舒 偉,陳, 高陽俊

(1.上海環(huán)科環(huán)境認(rèn)證有限公司,上海200233;2.荷蘭瓦格寧根大學(xué),荷蘭瓦格寧根6700AA;3.上海市環(huán)境科學(xué)研究院,上海200233)

0　引言

近年來,隨著社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,生活和生產(chǎn)中的污染物產(chǎn)生量逐年增加,大量未經(jīng)處理的污染物直接排入河道中,大多數(shù)重金屬等污染物在河道中沉積,被河道底泥吸附和積累,進(jìn)而被魚類吸收或貝類體表吸附,進(jìn)入食物鏈,從而造成公害[1]。另外,當(dāng)化學(xué)、動(dòng)力等外部條件發(fā)生變化時(shí),底泥中的重金屬會(huì)被重新釋放出來,可能會(huì)造成水體的二次污染,引起更多環(huán)境問題[2]。

重金屬原是指密度大于5 g/cm3的金屬,但從環(huán)境污染角度來說,重金屬主要是指汞、鎘、鉛及砷(類金屬)等生物毒性顯著的金屬[3]。這些重金屬在水中不能被溶解,且能與水中的其他有害物質(zhì)結(jié)合生成毒性更大的有機(jī)物。當(dāng)人體直接或間接地?cái)z取重金屬元素且在人體中累積到一定程度,就會(huì)造成人體的慢性中毒。例如,日本發(fā)生的水俁病(汞污染)和骨痛病(鎘污染)等公害病,都是由重金屬污染引起的[4]。

根據(jù)國家環(huán)保部公布的2015年中國環(huán)境狀況公報(bào)[5],我國的水污染情況依舊處于比較嚴(yán)峻的形勢(shì)。水體的嚴(yán)重污染勢(shì)必密切關(guān)聯(lián)河道底泥的污染狀況,但目前尚未開展全國統(tǒng)一的河道底泥重金屬污染調(diào)查,對(duì)于各大中小河道底泥重金屬污染的現(xiàn)狀尚不清楚。因此,本文查閱了大量已經(jīng)發(fā)表的有關(guān)河道底泥重金屬含量的國內(nèi)外文獻(xiàn),通過對(duì)各重金屬的研究頻次、含量分析、污染評(píng)估,以期能對(duì)河道底泥的重金屬污染現(xiàn)狀有詳細(xì)了解,同時(shí)也為科學(xué)合理評(píng)估重金屬污染提供依據(jù)。

1　河道底泥重金屬污染的現(xiàn)狀

本文查閱了97篇國內(nèi)外對(duì)于河道底泥重金屬研究的文獻(xiàn),并對(duì)這97篇的研究數(shù)據(jù)進(jìn)行了整體分析。得到了現(xiàn)階段國內(nèi)外對(duì)河道底泥重金屬研究的情況以及國內(nèi)外河道底泥重金屬污染的現(xiàn)狀。

1.1　河道底泥重金屬研究頻次

在97篇文獻(xiàn)中,國內(nèi)外文獻(xiàn)各占50%,共對(duì)14種重金屬進(jìn)行了研究,本文對(duì)河道底泥重金屬的研究頻次進(jìn)行了統(tǒng)計(jì),得到表1、圖1和圖2。

從中可以看出,研究最頻繁的依次是Cu、Pb、Zn,研究頻率均達(dá)到90%以上。研究頻次最低的是Ti、Sr、Sn、V,研究頻率均在6%以下,且僅在國外的研究中出現(xiàn)。國內(nèi)研究最多的Cr、Cu、Pb、Zn,研究頻次均在40以上,研究最少的是Mn和Co,研究頻次均少于5次。在國外的文獻(xiàn)中,研究最多的是Zn和Cu,研究頻次分別達(dá)到了42和41次。研究頻次最少的是Ti、Sr、Sn、V,研究頻次均在5次以下。

1.2　河道底泥重金屬含量

本文用SPSS對(duì)97篇文獻(xiàn)中的重金屬污染數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì),計(jì)算出了平均值、中位數(shù)和變異系數(shù),并根據(jù)背景值計(jì)算出了這些重金屬在土壤中的富集系數(shù),具體的數(shù)據(jù)分為國內(nèi)和國外,分別列于表2和表3。

表1　河道底泥重金屬研究頻次Tab.1 Research frequency of heavy metals in river sediment

圖1　河道底泥重金屬研究頻次總計(jì)Fig.1 Summary of research frequency of heavy metals in river sediment

圖2　國內(nèi)外重金屬研究頻次對(duì)比Fig.2 The comparison of heavy metals research frequency from home and abroad

表2　國內(nèi)河道底泥重金屬含量統(tǒng)計(jì)Tab.2 Contents of heavy metals in thesediment from domestic river channel

表3　國外河道底泥重金屬含量統(tǒng)計(jì)Tab.3 Contentsof heavy metalsin river sediment from abroad

國內(nèi)的文獻(xiàn)共對(duì)10種重金屬進(jìn)行了研究,從富集系數(shù)可以看出,國內(nèi)河道底泥中Cd的污染是最嚴(yán)重的,富集系數(shù)達(dá)到109.78,Hg的污染也十分嚴(yán)重,富集系數(shù)達(dá)到了94.00。污染較為輕微的是Co和Ni,其富集系數(shù)分別為1.26和1.28。

國外的文獻(xiàn)對(duì)全部14種重金屬進(jìn)行了研究,從富集系數(shù)的值來看,污染最嚴(yán)重的是Sn,富集系數(shù)達(dá)到了86.29。Ti、Sr、V的值均低于土壤背景值。

2　河道底泥重金屬評(píng)價(jià)

河道底泥重金屬污染的評(píng)價(jià)方法有很多,本文選取了生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法、地積累指數(shù)法和富集因子法3種常用的評(píng)價(jià)方法對(duì)國內(nèi)外土壤重金屬污染情況進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

2.1　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)法[95]是由瑞典科學(xué)家Hakanson在1980年提出的,該方法是用Risk Index(RI)來評(píng)價(jià)重金屬的污染情況,RI的計(jì)算公式如下:

其中,RI為生態(tài)危害指數(shù),用于描述某一點(diǎn)多個(gè)污染物潛在生態(tài)危害系數(shù)的綜合值;Ei為重金屬i的生態(tài)危害系數(shù),用于描述某一污染物(元素)的污染程度;Ti為重金屬i的毒性系數(shù);Cis為底泥表層重金屬i的測(cè)定值;Cin為重金屬i的參比值(本文使用重金屬在土壤中的背景值作為參比值),見表4。

生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法的重點(diǎn)在于重金屬元素的毒性系數(shù)。通過查找文獻(xiàn)[96],根據(jù)12個(gè)重金屬的毒性系數(shù),計(jì)算出了這12種重金屬的Ei值,見表5。

表5中顯示的是根據(jù)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法計(jì)算出的12種重金屬在國內(nèi)、國外及整體平均中的Ei值,根據(jù)Ei值可以判斷重金屬的污染程度。對(duì)國內(nèi)的數(shù)據(jù)分析顯示,除Cd和Hg屬于極強(qiáng)污染外,其他重金屬均為輕微污染。經(jīng)過對(duì)國外研究的數(shù)據(jù)分析,可以看到 Cu、Zn、Cr、Mn、Ti、Co、V、Ni屬于輕微污染,Pb屬于中等污染,As屬于強(qiáng)污染,Cd和Hg屬于極強(qiáng)污染。

表4　生態(tài)危害系數(shù)和風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)分級(jí)Tab.4 Ecological hazard coeffi cient and classifi cation of risk index

表5　國內(nèi)外各重金屬生態(tài)危害系數(shù)Tab.5 Ecological hazard coeffi cient of heavy metals from home and abroad

根據(jù)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法對(duì)國內(nèi)外重金屬污染情況的分析發(fā)現(xiàn),無論國內(nèi)還是國外,Cd和Hg都屬于極強(qiáng)污染的程度,Cu、Zn、Cr、Mn、Ni均為輕微污染,As和Pb在國外的污染情況比國內(nèi)的污染情況嚴(yán)重。

2.2　地積累指數(shù)法

地積累指數(shù)法[97]是德國海德堡大學(xué)的Muller提出的一種研究水環(huán)境沉積物中重金屬污染的方法。地積累指數(shù)的計(jì)算公式如下:

式中:Ci為元素在小于2μm沉積物中的實(shí)測(cè)值;Bi為普通頁巖中該元素的地球化學(xué)背景值；常數(shù)K取值為1.5,主要是考慮到成巖作用可能會(huì)引起的背景值的變動(dòng)。根據(jù)地積累指數(shù)值的大小,重金屬的污染程度可分為7級(jí),具體分級(jí)情況見表6。

根據(jù)地積累指數(shù)法的計(jì)算公式,計(jì)算出了研究中14種重金屬的Igeo值(見表7),根據(jù)Igeo值的范圍,可以判定出各個(gè)重金屬的污染程度。就我國國內(nèi)情況而言,Mn、Co、Ni屬于無污染,As、Cr屬于輕微污染,Cu、Pb、Zn屬于中等污染,Cd和Hg為極強(qiáng)污染。從國外文獻(xiàn)的分析情況來看,Sr、V屬于無污染,Cr和Mn屬于輕微污染,Co、Ni為中等污染,Cu、Pb、Zn和Hg為中等到強(qiáng)污染,Cd、As為強(qiáng)污染,Ti為強(qiáng)到極強(qiáng)污染,Sn為極強(qiáng)污染。

表6　地積累指數(shù)I geo值分級(jí)Tab.6 Classifi cation of geo-accumulation index value

表7　國內(nèi)外重金屬I geo值Tab.7 I geo valueof heavy metalsfrom homeand abroad

對(duì)比國內(nèi)外重金屬的污染情況可以發(fā)現(xiàn),Co、Ni在國內(nèi)可認(rèn)為是無污染的,而在國外屬于中等污染,As在國內(nèi)僅屬于輕微污染的情況,而在國外屬于強(qiáng)污染,Hg在國內(nèi)屬于極強(qiáng)污染,而在國外僅屬于中等到強(qiáng)污染。Cu、Pb、Zn在國內(nèi)外的污染情況差別不大,均屬于中等污染。

2.3　富集因子法

富集因子[97]是評(píng)價(jià)人類活動(dòng)對(duì)土壤中重金屬富集程度影響的參數(shù),為了減少采樣和制樣過程中的人為影響以及保證各指標(biāo)間的可比性與等效性,以參比元素為參考標(biāo)準(zhǔn),對(duì)測(cè)試樣品中元素進(jìn)行歸一化處理。本文選擇Fe作為參比元素,主要考慮到Fe在地殼中豐度高,占地殼元素總量的4.75%,在中性和堿性環(huán)境中鐵的溶解度低,不易淋溶遷移,生物利用度也低,性質(zhì)較為穩(wěn)定。從實(shí)地測(cè)試結(jié)果看,Fe含量是所有測(cè)試指標(biāo)中最穩(wěn)定的。富集因子的數(shù)學(xué)表達(dá)式為:式中:EF為重金屬在土壤中的富集系數(shù),Cn(sample)、Bn(background)是某元素的實(shí)測(cè)濃度和背景濃度,Cref(sample),Bref(background)是參比元素的實(shí)測(cè)濃度和背景濃度。富集因子將重金屬的污染分為5個(gè)等級(jí),具體分級(jí)見表8。

根據(jù)富集因子法的計(jì)算公式,計(jì)算出了14種富集系數(shù)EF值(見表9),根據(jù)EF值的范圍,可以判定出各個(gè)重金屬的污染程度。就我國國內(nèi)情況而言,As、Cr、Mn、Co和Ni屬于無污染或輕度污染,Cu、Pb、Zn屬于中等污染,Cd和Hg為極重污染。從國外文獻(xiàn)的分析情況來看,Cr、Mn、Sr、Co、V、Ni屬于無污染或輕微污染,Cd、Cu、Pb、Zn、Hg為中度污染,As、Ti為重度污染,Sn屬于嚴(yán)重污染。As在國內(nèi)屬于無污染或輕微污染,在國外屬于重度污染。Cd和Hg在國內(nèi)已屬于極重污染,而在國外分別屬于重度污染和中度污染。

表8　富集系數(shù)分級(jí)Tab.8 Classifi cation of enrichment factors

表9　國內(nèi)外各種金屬富集系數(shù)Tab.9 Enrichment Factors of heavy metals from home and abroad

2.4　不同評(píng)價(jià)方法的比較

本文運(yùn)用了3種評(píng)價(jià)方法,根據(jù)已有的數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)了國內(nèi)外重金屬的污染情況,從結(jié)果可以看出,不同的評(píng)價(jià)方法會(huì)得到不同的結(jié)果。例如,當(dāng)利用生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法進(jìn)行評(píng)估時(shí),Ti僅為輕微污染,而地積累指數(shù)法的評(píng)估結(jié)果顯示Ti為強(qiáng)到極強(qiáng)污染;當(dāng)利用富集因子法評(píng)估時(shí),Ti也屬于重度污染。這可能是由于不同的評(píng)價(jià)方法的原理及側(cè)重點(diǎn)不同。

生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法是運(yùn)用毒性系數(shù)計(jì)算重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn),并根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)污染程度進(jìn)行分級(jí)評(píng)價(jià),評(píng)價(jià)結(jié)果不僅與沉積物中的重金屬含量有關(guān),同時(shí)還與重金屬的毒性系數(shù)有關(guān)。毒性系數(shù)是由Hakanson提出的根據(jù)“元素豐度原則”和“元素釋放度”經(jīng)過一系列方法計(jì)算所得的,即某一重金屬元素的潛在生態(tài)毒性與其豐度成反比,且易于釋放的元素對(duì)生物的潛在毒性更大。

地積累指數(shù)法是對(duì)數(shù)形式的表達(dá),并考慮到成巖作用對(duì)背景值的影響引入了常數(shù)K,運(yùn)用地積累指數(shù)法進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)還需要考慮沉積物顆粒大小的因素,該評(píng)價(jià)方法中指明沉積物顆粒需小于2μm,而本研究是采用各研究數(shù)據(jù)的平均值進(jìn)行計(jì)算,不同研究中的沉積物顆粒大小不盡相同,因此計(jì)算結(jié)果存在一定程度的誤差。

富集因子法則是引用了參比元素,本文選用Fe作為參比元素,除Fe以外,Sc、Cs、Li、Mn、Ti、Al、Ca也因其性質(zhì)較穩(wěn)定、不易受所在環(huán)境與分析測(cè)試過程的影響而被選為常用的參比元素。用不同的參比元素進(jìn)行計(jì)算得到的結(jié)果也有可能存在一些差異。

3　結(jié) 論

(1)國內(nèi)和國外發(fā)表的文獻(xiàn)對(duì)于重金屬污染情況的研究有較大的差別。國內(nèi)文獻(xiàn)對(duì)10種重金屬進(jìn)行了研究,而國外文獻(xiàn)對(duì)14種重金屬進(jìn)行了研究;國內(nèi)外對(duì)一些金屬的研究頻次存在較大的差別,國內(nèi)對(duì)于Cd、As和Hg的研究頻次遠(yuǎn)高于國外,而國外文獻(xiàn)中Mn、Co、Ni的數(shù)據(jù)明顯多于國內(nèi);除了Cu和Cr以外,國內(nèi)外不同重金屬的富集系數(shù)存在極大的差別。

(2)不同的環(huán)境評(píng)價(jià)方法對(duì)不同的重金屬評(píng)價(jià)結(jié)果不完全相同。生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法主要側(cè)重于重金屬毒性造成的環(huán)境危害,Cd和Hg由于毒性系數(shù)很高屬于極強(qiáng)污染;地積累指數(shù)法是通過對(duì)比重金屬的含量與背景值計(jì)算地積累指數(shù)來表示重金屬對(duì)水環(huán)境沉積物的污染情況;富集因子法是選用參比元素進(jìn)行計(jì)算,主要反映人類活動(dòng)對(duì)于重金屬富集情況的影響。

(3)3種評(píng)價(jià)方法對(duì)于Cd的評(píng)價(jià)結(jié)果都較為一致,Cd在國內(nèi)外研究的河道中都屬于重度或極重污染的情況。

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