城鄉交錯帶河流表層沉積物重金屬污染及潛在生態風險評價

彭 越，劉國東，駱 斌，葉倫文，吳永康

（1．西南民族大學 化學與環境保護工程學院，成都610041；2．四川大學建筑與環境學院，成都610065；3．四川大學 水利水電學院，成都610065；4．成都市規劃局，成都610081）

城鄉交錯帶是城鄉要素逐漸過渡、相互滲透、相互作用的特殊地域，城市化和工業化進程較快，是人地關系發展變化的敏感地帶［1－2］，具有特殊的地域特征和獨特的生態環境特點［3］。這一地帶受城市擴張影響，人地矛盾突出，其生態退化和環境污染不容忽視。不少學者針對這一特殊地域開展生態景觀方面的研究［4－5］，在環境污染方面主要為土壤和大氣污染。但是，專門針對這一特殊地域開展水環境污染方面研究的不多［5］，特別是沉積物重金屬污染的研究更少。

城鄉交錯帶水體往往位于城市水體中上游，直接影響著城市水環境質量。隨著城市化和工業化進程的加快，城鄉交錯帶土地覆被的變化導致水環境發生變化［6］，重金屬污染加重。重金屬污染物進入水體后，多以沉積物形式存在于水體中［7］，在水環境條件發生改變時將重新釋放出來，從而危害水生生態環境［8］。沉積物中的重金屬污染情況及其潛在生態風險是許多環境工作者關注的問題［9－10］。

江安河是與府河、南河、沙河齊名的成都市四大水系之一，是成都市重要的水資源。隨著成都城市化進程的加快，沿部分河段已經形成了具有一定規模的居住帶，具有明顯的城市和鄉村特征。沿江安河畔分布的皮革廠和印染廠等工業廠礦以及農田，工農業生產排放的污染物與生活污水一起影響江安河的水環境質量。2011年的調查顯示，江安河河水電導率過高，已受到重金屬污染［11］，但污染程度并不清楚。

因此，本文以成都市江安河為例，對城鄉交錯帶這一特殊地域的水體沉積物重金屬污染及其潛在生態風險開展研究，探討其與城市化的關系，以期為成都市城鄉交錯帶的環境治理提供依據。

1 研究區域與測定方法

1．1 采樣區概況及樣品采集

江安河源于岷江，始于都江堰止于雙流華陽流入錦江，流經都江堰市、溫江區、雙流縣和武侯區等地，是雙流縣九江鎮和武侯區金花鎮的一條界河，溫江、雙流和武侯區段全長18km，處于城鄉交錯帶。選取武侯區與雙流縣交界段（東經103°57′—103°58′，北緯30°34′—30°40′，海拔高度：677．70～689．42m），從上游至下游設4個表層沉積物采樣斷面，分別為何家灣、馬家市、金花橋和涼港大橋，如圖1所示。每個斷面設4個采樣點，在各采樣點表層（0—20cm）以沉積物采集器取樣1～2kg，聚乙烯塑料袋盛裝、封口。棄去樣品中的枯葉、干枝和石塊等雜質，常溫下風干研碎。因為重金屬主要富集于細顆粒沉積物中，且沉積物對重金屬的吸附能力與粒度有關［12］，所以將樣品過140目篩選取細粒作為實驗樣品。

1．2 樣品測定

對4個采樣斷面實驗樣品各取0．5g，用HNO3—HF—HClO4消解，采用原子吸收法測定重金屬元素Cu、Pb、Cr、Ni、Mn、Zn和 Cd的含量［13］，同時進行空白實驗和質量控制。實驗中，各重金屬元素取3個樣平行測定，取平均值作為測試結果（表1）。

圖1 研究區地理位置及采樣點示意圖

表1 各采樣點表層沉積物重金屬含量 mg／kg

2 結果與分析

2．1 重金屬污染分析

地積累指數法由德國學者Müller提出，是在實測重金屬濃度的基礎上，考慮當地沉積物重金屬背景值，定量反映沉積物中重金屬污染程度的一種方法，在國內外被廣泛應用，尤其適用于現代沉積物中重金屬污染評價［14］。本文采用地積累指數法分析比較4個沉積物采樣斷面的沉積物污染情況。地積累指數Igeo的計算公式為

式中：Cn——元素n在沉積物中的含量；Bn——元素n的地球化學背景值；Igeo分為0～6共7級［15］，污染程度由無至極強，一般以中國土壤元素幾何平均值作為背景值進行劃分（表2）［16］。

根據分析測試結果計算得江安河4個斷面7種重金屬元素的地積累指數及污染級數（表3）。4個斷面Zn的污染級數為2或1，說明沉積物受到Zn污染，其中何家灣污染級數為2，為中度污染，馬家市、金花橋、涼港大橋污染級數為1，為輕度污染。何家灣、金花橋和涼港大橋Cu和Cr的污染級數為1，受重金屬Cu和Cr輕度污染。4個斷面Pb、Ni、Mn和Cd四種重金屬元素的污染級數均為0，說明均未受這4種重金屬污染。該污染情況與沿岸的工農業生產分布相關。何家灣上游及其周邊城市化速度較快，長期的農業生產、迅速發展中的工業生產及增長的人口，造成該斷面沉積物中度Zn污染（污染級數為2），輕度Cu和Cr污染（污染級數為1）。金花橋和涼港大橋周邊除零散分布的農田外，還有印染、制鞋等中小型企業，且其地處城鄉交錯帶交通要道，導致輕度Cu、Cr、Zn污染（污染級數為1）。可見，4個斷面的污染級數與其周邊的工農業分布和城市化程度有一定的相關性。

表2 中國土壤重金屬元素背景值 mg／kg

表3 江安河各斷面地積累指數及污染級數

2．2 重金屬污染的潛在生態風險評價

目前，重金屬污染生態風險常用的評價方法是Hakanson指數法。該法利用潛在生態風險指數RI判斷沉積物中重金屬污染對生態系統的危害。Hakanson指數不僅考慮了重金屬元素的背景值，而且考慮了不同重金屬的生物毒性［17］，是一種理論較為完備，可定量評價重金屬生態風險的有效方法。因此，采用Haknson指數法對江安河城鄉交錯段進行潛在生態風險評價。潛在生態風險指數RI計算公式為［18］：

式中：Cif——單一金屬污染系數；Cd——多金屬污染系數；Eir——單一金屬潛在生態風險參數；CiD——重金屬實測濃度；CiR——沉積物背景參考值；Tir——生物響應因子，即Hakanson毒性系數，本文以中國土壤元素的幾何平均值作為背景值，如表4所示。

表4 重金屬元素的Hakanson毒性系數

根據式（2）—（5）計算各斷面7種重金屬元素的Eir和RI值。沉積物中各重金屬的Eir均值由高到低為Cu＞Pb＞Ni＞Cr＞Zn＞Cd＞Mn（表5）。4個斷面重金屬的RI值由高到低為：何家灣（33．43）＞涼港大橋（32．98）＞金花橋（32．43）＞馬家市（23．67）。所有斷面重金屬Eir均小于40，RI均小于140，屬于輕微生態風險，這與江安河城鄉交錯段的重金屬污染程度較輕一致。但是，目前城市化所帶來的重金屬污染初顯端倪，該問題不容忽視。現場調研中發現，該河段有生活和生產廢水直接排入河流的排污口存在，生活垃圾沿岸隨意堆放。因此，環境管理部門應積極做好對工業企業的環境管理，并加強城鄉交錯帶的環境管理與整治，采取疏浚清淤措施［19］，從而減少并避免沉積物污染帶來的生態風險。

表5 沉積物中重金屬的潛在生態風險指數

3 結 論

本文對江安河城鄉交錯段沉積物的重金屬元素含量進行了測定，采用地積累指數法進行重金屬污染級數分析，并采用Hakanson指數法進行潛在生態風險評價，結論如下：

（1）江安河城鄉交錯段沉積物中存在重金屬Cu、Zn和Cr污染；其中，何家灣斷面沉積物中度Zn污染，輕度Cu和Cr污染，與其上游及其周邊較快的城市化，長期的農業生產、迅速發展中的工業生產及增長的人口有關；金花橋和涼港大橋輕度Cu、Cr、Zn污染，與其周邊分布有零散的農田、及印染與制鞋等中小型企業，地處城鄉交錯帶的交通要道有關。馬家市相對其他3個斷面城市化較慢且其周邊以農業生產為主，只受到輕度Zn污染。

（2）4個斷面沉積物中各重金屬潛在生態風險指數均值由高到低為Cu＞Pb＞Ni＞Cr＞Zn＞Cd＞Mn，均小于40；潛在生態風險指數值由高到低為：何家灣（33．43）＞涼港大橋（32．98）＞金花橋（32．43）＞馬家市（23．67），均小于140，屬于輕微生態風險。

（3）城市化帶來的江安河城鄉交錯段的重金屬污染初見端倪，建議對其進行疏浚清淤，且環境管理部門應加強城鄉交錯帶的環境管理與整治，特別是對工業企業的環境管理，以減少并避免沉積物污染帶來的生態風險。

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