引江济淮输水通道派河沉积物重金属形态分布特征及生态风险评价

刘刚 范博博 王育来 等

摘要 利用电热板消解和连续提取法（BCR）对”引江济淮”重要输水通道派河11个表层沉积物样品中Cr、Cd、As、Ni、Cu和Pb的总量和形态进行调查研究，并根据地积累指数法和次生相与原生相比值法（RSP）对派河沉积物中6种重金属的污染程度及潜在生态风险进行评价。结果表明：派河河段大部分采样点沉积物Cd和Cu浓度值均超出背景值，Igeo值≥1，污染风险强;仅派河中间河段Cr的浓度值超出背景值，但Igeo值=1，污染风险低;派河沉积物中As、Ni和Pb含量均低于背景值，Igeo值=0，无污染风险。巢湖口沉积物Cr、Cu、Ni、As  4种元素的次生相的比例最高，中间河段次之，上游河段及下游河段最低，存在二次释放的生态风险;大部分采样点沉积物Cd的RSP均远大于3，潜在生态风险极高;Pb元素则在上中游河段存在一定的生态风险。

关键词 调水工程;沉积物;地累积指数;连续提取法;潜在生态风险

中图分类号 X834文献标识码 A

文章编号 0517-6611（2019）04-0090-05

Abstract The total amount and fractions of Cr，Cd，As，Ni，Cu and Pb in 11 surface sediments from Pai River as an important water conveyance passage Leading Water from Yangtze to Huaihe Riverin Hefei，were investigated by using the digestion and sequential extraction procedure.The pollution degrees and potential ecological risks of 6 heavy metals in the sediments were calculated according to the geoaccumulation indexes and the rations secondary phase and primary phase of elements.The results showed that the concentrations of Cd and Cu in the most sampling sites from the Pai River were higher than their background values，and the pollution risk was intense （Igeo≥1）; The concentration of Cr in the middle of the river exceeded the background value，but its Igeo was 1，which suggested it was of low pollution risk; and As，Ni and Pb contents in the river sediments were lower than the background values （Igeo=0），and no pollution risk was found for them.The secondary phases mass fraction of Cr，Cu，Ni and As were the  highest at entrance of Chaohu Lake，lowest in the upper and the lower，next was the middle of river，which exist the ecological risk of releasing from sediment into water .The RSP of Cd in the sediments was far greater than 3，and its potential ecological risk was very high; there was potential ecological risk in the upper and middle river for Pb element.

Key words Water diversion project; Sediment; Geoaccumulation index; Sequential extraction procedure; Potential ecological risk

河流湖泊沉积物是环境污染物的自然沉降物，易受环境污染的影响[1]，所以水体沉积物的污染程度可以作为环境污染的指示[1-2]。进入到环境中的重金属由于难以被微生物利用降解，水体中的重金属通过迁移、吸附、络合及沉降等方式进入沉积物中，导致水体沉积物受到重金属污染[3]。由于其具有毒性、持久性和易被生物富集的特点，使得水体沉积物重金属污染问题受到越来越多的重视[4]。

以往经常将重金属总量作为评判重金属污染程度和生态风险的指标，随着对重金属污染机理的深入探索，认识到重金属的生物有效性和迁移特征受到重金属形态的影响[5]，仅仅依靠重金属总量势必夸大重金属污染程度和生态风险的指标。同时，不同重金属形态对环境的影响和作用机制也不尽相同[6]。因此，除了将沉积物重金属总量作为判断重金属污染程度的重要指标之外，势必需要考虑重金属形态特征，进而科学、全面地评价沉积物重金属的潜在生态风险。重金属形态分级常用的方法是BCR法（即3步提取法）[5]，通过BCR法分级得到的重金属形态包括：可交换态和弱酸溶解态、Fe-Mn氧化物结合态、有机物及硫化物結合态和残渣态[7]。其中前3种形态为有效态，可反映沉积物中重金属的污染危害程度[8]。当前，国内外评价沉积物中重金属污染与风险评价的常用方法有基于重金属总量的，如潜在生态风险指数法和地积累指数法等[9];也有基于重金属形态的评价方法，如次生相与原生相分布比值法（RSP）和风险评估指数法（RAC）等[10]。可综合利用沉积物重金属的总量和形态特征数据综合分析沉积物中重金属的污染和潜在生态风险[11]。

Cu、Cr、Ni、Pb 5种元素在不同点位离散程度较大以及周边有人类活动区域分布，说明派河沉积物中这5种金属元素可能已经受到人类生产生活的影响或干扰，即人类活动和工业废水的排放是该区域中部分河段重金属含量较高的原因。而11个采样点的As和Pb元素含量均低于背景值，且采样区域内As元素浓度离散程度小，说明人类活动及排放的废水中As元素含量低。目前As和Pb在派河中没有明显的累积效应。

2.2 派河表层沉积物重金属形态分布特征

派河表层沉积物重金属形态（包括残渣态、可氧化态、可还原态和酸提取态）分布特征如图3所示。由图3可知，Cd元素除了P09点位仅存在17.8%质量百分比的残渣态、P04和P11未检出之外，其由此可见采样点不同，重金属总量不同，其有效态和稳定态所占比例也有所差异，但是有效态和总量变化趋势相同，都与采样点位有关。有效态含量较多的采样点均集中在上中游位置，这可能是受到人类活动及工业生产的影响，其沉积物中的重金属对环境的毒性较大，受到pH条件的影响有二次释放的可能性，并通过迁移、食物链富集影响生物及人体健康[16-17]。

2.3 派河表层沉积物重金属污染程度评价

2.3.1 从重金属总量角度评价污染程度。采用地积累指数法计算各采样点重金属元素的污染程度（表3）。派河表层沉积物中重金属污染程度大小依次为Cd、Cu、Cr、As、Ni、Pb。其中，Cd为主要污染物，在中间河段达到“强污染到极强污染”的污染程度，而在采样的上游河段达到“无污染到中污染”或者“中污染到强污染”的污染程度;Cu除了在进入巢湖附近河段没有污染之外，其余各点达到“无污染到中污染”或者“中污染”的程度;Cr则是在中间河段，即P05、P06、P07的位置处有“中污染”的风险，其余各采样点均无风险;而依据地积累指数法As、Ni、Pb 3种元素均无污染风险。该研究中采用地积累指数得到的污染级别与各重金属的含量呈现很好的对应关系，可说明6种重金属的污染状况[18]。然而，由于不同形态的重金属的毒性和影响不同，该研究进一步采用RSP法进一步分析派河沉积物重金属潜在生态风险[19-20]。

2.3.2 从重金属形态角度评价潜在风险。采用次生相与原生相分布比值（RSP）对派河11个样点表层沉积物中重金属的潜在生态风险进行评价（表4）。RSP与重金属各有效态质量分数呈正相关，即RSP值呈随重金属有效态含量先增加后降低的趋势，除了P11点位的异常情况。如Cr、As、Cu、Ni的次生相与原生相的比值均呈现先增加后降低的现象，Cr对派河所研究河段的潜在生态风险的趋势是“无污染—轻度污染—中度污染—重度污染—中度污染—轻度污染—无污染”，其他3种元素的潜在生态风险存在同样的变化趋势。而Cd和Pb的潜在生态风险相比于其他4种元素更强，除了个别采样点的沉积物未检测出Cd和Pb元素之外，大部分点位沉积物中的重金属的RSP值均较大或者为无穷大，可以更加直观地反映重金属形态的含量特征，以此分析得出派河采样点最下游点中间重金属污染的潜在风险最强，中间河段次之，上游和下游潜在生态风险最低。

3 结论

以“引江济淮”工程中“江淮沟通”唯一水道——派河为研究对象，从沉积物重金属总量和形态层面综合分析其污染程度，科学评价了沉积物重金属的潜在生态风险为“引江济淮”工程水生态安全和潜在生态风险科学评价提供参考。

（1）基于沉积物重金属总量分析和地积累指数评价法，派河河段除了下游P09、P10、P11采样点沉积物中Cd和Cu以及P04点的Cd浓度低于背景值之外，其余各点的Cd和Cu浓度值均超出背景值（Igeo值≥1），对环境存在不同程度的污染风险;而Cr与Cd、Cu的相同点在于仅在派河中间河段的浓度值超出背景值，但Cr的污染程度较低（Igeo值=1）;派河沉积物中虽然含有As、Ni和Pb元素，但是其含量均低于背景值（Igeo值=0），无污染风险。

（2）基于重金属形态特征和次生相与原生相的比值（RSP）法分析可知，派河沉积物中中游河段Cr、Cu、Ni、As 4种元素的次生相（有效态）值含量明显高于上游和下游（下游P11点除外），中间河段次之，上游河段及下游河段最少，但除As及Cr上下游的RSP<1之外，其余河段及元素均有不同程度潜在生态风险;除了P04和P10点位未检测出Cd之外，其余各点Cd的RSP均远大于3，潜在生态风险极高;Pb元素则在上中游河段存在一定的生态风险。

参考文献

[1] ADAMS W J，KIMERLE R A，BARNETT J W，Jr.Sediment quality and aquatic life assessment[J].Environmental science and technology，1992，26（10）：1864-1875.

[2] 胡寧静，石学法，黄朋，等.渤海辽东湾表层沉积物中金属元素分布特征[J].中国环境科学，2010，30（3）：380-388.

[3] 柏建坤，李潮流，康世昌，等.雅鲁藏布江中段表层沉积物重金属形态分布及风险评价[J].环境科学，2014，35（9）：3346-3351.

[4] PARWEEN M，RAMANATHAN A L，RAJU N J.Waste water management and water quality of river Yamuna in the megacity of Delhi[J].International journal of environmental science & technology，2017，14（1）：2109-2124.

[5] XIAO L，GUAN D S，PEART M R，et al.The respective effects of soil heavy metal fractions by sequential extraction procedure and soil properties on the accumulation of heavy metals in rice grains and brassicas[J].Environmental science & pollution research，2017，24（3）：2558-2571.