魏偉偉，李春華，葉春*，侯雪超,2，王昊

1.湖泊水污染治理與生態(tài)修復(fù)技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室，國家環(huán)境保護(hù)湖泊污染控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國環(huán)境科學(xué)研究院 2.河北大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院

底泥是水體中重金屬的主要積累場所，長期富集于底泥中的重金屬很難被微生物降解，在底泥中易持續(xù)積累，形成潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)湖泊生態(tài)環(huán)境構(gòu)成威脅[1-2]。當(dāng)外界環(huán)境條件發(fā)生變化時(shí)，底泥中的重金屬會(huì)重新釋放到上覆水體中，對(duì)水體造成二次污染[3]。污染底泥環(huán)保疏浚是治理湖泊內(nèi)源污染的有效手段，通過環(huán)保疏浚可以控制污染底泥中重金屬的釋放或減少重金屬的生物有效性[4]。疏浚深度是環(huán)保疏浚工程的關(guān)鍵參數(shù)之一[5]，近些年已有部分學(xué)者致力于以清除重金屬污染底泥為目標(biāo)的環(huán)保疏浚方面的研究，普遍認(rèn)為應(yīng)該通過分析重金屬隨底泥深度的剖面變化和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)來確定環(huán)保疏浚深度。如姜霞等[6]采用潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法對(duì)底泥中的重金屬進(jìn)行生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，并結(jié)合拐點(diǎn)法對(duì)竺山灣重金屬污染底泥環(huán)保疏浚深度進(jìn)行推算；丁濤等[7]采用地累積指數(shù)法對(duì)杭州市河道底泥中的重金屬進(jìn)行累積性評(píng)估，并提出用臨界累積深度法確定合理的環(huán)保疏浚深度。但目前國內(nèi)外鮮有確定重金屬污染底泥環(huán)保疏浚深度的系統(tǒng)方法，更無技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。筆者基于對(duì)星云湖重金屬As、Cu、Zn、Ni、Cr和Pb污染空間分布和垂向累積特征分析，運(yùn)用地累積指數(shù)法和潛在生態(tài)危害法對(duì)不同深度底泥重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，采用臨界累積深度法結(jié)合生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)變化拐點(diǎn)法確定合理的環(huán)保疏浚深度，以期為星云湖重金屬污染底泥疏浚提供科學(xué)依據(jù)，同時(shí)也為重金屬污染底泥環(huán)保疏浚深度確定方法的標(biāo)準(zhǔn)化提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

星云湖位于云南滇中腹地——玉溪市江川縣境內(nèi)，屬珠江流域南盤江水系的源頭湖泊，為半封閉高原斷陷型淺水湖。星云湖流域內(nèi)山區(qū)、半山區(qū)約占65%，用地類型中面積最大的為林地，其次是耕地，2015年流域種植面積為15 694.09 hm2[8]。星云湖流域內(nèi)礦山開采以磷礦為主，共有2個(gè)礦山開采區(qū)，開采總面積為741.73 hm2[9]。劉永等[10]研究表明，星云湖底泥中重金屬污染程度總體為輕度，但人類活動(dòng)的影響已經(jīng)明顯呈現(xiàn)，受工業(yè)化影響，底泥中重金屬Pb和Zn污染較為嚴(yán)重，其他重金屬如Cd等主要為自然來源，污染尚不明顯。

1.2 樣品的采集與處理

在星云湖設(shè)置8個(gè)采樣點(diǎn)(圖1)，用內(nèi)徑為61.8 cm、外徑為65 cm自制的內(nèi)嵌管薄壁取樣器采集0～80 cm底泥柱狀樣，采用中海達(dá)K3信標(biāo)機(jī)進(jìn)行定位導(dǎo)航。底泥柱狀樣采集后，以每層10 cm進(jìn)行底泥樣品切分，將樣品裝入聚乙烯密封袋帶回實(shí)驗(yàn)室。底泥樣品經(jīng)冷凍干燥后轉(zhuǎn)移至潔凈搪瓷盤中，剔除石塊、木屑、動(dòng)植物殘?bào)w等異物，混合均勻后用瑪瑙研缽研磨，過100目尼龍篩后用聚乙烯密封袋保存?zhèn)溆谩?/p>

圖1 星云湖底泥采樣點(diǎn)示意Fig.1 Schematic map of sediment sampling sites in Xingyun Lake

1.3 分析方法

1.4 評(píng)價(jià)方法

1.4.1地累積指數(shù)法

地累積指數(shù)(Igeo)由德國學(xué)者M(jìn)uller[11]于1969年提出，現(xiàn)已在底泥重金屬污染程度定量研究中廣泛應(yīng)用。其計(jì)算公式為：

Igeo=log2[Ci(k×Bi)]

(1)

式中：Ci為底泥中重金屬i的濃度，mg/kg；Bi為重金屬i的地球化學(xué)背景值，由于采用當(dāng)?shù)赝寥乐兄亟饘贊舛茸鳛楸尘爸颠M(jìn)行重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)具有較高的可行性[12-13]，因此選取云南省土壤中重金屬濃度為背景值，取BAs、BCr、BCu、BNi、BPb、BZn分別為18.4、65.2、46.3、43.61、40.6和89.7 mg/kg[14]；k為考慮當(dāng)?shù)貛r石差異可能導(dǎo)致背景值變化而取的參數(shù)，一般取1.5。

Igeo與重金屬污染程度的關(guān)系見表1。

表1 I geo與污染程度分級(jí)

1.4.2潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法

瑞典學(xué)者Hakanson[15]于1980年提出用潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法(RI)對(duì)底泥重金屬進(jìn)行生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。該方法綜合考慮了底泥中重金屬的毒性、生態(tài)效應(yīng)與環(huán)境效應(yīng)，并采用具有可比的、等價(jià)屬性指數(shù)分級(jí)法進(jìn)行評(píng)價(jià)，定量區(qū)分潛在生態(tài)危害程度，已成為目前底泥重金屬污染質(zhì)量評(píng)價(jià)中較科學(xué)、全面的評(píng)價(jià)方法。其計(jì)算公式為：

(2)

表2 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)與分級(jí)關(guān)系

1.5 數(shù)據(jù)分析

所有數(shù)據(jù)采用WPS 2016進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，采用Origin 9.0進(jìn)行重金屬濃度垂直分布制圖，采用SPSS 16.0進(jìn)行底泥中重金屬之間的相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 底泥中重金屬水平及垂向分布特征

星云湖底泥中重金屬分布特征如圖2所示。由圖2可知，星云湖底泥中As、Cr、Cu、Ni、Pb和Zn濃度的平均值分別為14.76、35.76、46.14、46.08、115.76和109.82 mg/kg，與GB 15618—2018《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》中農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值相比，As、Pb和Zn濃度超標(biāo)，Cr、Cu和Ni濃度不超標(biāo)。2#、6#和7#采樣點(diǎn)底泥中As濃度超標(biāo)，其中7#采樣點(diǎn)0～10 cm層樣品中As濃度最高(39.34 mg/kg)；1#～4#和8#采樣點(diǎn)底泥中Pb濃度超標(biāo)，其中1#采樣點(diǎn)10～20 cm層樣品中Pb濃度最高(189.42 mg/kg)；1#和2#采樣點(diǎn)底泥中Zn濃度超標(biāo)，其中2#采樣點(diǎn)60～70 cm層樣品中Zn濃度最高(287.88 mg/kg)。

圖2 星云湖底泥中重金屬濃度垂向分布特征Fig.2 Vertical distributions characteristics of heavy metals in Xingyun Lake

從空間分布來看，重金屬濃度超標(biāo)的1#和2#采樣點(diǎn)位于星云湖北部，7#和8#采樣點(diǎn)位于星云湖南部，而中部湖區(qū)底泥重金屬濃度基本無超標(biāo)。這可能與星云湖周圍土地利用類型有關(guān)，星云湖流域南部和北部分布有大量的農(nóng)田、居民區(qū)和工業(yè)園區(qū)，而流域中部以山體為主。可見，星云湖底泥中重金屬濃度超標(biāo)更多受外源輸入的影響，這與東江、滇池底泥重金屬研究結(jié)果一致[16-17]。從垂向變化來看，星云湖底泥中As和Pb濃度基本隨深度增加呈遞減趨勢；Cr和Ni濃度較低且分布比較均勻，垂向變化趨勢不明顯；Cu和Zn濃度整體隨著深度增加呈增加趨勢。重金屬在底泥中的富集是較為復(fù)雜的過程，受到多種因素的影響[18]。鄭國璋等[19]研究指出，土壤環(huán)境中重金屬元素遷移能力較差，且主要在土壤0～20 cm表層積累，其中As和Pb屬積累性污染物，具有向土壤表層富集的特征，這與本研究表層底泥中As和Pb濃度高于底層的結(jié)果一致。1#采樣點(diǎn)40～50、50～60 cm層和2#采樣點(diǎn)60～70、70～80 cm層底泥中Zn濃度超標(biāo)可能與歷史上星云湖北部流域鉛鋅礦開采有關(guān)[20]，早年礦業(yè)開采對(duì)星云湖北部湖灣底泥重金屬濃度產(chǎn)生了一定的影響。

2.2 底泥重金屬地累積指數(shù)法評(píng)價(jià)

生物對(duì)不同重金屬的毒性反應(yīng)是不同的，地累積指數(shù)可以有效地反映重金屬的復(fù)合污染程度。根據(jù)地累積指數(shù)計(jì)算結(jié)果，星云湖底泥中重金屬污染程度多為清潔水平，因此僅統(tǒng)計(jì)了各采樣點(diǎn)底泥分層樣品中重金屬Igeo的最大值，結(jié)果見表3。由表3可知，不同重金屬污染程度總體表現(xiàn)為Pb>Zn>As>Ni>Cu>Cr，其中Pb污染程度最嚴(yán)重，有6個(gè)采樣點(diǎn)為偏中度污染，只有5#和7#采樣點(diǎn)為輕度污染；Zn總體為輕度污染，但在1#和2#采樣點(diǎn)出現(xiàn)偏中度污染；As總體為清潔，在6#和7#采樣點(diǎn)出現(xiàn)輕度污染；Ni總體為清潔，在1#采樣點(diǎn)出現(xiàn)輕度污染；Cr和Cu均為清潔。

表3 各采樣點(diǎn)底泥中重金屬的Igeo最大值與污染等級(jí)

2.3 底泥重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

表4 星云湖底泥重金屬和RI 最大值

2.4 底泥中重金屬間相關(guān)性分析

對(duì)星云湖各采樣點(diǎn)所有底泥樣品中重金屬濃度進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果見表5。由表5可知，各采樣點(diǎn)底泥中As與Cu、Ni、Pb呈顯著正相關(guān)(P<0.01)，Cr與Zn呈顯著正相關(guān)(P<0.01)，Cu與Ni、Pb、Zn呈顯著正相關(guān)(P<0.01)，Ni與Pb呈顯著正相關(guān)(P<0.01)，Pb與Zn呈顯著正相關(guān)(P<0.01)。星云湖底泥中6種重金屬之間具有極高的相關(guān)性，說明星云湖底泥中重金屬的地球化學(xué)行為可能具有一定的相似性[22]。底泥中Cr、Cu主要為自然來源，其濃度變化受人類活動(dòng)影響較小，但由于農(nóng)藥和化肥中含有Zn、Cu和Pb，農(nóng)田徑流的農(nóng)藥和化肥可能也是其來源之一。星云湖底泥Zn與As無相關(guān)性，說明Zn的來源與其他重金屬不同，由于星云湖周邊早期農(nóng)業(yè)種植施用了含Zn濃度較高的農(nóng)家肥料，其可能與星云湖周邊農(nóng)田面源污染中肥料的流失有關(guān)[20]。

表5 星云湖底泥中各重金屬的相關(guān)性分析

注：*表示在0.05水平上顯著相關(guān)(P<0.05)；**表示在0.01水平上顯著相關(guān)(P<0.01)。

2.5 底泥環(huán)保疏浚深度判定

2.5.1臨界累積深度法

由星云湖底泥中重金屬濃度隨深度的垂直變化可以看出(圖2)，底泥中As和Pb累積效應(yīng)明顯，說明星云湖底泥受到一定程度As、Pb污染。使用地累積指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果判定臨界累積深度，從而推薦環(huán)保疏浚深度。臨界累積深度判定方法計(jì)算公式[7]為：

(3)

表6 星云湖底泥環(huán)保疏浚深度計(jì)算結(jié)果

2.5.2臨界累積深度法+生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)變化拐點(diǎn)法

圖3 星云湖底泥Pb的隨深度的垂向變化 Fig.3 Vertical variation of of Pb with depth of sediments in Xingyun Lake

3 結(jié)論

(1)星云湖底泥中As、Cr、Cu、Ni、Pb和Zn濃度的平均值分別為14.7、35.76、46.14、46.08、115.76和109.82 mg/kg，與GB 15618—2018中農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值相比，As、Pb和Zn濃度超標(biāo)。As、Pb濃度基本呈現(xiàn)隨深度增加而遞減的趨勢；Cr、Ni濃度較低，垂向變化趨勢不明顯；Cu、Zn濃度整體呈現(xiàn)隨深度增加而增加的趨勢。

(2)星云湖底泥中重金屬污染多為清潔水平，部分采樣點(diǎn)Pb和Zn偏中度污染，總體表現(xiàn)為Pb>Zn>As>Ni>Cu>Cr；各采樣點(diǎn)生態(tài)危害水平為1#>7#>2#>6#>4#>3#>8#>5#，星云湖底泥重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)處于輕度生態(tài)危害水平。星云湖底泥中6種重金屬具有較高的相關(guān)性。

(3)由臨界累積深度法結(jié)合生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)變化拐點(diǎn)法判定星云湖東南部底泥無需疏浚，推薦西南部和西北部湖灣底泥疏浚深度為20 cm，中部和東北部湖灣底泥疏浚深度為30 cm。