王文才,唐春燕,2,張恒軍,王 鐘,曾凡棠,范中亞,2*

不確定背景值下淺水湖泊沉積物重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

王文才1,唐春燕1,2,張恒軍1,王 鐘1,曾凡棠1,范中亞1,2*

(1.生態(tài)環(huán)境部華南環(huán)境科學(xué)研究所,水環(huán)境研究中心,廣東 廣州 510655；2.河海大學(xué)淺水湖泊綜合治理與資源開發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210098)

基于安徽某湖泊沉積物柱狀樣重金屬實(shí)測(cè)含量,研究了各類重金屬的垂向變化趨勢(shì)及來(lái)源;采用拉丁超立方抽樣方法隨機(jī)產(chǎn)生已知范圍內(nèi)的重金屬背景值,計(jì)算沉積物重金屬綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平,研究其結(jié)果不確定性,評(píng)價(jià)湖泊沉積物重金屬污染程度.結(jié)果表明,沉積物重金屬的含量及綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平沿深度方向呈逐漸降低的趨勢(shì),上層沉積物存在較高的綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn);不確定性評(píng)價(jià)方法可以在沉積物垂向上得到沉積物重金屬綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平的包絡(luò)面,不確定性的結(jié)果可以給出綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)超出風(fēng)險(xiǎn)閾值的可信度和特定置信度下的綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)置信區(qū)間;90%置信度下兩個(gè)沉積物采樣點(diǎn)上層重金屬綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)(RI)的置信區(qū)間分別為340.08~412.89和271.61~327.67,處于重度綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平閾值附近的評(píng)價(jià)結(jié)果讓不同風(fēng)險(xiǎn)偏好的決策者在面臨修復(fù)、清淤等決策時(shí)可以做出符合自身預(yù)期的決策.

沉積物；重金屬；潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)；背景值；不確定性；置信度

受周邊人類采礦、工業(yè)生產(chǎn)等活動(dòng)影響,重金屬類污染物進(jìn)入湖泊會(huì)蓄積在沉積物中.當(dāng)沉積物-水界面氧化還原環(huán)境改變,蓄積在沉積物中的重金屬會(huì)重新釋放到水體,容易被水生生物攝入并在食物鏈中富集,對(duì)水生態(tài)系統(tǒng)的安全構(gòu)成潛在威脅;被人類攝入后也會(huì)對(duì)人體的生命健康構(gòu)成危害[1].

目前用于沉積物重金屬污染的評(píng)價(jià)方法主要包括地累積指數(shù)法[2]、污染負(fù)荷指數(shù)法[3]、回歸過(guò)量分析法[4]、臉譜圖法[5]以及綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法[6-7]等.其中,由于綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法能夠反映沉積物中各類重金屬的綜合效應(yīng),并對(duì)綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度進(jìn)行定量劃分,被廣泛應(yīng)用于沉積物的質(zhì)量評(píng)價(jià)[8-11].然而沉積物綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法中有較多的參數(shù),主要包括各類重金屬的自然背景值和毒性響應(yīng)系數(shù)兩類.自然背景值的選擇本身會(huì)由于采樣和參考范圍的不同存在不確定性,毒性響應(yīng)系數(shù)更會(huì)因?yàn)樯锓N類和個(gè)體差異存在不確定性,只有考慮了這些不確定性的因素,才能使得評(píng)價(jià)結(jié)果更科學(xué)地反映沉積物中重金屬污染水平.

國(guó)內(nèi)外,已經(jīng)有學(xué)者對(duì)地表水健康風(fēng)險(xiǎn)和土壤、沉積物的綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法的不確定性進(jìn)行了研究[12-14].李如忠等[15]基于盲數(shù)方法,建立了沉積物綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的盲數(shù)模型,能夠給出沉積物重金屬綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的可能區(qū)間和置信度水平,并應(yīng)用于巢湖十五里河河口沉積物重金屬綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)價(jià);后來(lái)又采用蒙特卡洛模擬技術(shù)分析了合肥市莊墓鎮(zhèn)農(nóng)田土壤的質(zhì)量水平,給出了Cu、Pb、Zn和As的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平及置信概率[16].然而這些研究多停留于河流、河口區(qū)域,且僅對(duì)表層樣進(jìn)行分析;沉積物重金屬綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平的垂向變化研究較少.拉丁超立方抽樣方法是一種分層抽樣技術(shù),能夠利用最少的樣本數(shù)反映外部輸入最大的信息量[17],可以替代蒙特卡洛抽樣方法的方差縮減技術(shù),在仿真模擬、優(yōu)化和可靠性計(jì)算方面得到較為廣泛的應(yīng)用[18];近年來(lái)也經(jīng)常被用于水環(huán)境數(shù)學(xué)模型的模擬優(yōu)化、參數(shù)敏感性分析及不確定性等研究方面[19-24].

目前,將不確定性的分析方法用在淺水湖泊沉積物沿深度方向上的重金屬綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)依然鮮有報(bào)道.本文以安徽某湖泊為例,在分析沉積物重金屬沿深度方向的變化規(guī)律基礎(chǔ)上,通過(guò)相關(guān)性分析解析了各類重金屬的來(lái)源;通過(guò)計(jì)算確定性自然背景值和包含不確定性背景值下沉積物重金屬綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù),研究該湖泊沉積物重金屬的綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn),并從不確定性的角度分析了各深度上的綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平的置信度及90%置信度下對(duì)水體和水生生物有較直接影響的上層沉積物重金屬綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)范圍,旨在為該湖泊的生態(tài)環(huán)境管理提供支撐.

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)域

研究的湖泊位于長(zhǎng)江北岸的安徽省安慶市境內(nèi)(圖1中湖泊水面的東部湖區(qū)),是一個(gè)小型淺水湖泊,面積約為23.3km2,平均水深1.52m,最大水深為2.5m,湖泊水體主要依靠降雨和地表徑流補(bǔ)給,年平均水位為12.11m.該湖泊在20世紀(jì)80年代以前,屬于草型湖泊.湖泊南部為城市建成區(qū),通過(guò)入湖河流受納城區(qū)生產(chǎn)生活廢污水;西部主要接納山區(qū)徑流;湖水從東北部流入長(zhǎng)江.20世紀(jì)70年代中期周邊開始興建化工企業(yè),工業(yè)快速發(fā)展,近幾十年來(lái)隨著居民區(qū)擴(kuò)張和廢污水的排放,導(dǎo)致?tīng)I(yíng)養(yǎng)鹽和重金屬進(jìn)入湖泊并積蓄在沉積物中,水體富營(yíng)養(yǎng)化加劇,該湖泊由草型向藻型轉(zhuǎn)變,湖底沉積物以淤泥質(zhì)為主.

圖1 研究區(qū)域

1.2 采樣點(diǎn)位與樣品檢測(cè)

考慮城市建成區(qū)位于湖泊南側(cè),湖泊主要受納南側(cè)的建成區(qū)來(lái)水,并經(jīng)北部排入長(zhǎng)江,2017年8月在湖泊南部湖區(qū)自南向北選取2個(gè)點(diǎn)位,采集沉積物柱狀樣,在20~100cm深度上按照每隔10cm一層進(jìn)行分層,共分8層;將分層后的沉積物裝入聚乙烯自封袋中密封,低溫保存并帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行處理,分析沉積物中銅(Cu)、鉛(Pb)、鋅(Zn)、鎘(Cd)、鉻(Cr)、鎳(Ni)、汞(Hg)、砷(As)8種重金屬的含量.沉積物樣品使用冷凍干燥機(jī)干燥,并剔除動(dòng)植物殘?bào)w及石塊,經(jīng)瑪瑙研缽研磨處理后過(guò)100目(0.149mm)尼龍篩后置于干燥器中待用.Zn、Pb、Cu、As、Ni、Cd、Cr含量采用安捷倫7700X型ICP-MS(電感耦合等離子體質(zhì)譜儀,美國(guó))測(cè)定, Hg含量采用Hydra-c型全自動(dòng)測(cè)汞儀(LEEMAN LABS INC,美國(guó))測(cè)定.

1.3 研究方法

1.3.1 綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法 綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法綜合考慮了重金屬的毒性、評(píng)價(jià)區(qū)域?qū)χ亟饘傥廴镜拿舾行约爸亟饘賲^(qū)域背景值的差異,可以綜合反映沉積物中重金屬的潛在生態(tài)影響[6].計(jì)算公式:

式中:C為重金屬的污染指數(shù);E為重金屬的綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù);T為重金屬毒性響應(yīng)系數(shù),反映重金屬的毒性水平及生物對(duì)重金屬污染的敏感程度,Hg、Zn、Pb、Cu、As、Ni、Cd、Cr的T分別為40、1、5、5、10、5、30、2;RI為m種重金屬綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)之和.

重金屬綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)RI和綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)如表1所示.

表1 生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)

1.3.2 拉丁超立方抽樣及不確定性分析 在拉丁超立方抽樣方法計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)中,外部重金屬背景值個(gè)數(shù)記為 k,抽樣組數(shù)記為n,每一個(gè)外部輸入條件X1、X2,···,Xk在各自的取值范圍內(nèi)等分成N組,每組隨機(jī)抽取一個(gè)值,n個(gè)k維變量組值共產(chǎn)生n個(gè)綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果,然后將n個(gè)評(píng)價(jià)結(jié)果按大小排列,并分配給最小的綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指數(shù)的累積概率為1/,分配給次最小的綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指數(shù)的累積概率為2/,依此類推得綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指數(shù)的經(jīng)驗(yàn)分布函數(shù),此經(jīng)驗(yàn)分布函數(shù)提供了子樣的分位值,即第個(gè)預(yù)測(cè)值是/×100%的子樣分位值[25].分別計(jì)算沉積物重金屬綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平處于中等級(jí)別(150￡RI<300)和重度級(jí)別(300￡RI<600)對(duì)應(yīng)的置信度,同時(shí)分析在90%置信度下對(duì)水體和水生生物存在較直接影響的上層沉積物重金屬綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)的置信區(qū)間.

2 結(jié)果與討論

2.1 沉積物重金屬含量及垂向變化

由圖2可見(jiàn)兩個(gè)采樣點(diǎn)沉積物重金屬變化范圍差別不大,深度方向上的變異系數(shù)變化范圍為8.1%~55.3%之間,其中Pb含量的變異系數(shù)最小,S1和S2點(diǎn)的垂向上的變異系數(shù)分別為11.2%和8.1%;Hg含量的變異系數(shù)相對(duì)較大,S1和S2點(diǎn)垂向上的變異系數(shù)分別為35.0%和55.3%;各類重金屬的含量沿深度方向均呈現(xiàn)出逐漸下降的趨勢(shì),在40cm左右出現(xiàn)拐點(diǎn),有一個(gè)先增大后減小的過(guò)程.張文斌[9]在對(duì)洪澤湖3個(gè)點(diǎn)位沉積物柱狀樣重金屬含量垂向分布的分析中發(fā)現(xiàn),各類重金屬的變化趨勢(shì)不完全一致,在30cm以內(nèi)隨著深度變淺會(huì)出現(xiàn)逐漸降低、逐漸升高、波浪狀波動(dòng)、基本穩(wěn)定等各類現(xiàn)象;Chen等[26]研究高雄港沉積物種Hg、Zn、Pb、Cu、Cd、Cr 6類重金屬垂向變化發(fā)現(xiàn),重金屬沿深度方向的含量比較穩(wěn)定,并認(rèn)為是廢污水排放比較規(guī)律、成分穩(wěn)定導(dǎo)致;本研究采樣分析的深度相對(duì)較深,存在明顯的趨勢(shì)性變化,說(shuō)明在相對(duì)較長(zhǎng)的歷史時(shí)間尺度上,隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展,人類生產(chǎn)、生活排放的重金屬污染物在逐漸增多.

2.2 沉積物重金屬相關(guān)分析及來(lái)源

表2 沉積物重金屬間相關(guān)系數(shù)

表注:*顯著性水平小于0.05(顯著),**顯著性水平小于0.01(極顯著),=16(樣品數(shù)).

表2可見(jiàn)Hg、Zn、Cu、As、Ni、Cd、Cr這7種重金屬之間均存在較高的相關(guān)性,除Hg與Cd相關(guān)性檢驗(yàn)的顯著性水平為顯著(<0.05),其余均為極顯著(<0.01).Pb與其他幾種重金屬之間相關(guān)性的顯著性水平略低,相關(guān)系數(shù)相對(duì)較小,其與Hg、Zn、Ni的相關(guān)系數(shù)均小于0.4,顯著性水平大于0.05,不滿足顯著性檢驗(yàn)的要求;與Cu、Cd、Cr的相關(guān)性分析滿足顯著性檢驗(yàn)的要求,但相關(guān)系數(shù)均小于0.6;與As的相關(guān)性檢驗(yàn)為極顯著,但相關(guān)系數(shù)也較小.沉積物中同一來(lái)源的重金屬含量之間相關(guān)性較高,并可以大致分為自然來(lái)源和人類活動(dòng)源[9,27].本研究中采樣深度較深,沉積年代相對(duì)較久遠(yuǎn),沉積物中Hg、Zn、Cu、As、Ni、Cd、Cr 7種重金屬含量之間相關(guān)性較高,推測(cè)其主要來(lái)自山區(qū)采礦或森林退化后的水土流失,與流域內(nèi)土壤重金屬含量及空間分布可能存在一定的關(guān)聯(lián),屬于自然源;沉積物中Pb含量與其他7類重金屬含量相關(guān)性都相對(duì)較小,推測(cè)其存在自然源的同時(shí)有較大部分來(lái)自人類社會(huì),受人類活動(dòng)影響較大.

2.3 綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)及不確定性

參考文獻(xiàn)[28],Hg、Zn、Pb、Cu、As、Ni、Cd、Cr 8種重金屬的背景值分別為0.033,9,26.6,20.4,62, 29.8,66.5,0.097mg/kg,確定性的綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)圖3,結(jié)果表明沉積物重金屬綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)總體上呈現(xiàn)出隨著深度增加而逐漸降低的趨勢(shì),變化范圍在99.8至389.5之間,按照重金屬重度綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)閾值(RI=300)進(jìn)行分級(jí),2個(gè)點(diǎn)位在上層40cm均處于重度綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn),S2號(hào)點(diǎn)在40cm深度以下的重金屬綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)上升至重度水平后,又逐漸降低到中等或較低的風(fēng)險(xiǎn)水平.

圖3 確定性評(píng)價(jià)下綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)的垂向分布

考慮8類重金屬自然背景值取值在上述自然背景值上下10%范圍之間[13],按照均勻分布并采用拉丁超立方抽樣方法隨機(jī)抽取1000組背景值組合,沉積物重金屬綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)結(jié)果見(jiàn)圖4, 1000組背景值計(jì)算得到重金屬綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)會(huì)組成一個(gè)集合,其外包絡(luò)線會(huì)組成一個(gè)面,每一個(gè)采樣深度的綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)可以計(jì)算累積概率分布.