基于底泥重金屬污染及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的星云湖疏浚深度判定

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(fù)技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，國(guó)家環(huán)境保護(hù)湖泊污染控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院 2.河北大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院

底泥是水體中重金屬的主要積累場(chǎng)所，長(zhǎng)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(fēng)險(xiǎn)，對(duì)湖泊生態(tài)環(huán)境構(gòu)成威脅[1-2]。當(dāng)外界環(huán)境條件發(fā)生變化時(shí)，底泥中的重金屬會(huì)重新釋放到上覆水體中，對(duì)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(xué)者致力于以清除重金屬污染底泥為目標(biāo)的環(huán)保疏浚方面的研究，普遍認(rèn)為應(yīng)該通過分析重金屬隨底泥深度的剖面變化和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)來確定環(huán)保疏浚深度。如姜霞等[6]采用潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法對(duì)底泥中的重金屬進(jìn)行生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，并結(jié)合拐點(diǎn)法對(duì)竺山灣重金屬污染底泥環(huán)保疏浚深度進(jìn)行推算；丁濤等[7]采用地累積指數(shù)法對(duì)杭州市河道底泥中的重金屬進(jìn)行累積性評(píng)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(guó)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(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。筆者基于對(duì)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(yùn)用地累積指數(shù)法和潛在生態(tài)危害法對(duì)不同深度底泥重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，采用臨界累積深度法結(jié)合生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)變化拐點(diǎn)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(xué)依據(jù)，同時(shí)也為重金屬污染底泥環(huán)保疏浚深度確定方法的標(biāo)準(zhǔn)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(gè)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(dòng)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(yán)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(shè)置8個(gè)采樣點(diǎn)(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(dá)K3信標(biāo)機(jī)進(jìn)行定位導(dǎo)航。底泥柱狀樣采集后，以每層10 cm進(jìn)行底泥樣品切分，將樣品裝入聚乙烯密封袋帶回實(shí)驗(yàn)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(dòng)植物殘?bào)w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(diǎn)示意Fig.1 Schematic map of sediment sampling sites in Xingyun Lake

1.3 分析方法

1.4 評(píng)價(jià)方法

1.4.1地累積指數(shù)法

地累積指數(shù)(Igeo)由德國(guó)學(xué)者M(jìn)uller[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(yīng)用。其計(jì)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(xué)背景值，由于采用當(dāng)?shù)赝寥乐兄亟饘贊舛茸鳛楸尘爸颠M(jìn)行重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)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(dāng)?shù)貛r石差異可能導(dǎo)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(jí)

1.4.2潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法

瑞典學(xué)者Hakanson[15]于1980年提出用潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法(RI)對(duì)底泥重金屬進(jìn)行生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。該方法綜合考慮了底泥中重金屬的毒性、生態(tài)效應(yīng)與環(huán)境效應(yīng)，并采用具有可比的、等價(jià)屬性指數(shù)分級(jí)法進(jìn)行評(píng)價(jià)，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(píng)價(jià)中較科學(xué)、全面的評(píng)價(jià)方法。其計(jì)算公式為：

(2)

表2 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)與分級(jí)關(guān)系

1.5 數(shù)據(jù)分析

所有數(shù)據(jù)采用WPS 2016進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，采用Origin 9.0進(jìn)行重金屬濃度垂直分布制圖，采用SPSS 16.0進(jìn)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(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》中農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值相比，As、Pb和Zn濃度超標(biāo)，Cr、Cu和Ni濃度不超標(biāo)。2#、6#和7#采樣點(diǎn)底泥中As濃度超標(biāo)，其中7#采樣點(diǎn)0～10 cm層樣品中As濃度最高(39.34 mg/kg)；1#～4#和8#采樣點(diǎn)底泥中Pb濃度超標(biāo)，其中1#采樣點(diǎn)10～20 cm層樣品中Pb濃度最高(189.42 mg/kg)；1#和2#采樣點(diǎn)底泥中Zn濃度超標(biāo)，其中2#采樣點(diǎn)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(biāo)的1#和2#采樣點(diǎn)位于星云湖北部，7#和8#采樣點(diǎn)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(biāo)。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(biāo)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(shì)；Cr和Ni濃度較低且分布比較均勻，垂向變化趨勢(shì)不明顯；Cu和Zn濃度整體隨著深度增加呈增加趨勢(shì)。重金屬在底泥中的富集是較為復(fù)雜的過程，受到多種因素的影響[18]。鄭國(guó)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(diǎn)40～50、50～60 cm層和2#采樣點(diǎn)60～70、70～80 cm層底泥中Zn濃度超標(biāo)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(duì)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(píng)價(jià)

生物對(duì)不同重金屬的毒性反應(yīng)是不同的，地累積指數(shù)可以有效地反映重金屬的復(fù)合污染程度。根據(jù)地累積指數(shù)計(jì)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(jì)了各采樣點(diǎn)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(yán)重，有6個(gè)采樣點(diǎn)為偏中度污染，只有5#和7#采樣點(diǎn)為輕度污染；Zn總體為輕度污染，但在1#和2#采樣點(diǎn)出現(xiàn)偏中度污染；As總體為清潔，在6#和7#采樣點(diǎn)出現(xiàn)輕度污染；Ni總體為清潔，在1#采樣點(diǎn)出現(xiàn)輕度污染；Cr和Cu均為清潔。

表3 各采樣點(diǎn)底泥中重金屬的Igeo最大值與污染等級(jí)

2.3 底泥重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

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(duì)星云湖各采樣點(diǎn)所有底泥樣品中重金屬濃度進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果見表5。由表5可知，各采樣點(diǎn)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(xué)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(dòng)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(yīng)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(píng)價(jià)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(jì)算公式[7]為：

(3)

表6 星云湖底泥環(huán)保疏浚深度計(jì)算結(jié)果

2.5.2臨界累積深度法+生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)變化拐點(diǎn)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(fēng)險(xiǎn)篩選值相比，As、Pb和Zn濃度超標(biāo)。As、Pb濃度基本呈現(xiàn)隨深度增加而遞減的趨勢(shì)；Cr、Ni濃度較低，垂向變化趨勢(shì)不明顯；Cu、Zn濃度整體呈現(xiàn)隨深度增加而增加的趨勢(shì)。

(2)星云湖底泥中重金屬污染多為清潔水平，部分采樣點(diǎn)Pb和Zn偏中度污染，總體表現(xiàn)為Pb>Zn>As>Ni>Cu>Cr；各采樣點(diǎn)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(fēng)險(xiǎn)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(fēng)險(xiǎn)變化拐點(diǎn)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。