重慶市江津區中小河流底泥重金屬調查與生態評價

劉陳飛 王宇翔 唐鴻琴 蘭峰

摘要：

隨著人類活動的影響，重金屬污染程度一直在增加，大多數重金屬都儲存在河流沉積物中。為研究重慶市中小河流底泥重金屬污染情況，2020年6月，以江津區流域面積大于50 km2的李市小溪、石板溪、綦江、筍溪河、壁南河、橋溪河、大溪河、安家溪等8條河流，以及山區的衛星水庫，作為研究對象，共布設22個監測點位，對其底泥Cd，Cr，Cu，Pb，Zn和As 等6 種重金屬進行本底調查，通過地累積指數法、潛在生態風險評價指數法對其重金屬污染進行綜合評估。結果表明：江津區中小河流底泥重金屬整體污染狀態不高，依據 I? geo評價，Cd達到中度污染水平，其余元素處于低污染或者無污染水平；潛在生態風險評價，大部分處于中度風險狀態，Cd對RI的貢獻率最大（平均貢獻率為93.05%），需要作為重點監控對象；通過主成分分析和聚類分析，表明Cr，Cu，Zn，Cd，Pb元素可能具有相同的來源，且重金屬污染主要發生在工業為主導的區域（S17，德感工業園區）、人口集中的城市區域（S18，雙福街道）和污水管網不全的農業污染區域（S4，李市小溪；S22，衛星水庫）。

關鍵詞：

中小河流； 底泥； 重金屬； 潛在生態風險； 主成分分析； 重慶市

中圖法分類號：X825

文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.05.016

文章編號：1006-0081（2023）05-0100-07

0 引 言

重慶市江津區位于長江上游，三峽水庫庫尾，境內江河縱橫交錯，其生態環境問題直接關系三峽水庫庫區的生態安全格局。江津區長江干流水質總體處于良好狀態，但支流水質污染明顯［1］。主要是由于城鎮化的發展，生活污染源增加明顯，污水治理設施不夠等因素導致。此外，農田面源、工業污染等也是較為主要的污染源［2］。

底泥是中小河流生態系統的重要構成部分，不僅為生態系統提供基本營養，也是各種重金屬元素富集的場所。進入水體的重金屬元素，通過吸附沉淀等過程，絕大部分由水相轉為固相，沉積到底泥中，經過生物富集或食物鏈放大后，對生態系統產生直接或間接的危害，威脅人體健康［3-5］。中小河流底泥中的營養物質對維持水體的富營養化狀態有重要貢獻，當底泥與水體營養鹽濃度動態平衡被打破時，底泥中的污染物會釋放出來對生態系統造成危險［6］。

通過檢測底泥中重金屬和營養鹽的含量，可以反映其水體的污染程度。目前，河流底泥中重金屬污染的研究大部分是針對大型河流流域，或者選取單一中小河流，而對于山地型中小河流的研究較少。張占梅等［6］以重慶市主城區花溪河等5條河流為研究對象，采用內梅羅綜合指數法和地累積指數法分析了河流底泥重金屬污染程度。郭杰等［7］對長江中游近岸表層沉積物進行重金屬污染特征分析和風險評估，通過重金屬的含量、地累積指數法、潛在生態指數法等綜合評定。張志永［8］等用重金屬、地累積指數法、沉積物質量基準法等對長江中上游表層沉積物重金屬污染程度進行風險評價。潘延安［9］以重慶主城區次級河流為研究對象，采集次級河流表層沉積物及表層水樣品，采用地累積指數法、富集系數法、潛在生態危害指數法和綜合污染指數法對重金屬污染風險進行評價。

在長江大保護的背景下，以重慶市江津區水環境綜合治理規劃為龍頭，在對流域水環境開展區域統籌、系統治理的治水模式下，選取江津區流域面積大于50 km2的李市小溪、石板溪、綦江、筍溪河、壁南河、橋溪河、大溪河、安家溪等8條河流，以及山區的衛星水庫作為研究對象。根據江津區河長辦公室公布的河流監測情況，上述河流部分存在超標現象，例如：大溪河江津段水質管理目標為Ⅳ類，現狀水質為Ⅴ類；石板溪水質管理目標為Ⅲ類，現狀水質為Ⅳ類；橋溪河水質管理目標為Ⅲ類，現狀水質為Ⅳ類。本研究對上述中小河流底泥基本理化指標，Cd，Cr，Cu，Pb，Zn和As 等6 種重金屬指標進行本底調查，通過地累積指數法、重金屬潛在生態風險評價指數法等方法對江津區中小河流重金屬污染進行綜合評估，排查超標水體的水環境問題，鎖定各項污染來源，為江津區水環境綜合治理規劃編制及下一步底泥治理方案提供基礎數據。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

本次江津區域本底調查時間為2020年6月，選取了李市小溪等8條河流和衛星水庫作為典型，布設22個監測點位。其中S1～S4為李市小溪監測點；S5～S6為石板溪監測點；S7～S8為綦江監測點，S8監測點位因綦江河水位暴漲無法取樣；S9～S11為筍溪河監測點；S12～S13為璧南河監測點；S14～S17為橋溪河監測點；S18～S19為大溪河監測點；S20～S21為安家溪監測點；S22為衛星水庫監測點。采樣點位見圖1。對每個監測點位進行現場水質監測，并用柱狀采樣器采集水樣、彼得森采泥器采集表層沉積物樣品。為了使樣品更具代表性，每個斷面至少采集3次，現場充分混勻后裝入清潔的聚乙烯密封袋中，運回實驗室內自然風干。

1.2 樣品處理

按照GB/T 36197-2018《土壤質量采樣技術指南》，采集的底泥放入預先處理好（先用洗滌劑洗刷、清水漂洗、稀硝酸蕩洗，再用清水沖洗干凈后晾干）的塑料盤內，攤成約3 cm厚的薄層，在通風、干凈和清潔的實驗室內風干，防止陽光暴曬和酸堿蒸氣遇塵埃的污染。在風干過程中，定時翻動樣品，并用木棒或木錘敲碎，撿出石塊、螺絲、雜草和動植物的殘留物等。最后，將風干的樣品用瑪瑙研缽研細，用尼龍網篩過篩。

1.3 分析方法

采樣現場用塞氏盤測定水樣的透明度，便攜式多參數分析儀（Hach HQ-30d，美國）測定氧化還原電位，溶解氧，氨氮、化學需氧量、總氮、總磷等指標采用《水和廢水監測分析方法（第四版）》推薦方法分析。

底泥樣品粒徑分布用馬爾文激光粒度分布儀（MS2000，英國）分析，氮、磷、有機質等指標參考《NY/T 1121土壤檢測》系列標準進行分析，重金屬（Cd，Cr，Cu，Pb，Zn和As） 采用電感耦合等離子光譜發射儀（ICP）分析。

1.4 評價方法

1.4.1 地累積指數法

地累積指數法（Index of Geoaccumulation）是一種綜合考慮了人為污染因素、自然成巖作用和地球化學背景值的研究方法，地累積指數常用作水環境中沉積物重金屬污染的衡量指標［10］，其計算公式為

I? geo = log? 2C ikB? i （1）

式中： I? geo為沉積物中重金屬元素的地累積指數； C i為沉積物中重金屬元素i 實測濃度，mg/kg； B i為沉積物中重金屬i 元素的環境背景值，mg/kg；本研究選取重慶市都市圈土壤為背景值，Cd，Cr，Cu，Pb，Zn和As背景值分別為0.133，76.14，23.83，25.48，75.84 mg/kg和5.82 mg/kg［11］； k 為考慮各地巖石差異可能引起環境背景值變動而取的常數，取 k =1.5。

根據 I? geo值的大小，將沉積物重金屬污染劃分為7個等級，見表1。

1.4.2 潛在生態風險指數法

潛在生態風險指數法（Index of Potential Ecological Risk Assessment）由瑞典科學家Hakanson提出，是根據重金屬性質及其在環境中遷移轉化沉積等行為特點，將環境生態效應與毒理學聯系起來。該指數法不僅反映了某一特定環境中的每種重金屬的影響，而且也反映了多種重金屬的綜合影響，并且用定量的方法劃分出潛在生態風險程度。重金屬潛在生態風險指數的計算公式為

RI=∑ni=1Ei r=∑ni=1Ti r×Ci fCi n（2）

式中： RI 為潛在生態風險指數； Ei r 為沉積物中重金屬元素 i 的潛在生態危害指數； Ti r 為沉積物中重金屬元素 i 的毒性系數，Cd，Cr，Cu，Pb，Zn和As依次為30，2，5，5，1和10［12］。 Ci f 為沉積物中重金屬元素 i 的實測濃度，mg/kg； Ci n 為沉積物中重金屬元素 i 的背景參考值，mg/kg；本研究選取重慶市都市圈土壤為背景值（Cd，Cr，Cu，Pb，Zn和As背景值分別為0.133，76.14，23.83，25.48，75.84 mg/kg和5.82 mg/kg）。

根據 RI 值的大小，將沉積物中重金屬的潛在生態風險等級劃分為5級： RI＜150，輕度潛在生態風險；150≤RI＜300，中度潛在生態風險；300≤ RI＜600，強度潛在生態風險；RI≥600 ，重度潛在生態風險。

1.4.3 沉積物質量基準法

沉積物質量基準法（Sediment Quality Guideline，SQG）是基于臨界效應濃度（TEL）和可能效應濃度（PEL）評價沉積物重金屬生物毒性風險的方法，其中Cd，Cr，Cu，Pb，Zn和As的 TEL 值分別是0.596，37.3，35.7，35，123 mg/kg和5.9 mg/kg， PEL 值分別是3.53，90，197，91.3，315 mg/kg和17 mg/kg［13］。沉積物重金屬濃度小于 TEL時，不對生物產生影響。重金屬濃度大于PEL時，重金屬對生物的毒性影響頻繁發生；濃度介于TEL和PEL 之間時，對生物的毒性影響偶爾發生［4］。

1.5 數據處理

利用主成分分析（PCA）和系統聚類分析（HCA）解析沉積物中重金屬來源。在PCA 和HCA 前，對實驗數據進行Z-score 標準化處理，實驗數據通過了Kaiser-Meyer-Olkin（KMO值為0.642>0.500）和 Bartlett 球形測試。

上述數據分析通過SPSS 19 和Canoco 5 軟件完成。圖形繪制采用Origin9.0軟件完成。

2 結果與分析

2.1 底泥基本理化指標

8條河流和衛星水庫泥沙按粒徑分類有顯著差異，其顆粒級配曲線見圖2。其中，綦江河和大溪河底泥絕大部分為砂礫（粒徑0.062～2.000 mm）（占比分別為95.6%和77.1%）。石板溪、筍溪河、橋溪河3條河流泥沙粒徑組成較為相似，砂礫占比居多（分別為51.4%，55.7%，53.2%），其次為粉砂（粒徑0.004～0.062 mm，占比分別為38.4%，33.8%，34.3%），黏粒（粒徑<0.004 mm）占比最少（約10%）。其余河流以粉砂為主（占比為42.7%～50.2%），其次為砂礫，黏粒最少。中值粒徑為0.022～0.365 mm，平均值為0.119 mm。

21個底泥樣品的含水率、有機質（OM）、總氮（TN）、總磷（TP）含量見表2。部分樣品有機質含量較高（最高含量在S4點位，為58.0 g/kg）。總氮和總磷含量范圍分別在0.648～3.850 g/kg，0.171～1.073 g/kg。

2.2 底泥重金屬含量水平

底泥樣品的重金屬含量見圖3，Cd的含量為0.55～1.15 mg/kg，除S7以外，其余含量均在臨界效應濃度（TEL）和可能效應濃度（PEL）之間，存在一定的生物毒性影響；Cr的含量為38.61～155.12 mg/kg，其中S17和S18樣品濃度（含量分別為149.56 mg/kg和155.12 mg/kg）均超過 PEL ，存在較大的生物毒性，其余樣品均處于 TEL和PEL 之間；Cu的含量為7.79～38.90 mg/kg，除S17樣品濃度超出 TEL 外，其余點位均小于 TEL ，生物毒性影響較小；Pb的含量為13.8～47.28 mg/kg，除S17，S4，S13，S14含量超出 TEL 外，其余點位均小于 TEL ；Zn的含量約為30.21～197.51 mg/kg，除S17和S18超出 TEL 外，其余點位均小于 TEL 。As含量在未檢出（＜0.01）至2.67 mg/kg，所有點位均小于TEL，生物毒性影響很小。樣品的地累積指數（ I? geo）見圖4。樣品底泥中Cd，Cr，Cu，Pb，Zn和As的地累積指數分別為2.02，-0.77，-1.17，-0.53，-0.87和-4.45。底泥中各重金屬富集程度從高到低依次為Cd，Pb，Cr，Zn，Cu和As。其中Cd的污染水平最高，部分樣品的Cd處于中度污染水平，部分樣品的Cd處于偏中度污染水平。其余重金屬，除S17，S18樣品值處于偏中度污染或輕度污染外，均無污染。

樣品底泥的重金屬潛在生態風險見圖5。各點位的 RI 值為134.5～284.6，平均值為198.4±35.4。按照潛在生態風險等級劃分，大部分點位處于中度風險狀態（150≤ RI <300），僅有S7點位處于低度風險狀態（ RI 值為134.5）。潛在生態風險按照大小排序，最高的是S17點位（ RI 值為284.6），其次是S22，S18，S4，S5，分別是橋溪河、衛星水庫、大溪河、李市小溪、石板溪監測點。Cd，Cr，Cu，Pb，Zn和As對 RI 的貢獻率分別為93.05%，0.97%，1.82%，2.68%，0.47%和1.02%，Cd的貢獻率最大。

2.3 底泥重金屬污染來源分析

沉積物中重金屬含量的空間分布狀況能夠反映外源輸入的主要因素，由于重金屬不易遷移，沉積物中重金屬含量較高的區域往往是外源輸入的主要區域［14］。調查區域底泥重金屬污染狀況、重金屬的空間分布及其相關性可以提供有關其來源和途徑的有效信息。對樣品進行主成分分析（PCA）和系統聚類分析（HCA），將數據都進行了標準化處理，HCA采用的方法為Ward法，選用的距離為歐氏距離，其結果分別見圖6和圖7。

PCA分析（圖6）顯示，共提取到4 個主成分，前4個主成分的總方差貢獻率為85.29%（分別為37.7%，20.6%，16.8%和10.1%），4 個主成分的特征值（分別為4.15，2.27，1.85和1.11）均大于1，表明這4 個主成分完全可以代表原始數據。主成分1 的貢獻率為37.7%，特征表現因子變量在Cr，Cu，Zn，Cd，Pb元素上具有較高的負載，表明這幾種元素可能具有相同的來源；主成分2的貢獻率是20.6%， C/N，N/P 和中速粒徑等指標在主成分2中都具有較高負載，表明營養鹽和底泥顆粒大小是影響重金屬含量分布的另外一個因素。有研究表明，營養負荷的增加可能有助于沉積物中重金屬的富集［15-17］。

HCA分析（圖7）顯示，可以將樣品分為3個區域。第一個區域是S7，即綦江支流倒流溪入河口采樣點，該區域采樣時，正遭遇自有水文記錄以來最大洪水，2020年6月22日，江津綦江五岔站出現洪峰水位205.85 m，超過保證水位（200.51 m）5.34 m，超過1998年洪水水位0.30 m，已達建站以來最高水位。與其他樣品相比，S7底泥絕大部分為砂礫，其重金屬含量相對與其他采樣點較小，潛在生態風險也處于低度風險，盡管該采樣點位于綦江支流，但入河口位置仍受到洪水較大的影響，這可能是區別于其他樣品的最主要原因。

第二個區域是S17，S18 和S4，其斷面分別為橋溪河下游斷面、大溪河入江津斷面和李市小溪中游斷面。S17是橋溪河沿途布點（S14～S17）的中段（圖1），其位于德感工業園區，園區內有重工機械、石油化工、漆業、復合材料等企業，S14～S17點位重金屬含量、潛在生態風險值均在德感工業園區S17達到最高值。S18是大溪河入江津斷面，處于雙福街道城區內，其全段水質均為V類，主要原因為：① 斷面上游1 km為九龍坡區走馬鎮排污設施不夠完善，影響入境斷面水質；② 雙福街道污水管網不完善，且片區人口較為密集。S4是李市小溪支流刁夾小河匯入口，為沿途布點（S1～S4）的中段，李市小溪流經李市鎮、雙河村、沙梗村等，由于該區域生活污水管網不全，且存在較多的畜禽水產養殖，S4點以下河段至入筍溪河口水質為V類，主要超標因子為高錳酸鹽指數、COD、總磷。所以主成分1中的重金屬污染主要發生在工業為主導的區域（S17，德感工業園區）、人口集中的城市區域（S18，雙福街道）、污水管網不全的農業污染區域（S4，李市小溪），表明主成分1的污染源可能是工業和生活污水。

此次調查結果中，Cd的地累積指數最高，達到偏中度污染至中度污染之間的水平，并且對潛在生態風險的貢獻率也最高。將潛在生態風險排名較前的點位各重金屬含量與背景值相比較（表3），Cd的最高含量是背景值的8.6倍，與潛在生態風險結果相符合，是需要重點關注的對象。在長江干流重慶段、長江中游近岸區、洪湖以及珠江流域龍江河等沉積物調查中，都表明Cd有較大的生態危害性和潛在風險性［7，18-20］。

S22點位潛在生態風險（ RI 值為255.2）僅次于S17，該斷面為衛星水庫，距離杜市鎮1 km，由于場鎮污水管網不全，且水庫周邊存在較多的家禽養殖，水體呈現富營養化狀態，水體氨氮含量為1.62 mg/L（Ⅴ類），與S4點位原因相似，污水管網不全的農業污染區域會出現底泥重金屬生態污染的情況。

此次調查表明，江津區中小河流重金屬整體污染水平較低，在后續的生態環境治理中，要進一步加強污泥資源化利用，實現“四化”目標。值得注意的是，流域內部分河道，由于污水管網的不完善，存在較多外源污染的持續輸入，再加上中小河流本身較差的水動力條件，容易導致河道形成內源污染負荷，其特征是底泥中具有較大的氮、磷蓄積量。對于此類區域，一方面需要加強污水處理廠管網改造，減少面源污染，另一方面需要通過底泥清淤有效削減內源負荷，解決河流水質超標問題。

3 結 論

（1） 在江津區中小河流底泥重金屬調查中， I? geo評價表明，Cd富集程度達到中度污染水平，其余元素在低污染或者無污染水平。中小河流底泥重金屬整體污染水平較低。

（2） 潛在生態風險評價表明絕大部分區域處于中度風險狀態，Cd，Cr，Cu，Pb，Zn和As對 RI 的平均貢獻率分別為93.05%，0.97%，1.82%，2.68%，0.47%和1.02%，其中，Cd的貢獻率最大。

（3） 主成分分析和聚類分析表明，Cr，Cu，Zn，Cd，Pb元素可能具有相同的來源，主要發生在工業為主導的區域（S17，德感工業園區）、人口集中的城市區域（S18，雙福街道）、污水管網不全的農業污染區域（S4，李市小溪；S22，杜市鎮衛星水庫）。

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（編輯：李 晗）

Abstract：

Heavy metal pollution is becoming increasingly serious as a result of human activities，and most heavy metals are stored inriversediments.To study the heavy metal pollution in the sediment of small and medium-sized rivers，in June 2020，eight rivers with drainage area greater than 50 km2，with Lishixiaoxi River，Shiban River，Qijiang River，Sunxi River，Binan River，Qiaoxi River，Daxi River，Anjiaxi River，and the Weixing Reservoir in the mountains and 22 of sensors monitoring points.The Cd，Cr，Cu，Pb，Zn，and As，six kinds of heavy metal sediment was studied as the research object.The heavy metal pollution was comprehensively assessed by the method of land accumulation index and heavy metal potential ecological risk assessment index.The results showed that the pollution status of heavy metals in the sediment was not high.According to? I? geo evaluation，Cd reached the moderate pollution level，and other elements were at the low or no pollution level.According to the assessment of potential ecological risks，most of the areas were at moderate risk，and Cd had the largest contribution rate to? RI （average contribution rate was 9305%），which should be taken as the key monitoring object.Principal component analysis and cluster analysis showed that Cr，Cu，Zn，Cd，and Pb elements may have the same source，and heavy metal pollution mainly occurred in the industrial-dominated area （S17，Degang Industrial Park） or the urban area with concentrated population （S18，Shuangfu Street）.Agricultural polluted areas with incomplete sewage network （S4，Lishixiaoxi River；S22，the Weixing Reservoir）.

Key words：

small and medium rivers； sediment； heavy metal； potential ecological risk； principal component analysis； Chongqing City