陽(yáng) 輝，樊貴盛，劉 婷

（1.太原理工大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原030024；2.太原理工大學(xué) 水利科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原030024）

水體污染不僅僅表現(xiàn)在水體富營(yíng)養(yǎng)化以及各項(xiàng)有機(jī)污染物，重金屬污染也是重要的部分。鉛、鋅、鎘、鉻、銅、鎳等9種重金屬被列入我國(guó)水中優(yōu)先控制的68種污染物的“黑名單”［1］。而通過(guò)各種途徑進(jìn)入河流水體中的重金屬絕大部分在物理沉淀、化學(xué)吸附等作用下迅速由水相轉(zhuǎn)入固相，沉積于底泥中，因此底泥是河流中重金屬的主要蓄積庫(kù)，是河流水環(huán)境重金屬污染的指示劑，影響著河流疏浚治理的效果。同時(shí)，重金屬具有毒性甚至劇毒，不能為微生物所降解而通過(guò)富集作用累積，對(duì)生態(tài)環(huán)境具有潛在的生態(tài)危害性。

對(duì)于河流底泥污染物的研究是目前環(huán)境科學(xué)研究的熱點(diǎn)問(wèn)題，尤其是重金屬污染，僅以研究底泥中重金屬分布特征及來(lái)源為例，大致分為3類：一是選取某條河流為研究區(qū)［2］；二是以海灣為研究對(duì)象［3－4］；三是對(duì)湖泊水體沉積物重金屬進(jìn)行研究［5－6］。上述研究均選取的是單一的研究對(duì)象，對(duì)以多對(duì)象的研究還較少。在此基礎(chǔ)上，本研究選取隸屬于瀟河流域的白馬河和瀟河同時(shí)為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)河流各段表層底泥中重金屬含量進(jìn)行同期檢測(cè)、定量分析研究，得出流域底泥重金屬分布特征，分析其成因，并進(jìn)行潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。研究結(jié)果可為重金屬在黃土高原地區(qū)的流域河道底泥中的分布情況提供基礎(chǔ)資料，為流域河道沉積物的污染防治和河道生態(tài)恢復(fù)及保護(hù)提供重要的理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 瀟河流域概況

瀟河流域地處黃土高原東部邊緣，屬大陸性半干旱氣候，冬季寒冷干燥，夏季多雨炎熱，多年平均降水量為483mm，多年平均氣溫10.1℃，多年平均蒸發(fā)量2 063mm。河道封凍期約90d，流冰期約20d。

瀟河干流主要包括白馬河和瀟河兩支。瀟河為汾河的第二大支流，全長(zhǎng)147km，流域面積3 894 km2，白馬河全長(zhǎng)66.7km，流域面積1 067.5km2。整個(gè)瀟河流域包括包含了晉中地區(qū)的昔陽(yáng)、壽陽(yáng)、和順、太谷、榆次、盂縣（部分），太原市的小店區(qū)、清徐、陽(yáng)曲（部分）等9個(gè)縣區(qū)。根據(jù)調(diào)查得知，河水中污染物主要來(lái)源為壽陽(yáng)、榆次縣區(qū)，其中，壽陽(yáng)縣作為煤炭資源大縣，有大量的工礦企業(yè)，包括食品廠、造紙廠、電廠、農(nóng)副產(chǎn)品加工廠等，境內(nèi)統(tǒng)計(jì)備案的排污口就多達(dá)9個(gè)；榆次區(qū)水資源嚴(yán)重不足，現(xiàn)有地表水很多由于污染嚴(yán)重已失去使用功能，河段堤岸防洪能力低且水土流失嚴(yán)重，占該區(qū)土地面積的70%，從而導(dǎo)致河道淤積，河床抬高。因此，進(jìn)行采樣的河流為白馬河和瀟河。

1.2 采樣點(diǎn)布設(shè)

監(jiān)測(cè)采樣點(diǎn)采用GPS系統(tǒng)精確定位?？紤]到整個(gè)流域的水文水質(zhì)、河道走向和彎道、支流匯流處、陸上污染源的分布以及河道進(jìn)污口等因素，設(shè)置并實(shí)施采樣的點(diǎn)共8個(gè)。瀟河共設(shè)5個(gè)采樣點(diǎn)，其中，S1為位于瀟河下游段的源渦大壩，S1下游至瀟河入汾口由于水體的幾何形狀，如河流的斷面形狀和水深，以及河道坡度導(dǎo)致河底無(wú)淤積物，為砂礫石，因此無(wú)采樣點(diǎn)。S2為距S1處8.4km的西窯鎮(zhèn)生活污水排污口，S3為位于瀟河中下游段的西洛鎮(zhèn)，S4為位于瀟河和白馬河交匯后的蘆家莊水文站，S5為位于瀟河上游的白馬河和瀟河交匯前的松塔水庫(kù)庫(kù)尾。至于白馬河，共設(shè)采樣點(diǎn)3個(gè)，分別為S6馬首鄉(xiāng)，S7壽陽(yáng)縣印刷廠排污口，S8壽陽(yáng)污水廠出水口。

1.3 采樣方法

采樣依次從流域下游至上游。樣品主要采用直接挖掘法，取深度為0—20cm處的表層底泥。樣品采集后，裝入聚乙烯塑料袋中迅速帶回實(shí)驗(yàn)室。

1.4 分析方法

底泥樣品經(jīng)過(guò)預(yù)處理以后，研細(xì)過(guò)100目篩，按照王水回流消解原子吸收法（NY－T1613－2008），經(jīng)HNO3—HCl消解后，用原子吸收分光光度計(jì)測(cè)定重金屬含量，所測(cè)重金屬項(xiàng)目有Cu，Zn，Cr，Pb，Cd及Ni，同時(shí)做空白實(shí)驗(yàn)。所有器皿均用稀硝酸處理，去離子水洗凈烘干待用。

2 結(jié)果與討論

2.1 重金屬分布特征及成因

經(jīng)測(cè)定，瀟河流域各采樣點(diǎn)表層底泥中重金屬的平均含量分布情況如圖1所示。從圖1可以看出，一方面，正常淤積下，整個(gè)流域，位于中上游的白馬河底泥重金屬含量高于下游的瀟河底泥，即流域底泥重金屬含量在水平方向呈“中上游流域高，下游流域低“的分布特征。具體看來(lái)，每條河流，無(wú)論是白馬河還是瀟河，重金屬含量在水平方向上同樣呈“上游河段高，下游河段低”的分布趨勢(shì)。

另一方面，各種重金屬含量在白馬河的S7，瀟河的S2卻又表現(xiàn)下游河段高于上游的變化特征，尤其是Cu和Zn含量，表現(xiàn)出一致的變化趨勢(shì)，這點(diǎn)說(shuō)明Cu和Zn在底泥中的含量具有相關(guān)性。經(jīng)過(guò)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，S7點(diǎn)旁有一造紙廠的排污口，其污水未經(jīng)處理直接排入河道，其中含有Pb和Cr等，且其上游S6點(diǎn)排出的為壽陽(yáng)污水廠處理后的出水口，該點(diǎn)說(shuō)明污水廠在處理污水時(shí)只去除了水中的COD、氮磷等物質(zhì)而并未對(duì)水中重金屬進(jìn)行任何處理。同樣，S2點(diǎn)旁設(shè)有西窯居民的生活污水排污口以及新增污水來(lái)源，分別來(lái)自源渦，榆次，清徐等三個(gè)鄉(xiāng)區(qū)的工礦企業(yè)，包括食品加工廠，電廠等排出的“三廢”和生活污廢水。而這些污廢水中含有大量Zn，Ni，Pb等重金屬，由此可知底泥中的重金屬主要來(lái)自水體中的重金屬，關(guān)鍵在于河流是否有外排污口——重金屬污染源。

同時(shí)，水為底泥中重金屬的遷移轉(zhuǎn)化創(chuàng)造了化學(xué)條件，為底泥中重金屬的吸收與釋放提供介質(zhì)。因此，底泥重金屬受到某些水質(zhì)參數(shù)的影響，研究表明鎘是水遷移性元素，除硫化鎘外，其它鎘的化合物均能溶于水，其溶解度受碳酸根或羥基濃度所制約；天然水體中鉛主要以Pb2＋狀態(tài)存在，其含量和形態(tài)明顯受CO2－3，SO2－4，OH－和Cl－等含量的影響；鉻在水體中主要以3價(jià)和6價(jià)鉻的化合物為主，3價(jià)鉻大多數(shù)被底泥吸附轉(zhuǎn)入固相，少量溶于水，遷移能力弱。6價(jià)鉻毒性比3價(jià)鉻大，它可被還原為3價(jià)鉻，然后被懸浮物強(qiáng)烈吸附而沉降至底部顆粒物中，還原作用的強(qiáng)弱主要取決于COD值，COD值越高，則還原作用越強(qiáng)；水體中大量無(wú)機(jī)和有機(jī)顆粒物，能強(qiáng)烈地吸附或螯合銅離子，使銅最終進(jìn)入底部沉積物；在天然水的pH范圍內(nèi)，鋅都能水解成可溶性配合物，在水體中易生成化學(xué)沉積物向底部沉積物遷移，其含量為水中的1萬(wàn)倍；鎳常與水中硝酸鹽形成可溶性配合離子隨水流遷移［7］。據(jù)此，由于待測(cè)水體中重金屬含量相對(duì)較少，所以選取pH值，COD，NO3—N，NH4—N，總磷，總硬度和電導(dǎo)率7個(gè)水質(zhì)參數(shù)作為研究對(duì)象，得出水質(zhì)參數(shù)與底泥中重金屬含量分布的關(guān)系。水樣的分析方法按照《地面水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB3838—83）》中提供的采樣和分析方法。

為減少分析過(guò)程中因素過(guò)多，故對(duì)水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行主成分分析（PCA），分析結(jié)果詳見(jiàn)表1。取特征值大于1的主成分（P5—P7）進(jìn)行分析，然后分別將6種重金屬的含量與這3個(gè)主成分進(jìn)行回歸分析，得出水質(zhì)對(duì)底泥中各種重金屬含量的影響。

圖1 瀟河流域各采樣點(diǎn)表層底泥中重金屬平均含量分布

表1 瀟河流域河流水質(zhì)主成分分析結(jié)果

對(duì)于表1進(jìn)行分析可得，對(duì)于瀟河流域河流水質(zhì)來(lái)說(shuō)，可以分為3大類影響因素。第5個(gè)主要成分可以表示的是水中Ca＋，Mg2＋含量的特征；第6個(gè)主要成分表征的是水質(zhì)的酸堿程度；第7個(gè)主要成分水中硝態(tài)氮含量的特征。將底泥中各重金屬的含量與3個(gè)主要成分進(jìn)行多元線性回歸分析，分別得出回歸方程：

河道底泥中重金屬的含量受到河流水質(zhì)多種因素的影響，對(duì)于瀟河流域來(lái)說(shuō)，對(duì)各回歸方程中各主成分的系數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析可以得出，對(duì)于底泥中Cd的含量來(lái)說(shuō)，主要是受水中硝態(tài)氮含量的影響，經(jīng)測(cè)定，樣點(diǎn)S2和S1處水中的硝態(tài)氮含量分別為4.325和5.904mg／L，在所有采樣點(diǎn)中處于最高水平，從圖1可知，樣點(diǎn)S2和S1處底泥中的鎘含量同樣處于較高水平，該點(diǎn)說(shuō)明水中硝態(tài)氮含量越高，溶解態(tài)鎘含量越低，鎘更容易被水體中的沉積物所吸附；對(duì)于Cr，Pb，Cd，Cu，Ni來(lái)說(shuō)，主要是受水質(zhì)硬度的影響，通過(guò)測(cè)量各采樣點(diǎn)處水中硬度含量，得出各采樣點(diǎn)硬度含量大小順序?yàn)椋篠6＞S4＞S7＞S8＞S2＞S1＞S5＞S3。從圖2看出，硬度靠前的采樣點(diǎn)處底泥中的各個(gè)重金屬含量同樣也是靠前的，由此可知，水中硬度含量大，水中重金屬離子更容易通過(guò)沉淀，絡(luò)合等作用富集到河道底泥中。因而控制河流底泥中的重金屬含量主要是從調(diào)節(jié)河流水質(zhì)硬度特征著手，其次是控制河水中硝態(tài)氮含量。此外，流域各采樣點(diǎn)重金屬含量參照《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB15618—1995）》一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（圖1中虛線所對(duì)應(yīng)的值），從圖1可看出，除Cd以外，其他其它重金屬平均含量均低于土壤質(zhì)量一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值，而Cd的平均含量雖偏高，也是低于土壤質(zhì)量三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值（1.0mg／kg）。因此，瀟河流域底泥重金屬污染屬于原生型污染，對(duì)河道進(jìn)行生態(tài)保護(hù)時(shí)可考慮采用近自然恢復(fù)措施［8］。

2.2 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

目前，底泥中重金屬污染評(píng)價(jià)方法主要有地質(zhì)累積指數(shù)法［9］、污染負(fù)荷指數(shù)法［10］、潛在生態(tài)危害指數(shù)法［11－14］、健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法［15］、模糊數(shù)學(xué)法［16］和基于GIS地統(tǒng)學(xué)評(píng)價(jià)方法［17］等。

潛在生態(tài)指數(shù)法是瑞典學(xué)者Hakanson于1980年提出的一套應(yīng)用沉積學(xué)原理評(píng)價(jià)重金屬污染及生態(tài)危害的方法，被國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛的應(yīng)用于研究河流和海域沉積物重金屬污染評(píng)價(jià)。從環(huán)境學(xué)的意義，地球化學(xué)元素的污染評(píng)價(jià)主要是評(píng)價(jià)其污染程度對(duì)生態(tài)系統(tǒng)或人類健康的威脅程度，而潛在生態(tài)危害指數(shù)計(jì)算加入的毒性因子恰恰能滿足評(píng)價(jià)需求，因而使用這種方法具有實(shí)際的價(jià)值。并且潛在生態(tài)危害指數(shù)法可反映：（1）潛在生態(tài)危害指數(shù)應(yīng)隨污染程度的加大而增大；（2）多種金屬污染的沉積物的潛在生態(tài)危害指數(shù)應(yīng)高于少數(shù)幾種金屬污染的沉積物；（3）毒性高的金屬應(yīng)該對(duì)潛在生態(tài)指數(shù)的數(shù)字有較大貢獻(xiàn)；（4）對(duì)金屬污染敏感性大的水體應(yīng)有較高的潛在生態(tài)危害指數(shù)。

因此，選擇潛在生態(tài)危害指數(shù)法評(píng)價(jià)瀟河流域底泥中重金屬的污染程度。根據(jù)這一方法，底泥中第i種重金屬的潛在生態(tài)危害參數(shù)（）及底泥中多種重金屬的潛在危害指數(shù)（RI）可分別表示為：

由表2—3可知，從單因子污染參數(shù)來(lái)看，Cu，Zn，Cr和Ni的污染參數(shù)值介于0.16～0.84之間，均小于1，所有的采樣點(diǎn)都屬于輕微污染；Pb的污染參數(shù)值除位于白馬河的S6和S7為1～3，屬于中等污染，其余大部分采樣點(diǎn)均小于1，屬于輕微污染；Cd的污染參數(shù)值大部分點(diǎn)都在2.05～2.85，屬于中等污染，除S2點(diǎn)為重度污染。對(duì)瀟河流域表層底泥中重金屬的復(fù)合污染狀況評(píng)價(jià)結(jié)果是：Cd＞Pb＞Ni＞Cu＞Cr＞Zn。其中，Cd元素的值介于19.50～99.00之間，屬于輕微到強(qiáng)生態(tài)危害；其余5種元素的Eir值均小于40，屬于輕微生態(tài)危害。

表2 重金屬污染潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分

表3 表層底泥中重金屬的潛在生態(tài)危害系數(shù)與危害指數(shù)

3 結(jié)論

（1）在無(wú)外排污水口的情況下，流域河道底泥重金屬含量水平分布呈“中上游流域高，下游流域低”的趨勢(shì)；非正常淤積下，如河道起伏不定，河流有新的污染物注入，降雨等，影響其在底泥中的累積入滲量，便會(huì)表現(xiàn)出下游高于上游的分布特征。

（2）流域河道底泥重金屬含量易受河流水質(zhì)的影響，運(yùn)用PCA分析水質(zhì)參數(shù)與重金屬的關(guān)系，得出3個(gè)主要的影響因素由強(qiáng)到弱依次為：水的硬度＞水中硝態(tài)氮含量＞酸堿度。對(duì)瀟河流域底泥重金屬污染的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，Cu，Zn，Cr和Ni屬于輕微污染，Pb屬于輕微到中等污染，Cd屬于中等到強(qiáng)度污染，各重金屬對(duì)河道生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)構(gòu)成危害的影響程度大小順序依次為：Cd＞Pb＞Ni＞Cu＞Cr＞Zn。對(duì)于瀟河流域來(lái)說(shuō)，總潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)為輕微，就各個(gè)采樣點(diǎn)而言，綜合污染狀況以瀟河下游的西窯和白馬河壽陽(yáng)污水廠出水口處最嚴(yán)重，瀟河上游的白馬河和瀟河交匯前的松塔水庫(kù)庫(kù)尾處的重金屬污染最輕，這主要是受鎘濃度含量的影響，因此，應(yīng)該限制西窯鎮(zhèn)居民生活污水的排放以及加強(qiáng)污水廠對(duì)重金屬的處理和處置。

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