魏偉偉，李春華，葉春*，侯雪超,2，王昊

1.湖泊水污染治理與生態(tài)修復技術(shù)國家工程實驗室，國家環(huán)境保護湖泊污染控制重點實驗室，中國環(huán)境科學研究院 2.河北大學物理科學與技術(shù)學院

底泥是水體中重金屬的主要積累場所，長期富集于底泥中的重金屬很難被微生物降解，在底泥中易持續(xù)積累，形成潛在生態(tài)風險，對湖泊生態(tài)環(huán)境構(gòu)成威脅[1-2]。當外界環(huán)境條件發(fā)生變化時，底泥中的重金屬會重新釋放到上覆水體中，對水體造成二次污染[3]。污染底泥環(huán)保疏浚是治理湖泊內(nèi)源污染的有效手段，通過環(huán)保疏?？梢钥刂莆廴镜啄嘀兄亟饘俚尼尫呕驕p少重金屬的生物有效性[4]。疏浚深度是環(huán)保疏浚工程的關(guān)鍵參數(shù)之一[5]，近些年已有部分學者致力于以清除重金屬污染底泥為目標的環(huán)保疏浚方面的研究，普遍認為應該通過分析重金屬隨底泥深度的剖面變化和環(huán)境風險來確定環(huán)保疏浚深度。如姜霞等[6]采用潛在生態(tài)風險指數(shù)法對底泥中的重金屬進行生態(tài)風險評估，并結(jié)合拐點法對竺山灣重金屬污染底泥環(huán)保疏浚深度進行推算；丁濤等[7]采用地累積指數(shù)法對杭州市河道底泥中的重金屬進行累積性評估，并提出用臨界累積深度法確定合理的環(huán)保疏浚深度。但目前國內(nèi)外鮮有確定重金屬污染底泥環(huán)保疏浚深度的系統(tǒng)方法，更無技術(shù)標準和規(guī)范。筆者基于對星云湖重金屬As、Cu、Zn、Ni、Cr和Pb污染空間分布和垂向累積特征分析，運用地累積指數(shù)法和潛在生態(tài)危害法對不同深度底泥重金屬生態(tài)風險進行評價，采用臨界累積深度法結(jié)合生態(tài)風險變化拐點法確定合理的環(huán)保疏浚深度，以期為星云湖重金屬污染底泥疏浚提供科學依據(jù)，同時也為重金屬污染底泥環(huán)保疏浚深度確定方法的標準化提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

星云湖位于云南滇中腹地——玉溪市江川縣境內(nèi)，屬珠江流域南盤江水系的源頭湖泊，為半封閉高原斷陷型淺水湖。星云湖流域內(nèi)山區(qū)、半山區(qū)約占65%，用地類型中面積最大的為林地，其次是耕地，2015年流域種植面積為15 694.09 hm2[8]。星云湖流域內(nèi)礦山開采以磷礦為主，共有2個礦山開采區(qū)，開采總面積為741.73 hm2[9]。劉永等[10]研究表明，星云湖底泥中重金屬污染程度總體為輕度，但人類活動的影響已經(jīng)明顯呈現(xiàn)，受工業(yè)化影響，底泥中重金屬Pb和Zn污染較為嚴重，其他重金屬如Cd等主要為自然來源，污染尚不明顯。

1.2 樣品的采集與處理

在星云湖設置8個采樣點(圖1)，用內(nèi)徑為61.8 cm、外徑為65 cm自制的內(nèi)嵌管薄壁取樣器采集0～80 cm底泥柱狀樣，采用中海達K3信標機進行定位導航。底泥柱狀樣采集后，以每層10 cm進行底泥樣品切分，將樣品裝入聚乙烯密封袋帶回實驗室。底泥樣品經(jīng)冷凍干燥后轉(zhuǎn)移至潔凈搪瓷盤中，剔除石塊、木屑、動植物殘體等異物，混合均勻后用瑪瑙研缽研磨，過100目尼龍篩后用聚乙烯密封袋保存?zhèn)溆谩?/p>

圖1 星云湖底泥采樣點示意Fig.1 Schematic map of sediment sampling sites in Xingyun Lake

1.3 分析方法

1.4 評價方法

1.4.1地累積指數(shù)法

地累積指數(shù)(Igeo)由德國學者Muller[11]于1969年提出，現(xiàn)已在底泥重金屬污染程度定量研究中廣泛應用。其計算公式為：

Igeo=log2[Ci(k×Bi)]

(1)

式中：Ci為底泥中重金屬i的濃度，mg/kg；Bi為重金屬i的地球化學背景值，由于采用當?shù)赝寥乐兄亟饘贊舛茸鳛楸尘爸颠M行重金屬潛在生態(tài)風險評價具有較高的可行性[12-13]，因此選取云南省土壤中重金屬濃度為背景值，取BAs、BCr、BCu、BNi、BPb、BZn分別為18.4、65.2、46.3、43.61、40.6和89.7 mg/kg[14]；k為考慮當?shù)貛r石差異可能導致背景值變化而取的參數(shù)，一般取1.5。

Igeo與重金屬污染程度的關(guān)系見表1。

表1 I geo與污染程度分級

1.4.2潛在生態(tài)風險指數(shù)法

瑞典學者Hakanson[15]于1980年提出用潛在生態(tài)風險指數(shù)法(RI)對底泥重金屬進行生態(tài)風險評價。該方法綜合考慮了底泥中重金屬的毒性、生態(tài)效應與環(huán)境效應，并采用具有可比的、等價屬性指數(shù)分級法進行評價，定量區(qū)分潛在生態(tài)危害程度，已成為目前底泥重金屬污染質(zhì)量評價中較科學、全面的評價方法。其計算公式為：

(2)

表2 潛在生態(tài)風險指數(shù)與分級關(guān)系

1.5 數(shù)據(jù)分析

所有數(shù)據(jù)采用WPS 2016進行統(tǒng)計，采用Origin 9.0進行重金屬濃度垂直分布制圖，采用SPSS 16.0進行底泥中重金屬之間的相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 底泥中重金屬水平及垂向分布特征

星云湖底泥中重金屬分布特征如圖2所示。由圖2可知，星云湖底泥中As、Cr、Cu、Ni、Pb和Zn濃度的平均值分別為14.76、35.76、46.14、46.08、115.76和109.82 mg/kg，與GB 15618—2018《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風險管控標準(試行)》中農(nóng)用地土壤污染風險篩選值相比，As、Pb和Zn濃度超標，Cr、Cu和Ni濃度不超標。2#、6#和7#采樣點底泥中As濃度超標，其中7#采樣點0～10 cm層樣品中As濃度最高(39.34 mg/kg)；1#～4#和8#采樣點底泥中Pb濃度超標，其中1#采樣點10～20 cm層樣品中Pb濃度最高(189.42 mg/kg)；1#和2#采樣點底泥中Zn濃度超標，其中2#采樣點60～70 cm層樣品中Zn濃度最高(287.88 mg/kg)。

圖2 星云湖底泥中重金屬濃度垂向分布特征Fig.2 Vertical distributions characteristics of heavy metals in Xingyun Lake

從空間分布來看，重金屬濃度超標的1#和2#采樣點位于星云湖北部，7#和8#采樣點位于星云湖南部，而中部湖區(qū)底泥重金屬濃度基本無超標。這可能與星云湖周圍土地利用類型有關(guān)，星云湖流域南部和北部分布有大量的農(nóng)田、居民區(qū)和工業(yè)園區(qū)，而流域中部以山體為主。可見，星云湖底泥中重金屬濃度超標更多受外源輸入的影響，這與東江、滇池底泥重金屬研究結(jié)果一致[16-17]。從垂向變化來看，星云湖底泥中As和Pb濃度基本隨深度增加呈遞減趨勢；Cr和Ni濃度較低且分布比較均勻，垂向變化趨勢不明顯；Cu和Zn濃度整體隨著深度增加呈增加趨勢。重金屬在底泥中的富集是較為復雜的過程，受到多種因素的影響[18]。鄭國璋等[19]研究指出，土壤環(huán)境中重金屬元素遷移能力較差，且主要在土壤0～20 cm表層積累，其中As和Pb屬積累性污染物，具有向土壤表層富集的特征，這與本研究表層底泥中As和Pb濃度高于底層的結(jié)果一致。1#采樣點40～50、50～60 cm層和2#采樣點60～70、70～80 cm層底泥中Zn濃度超標可能與歷史上星云湖北部流域鉛鋅礦開采有關(guān)[20]，早年礦業(yè)開采對星云湖北部湖灣底泥重金屬濃度產(chǎn)生了一定的影響。

2.2 底泥重金屬地累積指數(shù)法評價

生物對不同重金屬的毒性反應是不同的，地累積指數(shù)可以有效地反映重金屬的復合污染程度。根據(jù)地累積指數(shù)計算結(jié)果，星云湖底泥中重金屬污染程度多為清潔水平，因此僅統(tǒng)計了各采樣點底泥分層樣品中重金屬Igeo的最大值，結(jié)果見表3。由表3可知，不同重金屬污染程度總體表現(xiàn)為Pb>Zn>As>Ni>Cu>Cr，其中Pb污染程度最嚴重，有6個采樣點為偏中度污染，只有5#和7#采樣點為輕度污染；Zn總體為輕度污染，但在1#和2#采樣點出現(xiàn)偏中度污染；As總體為清潔，在6#和7#采樣點出現(xiàn)輕度污染；Ni總體為清潔，在1#采樣點出現(xiàn)輕度污染；Cr和Cu均為清潔。

表3 各采樣點底泥中重金屬的Igeo最大值與污染等級

2.3 底泥重金屬生態(tài)風險評價

表4 星云湖底泥重金屬和RI 最大值

2.4 底泥中重金屬間相關(guān)性分析

對星云湖各采樣點所有底泥樣品中重金屬濃度進行相關(guān)性分析，結(jié)果見表5。由表5可知，各采樣點底泥中As與Cu、Ni、Pb呈顯著正相關(guān)(P<0.01)，Cr與Zn呈顯著正相關(guān)(P<0.01)，Cu與Ni、Pb、Zn呈顯著正相關(guān)(P<0.01)，Ni與Pb呈顯著正相關(guān)(P<0.01)，Pb與Zn呈顯著正相關(guān)(P<0.01)。星云湖底泥中6種重金屬之間具有極高的相關(guān)性，說明星云湖底泥中重金屬的地球化學行為可能具有一定的相似性[22]。底泥中Cr、Cu主要為自然來源，其濃度變化受人類活動影響較小，但由于農(nóng)藥和化肥中含有Zn、Cu和Pb，農(nóng)田徑流的農(nóng)藥和化肥可能也是其來源之一。星云湖底泥Zn與As無相關(guān)性，說明Zn的來源與其他重金屬不同，由于星云湖周邊早期農(nóng)業(yè)種植施用了含Zn濃度較高的農(nóng)家肥料，其可能與星云湖周邊農(nóng)田面源污染中肥料的流失有關(guān)[20]。

表5 星云湖底泥中各重金屬的相關(guān)性分析

注：*表示在0.05水平上顯著相關(guān)(P<0.05)；**表示在0.01水平上顯著相關(guān)(P<0.01)。

2.5 底泥環(huán)保疏浚深度判定

2.5.1臨界累積深度法

由星云湖底泥中重金屬濃度隨深度的垂直變化可以看出(圖2)，底泥中As和Pb累積效應明顯，說明星云湖底泥受到一定程度As、Pb污染。使用地累積指數(shù)評價結(jié)果判定臨界累積深度，從而推薦環(huán)保疏浚深度。臨界累積深度判定方法計算公式[7]為：

(3)

表6 星云湖底泥環(huán)保疏浚深度計算結(jié)果

2.5.2臨界累積深度法+生態(tài)風險變化拐點法

圖3 星云湖底泥Pb的隨深度的垂向變化 Fig.3 Vertical variation of of Pb with depth of sediments in Xingyun Lake

3 結(jié)論

(1)星云湖底泥中As、Cr、Cu、Ni、Pb和Zn濃度的平均值分別為14.7、35.76、46.14、46.08、115.76和109.82 mg/kg，與GB 15618—2018中農(nóng)用地土壤污染風險篩選值相比，As、Pb和Zn濃度超標。As、Pb濃度基本呈現(xiàn)隨深度增加而遞減的趨勢；Cr、Ni濃度較低，垂向變化趨勢不明顯；Cu、Zn濃度整體呈現(xiàn)隨深度增加而增加的趨勢。

(2)星云湖底泥中重金屬污染多為清潔水平，部分采樣點Pb和Zn偏中度污染，總體表現(xiàn)為Pb>Zn>As>Ni>Cu>Cr；各采樣點生態(tài)危害水平為1#>7#>2#>6#>4#>3#>8#>5#，星云湖底泥重金屬潛在生態(tài)風險處于輕度生態(tài)危害水平。星云湖底泥中6種重金屬具有較高的相關(guān)性。

(3)由臨界累積深度法結(jié)合生態(tài)風險變化拐點法判定星云湖東南部底泥無需疏浚，推薦西南部和西北部湖灣底泥疏浚深度為20 cm，中部和東北部湖灣底泥疏浚深度為30 cm。