，因此城市河道的水力調(diào)度、底泥疏浚等污染整治工程備受關(guān)注.然而，這些工程措施往往忽略了沉積物中污染物釋放帶來(lái)的影響，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)和人體健康的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)缺乏有效評(píng)估.目前，盡管?chē)?guó)內(nèi)外對(duì)水體沉積物中重金屬的污染進(jìn)行了大量的研究，但是，這些研究多以大江大河、湖泊、水庫(kù)、河口及海灣沉積物作為研究對(duì)象［3］，關(guān)于城區(qū)河道沉積物的研究相對(duì)較少［4］，尤其對(duì)城市中小河道沉積物的研究和評(píng)價(jià)尚鮮見(jiàn)報(bào)道.為此，筆者選擇巢湖市典型城區(qū)河道為研究對(duì)象，采集代表河道不同區(qū)域的沉積物樣品，分析重金屬含量水平及污染特性，應(yīng)用地累積指數(shù)（index of geoaccumulation）［5］Igeo對(duì)污染程度進(jìn)行評(píng)價(jià)，并采用潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)（potential ecological risk index）RI法［6］定量計(jì)算出沉積物中重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)值，以期為巢湖城市河道沉積物及水體重金屬污染防治和決策管理提供科學(xué)依據(jù).

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)域

巢湖市位于安徽省中部，屬合肥市下轄縣級(jí)市，瀕臨長(zhǎng)江，環(huán)抱巢湖，是巢湖流域的重點(diǎn)城市（如圖1所示）.巢湖市城市河道主要有西環(huán)城河、丁崗河、東環(huán)城河、陸家河、天河和1個(gè)人工水體洗耳池，其中，天河較寬，與裕溪河相連，是巢湖水排入長(zhǎng)江的主要通道，其他河道多為狹長(zhǎng)形，平均寬度僅為23.8～42.2m，由于毗鄰生活區(qū)、商業(yè)區(qū)，這些中小型河道長(zhǎng)期受納生活污水、地表徑流和生活垃圾，水質(zhì)惡化嚴(yán)重.為此，該市開(kāi)展了活水工程，并配合大規(guī)模的底泥疏浚工程，期望通過(guò)工程實(shí)施，增強(qiáng)水體流動(dòng)，提高河道釋污、調(diào)蓄能力.然而，水體流動(dòng)會(huì)引起底泥擾動(dòng)，從而使底泥中的金屬進(jìn)入水體，最終引起的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)不容忽視.

1.2 樣品采集與分析

根據(jù)代表性原則在巢湖市各個(gè)河道布設(shè)了9個(gè)斷面，采樣點(diǎn)分布如圖1所示，其中，巢湖口（CH1）和裕溪河（CH3）各布設(shè)1個(gè)采樣點(diǎn)，西環(huán)城河由于較長(zhǎng)，布設(shè)2個(gè)采樣點(diǎn)，分別為CH7和CH8，其他河道和洗耳池由于污染分布比較單一，分別布設(shè)1個(gè)采樣點(diǎn)，分別為天河（CH2）、洗耳池（CH4）、陸家河（CH5）、丁崗河（CH6）和東環(huán)城河（CH9）.于2010年7月在各個(gè)采樣點(diǎn)采集表層（0～5cm）沉積物樣品3次，然后用孔徑0.2mm的尼龍篩現(xiàn)場(chǎng)擠壓過(guò)篩，去除雜物和粗顆粒，靜置，倒掉上覆水，并將該點(diǎn)位3個(gè)沉積物樣品充分混合均勻，封存于干凈的聚乙烯袋中，帶回實(shí)驗(yàn)室冷凍保存.樣品風(fēng)干后，碾碎，通過(guò)200目（0.076mm）尼龍篩，充分混合均勻.稱(chēng)取約0.25g樣品，采用微波消解法進(jìn)行預(yù)處理（參考EPA Method 3052中土壤消解方法）.重金屬元素（Cu，Pb，Zn，Cr，Ni，As）的含量使用美國(guó)Perkin Elmer（Optima 2100DV）電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀進(jìn)行檢測(cè)，Hg采用意大利Mile Stone公司DMA 80型直接汞分析儀測(cè)定.

圖1 采樣點(diǎn)分布示意Fig.1 Map of sampling sites

1.3 沉積物污染狀況及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法

沉積物中重金屬的評(píng)價(jià)方法很多，各有優(yōu)缺點(diǎn)和特定適用范圍.由于沉積環(huán)境的復(fù)雜性，采用單一方法很難準(zhǔn)確地反映沉積物的污染狀況及程度［2］.Igeo是沉積物中重金屬污染程度評(píng)價(jià)的常用指標(biāo)，其優(yōu)點(diǎn)是給出很直觀的重金屬污染級(jí)別，缺點(diǎn)是側(cè)重于單一金屬，未引入生物有效性和相對(duì)貢獻(xiàn)比例以及地理空間差異；而RI則體現(xiàn)了生物有效性和相對(duì)貢獻(xiàn)比例及其地理空間差異等特點(diǎn)，是綜合反映底泥中重金屬對(duì)生態(tài)環(huán)境影響潛力的指標(biāo)，但其毒性加權(quán)系數(shù)往往帶有主觀性，因此需要2種方法的互相補(bǔ)充和借鑒.

1.3.1 地累積指數(shù)法

地累積指數(shù)是德國(guó)海德堡大學(xué)沉積物研究所Müller教授提出的用于評(píng)價(jià)沉積物中重金屬污染程度的定量指標(biāo)，其計(jì)算方法如式（1）所示：

式中：Cn為樣品中元素n的含量；k為修正系數(shù)，通常用來(lái)表征沉積特征、巖石地質(zhì)及其他影響，一般取1.5；Bn為元素基線濃度.在本研究中元素基線濃度取王永華等［7］對(duì)巢湖底泥的研究背景值，其中，As取長(zhǎng)江流域沉積物背景值［8］.

在Igeo的級(jí)別參考上，由于F?rstner等［5］的7級(jí)劃分法較為詳細(xì)，考慮了過(guò)渡級(jí)別，所以本研究中也以7級(jí)劃分法作為參考.Igeo＜0，Igeo為0～1，1～2，2～3，3～4，4～5，Igeo＞5對(duì)應(yīng)的污染等級(jí)分別為0，1，2，3，4，5，6級(jí)，對(duì)應(yīng)的污染程度分別為無(wú)污染、無(wú)污染到中污染、中污染、中污染到強(qiáng)污染、強(qiáng)污染、強(qiáng)污染到極強(qiáng)污染、極強(qiáng)污染.

1.3.2 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法

潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)由瑞典科學(xué)家Hakanson于1980年提出［6］，主要用于對(duì)重金屬進(jìn)行潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，根據(jù)此法，某一區(qū)域沉積物中第i種重金屬的潛在生態(tài)危害系數(shù)Er，i及沉積物中多種重金屬的潛在生態(tài)危害指數(shù)RI可分別用式（2）和式（3）表示：

式中：Cf，i為重金屬富集系數(shù)，Cf，i＝Cs，i／Cn，i，Cs，i為重金屬i質(zhì)量分?jǐn)?shù)實(shí)測(cè)值，mg·kg-1，Cn，i為第n種金屬所需參比值，mg·kg-1；Tr，i為重金屬i的毒性系數(shù)，主要反應(yīng)重金屬的毒性水平和生物對(duì)重金屬污染的敏感程度，毒性系數(shù)取Hg為40，Pb為5，Cu為5，Ni為5，Cr為2，Zn為1，As為10［9］.單項(xiàng)潛在風(fēng)險(xiǎn)和綜合潛在風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)參照 Hakanson［6］的劃分標(biāo)準(zhǔn)：Er，i＜40，RI＜150為輕微污染，40≤Er，i＜80，150≤RI＜300為中等污染，80≤Er，i＜160，300≤RI＜600為強(qiáng)污染，160≤Er，i＜320，RI≥600為很強(qiáng)污染，Er，i≥320為極強(qiáng)污染.

2 結(jié)果與討論

2.1 污染水平和分布特征

表1列舉了巢湖市城市河道沉積物中重金屬的平均值、沉積物基準(zhǔn)限值和中國(guó)其他水體的研究結(jié)果.沉積物基準(zhǔn)是評(píng)價(jià)沉積物污染及其生態(tài)效應(yīng)的基礎(chǔ)，由于區(qū)域沉積物污染濃度和背景濃度的不同會(huì)導(dǎo)致沉積物基準(zhǔn)限值的差異，且巢湖流域尚未發(fā)現(xiàn)沉積物中重金屬基準(zhǔn)值的報(bào)道，因此本文采取Wang等［9］推薦的長(zhǎng)江流域的沉積物基準(zhǔn)值下限（threshold effect level，TEL）和基準(zhǔn)值上限（probable effect level，PEL），當(dāng)重金屬元素濃度低于TEL時(shí)，不利生物毒性效應(yīng)很少發(fā)生，而重金屬元素濃度高于PEL時(shí)，不利生物毒性效應(yīng)將頻繁發(fā)生.從表1可以看出，巢湖河流沉積物中Hg和As的平均含量超出了PEL，Cu，Zn，Cr，Pb，Ni均已超出TEL，這說(shuō)明巢湖市城市河道表層沉積物中重金屬含量已經(jīng)處于一個(gè)相當(dāng)高的水平，部分重金屬可能會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn).與國(guó)內(nèi)較大的河流（長(zhǎng)江［9］、珠江［10］和黃浦江［11］）和湖泊（洪澤湖［12］）比較發(fā)現(xiàn)，城市河道沉積物中重金屬含量總體高于較大水體，與鄰近的巢湖［13］相比，除Ni相當(dāng)外，其他重金屬含量均顯著高于巢湖，這可能是由于城市河道受人為干擾較大，生活污水、生活垃圾及地表徑流沖刷給河道帶來(lái)了大量的重金屬污染物，再加上城市河道的斷面狹窄、淤積嚴(yán)重、閘門(mén)和路涵較多等特點(diǎn)，導(dǎo)致水流速度放緩，加速了重金屬等污染物在河道中積累.

2.2 重金屬污染程度分析

采用地累積指數(shù)法計(jì)算了各點(diǎn)重金屬的Igeo，如表2所示.巢湖市河道表層沉積物中重金屬污染程度大小依次為Ni，Hg，Cu，As，Cr，Zn，Pb，其中，Ni為主要污染物，達(dá)到極強(qiáng)污染；Hg的污染程度平均為中污染狀態(tài)；Zn和Pb的Igeo級(jí)別在多數(shù)采樣點(diǎn)均為零，說(shuō)明該區(qū)域幾乎不存在Pb和Zn污染的風(fēng)險(xiǎn)；9個(gè)采樣點(diǎn)的6種重金屬（Hg，Cu，Zn，Cr，Pb，Ni）的Igeo的空間差異不太明顯，As在CH1附近達(dá)到強(qiáng)污染水平，而在CH2為無(wú)污染，其他點(diǎn)位為無(wú)污染到中污染水平，說(shuō)明CH1附近As的強(qiáng)污染與巢湖市自身的污染無(wú)關(guān)，可能與巢湖沉積物中較大As含量密切相關(guān)［13］；Hg，Cu和Cr在CH1和CH2略有污染，在其他采樣點(diǎn)基本達(dá)到中級(jí)污染水平；CH8附近Hg，Cu，Zn，Cr均達(dá)到中級(jí)污染水平，可能受到第一塑料廠的影響.

表1 巢湖市城市河道沉積物中重金屬的干重平均值及與中國(guó)其他水體的比較Tab.1 Comparison of mean heavy metal concentrations in river sediments from various urban areas in China （mg·kg-1）

表2 巢湖城市河道沉積物重金屬的地累積指數(shù)級(jí)別Tab.2 The pollution grades of sediment heavy metals__________in urban rivers of Chaohu City

2.3 潛在生態(tài)危害評(píng)價(jià)

采用RI評(píng)價(jià)巢湖市城市河道表層沉積物中重金屬的潛在生態(tài)影響.表3反映了沉積物中單項(xiàng)重金屬的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，重金屬單項(xiàng)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度除Hg外多數(shù)為低風(fēng)險(xiǎn)程度，比Igeo更為清晰地反映了單項(xiàng)重金屬的污染程度及分布特征.Hg的全水域平均生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)為98，為較重風(fēng)險(xiǎn)，其中CH8達(dá)到重風(fēng)險(xiǎn)水平，CH6和CH7表現(xiàn)為較重風(fēng)險(xiǎn)；Cu在CH8點(diǎn)顯示為中等風(fēng)險(xiǎn)，這幾個(gè)點(diǎn)位于巢湖市西面水體CH7和CH8和CH6，都屬于淤積較為嚴(yán)重、受人類(lèi)活動(dòng)影響較大的水體；As在CH1為較重風(fēng)險(xiǎn)，而在其他采樣點(diǎn)均為低風(fēng)險(xiǎn)，其他幾種金屬在所有采樣點(diǎn)都為較低風(fēng)險(xiǎn).根據(jù)單項(xiàng)金屬的平均生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，巢湖市河道表層沉積物中主要重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度的大小順序?yàn)椋篐g，As，Cu，Pb，Cr，Ni，Zn.Hg的單項(xiàng)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他重金屬，是最主要的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)因子.

表3 各采樣點(diǎn)的沉積物單項(xiàng)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)Tab.3 Individual indices of potential ecological risk at each sampling site in surface sediments

圖2 多項(xiàng)金屬的綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)及潛在風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)Fig.2 General indices and grades of potential ecological risk assessment at each sampling site in surface sediments

巢湖市河道多項(xiàng)金屬的綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)如圖2所示，除CH8為重生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)外，其他8個(gè)點(diǎn)位中3個(gè)為中等風(fēng)險(xiǎn)、5個(gè)為低風(fēng)險(xiǎn)，整體表現(xiàn)為中等風(fēng)險(xiǎn)，綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)的空間分布特征與Hg的單項(xiàng)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)空間分布類(lèi)似.CH8位于西環(huán)城河靠近巢湖閘附近水域，重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)表現(xiàn)為重風(fēng)險(xiǎn)，該區(qū)域周?chē)植即罅啃笄蒺B(yǎng)殖戶，靠河岸布設(shè)的大量豬舍對(duì)附近水域造成嚴(yán)重污染，CH8西面有巢湖市第一塑料廠，可能是造成水體沉積物中重金屬積累較多的重要原因；此外，該區(qū)域位于CH1和CH2之間，多數(shù)時(shí)間為滯水區(qū)，淤積嚴(yán)重，加速了重金屬的沉淀和積累.

3 結(jié)論

（1）巢湖市河道表層沉積物中重金屬含量處于相當(dāng)高的水平，Hg和As的平均含量已經(jīng)超過(guò)沉積物質(zhì)量基準(zhǔn)上限.7種重金屬（除As外）的含量水平與國(guó)內(nèi)其他城市河道的研究數(shù)據(jù)相當(dāng)，但是比大水體沉積物中的重金屬含量高.這與城市河道斷面狹窄、淤積嚴(yán)重、閘門(mén)和路涵較多、受人為污染干擾相對(duì)較大等特點(diǎn)具有重要關(guān)系.

（2）巢湖市河道表層沉積物中重金屬污染程度大小依次為Ni，Hg，Cu，As，Cr，Zn，Pb，巢湖市河道多數(shù)為低生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度，個(gè)別區(qū)域達(dá)到中等和重生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度.單項(xiàng)重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度的大小順序?yàn)?Hg，As，Cu，Pb，Cr，Ni，Zn，重金屬污染可能存在的主要風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域?yàn)槲鳝h(huán)城河，應(yīng)當(dāng)引起相關(guān)部門(mén)足夠重視，加大力度改善該區(qū)域存在的河道淤積等問(wèn)題，規(guī)范畜禽養(yǎng)殖和生活污水排放，提高附近居民的環(huán)保意識(shí).

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