酈建鋒 馬駿超# 李華斌 崔喜博 盛 晟 陳奮飛 葉更強(qiáng)

(1.中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 311122；2.中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院(鄭州)有限公司，河南 鄭州 450000)

底泥是由陸地地表物質(zhì)經(jīng)過長(zhǎng)期的物理、化學(xué)、生物作用而沉積于河流底部的沉積物，與陸地土壤具有同源性[1]。近年來，由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人口增長(zhǎng)，大量陸源污染物進(jìn)入水體，通過吸附、絮凝、沉降等作用，從水體進(jìn)入底泥中，使得底泥中污染物含量顯著增加。同時(shí)，沉積在底泥中的污染物在一定環(huán)境條件下，通過溶解等作用又可從底泥中釋放出來，再次進(jìn)入水體。因此，底泥既是污染物的匯集地，又是對(duì)水體產(chǎn)生二次污染的潛在污染源，河道底泥的污染程度與水環(huán)境質(zhì)量存在密切關(guān)系[2]，不同深度的底泥往往包含了不同時(shí)期河流環(huán)境特點(diǎn)及污染情況等真實(shí)信息[3]。因此研究不同深度河流底泥的污染情況，對(duì)于河流生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的時(shí)空變化分析和后續(xù)治理具有重要意義。

目前，常見的河道底泥污染物特征分析與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)主要是采集河道不同河段同一深度的底泥，采用單因子污染指數(shù)法、內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法、地累積指數(shù)法等對(duì)污染物進(jìn)行分析，利用多元統(tǒng)計(jì)分析和地統(tǒng)計(jì)分析對(duì)污染物來源進(jìn)行解析，應(yīng)用生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法、生物毒性不利影響指數(shù)法等對(duì)污染物進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，并提出相應(yīng)的綜合性治理指導(dǎo)意見[4]1443，鮮有研究涉及對(duì)不同深度河道底泥的對(duì)比。

晉江市九十九溪流域萬畝田園風(fēng)光區(qū)域?yàn)榈湫偷墓まr(nóng)業(yè)區(qū)域，汽車配件、陶瓷、建材等相關(guān)產(chǎn)業(yè)逐年發(fā)展。區(qū)域內(nèi)主要水系有九十九溪干流、潘湖支流、九十九溪老河道及沿江支流，其中，潘湖支流為新開挖河道，原九十九溪干流均沿九十九溪老河道流出。由于河道周邊產(chǎn)業(yè)類型及比例不同，受環(huán)境影響的時(shí)間不同，宜進(jìn)行不同深度底泥污染特征分析與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。

本研究選取九十九溪干流、潘湖支流、九十九溪老河道及沿江支流4條主要河道23處不同河段的底泥作為研究對(duì)象，分3層采集底泥樣品，重點(diǎn)研究不同深度底泥的污染特征及其對(duì)河流環(huán)境質(zhì)量時(shí)空變化的反映情況、污染來源和相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，全面深入分析該區(qū)域的河流污染空間分布情況，探討有效的治理策略，為后續(xù)底泥污染綜合防治和處置提供科學(xué)依據(jù)。

1 采樣方法

1.1 研究區(qū)概況

九十九溪流域地處福建省東南沿海的南安市與晉江市境內(nèi)，是晉江市的主要河流。流域在晉江市境內(nèi)長(zhǎng)27 km，流域面積為137 km2，主河道平均坡降為0.16%[5]。流域上游屬中低山地，中下游地勢(shì)低洼平坦，溝渠縱橫交錯(cuò)，河網(wǎng)密集。流域位于南亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候區(qū)，多年平均蒸發(fā)量為1 997.1 mm，年降水量為1 000～1 400 mm[6]。

研究區(qū)域?yàn)榫攀畔饔蛳掠蔚娜f畝田園風(fēng)光區(qū)域，該區(qū)域以農(nóng)業(yè)工業(yè)用地為主，總占地面積約7.2 km2，研究河道為九十九溪干流、九十九溪老河道、沿江支流及潘湖支流，長(zhǎng)度分別為4.37、2.02、2.43、1.47 km。

1.2 樣品采集

于2019年8月共采集23處河道底泥。河道底泥采集采用均勻布點(diǎn)法，每個(gè)采樣點(diǎn)間距為300～500 m(采樣點(diǎn)位置見圖1)。底泥采集采用人工方式進(jìn)行，在風(fēng)浪較小、環(huán)境條件較好的河段中心位置，采用抓斗式采泥器進(jìn)行采樣。每個(gè)采樣點(diǎn)根據(jù)淤泥厚度，分上、中、下3層(分別記為A、B、C層)采集底泥樣品(A層0.1～0.2 m，B層0.2～0.5 m，C層0.5～1.0 m)。采集的底泥樣品置于1 L的聚乙烯袋中密封，裝于泡沫盒中，檢測(cè)前冷凍干燥保存。

圖1 采樣點(diǎn)分布Fig.1 Distribution of sampling sites

1.3 樣品測(cè)定

檢測(cè)指標(biāo)主要包括：pH、Cd、Hg、As、Pb、Cr、Cu、Ni、Zn、TN、TP共11項(xiàng)。檢測(cè)方法參照《城市污水處理廠污泥檢測(cè)方法》(CJ/T 221—2005)和《土壤檢測(cè)》(NY/T 1121.2—2006)。

2 評(píng)價(jià)方法

2.1 污染程度評(píng)價(jià)

2.1.1 重金屬污染程度評(píng)價(jià)

采用地累積指數(shù)(Igeo)進(jìn)行重金屬污染程度評(píng)價(jià)，地累積指數(shù)是評(píng)價(jià)底泥中重金屬污染的常用參數(shù)，不僅考慮了自然地質(zhì)過程造成的背景值影響，也充分注意了人為活動(dòng)對(duì)重金屬污染的影響[7]。本研究以福建省自然土壤背景值作為污染評(píng)價(jià)參考值：Cd(0.054 mg/kg)、Hg(0.081 mg/kg)、As(5.78 mg/kg)、Pb(34.9 mg/kg)、Cr(41.3 mg/kg)、Cu(21.6 mg/kg)、Ni(13.5 mg/kg)、Zn(82.7 mg/kg)[8]70。

單一重金屬的污染程度分級(jí)為：≤0，無污染；>0～1，輕污染；>1～2，偏中度污染；>2～3，中度污染；>3～4，偏重度污染；>4～5，重度污染；>5，極重度污染。

2.1.2 營(yíng)養(yǎng)鹽污染程度評(píng)價(jià)

鑒于目前中國(guó)尚沒有專門針對(duì)底泥營(yíng)養(yǎng)鹽污染程度的評(píng)價(jià)方法，本研究參考文獻(xiàn)[9]，采用內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法對(duì)底泥中氮、磷的污染程度進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值參考《中新天津生態(tài)城污染水體沉積物修復(fù)限值》(DB12/ 499—2013)中河道底泥營(yíng)養(yǎng)鹽管理目標(biāo)值(TN為1 500 mg/kg、TP為400 mg/kg)。

2.2 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

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

重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)(RI)綜合考慮重金屬含量、毒性水平、水體對(duì)金屬的敏感性及多元素協(xié)同作用等，綜合評(píng)估多種重金屬對(duì)底泥的潛在生態(tài)危險(xiǎn)程度[10]，計(jì)算方法見式(1)。

(1)

根據(jù)重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)分級(jí)為：≤55，低風(fēng)險(xiǎn)；>55～110，中風(fēng)險(xiǎn)；>110～220，高風(fēng)險(xiǎn)；>220，極高風(fēng)險(xiǎn)。

2.2.2 生物毒性不利影響評(píng)價(jià)

采用生物毒性不利影響綜合評(píng)價(jià)河道底泥中多種重金屬的混合生物效應(yīng)[4]1444，計(jì)算方法見式(2)。

(2)

式中：n為底泥中重金屬的種類數(shù)；Q為平均可能影響濃度商；PECi為底泥中重金屬i的可能效應(yīng)濃度，mg/kg，取Cd 4.98 mg/kg、Hg 1.06 mg/kg、As 33 mg/kg、Pb 128 mg/kg、Cr 111 mg/kg、Cu 149 mg/kg、Ni 486 mg/kg、Zn 459 mg/kg[4]1445。

根據(jù)平均可能影響濃度商，將生物毒性分為4個(gè)等級(jí)[4]1445：≤0.1，產(chǎn)生生物毒性效應(yīng)的可能性<14%；>0.1～1.0，15%<產(chǎn)生生物毒性效應(yīng)的可能性≤29%；>1.0～5.0，33%<產(chǎn)生生物毒性效應(yīng)的可能性≤58%；>5.0，75%<產(chǎn)生生物毒性效應(yīng)的可能性≤81%。

3 結(jié)果與討論

3.1 底泥pH變化特征

河道底泥pH檢測(cè)結(jié)果見圖2，呈弱堿性，與福建省泉州市耕地土壤pH(5.46)差異較大[11]，可能原因?yàn)楦亻L(zhǎng)期施化肥，導(dǎo)致耕地土壤酸化，而研究區(qū)域河道周邊分布較多汽修廠，排放堿性含油廢水[12]47，長(zhǎng)期積累導(dǎo)致河道底泥pH較耕地土壤高。

圖2 河道底泥pH分布Fig.2 Distribution of pH of river sediment

3.2 河道底泥污染物特征分析

與福建省自然土壤背景值[8]70相比，研究區(qū)域河道底泥中絕大部分重金屬含量超標(biāo)，存在不同程度的污染。其中，Cd為中度、偏重度污染，Zn為偏中度污染，Hg、Pb、Cr、Cu、Ni為輕度污染，僅As不存在污染現(xiàn)象。重金屬含量偏高主要是受周邊工業(yè)廢水、生活污水、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)廢水的影響，重金屬隨懸浮物沉降進(jìn)入底泥，造成其含量較自然土壤背景值偏高[13]1876。

同時(shí)，研究區(qū)域內(nèi)不同河道不同深度的底泥重金屬污染程度不同。其中，沿江支流、九十九溪老河道和潘湖支流由于位于下游，上游陶瓷廠等工業(yè)廢水中富含的重金屬[12]47富集沉積，致使這3條河道污染較九十九溪干流嚴(yán)重。此外，潘湖支流為近年新開挖河道，原先上游河水均從九十九溪干流流至九十九溪老河道再流出，因此九十九溪老河道底泥B層部分重金屬地累積指數(shù)較高，污染較表層和底層嚴(yán)重，與其他河道重金屬含量隨底泥深度增加而降低的大趨勢(shì)不同(見表1)。

表1 河道底泥重金屬地累積指數(shù)

此外，研究區(qū)域內(nèi)河道底泥中TN、TP含量均明顯高于河道底泥營(yíng)養(yǎng)鹽管理目標(biāo)值，呈重度污染態(tài)勢(shì)(見圖3)，應(yīng)通過工程措施及時(shí)控制營(yíng)養(yǎng)鹽含量。內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)在A層和B層中的數(shù)值較為接近，但明顯高于C層，表明從B層沉積期開始，區(qū)域內(nèi)一直持續(xù)存在穩(wěn)定的營(yíng)養(yǎng)鹽匯入污染。對(duì)比不同河道C層底泥的內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)發(fā)現(xiàn)，九十九溪干流和潘湖支流深層底泥均已嚴(yán)重污染，結(jié)合河道環(huán)境條件，推測(cè)九十九溪干流受營(yíng)養(yǎng)鹽污染時(shí)間久遠(yuǎn)，而潘湖支流開挖前該區(qū)域土壤已受營(yíng)養(yǎng)鹽污染。

圖3 河道底泥營(yíng)養(yǎng)鹽內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)Fig.3 Nemerow comprehensive pollution index of nutrients in river sediment

造成4條河道底泥營(yíng)養(yǎng)鹽污染程度不同的原因主要為周邊用地類型隨時(shí)空變化明顯。九十九溪干流和潘湖支流的北側(cè)均為居住區(qū)，用地面積隨時(shí)間推移而擴(kuò)張，但沿河硬質(zhì)化的駁岸和排口致使城鎮(zhèn)點(diǎn)源、面源污染直接匯入河道，因而底泥中營(yíng)養(yǎng)鹽逐年富集，污染愈發(fā)嚴(yán)重。而沿江支流和九十九溪老河道周邊則以農(nóng)田為主，河道兩岸存在50 m以上的植被緩沖帶，可削減部分農(nóng)業(yè)面源污染，減少對(duì)河道造成的污染。

3.3 河道底泥重金屬污染源相關(guān)性分析

采用聚類分析[14]對(duì)底泥重金屬來源進(jìn)行分析，標(biāo)準(zhǔn)化處理重金屬含量，去除異常值后運(yùn)用層次聚類法繪制得到樹狀圖(見圖4)。根據(jù)聚類距離將底泥重金屬歸為兩大類，其中Cu、Zn、Cd、Hg、Pb屬于Ⅰ類，As、Cr、Ni為Ⅱ類。Ⅰ類又可具體分為3類：Ⅰ1類(Cu和Zn)、Ⅰ2類(Cd)、Ⅰ3類(Hg和Pb)；Ⅱ類又可具體分為2類：Ⅱ1類(As和Cr)、Ⅱ2類(Ni)。

圖4 8種重金屬聚類分析樹狀圖Fig.4 Dendrogram results of the hierarchical cluster analysis of eight heavy metals

通過主成分分析，識(shí)別底泥中重金屬來源[15]。利用KMO檢驗(yàn)和巴特利球度檢驗(yàn)(KMO=0.822>0.7，P<0.05)，發(fā)現(xiàn)8種重金屬間相關(guān)性較強(qiáng)，適合進(jìn)行主成分分析。采用Kaiser標(biāo)準(zhǔn)化的正交旋轉(zhuǎn)法提取因子，利用最大方差法對(duì)因子載荷矩陣進(jìn)行正交旋轉(zhuǎn)(結(jié)果見表2)。主成分分析法提取出2個(gè)主成分，共解釋72.69%的方差。

表2 8種重金屬主成分分析結(jié)果

第1主成分貢獻(xiàn)率為38.86%，Cd、Hg、Pb、Cu、Zn的因子載荷較高，聚類為Ⅰ類。相關(guān)研究證明，Cd、Hg、Pb、Cu、Zn主要受人類活動(dòng)影響，由人類活動(dòng)產(chǎn)生而進(jìn)入河道底泥中[16]：Ⅰ1類主要源于汽車制造業(yè)，Zn是汽車輪胎生產(chǎn)過程中的重要添加劑，具有潤(rùn)滑、抗氧化和清潔作用；Cu來自車輛散熱器和車輛制動(dòng)系統(tǒng)。Ⅰ2類源于農(nóng)業(yè)，Cd是農(nóng)業(yè)復(fù)合肥磷肥中的重要成分，可以作為農(nóng)業(yè)活動(dòng)的標(biāo)識(shí)元素。Ⅰ3類主要源于燃煤排放，Hg和Pb可通過燃煤排放產(chǎn)生，并在大氣中具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性和移動(dòng)性，通過大氣干濕沉降進(jìn)入河道底泥中。

結(jié)合地累積指數(shù)分析，區(qū)域污染最為嚴(yán)重的是Cd和Zn，推測(cè)污染源主要為周邊大面積農(nóng)田施用的化肥/農(nóng)藥和沿河分布的汽修廠汽車輪胎維修保養(yǎng)產(chǎn)生的廢液。而現(xiàn)狀汽修廠規(guī)模較小，業(yè)務(wù)以維修為主，因此同源于汽車制造業(yè)的Cu卻屬于輕度污染。此外，河道上游陶瓷廠、水泥廠數(shù)量較少，煤炭使用量較低，致使Hg、Pb屬于輕度污染。

第2主成分貢獻(xiàn)率為33.83%，As、Cr、Ni的因子載荷較高，聚類為Ⅱ類。相關(guān)研究證明[17]，Cr和Ni主要源于成土母質(zhì)，受人為影響較小，僅九十九溪老河道和潘湖支流的部分中下層底泥中Cr和Ni含量略微超過自然土壤背景值，處于輕度污染狀態(tài)，因此推測(cè)除了自然來源外，還受周邊工業(yè)污染影響[13]1880。河道底泥中As整體呈無污染狀態(tài)，由于As變異系數(shù)較低，因此推測(cè)底泥中的As主要來源于成土母質(zhì)。

3.4 河道底泥重金屬風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

3.4.1 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果

九十九溪流域河道底泥中重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果見圖5。九十九溪干流和沿江支流各層底泥的重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)均小于55，表明這兩條河道的重金屬綜合生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)為低風(fēng)險(xiǎn)，重金屬不易從底泥中釋放，對(duì)河道的生態(tài)危害較小[18]。九十九溪老河道底泥B層的重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)高于110，A層和C層的重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)介于55～110，表示九十九溪老河道底泥中重金屬總體處于中風(fēng)險(xiǎn)水平，應(yīng)重視該河道的底泥處理，特別是0.2～0.5 m深的底泥處理，可選用生態(tài)清淤的方式將深度小于1.0 m(C層及以上)的底泥從河道中移除，從而減輕污染底泥中重金屬對(duì)水生生物的生態(tài)影響[19]。潘湖支流底泥中A層和B層的重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)大于55，同處于中風(fēng)險(xiǎn)水平，但C層總體屬于低風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)通過生態(tài)清淤的方式清除深度小于0.5 m(B層及以上)的底泥，減輕重金屬釋放的潛在風(fēng)險(xiǎn)。

圖5 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果Fig.5 Potential ecological risk assessment result

3.4.2 生物毒性不利影響評(píng)價(jià)結(jié)果

九十九溪流域4條河道底泥的平均可能影響濃度商均處于0.1～0.5(見圖6)，表明由于個(gè)別重金屬(Zn和Pb)污染，區(qū)域河道底泥對(duì)底棲動(dòng)物產(chǎn)生生物毒性效應(yīng)的可能性為15%～29%。此外，平均可能影響濃度商基本隨底泥深度的增加而降低，可見底泥中重金屬的生物毒性不利影響主要發(fā)生在近幾年。因此，建議嚴(yán)格管控河道周邊工業(yè)廢水廢氣的排放，特別是汽修汽配廠和建材廠，以減輕Zn、Pb等重金屬對(duì)河道底棲動(dòng)物的危害。

4 結(jié)論與建議

(1) 通過對(duì)晉江市九十九溪流域萬畝田園風(fēng)光區(qū)域4條主要河道23處河道底泥進(jìn)行分層檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)河道底泥偏堿性，與沿河分布汽修廠有較大關(guān)系。

(2) 與福建省自然土壤背景值相比，河道底泥中絕大部分重金屬含量超標(biāo)，存在不同程度的污染，其中Cd為中度、偏重度污染，Zn為偏中度污染，Hg、Pb、Cr、Cu、Ni為輕度污染，僅As不存在污染現(xiàn)象。受周邊工業(yè)分布情況影響，不同河道不同深度的重金屬污染程度不同。其中，沿江支流、九十九溪老河道和潘湖支流底泥中重金屬污染較嚴(yán)重。同時(shí)，重金屬含量基本隨底泥深度的增加而降低，僅九十九溪老河道因不同時(shí)期匯入水量不同，導(dǎo)致中層底泥重金屬污染比表層和底層嚴(yán)重。此外，底泥TN、TP含量均明顯高于河道底泥營(yíng)養(yǎng)鹽管理目標(biāo)值，全部呈重度污染的態(tài)勢(shì)，應(yīng)通過工程措施及時(shí)控制營(yíng)養(yǎng)鹽含量。

(3) 河道底泥中重金屬主要來自兩類：人類活動(dòng)匯入和自然成土母質(zhì)發(fā)育。其中，Cu和Zn主要源于河道周邊的汽修廠；Hg和Pb主要源于上游零星陶瓷廠、水泥廠的燃煤排放；Cd主要源于周邊農(nóng)業(yè)施用的化肥農(nóng)藥；Cr和Ni主要受成土母質(zhì)以及周邊工業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)影響；As則主要源于成土母質(zhì)。

(4) 河道底泥重金屬風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，九十九溪干流和沿江支流的底泥重金屬綜合生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)為低風(fēng)險(xiǎn)，重金屬不易從底泥中釋放，生態(tài)危害較小；九十九溪老河道和潘湖支流的底泥則總體處于中風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)重視底泥處理，可選用生態(tài)清淤的方式進(jìn)行處理，九十九溪老河道清理深度小于1.0 m的底泥，潘湖支流清理深度小于0.5 m的底泥，以減輕底泥中重金屬釋放對(duì)河道水生態(tài)的影響。此外，4條河道底泥受Zn、Pb等重金屬污染，對(duì)底棲動(dòng)物產(chǎn)生生物毒性效應(yīng)的可能性為15%～29%。為防止河道底泥重金屬繼續(xù)富集累積，加劇對(duì)底棲動(dòng)物的危害，建議加強(qiáng)管控河道周邊工農(nóng)業(yè)廢水廢氣的排放，嚴(yán)格控制污染入河。