伊通河(長春段)表層沉積物中重金屬污染特征及風險評價

韓錦輝，丁蘇麗

(1 重慶大學建筑規劃設計研究總院有限公司兩江院區，重慶 401121；2 重慶川儀環境科技有限公司，重慶 401121)

河流沉積物是水環境系統的重要組成部分，沉積物因其獨特的性質，成為水環境中污染物的“源”和“匯”[1]。一方面，進入水體中的污染物通過各種物理、化學、生物途徑在沉積物中富集，匯聚在沉積物中，另一方面，當水體環境發生變化時，富集了大量污染物的沉積物又會成為一個污染源，釋放出污染物對水體造成二次污染[2]。重金屬廣泛存在于環境介質中，其具有隱蔽性、致病性、持久性和生物富集性等特點[3]。重金屬難以被生物降解，可通過生物富集進入人體，當在人體中累積到一定程度時，會造成人體慢性中毒[4]。因此，開展河流表層沉積物重金屬污染研究和評價對保護水體環境和人類健康具有重要的意義。

伊通河是松花江二級支流，是長春市內最大河流，從南到北橫穿整個長春市，是長春市的母親河，它承載著整個市區的主要工業和生活污水，同時也是南溪濕地和北湖濕地等濕地的主要水源補充[5]。隨著工業的發展和人類活動的加劇，伊通河水環境污染加重，作為松花江的主要支流和長春市的最大河流，開展伊通河(長春段)表層沉積物中重金屬污染特征研究和風險評價，可為伊通河表層沉積物重金屬污染防治提供依據。

1 實 驗

1.1 樣品的采集和處理

本研究于2017年5月對伊通河(長春段)表層沉積物樣品進行了采集，各采樣點的位置見圖1，各采樣點的具體坐標見表1。每個采樣點采集3份平行樣，去除樹根、碎石等雜質，混勻封存于聚乙烯采樣袋中進行保存。樣品帶回后，經過干燥、研缽研磨后過100目尼龍篩保存備用。

圖1 伊通河(長春段)采樣點位示意圖Fig.1 Schematic diagram of sampling points of Yitong River (Changchun section)

表1 采樣點編號及地理坐標Table 1 Sampling point number and geographicalcoordinates

1.2 樣品重金屬測定

稱取0.1～0.3 g樣品于消解管內，加入65%濃硝酸7 mL和30%的過氧化氫1 mL，放置于微波消解儀(Milestone Ethos One)中，在190 ℃下消解45 min，待冷卻至室溫后取出，然后，轉移到離心管中定容，靜置沉淀一晚，每一批同時做空白實驗。處理完樣品后，用電感耦合等離子體發射光譜儀(PerkinElmer-Optima7000DV)對重金屬Cr、Ni、Cu、Zn、Pb的含量進行測定。所有樣品均進行3個平行樣測定，Cr、Ni、Cu、Zn、Pb的相對標準偏差均小于5%。

1.3 污染評價方法

1.3.1 地累積指數法

地積累指數(index of geoaccumulation)又被稱為Muller指數，是德國科學家Muller在20世紀60年提出的，在國內外研究中被廣泛應用于研究沉積物以及其他物質中重金屬污染程度[6]。地累積指數法在研究中充分考慮了人為因素、自然因素和背景值對研究結果的影響，其評價結果可靠度較高[6]。其表達方式如下：

Igeo=log2[Ci/(k·C0)]

式中：Igeo表示地累計指數；Ci表示樣品中元素i的實測值；k表示各地巖石差異可能會引起背景值的變動而取的系數(在本次研究中取值為1.5)；C0表示樣品中該元素的地球化學背景值。本研究背景值選取長春市土壤重金屬元素背景值[7](Cr、Ni、Cu、Zn和Pb分別為53.96、25.70、18.87、59.86和17.90 mg/kg)。

根據計算出的地累積指數值，地積累指數評價等級劃分標準見表2。

表2 地累積指數分級標準Table 2 Grading standard of index of geoaccumulation

1.3.2 潛在生態風險指數法

瑞典科學家Hakanson在1980年提出了潛在生態風險指數法(the potential ecological risk index)，該方法被廣泛應用于對土壤或沉積物中的重金屬的潛在生態風險進行評價[8]。潛在生態危害指數法在應用過程中綜合考慮了重金屬的毒性、在沉積物中的遷移轉化規律和評價區域對重金屬污染的敏感性，以及重金屬區域背景值的差異，消除了區域差異和異源污染的影響[2,8]。潛在生態風險指數計算公式為：

表3 重金屬元素毒性系數Table 3 Toxicity coefficient of heavy metals

表4 潛在生態風險指數分級標準Table 4 Classification standard of the potential ecological risk index

1.4 源解析方法

用SPSS軟件對數據進行相關性分析和主成分分析，對沉積物中重金屬來源進行解析[2,10-11]。

2 結果和討論

2.1 表層沉積物中重金屬含量及空間分布特征

表5 表面沉積物中重金屬含量統計數據Table 5 Statistics of heavy metals content in surface sediments

表5為伊通河(長春段)表層沉積物中重金屬含量的統計數據。伊通河(長春段)表層沉積物中Cr、Ni、Cu、Zn和Pb的變化范圍分別為25.50～54.60 μg/g、13.58～26.08 μg/g、13.03～64.77 μg/g、65.91～396.43 μg/g和6.96～31.61 μg/g，平均值分別是其背景值的0.71、0.72、1.98、3.20、0.96倍。其中，Cu、Zn和Pb的變化范圍較大，Cr和Ni的變化范圍較小，Zn的超標情況比較嚴重。Cu、Zn和Pb的變異系數較大，說明這三種金屬元素的區域分布差異比較明顯。

圖2 沉積物中重金屬含量空間分布曲線Fig.2 Spatial distribution curves of heavy metals content in sediments

圖2為伊通河(長春段)表層沉積物中重金屬含量的空間分布曲線，從圖中可以看出，5種重金屬隨采樣點的變化趨勢基本保持一致。重金屬含量整體呈現上升的態勢，5種重金屬含量的最小值均出現在S1采樣點，最大值出現在S6采樣點。S1采樣點位于研究河段的上游，污染源較少，水質條件較好，隨著采樣點原來越靠近市區和工業區；S2采樣點到S4采樣點5種重金屬含量都不斷增大，在S4采樣點達到一個高峰，說明伊通河作為長春市的主要納污河流，承載著市區較大的污染物排放；S4采樣點和S5采樣點之間矗立著長春市最大污水處理廠(北郊污水處理廠)，由于污水處理廠對上游污水進行了處理，位于污水廠下游的S5采樣點5種重金屬的含量比S4采樣點均出現下降；隨著空間的移動，表層沉積物中重金屬含量在S6采樣點均出現最大值，原因是S6采樣點位于長春市北湖濕地公園，人工濕地中的植物對重金屬存在一定的富集能力[12]，使得S6采樣點重金屬含量高于其他五個采樣點。

2.2 表層沉積物中重金屬污染評價

圖3 平均地累積指數Fig.3 Average index of geoaccumulation

圖3為六個采樣點的平均地累積指數。從圖中可以看出，六個采樣點的平均地累積指數大小順序為1>S6>0>S4>S5>S3>S2>S1，從評價結果來看，S6采樣點的污染級別為1級，處于輕度污染狀態，其他五個采樣點的污染級別為0級，處于無污染狀態，S6采樣點沉積物中重金屬污染程度最大，S4采樣點沉積物中重金屬污染程度處于輕度污染和無污染的臨界值，應特別關注。從單因子方面看，地累積指數大小順序為1>Zn>Cu>0>Pb>Ni>Cr，Zn和Cu的污染級別為1級輕度污染，Pb、Ni和Cr的污染級別為0級無污染，說明Zn、Cu是伊通河(長春段)沉積物重金屬污染的主要風險因子。

圖4 潛在生態風險指數Fig.4 Potential ecological risk index

2.3 來源解析

2.3.1 相關性分析

表6 表層沉積物中重金屬的相關性Table 6 Correlation of heavy metals in surface sediments

通過SPSS對表層沉積物中5種重金屬含量進行相關性分析，可初步確定伊通河(長春段)表層沉積物中重金屬的污染來源。通過相應分析，可以看出，除Ni與Cr，Ni與Pb之間呈顯著相關(P<0.05)外，Cr、Cu、Zn、Pb 4種重金屬之間都呈呈極顯著相關(P<0.01)，表明Cr、Cu、Zn、Pb具有共同的污染來源，Ni的污染來源和Cr、Cu、Zn、Pb的污染來源略有差異。

2.3.2 主成分分析

圖5 沉積物中不同重金屬主要成分荷載圖Fig.5 Load diagram of main components of different heavy metals in sediments

圖5為伊通河長春段表層沉積物中重金屬的主成分分析二維因子載荷圖。KMO檢驗的MSA值為0.631，Bartlett的球形度檢驗結果中Sig.為0.000，小于顯著水平0.01，說明該數據服從正態分布，適合做因子分析[13]。本研究采用主成分提取法提取公因子并結合方差極大旋轉進行因子分析，提取出2個主因子。2個主因子的累計方差貢獻率為99.264%，分別解釋總方差的57.483%和41.782%，說明這2個因子具有很高的代表性。

從圖5看出，Cr、Cu、Zn、Pb在第一主成分上有較高的載荷，同時從相關性分析也可以看出Cr與Cu、Zn、Pb之間有極顯著相關性，說明它們之間有共同的來源。根據幾種重金屬的濃度分布，可以看出它們存在一定的污染程度，受到一定的人為干擾，說明人類生活生產活動是Cr、Cu、Zn、Pb這4種重金屬的主要來源，根據相關研究，Pb主要來源于交通排放和工業排放，Cr、Cu、Zn主要來源于機械生產制造過程，因此，推測第一主成分主要表征了交通源和工業來源[2,11]。Ni在第二主成分上有較高的載荷，說明他與Cr、Cu、Zn和Pb的污染來源略有不同，Ni在表層沉積物中含量都小于背景值(S6點除外)，說明其污染受人類活動的影響較小[11]，由此推斷，第二主成分主要表征了重金屬的自然來源。

3 結 論

(1)伊通河(長春段)表層沉積物中5種重金屬具有相同的空間分布特征，都呈現先上升后下降再上升的態勢，上游重金屬含量較小，在S4采樣點處出現拐點，S5采樣點處出現下降，在S6采樣點處達到最大。

(2)伊通河(長春段)表層沉積物6個采樣點中，除S6采樣點處于輕度污染狀態，其他5個采樣點都處于無污染狀態，此外，6個采樣點的生態危害程度都屬于低度，生態危害程度較小。

(3)伊通河(長春段)表層沉積物Cr、Cu、Zn、Pb主要來源于交通源和工業源，Ni主要來源于自然源。