王倩倩，王祖?zhèn)?，侯迎迎，王子?/p>

（天津師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，天津300387）

土壤或沉積物中的重金屬元素含量超過(guò)自然地質(zhì)過(guò)程造成的背景值且過(guò)量沉積時(shí)，即產(chǎn)生重金屬污染.隨著社會(huì)發(fā)展，人類(lèi)活動(dòng)尤其是化學(xué)農(nóng)藥的使用、污水灌溉及工業(yè)廢棄物的排放等使重金屬污染程度日益加深[1]，最終會(huì)通過(guò)食物鏈危害生物和人體健康[2].因此，加強(qiáng)土壤和沉積物中重金屬污染的監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)對(duì)于探明重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)具有重要意義.重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)價(jià)方法主要有單因子指數(shù)法和綜合指數(shù)法[3]：?jiǎn)我蜃又笖?shù)法包括地累積指數(shù)法、潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法、污染負(fù)荷指數(shù)法等；綜合指數(shù)法中最常見(jiàn)的是內(nèi)梅羅指數(shù)法[4-6].另外，生物效應(yīng)濃度法、次生相與原生相分布比值法、富集系數(shù)法、風(fēng)險(xiǎn)代碼法、TCLP法等也常應(yīng)用于土壤和沉積物的重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[7-8].地累積指數(shù)法由德國(guó)科學(xué)家Muller首次提出，被廣泛應(yīng)用于研究沉積物或其他物質(zhì)中的某一種重金屬的污染程度[4，9]，在一定程度上反映了重金屬的自然分布特征，并能夠評(píng)價(jià)人類(lèi)活動(dòng)對(duì)環(huán)境變化的影響[8].如劉敬勇等[10]采用地累積指數(shù)法評(píng)價(jià)了硫酸廢渣堆渣場(chǎng)周?chē)寥赖你B污染；胡綿好[11]采用地累積指數(shù)法評(píng)價(jià)了南昌市城市污泥的Pb、Cr、Cd、Hg等重金屬污染的風(fēng)險(xiǎn)；鐘紅梅等[12]采用地累積指數(shù)法評(píng)價(jià)了四川省江油市響巖鎮(zhèn)的Pb、Cr、Cd的重金屬污染風(fēng)險(xiǎn).也有研究者將地累積指數(shù)法與其他評(píng)價(jià)方法相結(jié)合用于評(píng)價(jià)重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)：如涂劍成等[13]使用地累積指數(shù)法和內(nèi)梅羅指數(shù)法評(píng)價(jià)東北地區(qū)部分城市的Cu、Zn、Cr、Ni、Mn 污染；劉衍君等[14]使用地累積指數(shù)法和內(nèi)梅羅指數(shù)法評(píng)價(jià)了山東省聊城地區(qū)耕地中As、Pb、Hg、Cd等8種重金屬的污染風(fēng)險(xiǎn).

為了能夠?qū)⒌乩鄯e指數(shù)法用于綜合評(píng)價(jià)區(qū)域重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)，本研究對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn).以天津于橋水庫(kù)沉積物為研究對(duì)象，測(cè)量沉積物中Pb、Zn、Cr等6種重金屬的含量，應(yīng)用改進(jìn)的地累積指數(shù)法綜合評(píng)價(jià)于橋水庫(kù)沉積物的重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)，并且與潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法和污染負(fù)荷指數(shù)法進(jìn)行比較，判斷改進(jìn)的地累積指數(shù)法在綜合評(píng)價(jià)區(qū)域重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)時(shí)的可靠性.

1 研究區(qū)域概況

于橋水庫(kù)地處燕山山脈南麓，是海河流域的重要水系之一，所屬地區(qū)為溫帶大陸性季風(fēng)型半濕潤(rùn)氣候.流域內(nèi)年平均降水量多數(shù)在700 mm以上.于橋水庫(kù)作為天津唯一的大型供水水源地，是一座平原與山谷的過(guò)渡型盆地水庫(kù)，也是引灤入津工程的調(diào)蓄水庫(kù).近年來(lái)，工業(yè)和農(nóng)業(yè)等人為活動(dòng)對(duì)流域環(huán)境造成一定影響，流域內(nèi)可能會(huì)受到一定程度的重金屬污染，因此以于橋水庫(kù)主要河流沉積物作為研究對(duì)象具有一定的實(shí)際意義.

在于橋水庫(kù)上游主要入庫(kù)河流處選取15個(gè)樣點(diǎn)，分別在入口、中段、出口采樣布點(diǎn).采用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（美國(guó)Agilent公司）對(duì)沉積物中的Pb、Zn、Cr、As、Cu、Cd 等 6 種重金屬進(jìn)行含量測(cè)定.

2 地累積指數(shù)法在重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中的原理與改進(jìn)方法

2.1 地累積指數(shù)法原理

1969年，Muller在研究水環(huán)境沉積物中重金屬的污染程度時(shí)，為了對(duì)其進(jìn)行量化，提出了地累積指數(shù)法.Muller在利用該方法分析重金屬元素的污染程度時(shí)，選擇了全球頁(yè)巖的平均值作為元素的地球化學(xué)背景值.在考慮實(shí)際問(wèn)題時(shí)也可選擇當(dāng)?shù)責(zé)o污染區(qū)域中該元素的含量作為背景值[15]，并以1.5的修正系數(shù)作為考慮人為及沉積作用對(duì)重金屬污染程度的影響.地累積指數(shù)法表達(dá)式：

式中：Cn為某一重金屬元素的實(shí)測(cè)含量；Bn為該元素的地球化學(xué)背景值或其在當(dāng)?shù)責(zé)o污染區(qū)域的含量；常量1.5是為了消除各地差異可能引起的背景值而設(shè)置的變動(dòng)轉(zhuǎn)換系數(shù).

地累積指數(shù)法的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)如表1所示.

表1 地累積指數(shù)法分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 Classification of geo-accumulation index

2.2 地累積指數(shù)法的應(yīng)用局限和改進(jìn)方法

地累積指數(shù)法是對(duì)區(qū)域內(nèi)各樣點(diǎn)的重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)狀況進(jìn)行單一評(píng)價(jià)，雖然可以探明土壤或沉積物中不同重金屬的污染程度，但該方法無(wú)法對(duì)某一樣點(diǎn)或區(qū)域內(nèi)多種重金屬的綜合污染程度作出合理判斷和評(píng)價(jià).因此，基于實(shí)際情況需要對(duì)地累積指數(shù)法進(jìn)行一定程度的改進(jìn)：維持地累積指數(shù)法分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)不變，在原有Muller所提出的地累積指數(shù)計(jì)算公式的基礎(chǔ)上進(jìn)行細(xì)化，考慮重金屬含量的平均值和最大值，計(jì)算樣點(diǎn)的重金屬綜合地累積指數(shù)和區(qū)域內(nèi)的重金屬綜合地累積指數(shù).

單一樣點(diǎn)重金屬綜合地累積指數(shù)：

式中：（Cn/1.5n）ave1為某一樣點(diǎn)所有重金屬含量的平均值；（Cn/1.5n）max1為某一樣點(diǎn)所有重金屬中含量最大的值.

區(qū)域內(nèi)所有樣點(diǎn)重金屬綜合地累積指數(shù)：

式中：（Cn/1.5n）ave2為所有樣點(diǎn)中（Cn/1.5n）ave1的平均值；（Cn/1.5n）max2為所有樣點(diǎn)中（Cn/1.5n）ave1的最大值.

通過(guò)改進(jìn)的地累積指數(shù)法可綜合評(píng)價(jià)單一樣點(diǎn)的重金屬污染水平和區(qū)域內(nèi)所有樣點(diǎn)的綜合重金屬污染水平.

2.3 改進(jìn)的地累積指數(shù)法與潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法和污染負(fù)荷指數(shù)法的比較

潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法（Potentialecologicalriskindex）和污染負(fù)荷指數(shù)法（Pollution load index）是重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中2種可靠且常用的方法：潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法是Hakanson從沉積學(xué)角度出發(fā)并根據(jù)重金屬的性質(zhì)及環(huán)境行為特點(diǎn)建立的一套完整的評(píng)價(jià)重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的方法[5，16]，計(jì)算方法參照文獻(xiàn)[17]；污染負(fù)荷指數(shù)法是Tomlinson提出的對(duì)重金屬污染狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)的方法，能夠直觀反映多種重金屬對(duì)環(huán)境污染程度的貢獻(xiàn)[6]，計(jì)算方法參照文獻(xiàn)[7].為驗(yàn)證改進(jìn)的地累積指數(shù)法的科學(xué)性與可行性，將3種方法的評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行比較.

由于3種方法所用的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)不同，需要統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)才能更精確地探討改進(jìn)地累積指數(shù)法的評(píng)價(jià)結(jié)果.因此，本研究引入了中等污染距的概念.中等污染距是樣點(diǎn)評(píng)價(jià)指數(shù)值與無(wú)污染到中等污染區(qū)域的比值，數(shù)值越大，說(shuō)明接近中等污染水平的程度越高，進(jìn)而說(shuō)明評(píng)價(jià)方法的標(biāo)準(zhǔn)越嚴(yán)格.

3 結(jié)果與分析

3.1 于橋水庫(kù)采樣點(diǎn)的重金屬含量

于橋水庫(kù)15個(gè)采樣點(diǎn)的重金屬含量測(cè)量結(jié)果如表2所示.由表2可以看出：于橋水庫(kù)沉積物中Cr和Zn的含量最大；其次是Cu、Pb；再次是As；Cd的含量最低.15個(gè)樣點(diǎn)的重金屬含量差異較大，最大值與最小值之間相差2～6倍.

表2 樣點(diǎn)主要重金屬含量的統(tǒng)計(jì)結(jié)果Tab.2 Statistical results of heavy metal contents at sample sites mg/kg

3.2 3種方法對(duì)重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)價(jià)結(jié)果

3種方法的評(píng)價(jià)結(jié)果如表3所示.由表3可以看出：改進(jìn)的地累積指數(shù)法對(duì)15個(gè)樣點(diǎn)的污染等級(jí)評(píng)價(jià)中，除了樣點(diǎn)2和樣點(diǎn)7為中等污染水平外，其他樣點(diǎn)均為無(wú)污染～中等污染水平；潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法的評(píng)價(jià)結(jié)果中，有14個(gè)樣點(diǎn)的污染等級(jí)與改進(jìn)地累積指數(shù)法相同，多數(shù)為輕度風(fēng)險(xiǎn)水平；污染負(fù)荷指數(shù)法的評(píng)價(jià)結(jié)果中，有13個(gè)樣點(diǎn)的污染等級(jí)為中等風(fēng)險(xiǎn)水平，2個(gè)是高風(fēng)險(xiǎn)水平.由此可見(jiàn)，對(duì)單一樣點(diǎn)進(jìn)行重金屬污染生態(tài)污染評(píng)價(jià)時(shí)，改進(jìn)的地累積指數(shù)法和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法的評(píng)價(jià)結(jié)果相近；污染負(fù)荷指數(shù)法評(píng)定的污染等級(jí)高于前兩者.區(qū)域內(nèi)全部樣點(diǎn)的綜合重金屬評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，改進(jìn)的地累積指數(shù)法與污染負(fù)荷指數(shù)法的污染等級(jí)相同，均屬于中等污染水平.

各樣點(diǎn)平均中等污染距與所有樣點(diǎn)的綜合中等污染距計(jì)算結(jié)果如表4所示.由表4可以看出，考查各樣點(diǎn)的平均中等污染距時(shí)，改進(jìn)的地累積指數(shù)法與潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法的數(shù)值相近，小于污染負(fù)荷指數(shù)法的數(shù)值，即污染負(fù)荷指數(shù)法的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)最嚴(yán)格，最接近中等污染水平.在區(qū)域內(nèi)所有樣點(diǎn)的綜合中等污染距中，改進(jìn)的地累積指數(shù)法與污染負(fù)荷指數(shù)法的數(shù)值相近，接近中等污染水平，說(shuō)明改進(jìn)的地累積指數(shù)法在綜合評(píng)價(jià)區(qū)域的重金屬污染水平時(shí)，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)也非常嚴(yán)格.這些結(jié)果與根據(jù)3種評(píng)價(jià)方法計(jì)算得到的結(jié)果完全一致.

表3 不同方法對(duì)于橋水庫(kù)重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)價(jià)結(jié)果Tab.3 Evaluation results of heavy metal ecological risk of Yuqiao Reservoir by different methods

表4 不同評(píng)價(jià)方法的中等污染距Tab.4 Medium pollution distances of different methods

4 討論與結(jié)論

為了擴(kuò)大評(píng)價(jià)單一重金屬污染生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的地累積指數(shù)法的應(yīng)用范圍，使其能夠?qū)^(qū)域的綜合重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)測(cè)，本研究在考慮最大污染量和平均污染量的基礎(chǔ)上對(duì)地累積指數(shù)法進(jìn)行改進(jìn).為了考查改進(jìn)地累積指數(shù)法的科學(xué)性和可靠性，以天津于橋水庫(kù)流域15個(gè)樣點(diǎn)沉積物的重金屬為研究對(duì)象，運(yùn)用改進(jìn)地累積指數(shù)法對(duì)該區(qū)域的重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)；同時(shí)，與潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法和污染負(fù)荷指數(shù)法的評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行比較.改進(jìn)的地累積指數(shù)法與潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法在評(píng)價(jià)某一樣點(diǎn)重金屬污染水平時(shí)結(jié)果一致，與污染負(fù)荷指數(shù)法相比其評(píng)價(jià)結(jié)果顯示的污染水平略低，但在評(píng)價(jià)采樣點(diǎn)綜合重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)時(shí)與污染負(fù)荷指數(shù)法的結(jié)果一致.進(jìn)一步將平均污染距的概念引入到3種方法中，計(jì)算結(jié)果與單純依據(jù)3種方法得到的評(píng)價(jià)結(jié)果相同.由此可見(jiàn)，利用改進(jìn)的地累積指數(shù)法評(píng)價(jià)單一樣點(diǎn)的重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，結(jié)果與潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法相近，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)略低于污染負(fù)荷指數(shù)法；在評(píng)價(jià)區(qū)域綜合重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，結(jié)果與污染負(fù)荷指數(shù)法相近.因此認(rèn)為，利用改進(jìn)的地累積指數(shù)法對(duì)某區(qū)域的重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)時(shí)，結(jié)果具有可靠性和合理性.