昆明市主城區(qū)主要入滇河道重金屬污染評(píng)價(jià)

張國(guó)涵，蘇 濤，楊耀雷，夏萬(wàn)永，陳瑞娟，劉 云，張俊華

（云南省生態(tài)環(huán)境廳駐昆明市生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)站，云南 昆明 650228）

0 引言

底泥通常是黏土、泥沙、有機(jī)質(zhì)及各種礦物的混合物，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間物理、化學(xué)及生物等作用及水體傳輸而沉積于水體底部所形成。河道表面0～15cm厚的底泥稱為表層底泥，超過(guò)15cm厚的底泥稱為深層底泥。底泥往往是河流污染物的最終歸宿，通過(guò)各種途徑進(jìn)入水體的重金屬污染物，通過(guò)吸附、絡(luò)合、沉淀等作用絕大部分迅速地由水相轉(zhuǎn)為固相，沉積到底泥中，底泥中的重金屬污染物又再次釋放出來(lái)對(duì)水生生態(tài)系統(tǒng)造成潛在危險(xiǎn)。當(dāng)重金屬在生物體內(nèi)富集，成為持久性污染物，并通過(guò)各種方式在生態(tài)系統(tǒng)中遷移循環(huán)，最終可能進(jìn)入人體，產(chǎn)生嚴(yán)重危害[1]。研究表明，底泥是水體污染的指示劑，其環(huán)境質(zhì)量反映著水體的污染狀況[2]。因此，底泥監(jiān)測(cè)及污染評(píng)價(jià)在環(huán)境監(jiān)測(cè)中發(fā)揮著重要的作用。已有相關(guān)學(xué)者對(duì)滇池底泥重金屬污染情況做過(guò)評(píng)價(jià)和研究[3]，但對(duì)入滇河道底泥重金屬的評(píng)價(jià)卻鮮有報(bào)道。本文針對(duì)昆明市主城區(qū)匯入滇池的盤(pán)龍江、船房河、運(yùn)糧河等5條主要河道，收集了2014—2019年河道底泥重金屬監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，采用污染負(fù)荷指數(shù)法、地累積指數(shù)法和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法分析和評(píng)價(jià)了昆明市主城區(qū)主要河流的重金屬污染程度和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，旨在為河道污染防治提供技術(shù)依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

昆明為云南省省會(huì)，有“春城”之美譽(yù)，是國(guó)家歷史文化名城，也是中國(guó)重要的旅游、商貿(mào)城市，西部地區(qū)重要的中心城市。昆明市主城區(qū)河流眾多，水網(wǎng)密布。隨著昆明市人口不斷增長(zhǎng)和經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速的發(fā)展，城市化面積不斷擴(kuò)大，滇池及其入湖河流的生態(tài)環(huán)境受到嚴(yán)重的破壞，水資源的承載能力逐漸下降。

2 布點(diǎn)及采樣情況

根據(jù)以往河流水流量及重金屬污染物含量等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，本文選取了主城區(qū)具有代表性的盤(pán)龍江、大清河、船房河、新河和運(yùn)糧河5條主要入滇河流作為評(píng)價(jià)目標(biāo)。因河道表層底泥在水流作用下會(huì)向下游移動(dòng)，為使樣品更具有代表性，因此將采樣點(diǎn)設(shè)置在各條河道下游匯入滇池口的附近，具體點(diǎn)位分別為：嚴(yán)家村橋、大清河泵站、船房河五社橋頭、積善村橋和積中村入湖口，各點(diǎn)位經(jīng)緯度如表1所示。按照《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》（第四版）底泥監(jiān)測(cè)部分的相關(guān)規(guī)定，使用抓斗采集表層底泥進(jìn)行分析測(cè)試。

表1 采樣點(diǎn)位經(jīng)緯度

3 評(píng)價(jià)指標(biāo)

本文選取了砷、汞、鉻、鉛、鎘、銅和鋅7項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

4 評(píng)價(jià)方法

根據(jù)各采樣點(diǎn)重金屬分析有效數(shù)據(jù)，采用污染負(fù)荷指數(shù)法、地累積指數(shù)法和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法，分別分析和評(píng)價(jià)了河道底泥重金屬綜合污染程度、底泥重金屬累積情況以及重金屬的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。

4.1 污染負(fù)荷指數(shù)法

污染負(fù)荷指數(shù)法[4]（Pollution Load Index）是Tomlinson等從重金屬污染水平的分級(jí)研究中提出的一種評(píng)價(jià)方法，現(xiàn)在廣泛應(yīng)用于環(huán)境影響評(píng)價(jià)中。計(jì)算公式如下：

式中：Ci—元素i的實(shí)測(cè)值；C0i—元素i的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)；n—評(píng)價(jià)元素的個(gè)數(shù)；m—采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)；CFi—某一金屬最高污染系數(shù)；PLI—某點(diǎn)污染負(fù)荷指數(shù)；PLIzone—評(píng)價(jià)區(qū)域污染負(fù)荷指數(shù)。

污染負(fù)荷指數(shù)法能直觀地反映各個(gè)重金屬對(duì)污染的貢獻(xiàn)程度以及重金屬在空間上的變化趨勢(shì)，應(yīng)用比較方便，但不能反映重金屬的化學(xué)活性和生物可利用性，也沒(méi)有考慮各種不同污染源所引起的背景差別。污染負(fù)荷指數(shù)與污染程度之間的關(guān)系如表2所示。

表2 污染負(fù)荷指數(shù)與污染程度之間的關(guān)系

4.2 地累積指數(shù)法

應(yīng)用Miilten提出的地質(zhì)累積指數(shù)[5]（Index of Geoaccumulation，Igeo）法對(duì)河道底泥重金屬的污染狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)。

地質(zhì)累積指數(shù)法計(jì)算公式：

式中：Cn—沉積物中重金屬n的實(shí)測(cè)濃度（mg/kg）；K—造巖運(yùn)動(dòng)可能引起背景值波動(dòng)而設(shè)定的常數(shù)（一般取1.5）；Bn—普通頁(yè)巖中重金屬元素的地球化學(xué)背景值，本文選取云南省土壤背景值作為重金屬的Bn值。

根據(jù)Igeo值劃分7個(gè)污染等級(jí)見(jiàn)表3。

表3 地累積指數(shù)與污染程度分級(jí)

4.3 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法

對(duì)底泥潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，采用Hakanson潛在生態(tài)危害指數(shù)法[6]。潛在生態(tài)危害指數(shù)法計(jì)算公式如下：

潛在生態(tài)危害系數(shù) 描述某一重金屬污染物的污染程度，從低到高可分為5個(gè)等級(jí)；而潛在生態(tài)危害指數(shù)RI為描述某一點(diǎn)多個(gè)污染物潛在生態(tài)危害系數(shù)的綜合值，分為4個(gè)等級(jí)，兩者的關(guān)系見(jiàn)表4。根據(jù)Hakanson提出的全球工業(yè)化以前土壤中重金屬背景值，重金屬的背景和重金屬的生態(tài)毒性響應(yīng)系數(shù)取值見(jiàn)表5。

表4 潛在生態(tài)危害系數(shù)、潛在生態(tài)危害指數(shù)與危害程度的關(guān)系

表5 重金屬的背景值和生態(tài)毒性響應(yīng)系數(shù)取值

5 評(píng)價(jià)結(jié)果及分析

2014—2019 年昆明主城區(qū)主要河道底泥中7種重金屬元素的含量見(jiàn)表5。由表可知，除船房河和盤(pán)龍江的砷這一指標(biāo)外，5條河道7種重金屬的平均含量均高于云南省土壤背景值[7]，表現(xiàn)出不同程度的污染。其中污染程度較輕的河道為盤(pán)龍江，Hg、Cr、Pb、Cd、Cu、Zn的含量對(duì)比云南省土壤背景值分別超標(biāo)21.50、0.56、1.41、3.54、1.27和1.85倍；污染程度較重的河流為運(yùn)糧河，As、Hg、Cr、Pb、Cd、Cu、Zn的含量對(duì)比云南省土壤背景值分別超標(biāo)4.97、39.53、0.43 、10.67、240.32、28.78和28.57倍，各項(xiàng)指標(biāo)均表現(xiàn)出明顯的累積效應(yīng)。

對(duì)比5條河7項(xiàng)重金屬指標(biāo)的均值與中位值可以看出：船房河、大清河、盤(pán)龍江和運(yùn)糧河整體來(lái)講平均值與中位值基本相當(dāng)，只有個(gè)別指標(biāo)差異較大。說(shuō)明這4條河道重金屬含量基本趨于穩(wěn)定。新河中，7項(xiàng)重金屬含量的中位值均高于均值，并且除Hg以外，As、Cr、Pb、Cd、Cu、Zn含量的中位值均遠(yuǎn)高于中位值，說(shuō)明該區(qū)域6種重金屬含量分布向高含量方向傾斜，呈現(xiàn)偏態(tài)分布。

由表6中標(biāo)準(zhǔn)偏差可以看出：船房河、大清河和盤(pán)龍江As、Hg、Cd 3項(xiàng)指標(biāo)6年均值的標(biāo)準(zhǔn)偏差較小，說(shuō)明3項(xiàng)指標(biāo)隨時(shí)間分布均勻且離散性較小；Cr、Pb、Cu、Zn 4項(xiàng)指標(biāo)6年均值的標(biāo)準(zhǔn)偏差較小，說(shuō)明4項(xiàng)指標(biāo)隨時(shí)間分布非常不均勻且離散性較大。新河和運(yùn)糧河除Hg以外，其余6項(xiàng)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)偏差較大，重金屬含量隨時(shí)間波動(dòng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其它3條河，時(shí)間分布極其不均勻且離散性極大。可以初步推斷這兩條河重金屬含量受人為干擾的程度遠(yuǎn)高于其它3條河道。

表6 2014—2019年昆明市主城區(qū)河道底泥重金屬監(jiān)測(cè)結(jié)果表 （mg / kg）

2014—2019 年各金屬元素的Spearman秩相關(guān)分析結(jié)果顯示：船房河中As和Zn含量呈現(xiàn)上升趨勢(shì)但不顯著，其余4項(xiàng)指標(biāo)均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，其中Cu為顯著下降；大清河中7項(xiàng)指標(biāo)均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)但不顯著；盤(pán)龍江中Cd呈上升趨勢(shì)但不顯著，其余6項(xiàng)指標(biāo)呈下降趨勢(shì)，其中Hg和Cu為顯著下降；新河中As和Cr呈下降趨勢(shì)，其余5項(xiàng)指標(biāo)呈上升趨勢(shì)，但均不顯著；運(yùn)糧河中As、Pb和Zn呈下降趨勢(shì)但均不顯著，其余4項(xiàng)指標(biāo)呈上升趨勢(shì)，其中Cd為顯著上升。2014—2019年昆明市主要入滇河道底泥重金屬變化趨勢(shì)如圖1所示。由圖可以看出，5條主要入滇河道各金屬元素變化趨勢(shì)與Spearman秩相關(guān)分析結(jié)果基本吻合。

圖1 2014—2019年昆明市主要入滇河道底泥重金屬變化趨勢(shì)圖

由表7可知，2014—2019年5條河道底泥重金屬的CFi平均值范圍為1.68～52.36，其中Cd和Hg為污染貢獻(xiàn)最大的兩項(xiàng)指標(biāo)，各種金屬指標(biāo)對(duì)污染的貢獻(xiàn)程度從大到小依次為：Cd＞Hg＞Zn＞Cu＞Pb＞As＞Cr。5條河道的PLI值范圍為3.02～18.88，污染等級(jí)均為“極強(qiáng)污染”。污染負(fù)荷從大到小依次為：運(yùn)糧河＞船房河＞新河＞大清河＞盤(pán)龍江。主城區(qū)5條河道均為流入滇池的主要河道，將其看作一個(gè)整體區(qū)域評(píng)價(jià)，計(jì)算得到PLIzone為5.08，可以看出整個(gè)昆明市主城區(qū)主要河道的污染等級(jí)為“極強(qiáng)污染”。其中，運(yùn)糧河污染最嚴(yán)重，對(duì)整體的污染貢獻(xiàn)最大，其余4條河道污染貢獻(xiàn)相當(dāng)。

表7 河道底泥重金屬污染負(fù)荷指數(shù)評(píng)價(jià)

由2014—2019年昆明市主城區(qū)主要河道底泥中重金屬的地質(zhì)累積指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果（表8）可知：5條河道中As含量年均值的Igeo值在-0.77～1.99，按污染等級(jí)劃分，運(yùn)糧河為“中度”污染，其余4條河道為“清潔”；Hg含量年均值的Igeo值在3.91～4.78，按污染等級(jí)劃分，盤(pán)龍江為“重度”污染，其余4條河道為“嚴(yán)重”污染；Cr含量年均值的Igeo值在-0.07～0.41，按污染等級(jí)劃分，運(yùn)糧河為“清潔”，其余4條河道為“偏中度”污染；Pb含量年均值的Igeo值在0.69～2.96，按污染等級(jí)劃分，船房河為“中度”污染，運(yùn)糧河為“偏重度”污染，其余3條河道為“偏中度”污染；Cd含量年均值的Igeo值在1.55～7.33，按污染等級(jí)劃分，船房河為“偏重度”污染，運(yùn)糧河為“嚴(yán)重”污染，其余3條河道為“中度”污染；Cu含量年均值的Igeo值在0.60～4.31，按污染等級(jí)劃分，船房河為“中度”污染，運(yùn)糧河為“嚴(yán)重”污染，其余3條河道為“偏中度”污染；Zn含量年均值的Igeo值在0.93～4.30，按污染等級(jí)劃分，船房河為“偏重度”污染，新河為“中度”污染，運(yùn)糧河為“嚴(yán)重”污染，其余2條河道為“偏中度”污染。整體來(lái)看，5條河道中運(yùn)糧河和船房河重金屬累積程度遠(yuǎn)高于其它3條河道。由5條河道重金屬含量的Igeo平均值可以看出，重金屬總體污染順序?yàn)椋篐g＞Cd＞Zn＞Cu＞Pb＞Cr＞As，Hg和Cd的累積污染程度要高于其它5項(xiàng)指標(biāo)。

表8 河道底泥重金屬地累積指數(shù)和等級(jí)

表9 河道底泥重金屬潛在生態(tài)危害指數(shù)評(píng)價(jià)

6 建議

昆明市區(qū)主要河道重金屬的污染和生態(tài)危害程度與城市發(fā)展有著密切的關(guān)系，總體來(lái)看，運(yùn)糧河和船房河污染程度要比其它河道重，7項(xiàng)重金屬監(jiān)測(cè)指標(biāo)中，Cd和Hg是主要的污染物。針對(duì)當(dāng)前河道底泥的污染情況，建議：

（1）因底泥監(jiān)測(cè)點(diǎn)位為國(guó)控監(jiān)測(cè)點(diǎn)，目前監(jiān)測(cè)頻次為每年1次，導(dǎo)致樣本容量較少，對(duì)底泥污染的評(píng)價(jià)的客觀性和科學(xué)性存在影響，建議有關(guān)部門(mén)根據(jù)不同季節(jié)或不同水期增加監(jiān)測(cè)頻次，使數(shù)據(jù)更具代表性；

（2）建議開(kāi)展入滇河道底泥重金屬相關(guān)課題，對(duì)重金屬污染來(lái)源及存在形態(tài)進(jìn)行分析，為治理提供科學(xué)依據(jù)；

（3）建議治理部門(mén)對(duì)污染較重的運(yùn)糧河和船房河，以及主要污染物Cd和Hg采取有針對(duì)性的治療措施。