天津濱海河道地表水和沉積物中污染物風(fēng)險評價

摘 要：本文運用單因子污染指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法對天津濱海新區(qū)河流進(jìn)行水質(zhì)評價，利用生態(tài)風(fēng)險評價法對沉積物中的重金屬進(jìn)行生態(tài)風(fēng)險評價。另外，本文還運用綜合污染指數(shù)法（FF）和有機質(zhì)污染指數(shù)法（OI）對有機污染現(xiàn)狀進(jìn)行評價。結(jié)果表明，地表水樣品中Cl-、TN、TP、NH4+和BOD5指標(biāo)屬于“重度污染”等級，地表水中不同指標(biāo)的污染程度存在明顯差異，常規(guī)指標(biāo)污染嚴(yán)重，而重金屬和石油類等有毒有害污染物濃度水平較低。沉積物樣品中重金屬生態(tài)風(fēng)險較低，沉積物中有機污染指數(shù)屬于“重度污染”；綜合污染指數(shù)達(dá)到“中度污染”。

關(guān)鍵詞：地表水；沉積物；重金屬；總氮；總磷；生態(tài)風(fēng)險

中圖分類號：X 824" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

城市河流作為城市生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，在調(diào)蓄洪澇、景觀娛樂等方面具有重要作用[1]。河流沉積物中積累的重金屬具有不可生物降解性和毒性，會對人體健康和生態(tài)環(huán)境造成不可恢復(fù)的影響[2]。另外，沉積物中的碳、氮也可以直接影響地表水的污染水平[3]。當(dāng)前，關(guān)于地表水和沉積物污染物風(fēng)險評價主要關(guān)注點在于大型湖泊和河流，對于鄉(xiāng)村級河流地表水和沉積物生態(tài)風(fēng)險評價研究鮮有報道。因此，本文選取單因子指數(shù)法、內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法、生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法和有機污染指數(shù)法對濱海新區(qū)河流地表水和沉積物中營養(yǎng)鹽和重金屬進(jìn)行風(fēng)險評價，旨在為區(qū)域環(huán)境風(fēng)險管控和污染治理提供技術(shù)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于天津市濱海新區(qū)，包括蘇家園干渠，全長7.5km；興濟夾道，全長15.1km；遠(yuǎn)景二用干渠，全長4km；娘娘河，全長12.6km。

1.2 樣品采集與處理

1.2.1 樣品采集

在4條河流各設(shè)置1個地表水采樣點，符號為W1～W4；在興濟夾道和娘娘河各設(shè)置3個沉積物采樣點，符號為S1-1～S1-3、S2-1～S2-3。

1.2.2 樣品處理

地表水樣品各指標(biāo)測試方法均按照《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838）[4]中的要求進(jìn)行。沉積物樣品Ni、Cu、Pb、Zn、Cr、Cd采用電感耦合等離子體質(zhì)譜法測定，As采用原子熒光法測定，總磷采用分光光度法測定，總氮采用凱氏法測定，有機質(zhì)含量采樣LY/T1237進(jìn)行測定。

1.3 評價方法

1.3.1 單因子污染指數(shù)法

單因子污染指數(shù)（Pi）對地表水中單一污染指標(biāo)的污染程度進(jìn)行評價，如公式（1）所示。

Pi=Ci/Si （1）

式中：Ci為指標(biāo)i的實測濃度值；Si為指標(biāo)i的評價標(biāo)準(zhǔn)。

地表水評價一般選用《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838）中Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)值[4]，標(biāo)準(zhǔn)分級見表1。

1.3.2 內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法

內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法（Pn）能夠反應(yīng)環(huán)境中污染物現(xiàn)狀水平及其對符合污染的不同貢獻(xiàn)[3]，如公式（2）～公式（4）所示。

Pimax=（Ci/Si）max （2）

Piave=（Ci/Si）ave （3）

Pn=[（P2 imax+P2 iave）/2]1/2 （4）

式中：Ci為指標(biāo)i的實測濃度值；Si為指標(biāo)i的評價標(biāo)準(zhǔn)；Pimax為最大單項污染指數(shù)；Piave為平均單項污染指數(shù)；Pn為內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)。

1.3.3 潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法

潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)（RI）廣泛應(yīng)用于重金屬生態(tài)風(fēng)險評價[5-6]。RI兼顧了污染濃度和毒性水平等因素，能夠反映重金屬對生態(tài)環(huán)境的潛在影響程度，如公式（5）、公式（6）所示。

Ei=Ti×（Ci/Ai） （5）

RI=∑Ei （6）

式中：Ci為第i種指標(biāo)實測濃度值；Ai為第i種指標(biāo)的參比值，Cu、Pb、Zn、Cr、As、Ni、Cd和Hg指標(biāo)的參比值分別為21、25、68、58、9.1、24、140和42[7]；Ei為指標(biāo)i潛在生態(tài)危害系數(shù)；Ti為指標(biāo)i的毒性響應(yīng)系數(shù)；RI為綜合潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)。

Cu、Pb、Zn、Cr、As、Ni、Cd和Hg指標(biāo)的毒性響應(yīng)系數(shù)分別為5、30、1、2、10[5]、5、30[6]和40[7]。

1.3.4 有機污染指數(shù)法

目前，國內(nèi)外對沉積物的污染狀況評價一般采用綜合污染指數(shù)法和有機污染指數(shù)法[3，8]。為了彌補綜合污染指數(shù)法忽略有機物因素的不足，需要采用有機污染指數(shù)法（OI）進(jìn)一步評價沉積物的污染現(xiàn)狀。OC和ON分別表示有機碳和有機氮，單位為%，如公式（7）～公式（9）所示。

OI=OC×ON （7）

ON=TN×0.95 （8）

OC=OM/1.724 （9）

1.3.5 綜合污染指數(shù)法

綜合污染指數(shù)法是以沉積物中總磷和總氮污染濃度值為基礎(chǔ)計算綜合污染指數(shù)（FF）的方法[3，8]，計算公式如公式（10）、公式（11）所示。

Pi=Ci/Coi （10）

FF=[（F2+F2 max）1/2]/2 （11）

式中：Pi為單項評價指數(shù)；Ci為總氮、總磷實測濃度，mg/kg；

Coi為環(huán)境評價標(biāo)準(zhǔn)值，總氮取670mg/kg，總磷取440mg/kg。

2 結(jié)果與討論

2.1 污染特征分析

實驗室內(nèi)測試分析獲取了試驗數(shù)據(jù)，基于Excel對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析統(tǒng)計，結(jié)果見表2、表3。

由表2可知，地表水樣品pH為7.1～7.8；DO濃度為2.48mg/L～6.42mg/L；Cl-濃度為790.00mg/L～11300.00mg/L；TN濃度為2015mg/L～55.30mg/L；TP濃度為0.11mg/L～2.75mg/L；

氨氮濃度為0.20mg/L～42.40mg/L；石油類濃度為0.01mg/L～

0.01mg/L；COD濃度為8.50mg/L～38.30mg/L；BOD5濃度為32.10mg/L～38.30mg/L；Hg濃度為0.06μg/L～0.13μg/L；六價鉻濃度為0.004mg/L～0.004mg/L；As濃度為4.08μg/L～19.40μg/L；Zn濃度為6.27μg/L～12.10μg/L；Pb濃度為0.85μg/L～1.30μg/L；

Cd濃度為0.05μg/L～0.09μg/L；Ni濃度為2.42μg/L～6.71μg/L。

由表3可知，沉積物樣品pH為8.59～8.95，偏堿性；六價鉻濃度為0.004mg/kg～0.004mg/kg；Hg濃度為0.02mg/kg～

0.11mg/kg；As濃度為14.30mg/kg～16.40mg/kg；Cd濃度為0.18mg/kg～

0.20mg/kg；Pb濃度為24.30mg/kg～27.40mg/kg；Cr濃度為65.00mg/kg～

82.00mg/kg；Zn濃度為126.00mg/kg～141.00mg/kg；Cu濃度為65.00mg/kg～82.00mg/kg；Ni濃度為31.00mg/kg～40.00mg/kg；TP濃度為458.00mg/kg～699.00mg/kg；TN濃度為438.00mg/kg～

1350.00mg/kg；有機質(zhì)含量為9110.00mg/kg～29100.00mg/kg。

2.2 單因子污染評價結(jié)果

以《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838）中Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)值[4]進(jìn)行地表水單因子評價，結(jié)果見表4。

由表4可知，地表水樣品中DO、石油類、Hg、Cr6+、As、Zn、Pb、Cd和Ni指標(biāo)均屬于“清潔”等級，Cl-、TN、TP、NH4+和BOD5指標(biāo)屬于“重度污染”等級，COD指標(biāo)處于“輕度污染”等級。綜上所述，地表水中不同指標(biāo)的污染程度存在明顯差異，常規(guī)指標(biāo)污染嚴(yán)重，而重金屬和石油類等有毒、有害污染物濃度水平較低。

2.3 內(nèi)梅羅綜合污染評價結(jié)果

基于單因子污染評價結(jié)果計算獲取了內(nèi)梅羅綜合污染評價結(jié)果，見表4。地表水樣品中DO、Hg和COD指標(biāo)處于“輕度污染”等級；石油類、Cr6+、As、Zn、Pb、Cd和Ni指標(biāo)均屬于“安全”等級，Cl-、TN、TP、NH4+和BOD5指標(biāo)屬于“重度污染”等級，綜上所述，地表水中不同指標(biāo)的污染程度存在明顯差異，常規(guī)指標(biāo)污染嚴(yán)重，而重金屬和石油類等有毒有害污染物濃度水平較低，地表水環(huán)境風(fēng)險水平較低。

2.4 潛在生態(tài)風(fēng)險評價

根據(jù)公式（6）計算獲得了興濟夾道和娘娘河沉積物各指標(biāo)的潛在生態(tài)風(fēng)險（RI），見表5。

由表5可知，興濟夾道和娘娘河沉積物樣品中各監(jiān)測指標(biāo)的RI為65.01～75.71，均屬于低風(fēng)險，空間差異相對不顯著。盡管各污染指標(biāo)生態(tài)風(fēng)險均處于“低風(fēng)險”等級，但不同污染指標(biāo)的生態(tài)風(fēng)險存在顯著差異，Pbgt;Asgt;Cugt;Nigt;Crgt;Zngt;Hggt;Cd。這說明河道周邊人類生產(chǎn)生活活動對沉積物污染影響程度有限。整體來看，興濟夾道和娘娘河沉積物重金屬生態(tài)風(fēng)險水平較低。

2.5 有機污染指數(shù)

根據(jù)公式（7）～公式（9）計算獲得了興濟夾道和娘娘河沉積物的有機污染指數(shù)，見表6。

沉積物中有機質(zhì)和氮是重要的營養(yǎng)物質(zhì)，也是重金屬等污染物發(fā)生吸附、絡(luò)合作用的活性物質(zhì)[6]。因此，以沉積物中總氮和有機碳含量為基礎(chǔ)，采用有機污染指數(shù)法表征沉積物有機污染程度。結(jié)果顯示，興濟夾道和娘娘河沉積物中OC含量為0.53%～1.69%；ON含量為0.04%～0.13%；沉積物有機污染指數(shù)（OI）為0.02%～0.22%。因此，興濟夾道和娘娘河沉積物中氮磷有機污染風(fēng)險屬于“重度污染”水平，需要高度關(guān)注。

2.6 綜合污染指數(shù)

根據(jù)公式（10）～公式（11）計算獲得了興濟夾道和娘娘河沉積物的綜合污染指數(shù)，結(jié)果表明，沉積物總磷指標(biāo)Pi為1.0～1.6，平均值為1.3；總氮指標(biāo)Pi為0.7～2.0，平均值為1.3；經(jīng)過計算可知，F(xiàn)F為1.3～2.7，平均值為2.0，屬于“中度污染”。沉積物碳氮比（C/N）是一種重要的地球化學(xué)指標(biāo)，用于反映沉積物中有機質(zhì)的來源和類型[8]。計算發(fā)現(xiàn)，各采樣點沉積物C/N值為17～23。一般認(rèn)為，沉積物C/N比大于14意味沉積物中有機質(zhì)主要來源于陸源植物殘體，這也揭示了本研究沉積物中有機污染的主要來源。

3 結(jié)語

綜上所述，本文得出以下結(jié)論。1）地表水樣品中Cl-、TN、TP、NH4+和BOD5指標(biāo)屬于“重度污染”等級，COD指標(biāo)處于“輕度污染”等級。內(nèi)梅羅綜合污染評價結(jié)果顯示DO、Hg和COD指標(biāo)處于“輕度污染”等級；Cl-、TN、TP、NH4+和BOD5指標(biāo)屬于“重度污染”等級，總體來說，地表水中不同指標(biāo)的污染程度存在明顯差異，常規(guī)指標(biāo)污染嚴(yán)重，而重金屬和石油類等污染物濃度較低。2）興濟夾道和娘娘河沉積物樣品中各監(jiān)測指標(biāo)的RI為65.01～75.71，均屬于低風(fēng)險，空間差異相對不顯著。不同污染指標(biāo)的生態(tài)風(fēng)險存在顯著差異，Pbgt;Asgt;Cugt;Nigt;Crgt;Zngt;Hggt;Cd。整體來看，興濟夾道和娘娘河沉積物重金屬生態(tài)風(fēng)險水平較低。3）興濟夾道和娘娘河沉積物中有機污染指數(shù)（OI）為0.02%～0.22%，屬于“重度污染”水平，需要高度關(guān)注。綜合污染指數(shù)FF為1.3～2.7，屬于“中度污染”。沉積物C/N比大于14意味著沉積物中有機質(zhì)主要來源于陸源植物殘體，揭示了沉積物中有機污染的主要來源。

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