北京城市流域底泥重金屬形態(tài)特征及其生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

吳金蓮

(南京大學(xué) 環(huán)境學(xué)院, 江蘇省農(nóng)村環(huán)境保護(hù)與生態(tài)修復(fù)工程中心, 南京 210023)

北京城市流域底泥重金屬形態(tài)特征及其生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

吳金蓮

(南京大學(xué) 環(huán)境學(xué)院, 江蘇省農(nóng)村環(huán)境保護(hù)與生態(tài)修復(fù)工程中心, 南京 210023)

為了解北京城市流域底泥重金屬污染現(xiàn)狀及其生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，研究分別在北京市永定河流域、潮白河流域、溫榆河流域、拒馬河流域和泃河流域五大河系(北京段)共設(shè)置84個(gè)檢測(cè)樣點(diǎn)，采集底泥樣品，利用ICP-MS分析法和BCR連續(xù)提取法測(cè)定北京城市流域底泥中銅(Cu)、鋅(Zn)、鉻(Cr)、鎘(Cd)、鎳(Ni)和砷(As)6種主要重金屬的含量，分析其分布特征及養(yǎng)分變化，同時(shí)運(yùn)用潛在生態(tài)危害指數(shù)法和地累積指數(shù)法綜合評(píng)價(jià)流域底泥中重金屬的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。結(jié)果表明：(1) 以北京土壤質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)為北京市參比值，北京流域中下游底泥富營(yíng)養(yǎng)化嚴(yán)重，重金屬富集強(qiáng)弱依次為Cd>(Cr，As，Zn)>(Cu，Ni)；(2) 底泥重金屬潛在生態(tài)危害評(píng)價(jià)，其危害程度依次為Cd>(Cr，As，Zn)>(Cu，Ni)，其中五大河流下游潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)較大，生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)最大的是拒馬河水域；(3) 地累積指數(shù)法進(jìn)行污染評(píng)價(jià)，北京河流污染程度依次為下游>中游>下游，底泥中污染最大的重金屬為Cd，其次為Cr，As和Zn，污染較小的為Cu和Ni。綜上所述，北京污染較大的河流依次是拒馬河、永定河、潮白河、溫榆河和泃河，特別是河流下游區(qū)域底泥重金屬累積較多，潛在生態(tài)危害最大。

北京; 流域; 底泥; 重金屬; 生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)

隨著城市化的發(fā)展，交通、工業(yè)生產(chǎn)、城市生活消費(fèi)、市政建設(shè)等人類活動(dòng)不斷加強(qiáng)，城市土壤重金屬污染問題及其所引起的人類健康問題日益突出[1]。重金屬是常見的環(huán)境污染物，主要源于采礦、冶金、化工、電鍍等工業(yè)排放的廢水和固體垃圾填埋場(chǎng)的溶液[2-4]，這些溶液通過多種途徑(大氣沉降、廢水排放、雨水淋溶、沖刷)匯集到城市水系當(dāng)中，通過水體沉積物的形式沉積到流域底泥中并逐漸富集。底泥既是底棲生物的棲息地和水生植被生長(zhǎng)的重要場(chǎng)所，也是水體污染物的重要蓄積庫(kù)，城市流域底泥中的重金屬元素都是潛在危害的重要污染物，而且不能被微生物分解，在一定的條件下可由污染物的“匯”轉(zhuǎn)變成“源”[5-10]。同時(shí)，生物體還可以富集重金屬，存在巨大的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。吸附作用是重金屬在土壤中最基本的過程之一，它是重金屬元素具有一定的自凈能力和環(huán)境容量的根本原因。畢春娟[11]、王國(guó)平等[12]、林大松等[13]、Ashley[14]、李光林[15]和余貴芬等[16]研究認(rèn)為底泥土壤對(duì)重金屬的吸附依賴于土壤組分和理化性質(zhì)，固定重金屬的主要組分除土壤黏粒礦物和氧化物外，還有土壤有機(jī)物質(zhì)養(yǎng)分和理化特性。所以研究水域底泥沉積物中重金屬的含量及其空間分布可以評(píng)價(jià)研究區(qū)的污染程度、追蹤污染物來源、了解污染擴(kuò)散的范圍，預(yù)防生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)[17-18]。

城市流域具有排水、氣候調(diào)節(jié)、水產(chǎn)養(yǎng)殖和休閑等多種生態(tài)經(jīng)濟(jì)價(jià)值，其水體沉積物反映了水體受重金屬污染的情況，也記錄了城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人為活動(dòng)對(duì)環(huán)境的影響，能夠作為水體污染的敏感指標(biāo)[19]。北京作為首都，經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，人口也急劇增加，人類活動(dòng)已嚴(yán)重影響了城市生態(tài)環(huán)境，尤其是水體污染物已嚴(yán)重超標(biāo)，沉積物重金屬污染程度呈加劇趨勢(shì)，富營(yíng)養(yǎng)化較嚴(yán)重[19]。文方芳等[20]和孫博思[21]分別研究了北京水系養(yǎng)分資源和水體中重金屬分布特征，發(fā)現(xiàn)北京水域富營(yíng)養(yǎng)化較嚴(yán)重，水體中重金屬存在一定的超標(biāo)，這些研究主要側(cè)重于水中養(yǎng)分和重金屬狀況。而有關(guān)北京城市流域底泥中重金屬的研究，尤其是底泥中重金屬的含量、分布特征和有效性，以及污染情況的綜合評(píng)價(jià)和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)缺乏深入的研究[22-23]。永定河流域、潮白河流域、溫榆河流域、拒馬河流域和泃河流域是流經(jīng)北京市的五大水系，為北京市飲用水、工業(yè)用水以及排洪泄洪提供了重要保障。北京水務(wù)局2010年發(fā)布的北京市地表水、地下水水質(zhì)監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)情況顯示，北京市水域有不同程度的污染。在水—沉積物體系中，沉積物市污染物存在比較穩(wěn)定的場(chǎng)所，也是與水體進(jìn)行物質(zhì)交換的界面，許多物理化學(xué)過程和生物化學(xué)過程都通過這個(gè)界面進(jìn)行，當(dāng)外界條件發(fā)生變化時(shí)，被水底沉積物吸附的重金屬又通過一系列的物理、化學(xué)和生物過程而釋放出來，導(dǎo)致水環(huán)境的“二次污染”[24-25]。本文探討北京五大水系底泥中重金屬含量、重金屬各形態(tài)之間及其與其他養(yǎng)分指標(biāo)間的關(guān)系，同時(shí)利用潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法和地累積指數(shù)法綜合評(píng)價(jià)北京城市流域底泥中重金屬的污染狀況及其存在的潛在風(fēng)險(xiǎn)，以期為北京市的水環(huán)境治理與保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣品采集與處理

2015年5—10月在北京市境內(nèi)永定河流域、潮白河流域、溫榆河流域、拒馬河流域和泃河流域分別在上中下游設(shè)置共20個(gè)樣點(diǎn)(圖1，其他水系一樣)，利用底泥采集器在各個(gè)樣點(diǎn)分別采集0—20 cm表層底泥3～5個(gè)重復(fù)混合樣(混合樣不少于1.5 kg)，采集的底泥用錫箔紙包裹放入潔凈塑料樣品袋并記錄編號(hào)，迅速帶回實(shí)驗(yàn)室冷凍保存以待檢測(cè)。取出底泥樣品并在冷凍干燥機(jī)中烘干至恒重，經(jīng)研缽研磨處理，過200目篩網(wǎng)，儲(chǔ)存?zhèn)溆谩?/p>

圖1永定河北京段流域底泥樣點(diǎn)模式圖

1.2 底泥樣品預(yù)處理

1.2.1 底泥養(yǎng)分的測(cè)定 土壤養(yǎng)分參考鮑士旦[26]方法測(cè)定：底泥顆粒組成采用比重法測(cè)定；底泥pH值測(cè)定采用1∶5水土比浸提pH值玻璃電極法；底泥有機(jī)碳采用重鉻酸鉀氧化外加熱法；底泥全磷用NaOH熔融—鉬銻抗比色法；底泥全氮用全自動(dòng)凱氏定氮法；底泥全鉀采用火焰分光光度計(jì)法。

1.2.2 污泥中重金屬化學(xué)浸提試驗(yàn) 采用修正的BCR法[27-28]分析底泥中重金屬形態(tài)及對(duì)應(yīng)組分含量，此方法將底泥中的重金屬分為4種化學(xué)形態(tài)，分別為酸溶/可交換態(tài)(T1)、可還原態(tài)(T2)、可氧化態(tài)(T3)和殘?jiān)鼞B(tài)(T4)。準(zhǔn)確稱取0.500 0 g過篩底泥，放入50 ml聚丙烯離心管中，按表1中的浸提條件和步驟進(jìn)行浸提，使用電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀(ICP-AES)測(cè)定上清液中重金屬濃度。每個(gè)樣品設(shè)置3個(gè)平行樣(測(cè)定數(shù)據(jù)為3次的平均值)，每個(gè)批次試驗(yàn)設(shè)置空白樣品。

表1 修正的BCR連續(xù)提取步驟

1.2.3 底泥中重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)的測(cè)定 樣品經(jīng)自然風(fēng)干后，碾磨并過60目篩，稱取約0.500 0 g加工好的樣品(精確到0.000 1 g)經(jīng)HClO4—HNO3—HF消化處理，用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS)內(nèi)標(biāo)法測(cè)定土壤Zn，Cd，Pb，Cu含量，采用冷原子吸收微分測(cè)儀、為ICP配置氫化物發(fā)生器，確保所需儀器的靈敏度。同時(shí)取土壤樣品0.250 0 g(精確到0.000 1 g)于25 ml比色管中，加入新配(1+1)王水10 ml，于沸水浴中加熱2 h，其間要充分振搖兩次，冷卻至室溫后加入10 ml保存液，用稀釋液定容，搖勻，該消解液用來測(cè)定Hg。取靜置后的消解溶液5.00 ml于另一25 ml比色管中，加入50 g/L的硫脲溶液2.5 ml，鹽酸2.5 ml，定容至25 ml，該溶液用來測(cè)定As。ICP-MS的精確度在2%以下，回收率為95%以上，測(cè)定偏差控制在9%內(nèi)，每個(gè)樣品設(shè)置3個(gè)平行樣(測(cè)定數(shù)據(jù)為3次的平均值)。污泥中重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)的計(jì)算公式[29-30]：

式中：w為底泥中重金屬的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(干基)(mg/kg)；M為所測(cè)定的某種重金屬；c為ICP-MS測(cè)定預(yù)處理樣品得到的重金屬質(zhì)量濃度(mg/L)；n為ICP-MS測(cè)定時(shí)預(yù)處理樣品的稀釋倍數(shù)；m為底泥樣品質(zhì)量(kg)；v為定容體積(L)。

1.3 潛在生態(tài)危害評(píng)價(jià)方法

張傳武圍繞《條例》制定與修訂情況、指導(dǎo)思想、地位作用、適用原則、重點(diǎn)條文及如何貫徹落實(shí)等幾個(gè)方面進(jìn)行了全面闡述和深入解讀，讓黨員干部更加直觀地了解此次修訂完善的主要內(nèi)容和重大意義，進(jìn)一步深化了對(duì)全面從嚴(yán)治黨向縱深發(fā)展的認(rèn)識(shí)。

(1) 單因子指數(shù)法[31]

Pi=Ci/Si

式中：Pi為污染指數(shù)；Ci為污染物實(shí)測(cè)值；Si為污染物評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)；i代表某種污染物。

(2)N.L.Nemerow綜合污染指數(shù)法[31]

Pt={[(Ci/Si)max2+(Ci/Si)ave2]/2}1/2

式中：Pt為綜合污染指數(shù)；(Ci/Si)max為土壤重金屬元素中污染指數(shù)最大值；(Ci/Si)ave為土壤各污染指數(shù)的平均值，用評(píng)價(jià)公式計(jì)算出的污染指數(shù)，按照土壤環(huán)境質(zhì)量分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

表2 土壤質(zhì)量分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

(3) Hakanson潛在生態(tài)危害指數(shù)法。不同重金屬對(duì)人體健康產(chǎn)生的危害不同，即使在污泥中濃度相同，其產(chǎn)生的危害也有差別。針對(duì)于這點(diǎn)，瑞典科學(xué)家Hakanson在1980年建立了一套評(píng)估重金屬污染與生態(tài)危害的方法，將重金屬元素的生態(tài)效應(yīng)環(huán)境效應(yīng)及毒理學(xué)聯(lián)系起來，較純粹采用重金屬元素污染程度更好地反映重金屬元素的潛在危害[32-35]。其計(jì)算公式為:

式中：Ei為第i種重金屬的潛在生態(tài)危害指數(shù)；Ti為第i種重金屬的毒性響應(yīng)系數(shù)(表3)；Ci為第i種重金屬的測(cè)定濃度(mg/kg)；Co為重金屬元素的參比值(mg/kg)(表3)。

表3 重金屬毒性響應(yīng)系數(shù)及其參比值

不同重金屬?gòu)?fù)合生態(tài)危害指數(shù)(RI)的計(jì)算公式為：

RI=∑Ei

根據(jù)Ei與RI值大小，對(duì)Hakanson提出的重金屬生態(tài)危害程度的劃分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整(表4)。

(4) 地累積指數(shù)法(Igeo)[36]。地累積指數(shù)法是從環(huán)境地球化學(xué)的角度出發(fā)評(píng)價(jià)污泥中重金屬的污染，除考慮到的人為污染因素、環(huán)境地球化學(xué)背景值外，還考慮到工業(yè)可能引起的背景值變動(dòng)的因素，彌補(bǔ)了同類其他評(píng)價(jià)法的不足，因此在歐洲被廣泛采用，目前也應(yīng)用于土壤中元素的污染評(píng)價(jià)[37](表5)。其計(jì)算公式如下：

Igeo=log2[Cn/(k×Bn)]

表4 潛在生態(tài)危害評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

運(yùn)用軟件Excel 2003和SPSS 18.0進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析，以及相關(guān)性分析；利用Origin 7.5進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 北京城市流域底泥養(yǎng)分特征

對(duì)北京流域不同區(qū)域(上中下游)底泥理化性質(zhì)進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果見表6，永定河流域、潮白河流域、溫榆河流域、拒馬河流域和泃河流域pH值、有機(jī)質(zhì)含量、全氮、全磷和全鉀基本上都呈現(xiàn)逐漸增大的規(guī)律。根據(jù)《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥泥質(zhì)》(GB24188—2009)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，北京五大水系流域中下游底泥含有較高營(yíng)養(yǎng)成分，上游趨于正常。這一規(guī)律可能與上游為飲用水源，控制管理較好；中游為工業(yè)用水排污，污染較大，營(yíng)養(yǎng)成分較高；下游為排水用途，有害污染物質(zhì)推積，營(yíng)養(yǎng)成分更高。

表5 重金屬地累積指數(shù)與污染程度分級(jí)

表6 北京城市流域底泥理化特性

2.2 北京城市流域底泥重金屬含量及形態(tài)分布特征

2.2.1 北京城市流域底泥重金屬含量 北京市內(nèi)流域底泥重金屬含量與人類干擾及工業(yè)活動(dòng)息息相關(guān)。由表7看出，對(duì)不同流域上中下游水域底泥重金屬含量監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)：永定河流域上中下游Cr，Cu，Ni，Cd，As和Zn重金屬含量呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，越往下游重金屬含量越高，以北京市土壤背景值為標(biāo)準(zhǔn)[38]，其中上游水域底泥中Cr，Cu，Ni，As和Zn在正常范圍內(nèi)，Cd含量超標(biāo)，中下游水域底泥中Cr，Cu，Ni，Cd，As和Zn含量都嚴(yán)重超標(biāo)；潮白河流域底泥重金屬含量也與永定河有相同趨勢(shì)，越往下游重金屬含量越高，其中上游水域底泥中Cr，Cu，Cd和Zn含量超標(biāo)，Ni和As含量未超標(biāo)，中下游水域底泥中Cr，Cu，Ni，Cd，As和Zn含量都嚴(yán)重超標(biāo)；溫榆河同永定河，其中上游水域底泥中Cd和As含量超標(biāo)，其余重金屬未超標(biāo)，中下游水域底泥中Cr，Cu，Ni，Cd，As和Zn含量都超標(biāo)；拒馬河亦如此，其中上游水域底泥中Ni未超標(biāo)，其余重金屬都超標(biāo)，中下游水域底泥中Cr，Cu，Ni，Cd，As和Zn含量都嚴(yán)重超標(biāo)；泃河也表現(xiàn)出了上中下游Cr，Cu，Ni，Cd，As和Zn重金屬含量呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，越往下游重金屬含量越高，其中上游水域底泥中Cr，Cu，Ni，Cd，As和Zn含量都未超標(biāo)，中下游水域底泥中Cr，Cu，Ni，Cd，As和Zn含量都超標(biāo)。

2.2.2 北京城市流域底泥重金屬形態(tài)分布特征 河流底泥中重金屬的殘?jiān)鼞B(tài)性質(zhì)比較穩(wěn)定，一般不參與沉積物—水解面的再分配平衡，其遷移轉(zhuǎn)化性和生物可利用性都很小，對(duì)環(huán)境的安全性要求較高[39]；重金屬可交換態(tài)是對(duì)環(huán)境和生物可能產(chǎn)生的危害和毒性程度最高的，包括弱酸浸提和碳酸鹽結(jié)合態(tài)，弱酸浸提重金屬是指吸附在黏土、腐殖質(zhì)及其他成分上的金屬，對(duì)環(huán)境變化敏感，在中性條件下可釋放出來，易于遷移轉(zhuǎn)化，能被植物吸收[40]。分析了北京流域中重金屬不同形態(tài)組成，改進(jìn)的BCR法提取效率較好，都能達(dá)到86%以上。由圖2看出，北京五大水系底泥中Cr，Cu，As和Ni殘?jiān)鼞B(tài)所占比份較大；Zn和Cd以可交換態(tài)為主，這部分重金屬可在底泥—水界面釋放出來造成二次污染，對(duì)環(huán)境有一定的危害。

表7 北京城市流域底泥重金屬含量 mg/kg

注：同列數(shù)據(jù)中的不同的字母表示有顯著差異(p<0.05)。下同。

圖2北京城市流域底泥中重金屬的形態(tài)分布

2.3 北京流域底泥重金屬含量與pH值、有機(jī)質(zhì)相關(guān)性

有機(jī)質(zhì)中具有較多的含氧功能團(tuán)(羧基、酚基、羥基等)，且與重金屬之間具有較強(qiáng)的親和性[34]。當(dāng)土壤中施入有機(jī)肥后，其腐殖質(zhì)中的功能團(tuán)可釋放除H+而帶負(fù)電荷，從而吸附游離的重金屬離子。大量的研究表明土壤溶液中pH值對(duì)土壤吸附重金屬離子有強(qiáng)烈影響[35-36]。對(duì)北京流域底泥重金屬含量與pH值、有機(jī)質(zhì)相關(guān)性分析結(jié)果見表8，底泥中Cr，Cu，Cd，As含量與pH值呈顯著相關(guān)(p<0.05)，Zn含量與pH值大小呈極顯著相關(guān)(p<0.01)，有研究表明pH值大小與土壤中重金屬的吸附量成正比，這是因?yàn)樵趬A性條件下，進(jìn)入土壤的重金屬多生成難溶態(tài)的氫化物，或以碳酸鹽和磷酸鹽形態(tài)存在，反之土壤中的重金屬含量降低；底泥中Cr，Ni，Cd和As含量與有機(jī)質(zhì)呈顯著正相關(guān)，Cu和Zn含量與有機(jī)質(zhì)呈極顯著正相關(guān)。由此也證實(shí)有機(jī)質(zhì)和pH值是影響這些重金屬元素分布特征的重要因素，但這種特性并非適用于所有的重金屬。

表8 北京流域底泥中重金屬含量與污泥pH值、有機(jī)質(zhì)相關(guān)性

注：**相關(guān)性在0.01水平上顯著(雙尾)；*相關(guān)性在0.05水平上顯著(雙尾)。

2.4 北京城市流域底泥重金屬潛在生態(tài)危害評(píng)價(jià)

(1) 單因子指數(shù)法評(píng)價(jià)和N.L.Nemerow綜合污染指數(shù)法評(píng)價(jià)。對(duì)北京五大水系不同區(qū)域(上中下游)6種重金屬元素污染情況進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果見表9。根據(jù)N.L.Nemerow綜合污染指數(shù)評(píng)價(jià)法可知永定河流域上游污染為警戒級(jí)，中游為輕度污染，下游為中度污染；潮白河上游水質(zhì)安全，中游為輕度污染，下游為中度污染；溫榆河上中下游均為輕度污染；拒馬河上游為輕度污染，中游為中度污染，下游為重度污染；泃河上中游污染為警戒級(jí)，下游為輕度污染。單因子評(píng)價(jià)法可知Cr在各水域污染最高為重度污染，最低為警戒級(jí)；Cu在各水域污染最高為重度污染，最低為安全；Ni最高為中度污染，最低為安全；Cd最低為警戒級(jí)，最高為重度污染；As最高為重度污染，最低為警戒級(jí)；Zn最高為重度污染，最低為警戒級(jí)。綜合分析，重金屬元素污染較大的區(qū)域分布在河流的中下游區(qū)域，這可能跟人類干擾、工業(yè)發(fā)展以及下游排放物積累有關(guān)。

表9 北京流域底泥中重金屬污染單因子和綜合因子評(píng)價(jià)

(2) Hakanson潛在生態(tài)危害指數(shù)法評(píng)價(jià)。根據(jù)Hakanson潛在生態(tài)危害指數(shù)法(表4)來評(píng)價(jià)北京五大水系底泥中Cr，Cu，Ni，Cd，As和Zn六種重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。由表10可知，永定河、潮白河和泃河上游底泥中重金屬呈現(xiàn)低程度的潛在生態(tài)危害，Ri分別為138.1，110.7，98.9，均≤150，溫榆河和拒馬河上游底泥中重金屬呈現(xiàn)中等程度的潛在生態(tài)危害，Ri分別為177.7，178.3，均在150～300之間；潮白河和泃河中游底泥中重金屬呈現(xiàn)低程度的潛在生態(tài)危害，Ri分別為144.9，123.3，均≤150，永定河、溫榆河和拒馬河中游底泥中重金屬呈現(xiàn)中等程度的潛在生態(tài)危害，Ri分別為198.8，181.5，266.4，均在150～300之間；永定河、潮白河、溫榆河和泃河下游底泥中重金屬都呈現(xiàn)中等程度的潛在生態(tài)危害，Ri分別為276.4，180.1，181.5，161.2，均在150～300之間，而拒馬河下游底泥中重金屬都呈現(xiàn)重程度的潛在生態(tài)危害，Ri為412.4。對(duì)底泥中各重金屬元素潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分析發(fā)現(xiàn)，Cd，As和Zn潛在生態(tài)危害最大，Cr次之，Cu和Ni潛在生態(tài)危害最小。

(3) 地累積指數(shù)法評(píng)價(jià)。通過地累積指數(shù)法對(duì)北京流域底泥中Cr，Cu，Ni，Cd，As和Zn六種重金屬污染進(jìn)行評(píng)價(jià)，見表11。整體上分析，北京流域底泥中Cd污染達(dá)到中—強(qiáng)水平，As，Zn和Cr達(dá)到中度污染水平，Cu和Ni達(dá)到輕微污染。對(duì)比分析各元素的污染情況，永定河、潮白河和溫榆河底泥中Cr，Cd，As和Zn四種重金屬污染水平都為中度，Cu和Ni為輕度污染；拒馬河底泥中Cd污染達(dá)到強(qiáng)度水平，Cr，As和Zn都為中—強(qiáng)度污染，Cu和Ni為中度污染；泃河底泥中Cd，As和Zn三種重金屬為中度污染，Cr，Cu和Ni為輕度污染。

表10 底泥中重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

表11 北京流域底泥中重金屬地累積指數(shù)及分級(jí)

3 討論與結(jié)論

北京不同河流各區(qū)域(上游、中游和下游)底泥中重金屬含量和養(yǎng)分狀況各有不同，表現(xiàn)不一致。朱嵬[5]、陳守莉[6]、文軍[9]等分別對(duì)濕地和湖泊沉積物中重金屬污染、養(yǎng)分和超標(biāo)項(xiàng)目的研究均表現(xiàn)出較明顯的一致性，不過，這些研究只是對(duì)整個(gè)水域的重金屬狀況進(jìn)行了描述，而沒有分區(qū)域進(jìn)行詳細(xì)的分析。本研究中北京永定河、潮白河、溫榆河、拒馬河和泃河底泥中重金屬含量和養(yǎng)分含量表現(xiàn)出由上游—中游—下游依次上升的趨勢(shì)，各河流不同區(qū)域(上游、中游和下游)底泥中各個(gè)重金屬元素含量超標(biāo)表現(xiàn)出較明顯的一致性，上中下游底泥中Cd含量超標(biāo)，Cr，As和Zn次之，Cu和Ni未超標(biāo)，中下游底泥中Cd，Cr，As和Zn超標(biāo)較多，Cu和Ni較少。綜合分析北京流域底泥重金屬污染和養(yǎng)分狀態(tài)，重金屬含量由高到低依次為拒馬河>永定河>潮白河>溫榆河>泃河，各河流下游底泥基本都處于富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)，重金屬超標(biāo)和富營(yíng)養(yǎng)化的來源為中下游人為活動(dòng)排放和工業(yè)活動(dòng)(包括河流兩岸工業(yè)、生活、農(nóng)業(yè)及養(yǎng)殖廢水的排污等)，導(dǎo)致有機(jī)物質(zhì)積累，增大了對(duì)重金屬的吸附和累積。

不同重金屬元素不同河流整體表現(xiàn)出分布特征的一致性，均變現(xiàn)為拒馬河>永定河>潮白河>溫榆河>泃河，其中各河流底泥中Cr，Cu，Ni和As均以殘?jiān)鼞B(tài)為主，Zn和Cd主要以可交換態(tài)為主，Cd，As和Zn生物活性較高，潛在生態(tài)危害性較大，容易發(fā)生再遷移，對(duì)環(huán)境造成直接危害，并且河流上中下游底泥中重金屬形態(tài)表現(xiàn)也一致。底泥中重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，北京五大水系潛在危害程度依次為拒馬河>永定河>潮白河>溫榆河>泃河，各河流底泥中Cr，Cu，Ni，Cd，As和Zn六種重金屬中潛在生態(tài)危害指數(shù)最大的為Cd，達(dá)到重度生態(tài)危害，其次為Cr，As和Zn，潛在生態(tài)危害最小的是Cu和Ni。地累積指數(shù)法評(píng)價(jià)北京流域底泥中重金屬污染程度，結(jié)果表明河流污染程度由高到低為拒馬河>永定河>潮白河>溫榆河>泃河，重金屬元素污染程度依次為Cd>(Cr，As，Zn)>(Cu，Ni)，泃河為最清潔河流。

雖然北京發(fā)展迅速，工業(yè)越來越現(xiàn)代化，監(jiān)管越來越嚴(yán)，現(xiàn)階段河流的排污有所減少和緩解，但歷史發(fā)展階段所遺留的河流重金屬污染問題依然存在，本研究得出為北京河流底泥中重金屬的保護(hù)和治理提供了一定的科學(xué)依據(jù)，可以從以下幾點(diǎn)做起：(1) 提高人民的環(huán)保意識(shí)，河流的污染很大程度上是由于人們環(huán)保意識(shí)淡薄，開展積極有效的環(huán)保宣傳很有必要；(2) 產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，對(duì)污水排放的工業(yè)企業(yè)強(qiáng)制安裝污水處理系統(tǒng)，達(dá)到水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)才予以排放；(3) 加強(qiáng)環(huán)境治理，河岸綠化，河底綠化，用物理、化學(xué)和生物的方法螯合底泥重金屬，降低其生物有效性，避免其發(fā)生“二次污染”；(4) 加強(qiáng)水資源的規(guī)劃監(jiān)管，必須根據(jù)河流的污染情況，水供需狀況進(jìn)行合理開發(fā)，綜合利用、積極保護(hù)和科學(xué)管理。

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DistributionCharacteristicsandEcologicalRiskAssessmentofHeavyMetalsintheSedimentsofWatershedinBeijing

WU Jinlian

(JiangsuEngineeringResearchCenterforRuralEnvironmentalProtectionandEcologicalRemediation,SchooloftheEnvironment,NanjingUniversity,Nanjing210023,China)

In order to investigate heavy metal pollution and its potential ecological risk in sediments of watershed in Beijing, 84 test sample sites were set up in Yongding River Basin, Chaobai River Basin, Wenyu River Basin, Juma River Basin and Ju River Basin. Sediment samples have been collected to measure the contents of copper (Cu), zine (Zn), Chromium (Cr), cadmium (Cd), nicked (Ni) and arsenic (As) of sediment by analysis methods of ICP-MS and BCR continuous extraction, distribution characteristics of heavy metals and the change of nutrient were analyzed. At the same time, potenstial ecological harm index and cumulative index method were used to compresively evaluate the ecological risk of heavy metals in sediment of river basin. It turned out that with soil quality standard of Beijing for the value of ratio, sediment eutrophication of middle and lower reaches was serious in rivers of Beijing, heavy metal enrichment strength decreased in the order: Cd>(Cr, As, Zn)>(Cu, Ni). As the sediment potential ecological risk assessment of heavy metals, extent of injury decreased in the order: Cd>(Cr, As, Zn)>(Cu, Ni), the potential ecological risk of downstream was the biggest, the biggest ecological risk was found tin Juma River. According to pollution assessment by method of cumulative index, the pollution degree of rivers in Beijing decreased in the order: downstream>middle>lower reaches, the largest pollution of heavy metal was Cd in sediment, followed by Cr, As and zinc, less polluting was Cu and Ni. To sum up, pollution degree of rivers in Beijing decreased in the order: Juma River>Yongding River>Chaobai River>Wenyu River>Ju River. Especially, the accumulation of heavy metals of downstream in sediment was more, and had the largest potential ecological risk.

Beijing; drainage basin; sediment; heavy metal; ecological risk

2016-09-21

：2016-10-08

吳金蓮(1986—),女,安徽省安慶人,碩士,環(huán)境工程師,主要從事環(huán)境污染治理工作。E-mail:Jinlian_wu1986@126.com

X53；X826

：A

：1005-3409(2017)05-0321-08