延河底泥的重金属分布特征和生态风险评价

王理明,崔双虎,邵瑞华,刘成国,侯 康

(1.西安工程大学 环境与化学工程学院,陕西 西安 710048;2.延安市生态环境局,陕西 延安 715700;3.中化学城市投资有限公司,陕西 西安 710054)

0 引 言

河流底泥是河流生态系统的重要组成部分,在气候调节和维持生态平衡方面起着至关重要的作用[1]。随着城镇化、工业化的快速推进,污染物排放量增大,导致河流生态系统被破坏,河流底泥中重金属污染是造成河流污染的主要因素之一[2-4]。重金属污染具有富集性、潜在性、持续性和生物毒性,是环境科学和生态毒理学关注的焦点,也是环境治理的工作重点[5-7]。重金属进入河流后富集于河流底泥中,成为河流二次污染的“源”和“汇”[8]。同时,重金属通过水体底栖生物的代谢活动进入食物链,进而威胁人民的生命健康[9]。河流底泥重金属污染评价方法主要有潜在生态风险指数法和地累积指数法[10-11],潜在生态风险指数法侧重于重金属的毒性和生态效应,既能反映某一种重金属元素潜在的生态风险,又能反映某个采样点整体的重金属潜在生态风险,地累积指数法更加侧重于地质背景的影响,而未考虑重金属污染对生物的毒害性,将2种方法结合可准确地分析延河底泥重金属的生态风险。

延安是中国革命圣地,延河属于黄河流域陕西段的重要一级支流,承担了延安防洪、排涝和纳污等功能[12]。目前对延河底泥重金属污染特征和生态风险评价方面的研究较少,为了落实黄河流域生态保护和高质量发展的国家重大战略,助力延安“一河一策”的攻坚战的胜利,本文分析延河9个采样点的Cr、Ni、Pb、Cu、Cd、Zn、Hg和As等8种重金属含量的分布特征和和生态风险。

1 样品采集与评价方法

1.1 样品采集

2020年8—9月,根据延河地理位置特点和城市规划,设置马鞍桥(S1)、安塞(S2)、上李家湾(S3)、石窑村(S4)、朱家沟(S5)、甘谷驿(S6)、杨家湾(S7)、谭家河(S8)、阎家滩(S9)等9个采样点。在各采样点(2 m×2 m)的不同位置采集3个平行样品,现场将3个平行样品充分混匀为1个样品,底泥样品采集利用抓斗式采样器采集表层0～10 cm的底泥,隔绝空气密封于预清洗过的自封袋,低温储存运回实验室。

1.2 样品处理及测试

待底泥样品完全风干后,利用玛瑙研钵在振动研磨仪中磨碎,过100目尼龙筛。底泥样品重金属的测定方法见文献[13],Cr、Ni、Pb、Cu、Cd、Zn、Hg和As在HCl-HNO3-HF-HClO4消解系统中消解,此过程保证了底泥样品完全消解,并得到澄清的溶液。消解过程中采用GBW07304a水系沉积物和空白对照实验进行质量控制,标样测定结果均在标准值的误差范围内。使用ICAPQ-MS型电感耦合等离子体发射光谱(美国 Thermo Fisher Scientific 公司)测定样品中重金属含量。

1.3 评价方法

1.3.1 潜在生态风险指数法

潜在生态风险指数法,由瑞典地球化学家Hakanson提出[14],引入潜在生态风险指数(IR)评价重金属的污染情况。IR计算公式:

(1)

表1 Ei、IR与底泥中重金属污染程度的关系

1.3.2 地累积指数法

地累积指数法是一种定量研究水环境中重金属污染的评价方法[17],引入地累积指数(Igeo)评价底泥中的重金属污染程度。Igeo计算公式:

Igeo=log2(Ci/kBi)

(2)

式中:Ci为底泥中第i中重金属的含量,mg/kg;Bi为第i中重金属的地球环境背景值;k为用于校正研究区域背景值差异,一般取1.5。Igeo与底泥中重金属污染等级的关系见表2。

表2 Igeo和污染程度的关系

1.4 数据统计与分析

采用Excel 2016进行数据预处理,通过Origin 2018软件分析延河底泥中8种重金属含量的分布特征和潜在生态风险,并通过IBM SPSS Statistics 26软件分析延河底泥各重金属元素含量之间的Pearson相关性,揭示各重金属元素之间来源的相似性。

2 结果与讨论

2.1 重金属含量分布特征

延河底泥样品重金属含量的最大值、最小值、平均值和变异系数(CV)见表3。

表3 延河底泥样品中重金属含量的描述性统计

延河底泥中Cr、Pb、Cu、Zn、Ni、As、Cd和Hg等8种重金属的含量全部低于GB 15618—2018农用地土壤污染风险管控中pH在6.5～7.5区间的农用地土壤筛选值,视为安全。延河底泥中重金属Cr、Pb、Cu、Zn、Ni、As、Cd和Hg平均含量分别为124.56、98.21、66.00、46.20、22.64、4.45、0.14、0.11 mg·kg-1,与陕西省土壤环境背景值相比,Ni、As、Zn的平均含量低于土壤环境背景值,Pb、Hg、Cu、Cr和Cd等5种重金属的平均含量分别高于环境背景值5.8、4.4、3.2、1.8和1.4倍,说明延河中的5种重金属存在不同程度的污染。

变异系数可以用于衡量数据的离散程度[18],变异系数值越大,表示数据变异程度越高,当变异系数值大于0.20,表明人类活动是影响重金属变化的关键驱动因素。延河底泥中Zn、Pb、Cd和Cr的变异系数均小于0.20,说明9个采样点的Zn、Pb、Cd和Cr空间分布相对均匀;而Hg、As、Cu、Ni的变异系数大于0.20,说明这4种重金属在延河中分布差异较大,可能与水动力条件和人为活动等因素有关[19]。

延河底泥的Cr、Ni、Pb、Cu、Cd、Zn、Hg和As含量分布特征如图1所示。

(a) Cu、Zn含量变化 (b) Ni、As含量变化

从图1可以看出,延河底泥的8种重金属含量分布特征不同。其中Pb、Cr和Cu、Ni在空间分布上呈现相似规律,均出现了2个峰值;Cd含量较高,但总体变化规律较小;Zn含量在空间分布上表现出上游到中游递增,下游波动较小的特征;As和Hg的含量总体上变化较大,无明显规律。总体来看,延河底泥的8种重金属分布特征呈现差异性,主要变化发生在河道“拐弯处”,因为“拐弯处”水动力减弱,重金属沉积于底泥[20]。

2.2 潜在生态风险指数污染评价

延河底泥中重金属的生态风险系数Ei如图2所示。

图2 延河底泥中重金属(Ei)

从图2可以看出,延河底泥Ei从大到小为Hg>Cd>Pb>Cu>Ni>Cr>Zn>As。其中EHg在100～400之间, S1和S5为很强的潜在生态风险, S8为极强潜在生态风险。这是因为3个采样点居住人口较少,S1和S5采样点水土流失现象严重,S8为延河下游河床暴露,土壤母质化学过程中释放Hg元素。其次是ECd在20～60之间, S1、S3和S4为低污染风险,其余6个采样点为中等潜在生态风险,该区域主要以居民和工业为主,采矿业和生活污水排放不合理。EPb在20～50之间,S6为中等污染等级,其余8个采样点均为低污染。除EHg、ECd和EPb,延河底泥中Cu、Ni、Cr、Zn和As的Ei值均介于0～40之间,属于低污染等级。

延河底泥中重金属的潜在IR如图3所示。

图3 延河底泥中重金属的潜在IR

从图3可以看出,延河9个采样点的IR介于206.67～434.87之间,平均值为303.14,中等生态风险和强生态风险分别占11.1%和88.9%。IR从高到低为S8>S1>S5>S7>S2>S3>S6>S9>S4。其中Hg对各采样点的IR贡献为44%～79%, Cd为9%～19%,Pb为6%～17%。从河流流向看,IR从上游到中游呈下降趋势;中游到下游出现了2个峰值,在S8采样点IR达到最大值434.87,接近很强的潜在生态危害。

2.3 地累积指数污染评价

底泥单一重金属污染的Igeo如图4所示。

图4 底泥单一重金属Igeo

从图4可以看出,延河8种重金属的Igeo顺序为Pb>Hg>Cu>Cr>Cd>Ni>Zn>As。根据Igeo分级标准:Ni、Zn和As的Igeo均小于0,属于无污染;Cd的Igeo在-0.37～0.11之间,属于无-轻度污染;Cr的Igeo为0.28,属于轻度污染;Pb、Cu和Hg的Igeo分别为1.94、1.46、1.08,属于偏中度污染。重金属Hg的Igeo最大,整体为偏中度生态污染,其中S1和S8达到了中度生态污染状态。重金属Cu在不同采样点的差异性较大,以轻-偏中度污染为主,在S3达到了中度污染。重金属Pb在不同采样点主要处于偏中度和中度污染水平。

2.4 重金属含量相关性分析

通过分析底泥重金属含量之间的相关系数,可以判断不同金属之间的来源,有显著正相关性的重金属则有相似的污染来源[21]。延河底泥中重金属含量的Pearson相关性分析结果见表4。

表4 延河底泥中重金属含量相关性分析

从表4可以看出,延河底泥重金属Cr-Cd、Zn-Cr、Hg-Cd、Hg-Ni、Hg-Pb、Hg-Cu、Hg-Cr和Hg-Zn之间无显著相关,说明这些重金属元素两两之间来源不同;Cd-Ni的相关系数是0.767(p<0.05),呈显著相关,说明Cd-Ni存在部分相似的来源。Ni-Cu相关系数为0.972(p<0.01),呈极显著相关,说明Ni-Cu有高度相似的来源,且Ni、Cd、Cu之间存在相关性,即这3种重金属具有一定的同源性或相同的地球化学过程。

由上可知,延河底泥主要存在Cd、Pb、Cu、Cr和Hg等5种重金属污染。因为延河范围内存在石料场、较密集的石油开采企业、热力和水泥制造等行业,该类工业导致延河流域工业“三废”的增加。辖区内的工业企业大部分排水处理后进入延河,造成延河底泥重金属Cd、 Cr和Cu的污染;同时,延河也是延安市的主要交通要道,汽车尾气的排放、汽车轮胎和引擎的磨损、化石燃料燃烧和润滑油的泄露都会导致重金属Pb的积累,最后通过降雨汇集于河道,导致底泥重金属Pb污染。重金属Hg在S1和S8污染等级高,主要流域内受表层土壤在暴雨径流时的侵蚀、冲刷和石油行业污染[22]。因此,延河底泥重金属污染主要来源于工业生产、道路交通和地质活动等。

3 结 论

1) 延河9个控制断面底泥中Cr、Pb、Cu、Zn、Ni、As、Cd、Hg的平均含量分别为124.56、98.21、66.00、46.20、22.64、4.45、0.14、0.11 mg·kg-1,其中Ni、As和Zn低于陕西省环境背景值,Pb、Hg、Cu、Cr、Cd分别超过陕西省环境背景值4.4、3.2、1.8、1.4倍,整体处于较高污染水平。

2)IR结果表明,延河8种重金属的Ei由大到小为Hg>Cd>Pb>Cu>Ni>Cr>Zn>As;IR值介于206.67～434.87之间,平均值为303.14,中等生态风险和强生态风险分别为11.1%和88.9%。

3)Igeo结果表明,延河底泥重金属的污染程度为Pb>Hg>Cu >Cr>Cd>Ni>Zn>As。其中Ni、Zn和As的Igeo均小于0,属于无污染,Cd的Igeo在-0.37～0.11之间,属于无-轻度污染,Cr的Igeo为0.28,属于轻度污染,Hg、Cu和Pb的Igeo分别为1.46、1.08和1.94,属于偏中度污染,说明延河底泥8种重金属存在不同程度的污染。