王倩倩，王祖?zhèn)?，侯迎迎，王子?/p>

（天津師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，天津300387）

土壤或沉積物中的重金屬元素含量超過自然地質(zhì)過程造成的背景值且過量沉積時，即產(chǎn)生重金屬污染.隨著社會發(fā)展，人類活動尤其是化學(xué)農(nóng)藥的使用、污水灌溉及工業(yè)廢棄物的排放等使重金屬污染程度日益加深[1]，最終會通過食物鏈危害生物和人體健康[2].因此，加強土壤和沉積物中重金屬污染的監(jiān)測與評價對于探明重金屬生態(tài)風(fēng)險具有重要意義.重金屬生態(tài)風(fēng)險的評價方法主要有單因子指數(shù)法和綜合指數(shù)法[3]：單因子指數(shù)法包括地累積指數(shù)法、潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法、污染負(fù)荷指數(shù)法等；綜合指數(shù)法中最常見的是內(nèi)梅羅指數(shù)法[4-6].另外，生物效應(yīng)濃度法、次生相與原生相分布比值法、富集系數(shù)法、風(fēng)險代碼法、TCLP法等也常應(yīng)用于土壤和沉積物的重金屬生態(tài)風(fēng)險評價[7-8].地累積指數(shù)法由德國科學(xué)家Muller首次提出，被廣泛應(yīng)用于研究沉積物或其他物質(zhì)中的某一種重金屬的污染程度[4，9]，在一定程度上反映了重金屬的自然分布特征，并能夠評價人類活動對環(huán)境變化的影響[8].如劉敬勇等[10]采用地累積指數(shù)法評價了硫酸廢渣堆渣場周圍土壤的鉈污染；胡綿好[11]采用地累積指數(shù)法評價了南昌市城市污泥的Pb、Cr、Cd、Hg等重金屬污染的風(fēng)險；鐘紅梅等[12]采用地累積指數(shù)法評價了四川省江油市響巖鎮(zhèn)的Pb、Cr、Cd的重金屬污染風(fēng)險.也有研究者將地累積指數(shù)法與其他評價方法相結(jié)合用于評價重金屬污染風(fēng)險：如涂劍成等[13]使用地累積指數(shù)法和內(nèi)梅羅指數(shù)法評價東北地區(qū)部分城市的Cu、Zn、Cr、Ni、Mn 污染；劉衍君等[14]使用地累積指數(shù)法和內(nèi)梅羅指數(shù)法評價了山東省聊城地區(qū)耕地中As、Pb、Hg、Cd等8種重金屬的污染風(fēng)險.

為了能夠?qū)⒌乩鄯e指數(shù)法用于綜合評價區(qū)域重金屬污染風(fēng)險，本研究對其進行了改進.以天津于橋水庫沉積物為研究對象，測量沉積物中Pb、Zn、Cr等6種重金屬的含量，應(yīng)用改進的地累積指數(shù)法綜合評價于橋水庫沉積物的重金屬污染風(fēng)險，并且與潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法和污染負(fù)荷指數(shù)法進行比較，判斷改進的地累積指數(shù)法在綜合評價區(qū)域重金屬污染風(fēng)險時的可靠性.

1 研究區(qū)域概況

于橋水庫地處燕山山脈南麓，是海河流域的重要水系之一，所屬地區(qū)為溫帶大陸性季風(fēng)型半濕潤氣候.流域內(nèi)年平均降水量多數(shù)在700 mm以上.于橋水庫作為天津唯一的大型供水水源地，是一座平原與山谷的過渡型盆地水庫，也是引灤入津工程的調(diào)蓄水庫.近年來，工業(yè)和農(nóng)業(yè)等人為活動對流域環(huán)境造成一定影響，流域內(nèi)可能會受到一定程度的重金屬污染，因此以于橋水庫主要河流沉積物作為研究對象具有一定的實際意義.

在于橋水庫上游主要入庫河流處選取15個樣點，分別在入口、中段、出口采樣布點.采用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（美國Agilent公司）對沉積物中的Pb、Zn、Cr、As、Cu、Cd 等 6 種重金屬進行含量測定.

2 地累積指數(shù)法在重金屬生態(tài)風(fēng)險評價中的原理與改進方法

2.1 地累積指數(shù)法原理

1969年，Muller在研究水環(huán)境沉積物中重金屬的污染程度時，為了對其進行量化，提出了地累積指數(shù)法.Muller在利用該方法分析重金屬元素的污染程度時，選擇了全球頁巖的平均值作為元素的地球化學(xué)背景值.在考慮實際問題時也可選擇當(dāng)?shù)責(zé)o污染區(qū)域中該元素的含量作為背景值[15]，并以1.5的修正系數(shù)作為考慮人為及沉積作用對重金屬污染程度的影響.地累積指數(shù)法表達式：

式中：Cn為某一重金屬元素的實測含量；Bn為該元素的地球化學(xué)背景值或其在當(dāng)?shù)責(zé)o污染區(qū)域的含量；常量1.5是為了消除各地差異可能引起的背景值而設(shè)置的變動轉(zhuǎn)換系數(shù).

地累積指數(shù)法的分級標(biāo)準(zhǔn)如表1所示.

表1 地累積指數(shù)法分級標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 Classification of geo-accumulation index

2.2 地累積指數(shù)法的應(yīng)用局限和改進方法

地累積指數(shù)法是對區(qū)域內(nèi)各樣點的重金屬生態(tài)風(fēng)險狀況進行單一評價，雖然可以探明土壤或沉積物中不同重金屬的污染程度，但該方法無法對某一樣點或區(qū)域內(nèi)多種重金屬的綜合污染程度作出合理判斷和評價.因此，基于實際情況需要對地累積指數(shù)法進行一定程度的改進：維持地累積指數(shù)法分級標(biāo)準(zhǔn)不變，在原有Muller所提出的地累積指數(shù)計算公式的基礎(chǔ)上進行細(xì)化，考慮重金屬含量的平均值和最大值，計算樣點的重金屬綜合地累積指數(shù)和區(qū)域內(nèi)的重金屬綜合地累積指數(shù).

單一樣點重金屬綜合地累積指數(shù)：

式中：（Cn/1.5n）ave1為某一樣點所有重金屬含量的平均值；（Cn/1.5n）max1為某一樣點所有重金屬中含量最大的值.

區(qū)域內(nèi)所有樣點重金屬綜合地累積指數(shù)：

式中：（Cn/1.5n）ave2為所有樣點中（Cn/1.5n）ave1的平均值；（Cn/1.5n）max2為所有樣點中（Cn/1.5n）ave1的最大值.

通過改進的地累積指數(shù)法可綜合評價單一樣點的重金屬污染水平和區(qū)域內(nèi)所有樣點的綜合重金屬污染水平.

2.3 改進的地累積指數(shù)法與潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法和污染負(fù)荷指數(shù)法的比較

潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法（Potentialecologicalriskindex）和污染負(fù)荷指數(shù)法（Pollution load index）是重金屬生態(tài)風(fēng)險評價中2種可靠且常用的方法：潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法是Hakanson從沉積學(xué)角度出發(fā)并根據(jù)重金屬的性質(zhì)及環(huán)境行為特點建立的一套完整的評價重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險的方法[5，16]，計算方法參照文獻[17]；污染負(fù)荷指數(shù)法是Tomlinson提出的對重金屬污染狀況進行評價的方法，能夠直觀反映多種重金屬對環(huán)境污染程度的貢獻[6]，計算方法參照文獻[7].為驗證改進的地累積指數(shù)法的科學(xué)性與可行性，將3種方法的評價結(jié)果進行比較.

由于3種方法所用的評價標(biāo)準(zhǔn)不同，需要統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)才能更精確地探討改進地累積指數(shù)法的評價結(jié)果.因此，本研究引入了中等污染距的概念.中等污染距是樣點評價指數(shù)值與無污染到中等污染區(qū)域的比值，數(shù)值越大，說明接近中等污染水平的程度越高，進而說明評價方法的標(biāo)準(zhǔn)越嚴(yán)格.

3 結(jié)果與分析

3.1 于橋水庫采樣點的重金屬含量

于橋水庫15個采樣點的重金屬含量測量結(jié)果如表2所示.由表2可以看出：于橋水庫沉積物中Cr和Zn的含量最大；其次是Cu、Pb；再次是As；Cd的含量最低.15個樣點的重金屬含量差異較大，最大值與最小值之間相差2～6倍.

表2 樣點主要重金屬含量的統(tǒng)計結(jié)果Tab.2 Statistical results of heavy metal contents at sample sites mg/kg

3.2 3種方法對重金屬生態(tài)風(fēng)險的評價結(jié)果

3種方法的評價結(jié)果如表3所示.由表3可以看出：改進的地累積指數(shù)法對15個樣點的污染等級評價中，除了樣點2和樣點7為中等污染水平外，其他樣點均為無污染～中等污染水平；潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法的評價結(jié)果中，有14個樣點的污染等級與改進地累積指數(shù)法相同，多數(shù)為輕度風(fēng)險水平；污染負(fù)荷指數(shù)法的評價結(jié)果中，有13個樣點的污染等級為中等風(fēng)險水平，2個是高風(fēng)險水平.由此可見，對單一樣點進行重金屬污染生態(tài)污染評價時，改進的地累積指數(shù)法和潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法的評價結(jié)果相近；污染負(fù)荷指數(shù)法評定的污染等級高于前兩者.區(qū)域內(nèi)全部樣點的綜合重金屬評價結(jié)果顯示，改進的地累積指數(shù)法與污染負(fù)荷指數(shù)法的污染等級相同，均屬于中等污染水平.

各樣點平均中等污染距與所有樣點的綜合中等污染距計算結(jié)果如表4所示.由表4可以看出，考查各樣點的平均中等污染距時，改進的地累積指數(shù)法與潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法的數(shù)值相近，小于污染負(fù)荷指數(shù)法的數(shù)值，即污染負(fù)荷指數(shù)法的評價標(biāo)準(zhǔn)最嚴(yán)格，最接近中等污染水平.在區(qū)域內(nèi)所有樣點的綜合中等污染距中，改進的地累積指數(shù)法與污染負(fù)荷指數(shù)法的數(shù)值相近，接近中等污染水平，說明改進的地累積指數(shù)法在綜合評價區(qū)域的重金屬污染水平時，評價標(biāo)準(zhǔn)也非常嚴(yán)格.這些結(jié)果與根據(jù)3種評價方法計算得到的結(jié)果完全一致.

表3 不同方法對于橋水庫重金屬生態(tài)風(fēng)險的評價結(jié)果Tab.3 Evaluation results of heavy metal ecological risk of Yuqiao Reservoir by different methods

表4 不同評價方法的中等污染距Tab.4 Medium pollution distances of different methods

4 討論與結(jié)論

為了擴大評價單一重金屬污染生態(tài)風(fēng)險的地累積指數(shù)法的應(yīng)用范圍，使其能夠?qū)^(qū)域的綜合重金屬污染風(fēng)險進行預(yù)測，本研究在考慮最大污染量和平均污染量的基礎(chǔ)上對地累積指數(shù)法進行改進.為了考查改進地累積指數(shù)法的科學(xué)性和可靠性，以天津于橋水庫流域15個樣點沉積物的重金屬為研究對象，運用改進地累積指數(shù)法對該區(qū)域的重金屬生態(tài)風(fēng)險進行綜合評價；同時，與潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法和污染負(fù)荷指數(shù)法的評價結(jié)果進行比較.改進的地累積指數(shù)法與潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法在評價某一樣點重金屬污染水平時結(jié)果一致，與污染負(fù)荷指數(shù)法相比其評價結(jié)果顯示的污染水平略低，但在評價采樣點綜合重金屬污染風(fēng)險時與污染負(fù)荷指數(shù)法的結(jié)果一致.進一步將平均污染距的概念引入到3種方法中，計算結(jié)果與單純依據(jù)3種方法得到的評價結(jié)果相同.由此可見，利用改進的地累積指數(shù)法評價單一樣點的重金屬生態(tài)風(fēng)險時，結(jié)果與潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法相近，評價標(biāo)準(zhǔn)略低于污染負(fù)荷指數(shù)法；在評價區(qū)域綜合重金屬生態(tài)風(fēng)險時，結(jié)果與污染負(fù)荷指數(shù)法相近.因此認(rèn)為，利用改進的地累積指數(shù)法對某區(qū)域的重金屬生態(tài)風(fēng)險進行綜合評價時，結(jié)果具有可靠性和合理性.