舂陵水衡阳段沉积物重金属污染变化趋势及风险评价

邱国良，陈泓霖

（湖南省衡阳生态环境监测中心，湖南 衡阳 421001）

湖南省水系发达，河网密布，省内除少数地区属珠江水系和赣江水系外，主要为湘、资、沅、澧四大水系及其支流。四大水系顺着地势由南向北汇入湘北的洞庭湖，再经城陵矶注入长江，形成一个比较完整的洞庭湖水系。湘江是湖南省最大的河流，是长江七大支流之一，也是长江经济带重要河流之一。湖南省矿藏丰富，素有“有色金属之乡”和“非金属之乡”的美誉。湘江流域河流水体受到一定的重金属污染，水体中的重金属通过沉淀或絮凝作用进入沉积物中，使沉积物受到污染；当水体环境改变时，沉积物中的重金属可被释放出来，造成水体的再次污染[1]。湘江干流衡阳市境内主要有舂陵水、蒸水、耒水、洣水4条一级支流，诸多学者对湘江干流的沉积物重金属污染状况进行过研究[2-4]，连续五年或十年的污染趋势研究较少见，对支流舂陵水沉积物重金属污染状况的研究较少见。为了研究2010年以来舂陵水衡阳段沉积物重金属污染变化情况，采用地累积指数法和潜在生态危害指数法对2010—2019年舂陵水衡阳段沉积物中重金属污染状况进行了分析，为湘江流域重金属污染防治提供数据参考。

1 材料与方法

1.1 研究区域及监测概况

舂陵水为湖南省湘江流域较大的河流，俗称茭河，又名菱源河，全长302 km，流域面积6 623 km2，属于湘江一级支流。舂陵水为衡阳市下属县级市常宁市与耒阳市的天然界河，左岸自南向北流经常宁市白沙、荫田、烟洲，从水口山镇汇入滔滔湘江；右岸沿耒阳市罗渡、仁义、南京、坛下边界流去，至雅江乡爱群村出耒阳境入衡南县境，再流经一小段在衡南县黄狮乡河口村汇入湘江。舂陵水流经素有“有色金属之乡”之称的郴州市与衡阳市，水体中As浓度较衡阳市境内其他河流略高，属于衡阳市境内3条涉重金属河流之一。

在舂陵水布设了罗渡镇（入境断面）、舂陵水入湘江口2个沉积物监测断面，每年监测一次，由湖南省衡阳生态环境监测中心监测，每年在枯水期（9月或10月）采集断面左、右两个测点的表层沉积物样，经自然风干后研磨过筛，采用四酸消解法进行前处理，测定重金属元素含量。

1.2 评价方法

1.2.1 地累积指数法

运用地累积指数法评价十年来舂陵水衡阳段沉积物中重金属污染程度[5-6]，按公式（1）计算。

式中：Ci为沉积物中元素i的实测含量，mg/kg；k为常数（取k=1.5，各地岩石差异可能引起背景值变动）；Bi为沉积物中重金属元素i的背景值，mg/kg；舂陵水沉积物中重金属背景值取湘江沉积物重金属沉积物背景均值：Pb、Cd、As、Hg、Cu、Zn、Cr、V、Mn分别为22.5、0.50、21.2、0.043、16.7、73.0、35.2、46.1、371.0，单位均为mg/kg[7-8]。

地累积指数法评价一般可划分为7个级别，Igeo≤0，为0级，表示无污染；0

1.2.2 潜在生态危害指数法

舂陵水沉积物中重金属污染生态风险评价采用目前较为常用的潜在生态危害指数法[10-12]，按公式（2）和公式（3）计算。

式中：Eir为沉积物中重金属元素i的潜在生态危害指数；Ri为沉积物中多种重金属的总潜在生态危害指数；Cif为元素i的污染指数；Ci为重金属元素i的测定值（mg/kg）；Cin为参照值，采用节1.2.1中的背景值；Tir为元素i的毒性系数，表示生物对元素i污染的敏感程度和毒性水平的反映，其中Pb、Cd、As、Cu、Zn、Hg、Cr、V、Mn的 Tir分别为5、30、10、5、1、40、2、2、1[8，13]。Eir和 Ri划分标准见表1[14-15]。

表1 沉积物中重金属潜在生态危害程度分级Table 1 Classification of potential ecological hazard of heavy metals in sediment

2 结果与分析

2.1 沉积物中重金属含量变化

2010—2019年舂陵水衡阳段沉积物重金属监测统计结果，见表2。从舂陵水衡阳段10年平均值来看，沉积物中9种重金属均超背景值，超背景值倍数从高到低为As＞Cu＞Cd＞Zn＞Pb＞Mn＞Hg＞Cr＞V，As、Cu、Cd 3种重金属超背景值情况比较严重。从2个断面10年平均值比较来看，各重金属含量在两个断面差别不大，As、Cd、Pb、Cu、Zn含量在罗渡镇略高于舂陵水入湘江口，其余4种重金属含量在罗渡镇略低于舂陵水入湘江口；综合9种重金属来看，2个断面对舂陵水衡阳段污染均有贡献，罗渡镇污染略重于舂陵水入湘江口断面。

表2 2010—2019年舂陵水衡阳段沉积物重金属监测结果统计Table 2 Heavy metal monitoring results of sediment at Hengyang section in Chongling River from 2010 to 2019

2.2 地累积指数法评价

2010—2019年舂陵水衡阳段沉积物重金属地累积指数法评价结果见表3。由表3可以看出，各年度V、Cr污染较轻，V仅2010年呈现出无污染到中度污染，2011—2019年均为无污染；Cr在2010—2013年和2016年有5年均为无污染，其余年份为无污染到中度污染或中度污染；其余7种重金属除2013年的Hg外均呈现出不同程度的污染。从10年平均值含量的地累积指数法来看，舂陵水衡阳段沉积物中重金属污染程度表现为As＞Cu＞Cd＞Zn＞Pb＞Mn＞Hg＞Cr＞V，As为强污染到极强污染，Cu、Cd为强污染，Zn、Pb、Mn为中度污染到强污染，Hg为中度污染，Cr为无污染到中度污染，V为无污染。舂陵水衡阳段沉积物中As、Cu、Cd污染比较严重，其次为Zn、Pb、Mn、Hg污染，Cr、V污染较轻。

表3 2010—2019年舂陵水衡阳段沉积物重金属地累积指数法评价结果Table 3 Evaluation results of heavy metals using land accumulation index method in Hengyang section of Chongling River from 2010 to 2019

主要污染指标各年度地累积指数变化见图1。主要污染指标As、Cu、Cd、Zn、Pb、Mn各年度地累积指数均呈不规则波动变化，As污染在2014—2019年高于2010—2013年，其余5种重金属略呈污染减轻趋势，但减轻趋势不明显，6种重金属在2015年和2019年略出现升高。

图1 主要污染指标各年度地累积指数变化图Fig.1 Change chart of annual land accumulation index of main pollution indexes

2.3 潜在生态危害指数法评价

采用潜在生态危害指数法评价2010—2019年舂陵水衡阳段沉积物重金属污染状况，结果见表4。从单个重金属的潜在生态危害指数可以看出，各年度Zn、Mn、V、Cr的潜在生态危害指数均远低于40，均为轻微生态危害；Pb的潜在生态危害指数除2014年和2017—2018年低于40外，其余年份为40.2～78.6，为中等生态危害；Cu在2010—2016年为强生态危害或很强生态危害，2017—2019年为中等生态危害；Hg在大多数年份为很强生态危害程度；As在2010—2013年基本上多为很强生态危害程度，2014—2019年基本上多为极强生态危害程度；Cd除2017年为强生态危害外，其余年份均为极强生态危害程度。从10年平均值含量的潜在生态危害指数来看，舂陵水衡阳段沉积物中重金属潜在生态危害程度表现为Cd＞As＞Hg＞Cu＞Pb＞Zn＞Mn＞Cr＞V，Cd和As均为极强生态危害程度，Hg为很强生态危害程度，Cu为强生态危害程度，Pb为中等生态危害程度，Zn、Mn、Cr、V均为轻微生态危害程度。从9种重金属总潜在生态危害指数可以看出，各年度均为很强生态危害程度。

表4 2010—2019年舂陵水衡阳段沉积物重金属潜在生态危害指数法评价结果Table 4 Evaluation results of potential ecological harm index of heavy metals in sediment of Hengyang section of Chongling River from 2010 to 2019

中等生态危害以上的Cd、As、Hg、Cu、Pb各年度潜在生态危害指数变化，见图2，各年度潜在生态危害指数均呈不规则波动变化。中等生态危害的Pb波动变化幅度较小，Hg、Cu波动变化幅度也不大，Cd、As波动变化幅度较大。Cd的潜在生态危害指数在2010—2014年呈明显下降趋势，2015年略上升，2015—2019年呈V形变化。As的潜在生态危害指数在2010—2013年略呈下降趋势，2014年、2015年出现明显升高，2016—2017年出现下降，2019年又出现上升；As污染在2014—2019年高于2010—2013年，2015年和2016年污染最为严重。

图2 主要污染指标各年度潜在生态危害指数变化图Fig.2 Change chart of potential ecological hazard index of main pollution indexes in each year

2.4 两个断面污染变化情况

结合两种评价方法的结果，选取污染较重的As、Cd、Cu、Pb来分析两个断面的污染变化及比较情况，4种重金属地累积指数变化情况见图3和图4。2010—2019年，罗渡镇、舂陵水入湘江口两个断面4种重金属地累积指数呈不规则波动变化，污染减轻趋势不明显；大多数年份As、Cu、Pb污染在罗渡镇断面略高于舂陵水入湘江口，Cd大多数年份在罗渡镇断面略低于舂陵水入湘江口。

图3 两个断面As、Cd各年度地累积指数变化图Fig.3 Change chart of As and Cd annual land accumulation index of two sections

图4 两个断面Cu、Pb各年度地累积指数变化图Fig.4 Change chart of annual land accumulation index of Cu and Pb in two sections

2010—2019年两个断面及舂陵水衡阳段沉积物中9种重金属总潜在生态危害指数年际变化情况见表5和图5。由图5可以看出，两个断面及舂陵水衡阳段的总潜在生态危害指数波动变化幅度较大，总体上略呈W形变化；除2017年的罗渡镇为强生态危害外，其余年份两个断面及舂陵水衡阳段均为很强生态危害程度。两个断面比较，2011—2012年基本持平，有6年罗渡镇高于舂陵水入湘江口断面，也有4年罗渡镇低于舂陵水入湘江口断面；10年平均值的总潜在生态危害指数在罗渡镇略高于舂陵水入湘江口断面。

图5 2010—2019年舂陵水衡阳段总潜在生态危害指数变化图Fig.5 Change chart of total potential ecological hazard index of Hengyang section of Chongling River from 2010 to 2019

表5 2010-2019年舂陵水衡阳段总潜在生态危害指数年际变化Table 5 Interannual change of total potential ecological hazard index in Hengyang section of Chongling River from 2010 to 2019

3 结论

1）由监测结果统计可看出:舂陵水衡阳段沉积物As、Cu、Cd 3种重金属超背景值情况比较严重，其次为Zn、Pb、Mn、Hg、Cr和V超背景值情况较轻，罗渡镇污染略重于舂陵水入湘江口断面。

2）地累积指数法评价结果表明，舂陵水衡阳段沉积物中重金属污染程度表现为As＞Cu＞Cd＞Zn＞Pb＞Mn＞Hg＞Cr＞V，As为强污染到极强污染，Cu、Cd为强污染，Zn、Pb、Mn为中度污染到强污染，Hg为中度污染，Cr为无污染到中度污染，V为无污染。

3）潜在生态危害指数法评价结果表明，舂陵水衡阳段沉积物中重金属潜在生态危害程度表现为Cd＞As＞Hg＞Cu＞Pb＞Zn＞Mn＞Cr＞V，Cd和As均为极强生态危害程度，Hg为很强生态危害程度，Cu为强生态危害程度，Pb为中等生态危害程度，Zn、Mn、Cr、V均为轻微生态危害程度。从9种重金属总潜在生态危害指数来看,各年度均为很强生态危害程度，罗渡镇总潜在生态危害程度略高于舂陵水入湘江口断面。

4）从两种评价方法的结果可得出，罗渡镇、舂陵水入湘江口及舂陵水衡阳段沉积物中重金属污染呈不规则波动变化，变化趋势不明显，污染减轻趋势不明显。

5）入境断面罗渡镇沉积物中重金属污染略高于舂陵水入湘江口断面，重金属污染主要来源于上游入境来水（郴州市），衡阳境内常宁、耒阳也有轻微影响。需要舂陵水流经的郴州、衡阳两市继续推进和巩固重金属污染防治。