溫州某航道疏浚區(qū)沉積積物物重重金金屬屬污污染染特征和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分析

浙江省第十一地質(zhì)大隊(duì) 潘大堅(jiān) 柯玉釵

溫州某航道疏浚區(qū)沉積積物物重重金金屬屬污污染染特征和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分析

浙江省第十一地質(zhì)大隊(duì) 潘大堅(jiān) 柯玉釵

土地是社會(huì)發(fā)展的基礎(chǔ)要素，近年來沿海發(fā)達(dá)地區(qū)日益增長(zhǎng)的土地需求與土地供給的現(xiàn)狀產(chǎn)生了很大的矛盾，因此濱海城市往往把灘涂圍墾土地視作重要的后備土地資源。目前灘涂圍墾土地的獲取方式主要分為人工促淤和吹填等方式，沿海地區(qū)往往把港口、航道疏浚及河道清淤工程得到的疏浚產(chǎn)物投入圍墾區(qū)以同時(shí)解決這些疏浚物的消納去向問題。然而重金屬等污染物往往成為困擾灘涂圍墾土地利用的難題之一。這是因?yàn)闊o論是沿海灘涂，還是近海及內(nèi)河水體沉積物，重金屬往往容易積累在這些地方。其來源主要分為自然源和人工源：自然源主要包括各種地質(zhì)、地球化學(xué)作用；而人工源是指人類在社會(huì)發(fā)展過程中向周圍排放的各種污染物質(zhì)，如含有重金屬的工業(yè)污水、礦山廢水以及流失的農(nóng)藥等經(jīng)地表徑流匯入內(nèi)陸水體和海洋，以及大氣沉降也會(huì)帶來大量的重金屬輸入，進(jìn)入水體的重金屬往往很快進(jìn)入沉積物。這樣重金屬不但可以通過食物鏈對(duì)生態(tài)環(huán)境和人體健康產(chǎn)生很大影響，而且可能會(huì)通過圍墾土地重新進(jìn)入人類生存環(huán)境，因此對(duì)疏浚清淤產(chǎn)物進(jìn)行污染特征和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)研究十分有必要。

本文以浙江省溫州市某航道清淤工程為研究對(duì)象，經(jīng)系統(tǒng)采樣調(diào)查，通過對(duì)不同采樣點(diǎn)樣品中重金屬含量的研究和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，用定量的方法劃分出潛在的生態(tài)危害程度，為使用疏浚產(chǎn)物加速灘涂圍墾的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和合理規(guī)劃管理提供一定依據(jù)，并為其他地區(qū)相關(guān)研究提供參考。

一、材料與方法

（一）研究地概況

溫州位于浙江省東南部，東瀕東海，南毗福建，西及西北部與麗水市相連，北和東北部與臺(tái)州市接壤，為中亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，冬夏季風(fēng)交替顯著，溫度適中，四季分明，雨量充沛，年降水量在1113-2494毫米之間。主要水系有甌江、飛云江、螯江，境內(nèi)大小河流150余條。

（二）沉積物樣品采集與預(yù)處理

采樣調(diào)查區(qū)位于溫州市某島附近某航道取砂區(qū)域進(jìn)行，共3個(gè)采樣點(diǎn)：2016年2月13號(hào)在某軌道交通線區(qū)域一個(gè)站點(diǎn)（站點(diǎn)編號(hào)zk1），取樣11個(gè)，鉆進(jìn)取柱狀樣，采樣深度為5米，以地面為±0.0，按±0.0、0.5m、1m、1.5m、2.0m、2.5m、3.0m、3.5m、4.0m、4.5m、5.0m位置取樣；2月18日在某島航道取砂區(qū)域定一個(gè)站點(diǎn)（站點(diǎn)編號(hào)CT1），取樣11個(gè)，鉆進(jìn)取柱狀樣，采樣深度為5米，以泥面為±0.0，按±0.0、0.5m、1m、1.5m、2.0m、2.5m、3.0m、3.5m、4.0m、4.5m、5.0m位置取樣；于2月19日在某航道取砂區(qū)域定一個(gè)站點(diǎn)（站點(diǎn)編號(hào)CT2）；取樣11個(gè)，鉆進(jìn)取柱狀樣，采樣深度為5米，以泥面為±0.0，按±0.0、0.5m、1m、1.5m、2.0m、2.5m、3.0m、3.5m、4.0m、4.5m、5.0m位置取樣。

取樣之后將沉積物樣品攤薄風(fēng)干后去除石子砂礫、植物殘?bào)w等雜物后，進(jìn)行研磨，過120目尼龍篩，混勻后進(jìn)行四分法取樣并干燥保存。

（三）樣品分析測(cè)試與方法

沉積物樣品采用HNO3-HCLO4-HF消解，消解完畢后用超純水轉(zhuǎn)移至25mL容量瓶中，定容待測(cè)。樣品中重金屬元素Cu、Pb、Zn、Cr、Cd的含量采用原子吸收分光光度法測(cè)定，Hg和As含量采用雙道原子熒光光度計(jì)測(cè)定。在測(cè)定過程中設(shè)置空白樣，同時(shí)進(jìn)行重復(fù)樣和標(biāo)樣分析，保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可靠性。

（四）沉積物重金屬污染評(píng)價(jià)方法及風(fēng)機(jī)標(biāo)準(zhǔn)

1.地累積指數(shù)法

由德國(guó)科學(xué)家Muller于1969年提出的地累積指數(shù)法是一種反映沉積物中重金屬富集程度的常用定量指標(biāo)，考慮了人為污染因素、環(huán)境地球化學(xué)背景值，還特別考慮到自然成巖作用對(duì)背景值的影響，被廣泛應(yīng)用于土壤以及現(xiàn)代沉積物中重金屬的污染評(píng)價(jià)，能較直觀的反映外源重金屬在沉積物中的富集程度，計(jì)算公式如下。

式中，Ci-沉積物重金屬元素i的實(shí)測(cè)值（mg/kg）；Bi-該重金屬元素該重金屬元素的地球化學(xué)背景值，以浙江省溫瑞平原土壤元素背景值作為參考。Muller 將土壤重金屬污染程度劃分為7級(jí)（表1）。本文采用地積累指數(shù)（Igeo）定量評(píng)價(jià)灘涂圍墾土壤中重金屬的污染程度。

2.潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)法

瑞典科學(xué)家Hakanson于1980年提出了潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)評(píng)價(jià)法（potential ecological risk index，R I），根據(jù)重金屬性質(zhì)和環(huán)境行為特點(diǎn)，從沉積學(xué)角度提出的對(duì)土壤中重金屬污染評(píng)價(jià)的方法。Hakanson指數(shù)法不但考慮土壤重金屬含量，而且將重金屬的生態(tài)效應(yīng)、環(huán)境效應(yīng)和毒理學(xué)聯(lián)系起來，綜合考慮重金屬的毒性在土壤和沉積物中普遍的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律和評(píng)價(jià)區(qū)域?qū)χ亟饘傥廴镜拿舾行?，以及重金屬區(qū)域背景值的差異，消除了區(qū)域差異影響。由于分別計(jì)算與RI的數(shù)值，潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法的計(jì)算結(jié)果不僅能夠反映單一重金屬對(duì)環(huán)境造成的影響，還能夠說明多種重金屬并存時(shí)對(duì)周圍環(huán)境造成的綜合影響程度，與RI的計(jì)算結(jié)果具有明確的劃分等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，因而體現(xiàn)了生物有效性和相對(duì)貢獻(xiàn)及地理空間差異等特點(diǎn)，是綜合反映重金屬對(duì)生態(tài)環(huán)境影響潛力的指標(biāo)，適合于大區(qū)域范圍沉積物和土壤進(jìn)行評(píng)價(jià)比較，不同區(qū)域和時(shí)段的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)價(jià)結(jié)果之間也具有可比性。

參考Hakanson等的文獻(xiàn)，設(shè)定5種重金屬生物毒性響應(yīng)因子的數(shù)值順序?yàn)镠g（40）> Cd（30）> As（10）>Pb/Cu（5）> Cr（2）> Zn（1）。同時(shí)參考Hakanson根據(jù)8種污染物（PCB、Hg、Cd、As、Pb、Cu、Cr、 Zn）的含量對(duì) 、 、 和RI 值對(duì)應(yīng)的污染等級(jí)進(jìn)行了劃分，見表2。

表1 地累積指數(shù)等級(jí)與污染程度

表2 沉積物重金屬類污染等級(jí)劃分

表3 疏浚區(qū)沉積物重金屬含量

二、結(jié)果與分析

（一）不同區(qū)域沉積物的重金屬分布特征

3個(gè)采樣點(diǎn)的重金屬含量平均值如表3所示，參照《國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB15618-1995）（見下表4）可知，調(diào)查區(qū)域內(nèi)7種重金屬除Cd外都小于一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值，但3個(gè)采樣點(diǎn)Cd含量全部超過三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值，接近三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值的2倍。與溫瑞平原土壤背景值比較，其中所有樣點(diǎn)Cd和As的含量均值超過背景值，zk1樣點(diǎn)的Cu含量均值超過背景值。

對(duì)區(qū)域內(nèi)各采樣點(diǎn)沉積物柱的分層樣品分析結(jié)果做統(tǒng)計(jì)圖分析，結(jié)合表3數(shù)據(jù)分析，經(jīng)LSD多重比較可知，zk1樣點(diǎn)的Cu、Pb、Zn、Cr、Hg金屬含量均顯著高于CT1和CT2樣點(diǎn)（P<0.05），而Cd和As這兩種高于區(qū)域土壤背景值的重金屬含量則沒有明顯差異。這可能說明zk1樣點(diǎn)收到污染的程度要高于其他兩個(gè)地點(diǎn)。

由以上結(jié)果可知，該航道疏浚區(qū)土壤受Cd污染最為嚴(yán)重，這與童敏等對(duì)溫州靈昆島圍墾區(qū)土壤和宋力等對(duì)溫瑞塘河沉積物重金屬調(diào)查結(jié)果基本一致，也與劉恩玲等對(duì)溫州市農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地土壤重金屬污染調(diào)查結(jié)果接近，但與陳華林等對(duì)溫州城市土壤重金屬含量的分析結(jié)果有所不同。綜合以上，可認(rèn)為該航道疏浚區(qū)域表現(xiàn)出來的Cd污染類型可能與溫州過去發(fā)展過程中以制革和電鍍等產(chǎn)業(yè)為主的高污染行業(yè)的無序排放導(dǎo)致重金屬污染通過排放進(jìn)入水體有關(guān)。

（二）沉積物重金屬地累積指數(shù)評(píng)價(jià)

各采樣點(diǎn)沉積物中重金屬地累積指數(shù)均值如表5所示，Cd的地累積指數(shù)最大且只有Cd的Igeo在三個(gè)樣點(diǎn)中均為正值，而其他6中重金屬元素Igeo均為負(fù)值，同樣也顯示該疏浚區(qū)表現(xiàn)為只受到Cd污染，且程度達(dá)到3級(jí)/中度污染。其他重金屬元素的地累積指數(shù)Igeo的順序?yàn)锳s > Zn > Cr > Cu >Pb> Hg。

（三）沉積物重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)評(píng)價(jià)

各潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果（表6）表明：調(diào)查區(qū)域內(nèi)土壤重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)RI均大于300，處于強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)（參見表2），表明疏浚區(qū)域沉積物具有強(qiáng)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。而從各重金屬的潛在生態(tài)危害系數(shù)來看，除Cd以外的其他6種重金屬的值均小于40，也就是說其他6種重金屬均不存在潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)；各種重金屬對(duì)疏浚區(qū)整體重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)貢獻(xiàn)順序?yàn)镃d>As> Hg > Cu >Pb> Cr > Zn。

表4 土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB15618-1995）重金屬含量

表5 疏浚區(qū)沉積物重金屬地累積指數(shù)

表6 疏浚區(qū)沉積物重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)

三、結(jié)論

1.分析7種重金屬中6種重金屬含量的平均值均未超過《國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 15618—1995）一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限制，但Cd在所有3個(gè)采樣點(diǎn)中含量均超過了國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，顯示航道疏浚區(qū)沉積物均受Cd污染很嚴(yán)重。調(diào)查區(qū)域Zk1樣點(diǎn)的重金屬Cu、Pb、Zn、Cr、Hg含量均顯著高于CT1和CT2樣點(diǎn)。

2.在沉積物柱狀樣品分析中顯示Zk1樣點(diǎn)重金屬含量變化較大，而CT1和CT2樣點(diǎn)除Cd外其余6中重金屬含量都比較均勻。

3.重金屬Cd的地累積指數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他重金屬元素，而其他6種重金屬地積累指數(shù)Igeo均小于0，顯示除了Cd以外，調(diào)查區(qū)域內(nèi)沉積物沒有受到其他單項(xiàng)重金屬的污染。但調(diào)查區(qū)域Zk1樣點(diǎn)的重金屬Cu、Pb、Zn、Cr、Hg、As的Igeo仍顯著高于CT1和CT2樣點(diǎn)。

4.疏浚區(qū)沉積物達(dá)到了強(qiáng)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別，重金屬Cd對(duì)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的貢獻(xiàn)最大。