不确定背景值下浅水湖泊沉积物重金属生态风险评价

王文才,唐春燕,2,张恒军,王 钟,曾凡棠,范中亚,2*

不确定背景值下浅水湖泊沉积物重金属生态风险评价

王文才1,唐春燕1,2,张恒军1,王 钟1,曾凡棠1,范中亚1,2*

(1.生态环境部华南环境科学研究所,水环境研究中心,广东 广州 510655；2.河海大学浅水湖泊综合治理与资源开发教育部重点实验室,江苏 南京 210098)

基于安徽某湖泊沉积物柱状样重金属实测含量,研究了各类重金属的垂向变化趋势及来源;采用拉丁超立方抽样方法随机产生已知范围内的重金属背景值,计算沉积物重金属综合潜在生态风险水平,研究其结果不确定性,评价湖泊沉积物重金属污染程度.结果表明,沉积物重金属的含量及综合潜在生态风险水平沿深度方向呈逐渐降低的趋势,上层沉积物存在较高的综合潜在生态风险;不确定性评价方法可以在沉积物垂向上得到沉积物重金属综合潜在生态风险水平的包络面,不确定性的结果可以给出综合潜在生态风险超出风险阈值的可信度和特定置信度下的综合潜在生态风险指数置信区间;90%置信度下两个沉积物采样点上层重金属综合潜在生态风险指数(RI)的置信区间分别为340.08~412.89和271.61~327.67,处于重度综合潜在生态风险水平阈值附近的评价结果让不同风险偏好的决策者在面临修复、清淤等决策时可以做出符合自身预期的决策.

沉积物；重金属；潜在生态风险；背景值；不确定性；置信度

受周边人类采矿、工业生产等活动影响,重金属类污染物进入湖泊会蓄积在沉积物中.当沉积物-水界面氧化还原环境改变,蓄积在沉积物中的重金属会重新释放到水体,容易被水生生物摄入并在食物链中富集,对水生态系统的安全构成潜在威胁;被人类摄入后也会对人体的生命健康构成危害[1].

目前用于沉积物重金属污染的评价方法主要包括地累积指数法[2]、污染负荷指数法[3]、回归过量分析法[4]、脸谱图法[5]以及综合潜在生态风险指数法[6-7]等.其中,由于综合潜在生态风险指数法能够反映沉积物中各类重金属的综合效应,并对综合潜在生态风险程度进行定量划分,被广泛应用于沉积物的质量评价[8-11].然而沉积物综合潜在生态风险指数法中有较多的参数,主要包括各类重金属的自然背景值和毒性响应系数两类.自然背景值的选择本身会由于采样和参考范围的不同存在不确定性,毒性响应系数更会因为生物种类和个体差异存在不确定性,只有考虑了这些不确定性的因素,才能使得评价结果更科学地反映沉积物中重金属污染水平.

国内外,已经有学者对地表水健康风险和土壤、沉积物的综合潜在生态风险指数法的不确定性进行了研究[12-14].李如忠等[15]基于盲数方法,建立了沉积物综合潜在生态风险评价的盲数模型,能够给出沉积物重金属综合潜在生态风险的可能区间和置信度水平,并应用于巢湖十五里河河口沉积物重金属综合潜在生态风险的评价;后来又采用蒙特卡洛模拟技术分析了合肥市庄墓镇农田土壤的质量水平,给出了Cu、Pb、Zn和As的生态风险水平及置信概率[16].然而这些研究多停留于河流、河口区域,且仅对表层样进行分析;沉积物重金属综合潜在生态风险水平的垂向变化研究较少.拉丁超立方抽样方法是一种分层抽样技术,能够利用最少的样本数反映外部输入最大的信息量[17],可以替代蒙特卡洛抽样方法的方差缩减技术,在仿真模拟、优化和可靠性计算方面得到较为广泛的应用[18];近年来也经常被用于水环境数学模型的模拟优化、参数敏感性分析及不确定性等研究方面[19-24].

目前,将不确定性的分析方法用在浅水湖泊沉积物沿深度方向上的重金属综合潜在生态风险评价依然鲜有报道.本文以安徽某湖泊为例,在分析沉积物重金属沿深度方向的变化规律基础上,通过相关性分析解析了各类重金属的来源;通过计算确定性自然背景值和包含不确定性背景值下沉积物重金属综合潜在生态风险指数,研究该湖泊沉积物重金属的综合潜在生态风险,并从不确定性的角度分析了各深度上的综合潜在生态风险水平的置信度及90%置信度下对水体和水生生物有较直接影响的上层沉积物重金属综合潜在生态风险指数范围,旨在为该湖泊的生态环境管理提供支撑.

1 材料和方法

1.1 研究区域

研究的湖泊位于长江北岸的安徽省安庆市境内(图1中湖泊水面的东部湖区),是一个小型浅水湖泊,面积约为23.3km2,平均水深1.52m,最大水深为2.5m,湖泊水体主要依靠降雨和地表径流补给,年平均水位为12.11m.该湖泊在20世纪80年代以前,属于草型湖泊.湖泊南部为城市建成区,通过入湖河流受纳城区生产生活废污水;西部主要接纳山区径流;湖水从东北部流入长江.20世纪70年代中期周边开始兴建化工企业,工业快速发展,近几十年来随着居民区扩张和废污水的排放,导致营养盐和重金属进入湖泊并积蓄在沉积物中,水体富营养化加剧,该湖泊由草型向藻型转变,湖底沉积物以淤泥质为主.

图1 研究区域

1.2 采样点位与样品检测

考虑城市建成区位于湖泊南侧,湖泊主要受纳南侧的建成区来水,并经北部排入长江,2017年8月在湖泊南部湖区自南向北选取2个点位,采集沉积物柱状样,在20~100cm深度上按照每隔10cm一层进行分层,共分8层;将分层后的沉积物装入聚乙烯自封袋中密封,低温保存并带回实验室进行处理,分析沉积物中铜(Cu)、铅(Pb)、锌(Zn)、镉(Cd)、铬(Cr)、镍(Ni)、汞(Hg)、砷(As)8种重金属的含量.沉积物样品使用冷冻干燥机干燥,并剔除动植物残体及石块,经玛瑙研钵研磨处理后过100目(0.149mm)尼龙筛后置于干燥器中待用.Zn、Pb、Cu、As、Ni、Cd、Cr含量采用安捷伦7700X型ICP-MS(电感耦合等离子体质谱仪,美国)测定, Hg含量采用Hydra-c型全自动测汞仪(LEEMAN LABS INC,美国)测定.

1.3 研究方法

1.3.1 综合潜在生态风险指数法 综合潜在生态风险指数法综合考虑了重金属的毒性、评价区域对重金属污染的敏感性及重金属区域背景值的差异,可以综合反映沉积物中重金属的潜在生态影响[6].计算公式:

式中:C为重金属的污染指数;E为重金属的综合潜在生态风险指数;T为重金属毒性响应系数,反映重金属的毒性水平及生物对重金属污染的敏感程度,Hg、Zn、Pb、Cu、As、Ni、Cd、Cr的T分别为40、1、5、5、10、5、30、2;RI为m种重金属综合潜在生态风险指数之和.

重金属综合潜在生态风险指数RI和综合潜在生态风险等级如表1所示.

表1 生态风险评价等级划分标准

1.3.2 拉丁超立方抽样及不确定性分析 在拉丁超立方抽样方法计算结果统计中,外部重金属背景值个数记为 k,抽样组数记为n,每一个外部输入条件X1、X2,···,Xk在各自的取值范围内等分成N组,每组随机抽取一个值,n个k维变量组值共产生n个综合潜在生态风险指数评价结果,然后将n个评价结果按大小排列,并分配给最小的综合潜在生态风险评价指数的累积概率为1/,分配给次最小的综合潜在生态风险评价指数的累积概率为2/,依此类推得综合潜在生态风险评价指数的经验分布函数,此经验分布函数提供了子样的分位值,即第个预测值是/×100%的子样分位值[25].分别计算沉积物重金属综合潜在生态风险水平处于中等级别(150£RI<300)和重度级别(300£RI<600)对应的置信度,同时分析在90%置信度下对水体和水生生物存在较直接影响的上层沉积物重金属综合潜在生态风险指数的置信区间.

2 结果与讨论

2.1 沉积物重金属含量及垂向变化

由图2可见两个采样点沉积物重金属变化范围差别不大,深度方向上的变异系数变化范围为8.1%~55.3%之间,其中Pb含量的变异系数最小,S1和S2点的垂向上的变异系数分别为11.2%和8.1%;Hg含量的变异系数相对较大,S1和S2点垂向上的变异系数分别为35.0%和55.3%;各类重金属的含量沿深度方向均呈现出逐渐下降的趋势,在40cm左右出现拐点,有一个先增大后减小的过程.张文斌[9]在对洪泽湖3个点位沉积物柱状样重金属含量垂向分布的分析中发现,各类重金属的变化趋势不完全一致,在30cm以内随着深度变浅会出现逐渐降低、逐渐升高、波浪状波动、基本稳定等各类现象;Chen等[26]研究高雄港沉积物种Hg、Zn、Pb、Cu、Cd、Cr 6类重金属垂向变化发现,重金属沿深度方向的含量比较稳定,并认为是废污水排放比较规律、成分稳定导致;本研究采样分析的深度相对较深,存在明显的趋势性变化,说明在相对较长的历史时间尺度上,随着社会经济发展,人类生产、生活排放的重金属污染物在逐渐增多.

2.2 沉积物重金属相关分析及来源

表2 沉积物重金属间相关系数

表注:*显著性水平小于0.05(显著),**显著性水平小于0.01(极显著),=16(样品数).

表2可见Hg、Zn、Cu、As、Ni、Cd、Cr这7种重金属之间均存在较高的相关性,除Hg与Cd相关性检验的显著性水平为显著(<0.05),其余均为极显著(<0.01).Pb与其他几种重金属之间相关性的显著性水平略低,相关系数相对较小,其与Hg、Zn、Ni的相关系数均小于0.4,显著性水平大于0.05,不满足显著性检验的要求;与Cu、Cd、Cr的相关性分析满足显著性检验的要求,但相关系数均小于0.6;与As的相关性检验为极显著,但相关系数也较小.沉积物中同一来源的重金属含量之间相关性较高,并可以大致分为自然来源和人类活动源[9,27].本研究中采样深度较深,沉积年代相对较久远,沉积物中Hg、Zn、Cu、As、Ni、Cd、Cr 7种重金属含量之间相关性较高,推测其主要来自山区采矿或森林退化后的水土流失,与流域内土壤重金属含量及空间分布可能存在一定的关联,属于自然源;沉积物中Pb含量与其他7类重金属含量相关性都相对较小,推测其存在自然源的同时有较大部分来自人类社会,受人类活动影响较大.

2.3 综合潜在生态风险及不确定性

参考文献[28],Hg、Zn、Pb、Cu、As、Ni、Cd、Cr 8种重金属的背景值分别为0.033,9,26.6,20.4,62, 29.8,66.5,0.097mg/kg,确定性的综合潜在生态风险评价结果见图3,结果表明沉积物重金属综合潜在生态风险指数总体上呈现出随着深度增加而逐渐降低的趋势,变化范围在99.8至389.5之间,按照重金属重度综合潜在生态风险阈值(RI=300)进行分级,2个点位在上层40cm均处于重度综合潜在生态风险,S2号点在40cm深度以下的重金属综合潜在生态风险指数上升至重度水平后,又逐渐降低到中等或较低的风险水平.

图3 确定性评价下综合潜在生态风险指数的垂向分布

考虑8类重金属自然背景值取值在上述自然背景值上下10%范围之间[13],按照均匀分布并采用拉丁超立方抽样方法随机抽取1000组背景值组合,沉积物重金属综合潜在生态风险指数结果见图4, 1000组背景值计算得到重金属综合潜在生态风险指数会组成一个集合,其外包络线会组成一个面,每一个采样深度的综合潜在生态风险指数可以计算累积概率分布.