青浦區白鶴鎮村級河道底泥重金屬污染調查與分析

朱益萍

(上海市青浦區白鶴水務管理所,上海 201700)

隨著我國城鎮化的快速發展,污染物排放量增大,河流生態系統遭到破壞,尤其是河道底泥重金屬污染問題較為突出。重金屬污染物經由周邊企業產生的廢渣、廢水及廢氣,通過雨水沖刷、地表徑流等途徑下進入河流中,再通過吸附、絡合和沉降等作用富集在底泥中,在水環境條件發生變化后可能反向污染水體質量[1-3]。由于重金屬污染具有潛在性、長期性和生物毒性等特性,分析底泥重金屬污染狀況成為研究河流生態環境的焦點,也是河道污染防冶工作重點[4]。

肖茗明等[5]對上海滴水湖及其引水河道的底泥進行了分析,結果表明,重金屬鎘(Cd)呈累積趨勢,同時也是滴水湖水系河道底泥中重金屬污染的主要貢獻因子。黃嘉良等[6]研究了江蘇省鎮江市不同河流、水庫、湖泊等代表性河道斷面底泥重金屬分布特征,結果表明,城區內河河道和工廠附近河道底泥中重金屬污染程度較高,其主要與交通排放尾氣和工業排放廢水相關。鄭敏慧等[7]分析了蘇州100km2水網地區的河道底泥重金屬含量,結果發現,污染水平達到中度及以上的重金屬有銅(Cu)、鉛(Pb)、鋅(Zn)、砷(As)、鉻(Cr)、鎳(Ni),結合相關性分析和主成分分析表明,底泥重金屬污染可能來源于尾氣排放、農藥使用和電子制造業污染物排放。由此可見,開展底泥重金屬污染調查對河道污染防治和水環境質量提升至關重要。

為持續改善上海市水環境質量,“十三五”期間,青浦區多措并舉、多管齊下,全面開展河湖整治工作,水系統治理工作取得了顯著成效,區域內河湖水面率提升至18.69%,基本消除劣Ⅴ類水體。為實現青浦區發布的《青浦區國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和二〇三五年遠景目標》文件中提出的“基本實現河湖健康美麗、河湖生態品質顯著提升”的建設目標,加快推進經濟社會高質量發展,區域內河道水環境治理工作仍需加強。兩底泥污染狀況調查是河道治理實施前期工作中不可或缺的一環,是制定相關治理措施的重要依據。目前,關于上海市的底泥重金屬污染評價的研究主要集中在黃浦江、蘇州河等河段,但對于村級河道底泥重金屬富集狀況研究較少[8-10]。

本文以青浦區白鶴鎮內36條村級河道底泥為研究對象,定點采取河道底泥樣品并分析底泥樣品中重金屬含量,著重探討底泥中不同重金屬空間分布特征,并對河道重金屬污染狀況進行評價,以期為白鶴鎮水環境治理工作提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況及樣品采集

白鶴鎮位于青浦區北部,西與江蘇昆山市接壤,東與重固、華新鎮為鄰,南起青浦工業園區,北至江蘇昆山市及嘉定區,是青浦的北大門。全鎮總面積58.74km2,水域面積5.32km2。本次采集的底泥樣品來自白鶴鎮管轄范圍內的36條村級河道,將每條河道中間段位置作為一個采樣單元,在采樣單元中設置5個采樣點,用抓斗式采樣器采取0～15cm表層底泥,每份樣品采集1kg,然后將5個樣品混合裝入布袋,待排干大部分水后裝入密封袋。具體采樣位置見圖1,共采集混合樣品36個。

圖1 底泥采樣點位

1.2 樣品測試

將采集的河道底泥樣品運送至實驗室低溫冷藏。測試各項指標前,將底泥進行避光風干,取部分樣品進行低溫(40～50℃)烘干,研磨、過篩備用。底泥檢測指標為Cd、Hg、As、Ni、Cu、Zn、Cr、Pb 8種重金屬含量。各種重金屬檢測方法見表1。

表1 檢測項目及方法

1.3 評價方法

目前,常用于底泥重金屬污染評價的方法有地累積指數法、污染負荷指數法及潛在生態風險指數法[11-12]。地累積指數法可反映單個重金屬污染特征,難以反映采樣點綜合污染特征;污染負荷指數法可反映各個重金屬對區域污染的程度,也可反映重金屬時空分布特征,但未考慮不同重金屬帶來的背景差異;潛在生態風險指數法綜合考慮了重金屬危害性及其對環境的影響,可反映各個重金屬對其的貢獻程度[13]。本文底泥分析的重金屬種類較多,且空間尺度較大,需考慮不同重金屬的危害性及其對采樣點的重金屬污染綜合程度。因此,本文選取潛在生態風險指數法進行評價研究。

(1)

(2)

表2 不同重金屬毒性響應系數和背景值

表3 重金屬和RI與污染程度的關系[17-18]

2 結果與分析

2.1 重金屬分布特征

各個村級河道底泥重金屬含量特征見表4。從重金屬平均含量來看,研究區域內村級河道底泥重金屬平均含量由高到低依次為Zn>Cr>Ni>Cu>Pb>As>Cd>Hg。對照《土壤環境質量農用地土壤污染風險管控標準(試行)》(GB 15618—2018)各項重金屬限值,除個別采樣點的鋅超標之外,其他重金屬均在限值以下,在后續底泥處置中應著重關注鋅的含量,并采取合適的處置方法。

表4 各個采樣點底泥重金屬含量的描述性統計

變異系數一般用來表示一組數據分布特征:變異系數<25%為均勻分布,25%≤變異系數<50%為弱分異型,50%≤變異系數<75%為分異型[19]。從變異系數來看,大小依次為Ni>Cu>Zn>Cr>Cd>Pb>Hg>As,Ni屬于分異型,Cu、Zn、Cr、Cd、Pb、Hg屬于弱分異型,As屬于均勻分布。重金屬Ni變異系數大于50%,可能受周圍人類活動、水利條件影響較大[20]。

2.2 重金屬污染潛在生態風險

表5 研究區域河道底泥各種重金屬潛在生態風險指數及危害程度

研究區域內河道底泥中8種重金屬的綜合潛在生態風險指數RI為72.80～157.68,均值為111.67,各重金屬對綜合潛在生態風險指數平均貢獻率見圖2。由圖2可知,重金屬Hg和Cd對綜合潛在生態風險指數的平均貢獻率分別達到42.56%和27.09%。王磊等[21]也在研究中發現,上海市河道底泥中Hg和Cd對綜合潛在生態風險指數的貢獻率最大。因此,河道底泥處置工作應著重關注這兩種重金屬的含量。

圖2 不同重金屬對綜合潛在生態風險指數的貢獻率

2.3 重金屬的來源分析

2.3.1 重金屬Pearson相關性分析

相關性分析是衡量兩個因素間的密切程度,相似來源會使因素間存在一定的相關性。因此,相關性分析是推測重金屬之間是否存在相同的污染源的重要依據[22]。本次采樣的底泥重金屬相關性見表6,由表6可知,在P<0.01的水平下,Cd與Cu、Pb、Zn、As、Cr呈中度正相關(0.5≤R<0.8),Cu與Zn、Cr呈中度正相關(0.5≤R<0.8),Pb與As呈中度正相關(0.5≤R<0.8),Zn與Cr呈強相關(R≥0.8)。在P<0.05的水平下,Cu與Hg、Pb與Cr、Hg與As呈弱相關(0.3≤R<0.5),Ni與其他7種重金屬不存在顯著相關性。因此可判斷該研究區域內底泥中的Cu、Cd、Zn、Cr的污染源相似,Pb和As的污染源相似,Ni的污染源與其他7種重金屬來源不同。

表6 研究區域河道底泥重金屬相關性分析

**在0.01級別(雙尾),相關性顯著。

*在0.05級別(雙尾),相關性顯著。

2.3.2 重金屬R型聚類分析

為研究底泥中各項重金屬與污染源之間的關系,對所有底泥采樣點中的重金屬采用R型聚類分析,由圖3聚類分析結果可知,8種重金屬在聯動距離為10時被分為4類,第1類為Zn、Cr、Cu、Cd,第2類為Pb和As,第3類為Hg,第4類為Ni,聚類分析結果與上述Pearson相關分析結果一致。

圖3 研究區域河道底泥重金屬R型聚類分析結果

Cd、Zn、Cu主要來自化肥和農藥使用過程中產生的污染物,化肥和農藥使用會導致這3種重金屬含量的升高[21]。據統計,世界上通過化肥輸入到土壤中的Cr為0.03～0.38t/a,過量使用磷肥會造成Cr的累積[23]。因此可推測第1類重金屬污染源可能是來自農業生產過程中使用的化肥或農藥。

Pb是機動車污染源的標識性元素,主要來自汽車尾氣、磨損的輪胎及剎車襯片等[24-25],含有這些重金屬的污染物釋放至環境中,在地面沉降后隨地表徑流進入河道底泥。研究發現,As主要來自工業或農業廢水排放,同時也可能來源于交通運輸產生的廢氣[26]。由此可見,第2類重金屬污染源可能是來自河道周邊區域的交通運輸產生的廢氣。馬新耀等[27]研究發現河道沉積物中的Hg可能來自殺蟲劑和殺菌劑等農藥。結合相關性分析結果,Hg和As呈弱相關,可推測該研究區域內的重金屬Hg的來源與第1類來源相似。第4類中僅有重金屬Ni,與其他重金屬沒有相關性,說明Ni與其他重金屬來源不同。一般Ni源于工業生產排放的污水,可推測第4類污染源可能為周邊的工業企業排放的污染物。為準確識別研究區域村級河道底泥重金屬污染源,可考慮采用同位素示蹤法進行源解析。

3 結 語

本文以白鶴鎮36條村級河道為研究對象,對其底泥中重金屬含量進行分析,發現研究區域底泥重金屬含量受周邊環境影響較大,主要與農業生產過程中使用的化肥或農藥有關。因此,在疏浚底泥處置工作中應著重關注各項重金屬含量,檢測符合標準后再進行相應的處置。同時,在河道污染防治工作中,對河道周邊存在的污染源可從“源頭治理、過程攔截、末端凈化”3個方面進行整治,鞏固前期河道整治成效,持續提升河道水環境質量。