青海某水库底泥中重金属污染特征及潜在生态风险评价

马富明，王延花，星亚萍，祁玉刚，尹晓东，马放

(1.西宁市生态环境监测站，青海 西宁 810007；2.城市水资源与水环境国家重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150000)

底质作为水环境中重金属及其他污染物质的主要蓄积库，在水体污染研究中具有特殊的重要性。一方面，底质通过对污染物的吸附和释放影响上覆水体的水质；另一方面，底质又是底栖生物的主要生活场所和食物来源，其中的污染物可直接或间接地对底栖生物、上覆水生物产生致毒致害作用，并通过生物富集、食物链放大等过程进一步影响陆地生物和人类。水库由于小流域环境相对封闭，自净能力及水体更新速度慢，势必更易受污染，底质则积累更多的重金属等污染物[1]。

我国对底泥重金属的研究从20世纪70年代后期相继开展，开始主要针对底泥中重金属的含量及分布规律进行研究分析[2-3]。而对底泥重金属的生态风险评价从21世纪开始逐渐重视起来，太湖、大辽河、松嫩平原湖泊群、长潭水库、丹江口水库、大河口水库、青岛王圈水库等都有底泥有关研究报道。目前，国家或行业部门尚未出台湖库底泥相关质量标准，但根据行业部门调查数据显示，底泥重金属含量超环境背景值是全国性普遍现象。

青海某水库是以灌溉、城镇供水为主，兼有防洪、发电、环保等综合效益的大型水利枢纽工程。近年来，青海某水库发挥着重要的灌溉和生活饮用功能，然而，对于该水库水环境相关研究鲜见报道，底质方面的研究尚未进行[4-6]，尤其是底泥重金属方面研究尚属空白。研究青海某水库底泥中重金属等污染物来源、变化形式、迁移规律和对生物的毒害作用十分必要。因此，通过青海某水库底质重金属等污染物污染水平，评估其生态风险，研究其与水质的相关性，可为饮用水安全、水库的综合治理、水资源保护措施的制定提供理论依据。

1 采样与检测

1.1 采样点布设

为较全面准确地反映湖库底泥的环境质量现状，采样点位布设采用网格布点法，同时通过实地调查，综合考虑水库地理位置的特殊性和采样的安全性，共设置采样点位35个。采样点位空间分布见图1采样点位示意图。

图1 水库采样点位示意图

1.2 检测方法

所用仪器设备及分析方法见表1。

表1 仪器设备及分析方法

2 底泥样品中重金属测定结果

本文底泥重金属检测结果主要参考《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准》(试行)GB15618-2018中筛选值标准(pH>7.5)对检测数据进行达标评价。35个点位的9项微量元素的检测结果见表2所示。

表2 青海某水库重金属检测结果表

点位铜锌镉铅铬镍锰汞砷S1542.71500.2727122687740.05420S1668.61610.3533144841 2300.05235.7S1738.61330.225115647470.04819.7S1858.71850.3431143798420.04726.5S1976.51740.3232175941 0700.05743.6S2080.21660.3132171981 0100.06746.6S21851920.3433176891 0500.0661.1S2287.31970.3434176899840.06356.4S2394.41720.3737192991 1100.07351.3S2427.4970.1212142676640.04414.9S2561.71500.2424139806650.05431.1S2648.21700.1819132665950.04925.9S2729.1950.1113105495420.03410.8S2888.71870.3231160841 0600.07341.3S2958.7980.1311157867600.2039.86S3059.51180.1613193858160.05914S31621190.2421197751 0000.0512.5S3264.4910.1211178809140.0577.33S3361.1720.088143666750.0335.17S34531110.1715174651 7000.09513.7S3563.3790.0910139446750.078.48均值551340.22214572.18550.05725范围27.4～9572～1970.08～0.378～3788～19750～99542～1 7000.032～0.2035.17～56.4标准1003000.6170250190—3.425

检测结果表明：水库35个点位的底泥中，个别点位砷元素超《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准》(试行)GB15618-2018中筛选值标准(pH>7.5)标准，超标点位分别为：S1、S6、S7、S12、S13、S16、S18、S19、S20、S21、S22、S23、S25、S26、S28，超标倍数为0.02～1.44倍。

3 底泥重金属污染特征评价

采用内梅罗综合指数法、地质累积指数法对青海某水库底泥中的Cu、Zn、Cd、Pb、Cr、Ni、As和Hg共8种金属元素进行污染特征评价，确定8种重金属元素的综合污染指数，讨论分析青海某水库底泥重金属的污染状况。

3.1 内梅罗综合指数法

由于库区底泥中的重金属污染是同时被多种重金属元素所污染，因此需将单因子污染指数按一定方法综合起来进行评价，内梅罗(Nemerow)综合指数法兼顾单元素污染指数平均值和最大值，突出高浓度污染物对环境质量的影响。

式中：Pi:重金属元素的污染指数；Ci指重金属含量实测值；Si指《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准》(试行)GB15618-2018筛选值(pH>7.5)。

土壤污染水平分级标准见表3，一般综合污染指数小于或者等于1表示未受到污染，大于1则表示已受到污染。综合污染指数越大表示底泥污染程度越严重。

表3 土壤污染水平分级

综合计算重金属元素污染物指数：

结果可得：P均=0.44，Pmax=2.44，PN=1.75。并得到图2各个元素P值分布，以及各个点位P值分布图3。

图2 水库底泥中8种微量元素P值分布

图3 水库35个点位P值分布图

单元素污染指数法计算得到的8种不同元素的平均Pi值的大小顺序为As>Cr>Cu>Zn>Hg>Cd>Pb>Ni，除砷元素的Pi值的平均值为1，部分点位Pi值大于1，Pi值范围为0.21～2.44外，其他元素的Pi值范围均小于1。砷有15个点位出现超标现象，超标倍数为0.02～1.44倍。内梅罗综合指数法计算得到的35个不同点位底泥中处于清洁的点位有19个，处于轻度污染的点位有11个，清洁点位数占总点位数的54.3%，由此可见，35个点位中以清洁点位居多，但由于砷的贡献率，使得水库底泥中8种重金属元素总体的PN值为1.75，呈轻度污染。

3.2 地质累积指数法

地质累积指数法是1979年由德国海德堡大学的Muller教授提出的一种研究水环中底泥重金属污染的定量指标。地质累积指数法考虑到了人类活动对环境质量的影响。其计算公式如下：

式中：Igeo指重金属的地质累积指数；Cn指样品中元素n的浓度；Bn指背景浓度；1.5指修正指数，通常用来表征沉积特征、岩石地质及其它影响。地质累积指数污染分级标准见表5。

表5 地质累积指数与污染分级指数

由表4计算结果分析可知：从不同元素的评价数据均值来看，几种元素的污染指数均值大小顺序为Ni>Cu>Cr>Zn>Hg>Pb>As>Cd；从评价数据总体值来看8种不同元素的污染级别总体在0～2级之间，污染程度主要为无—中，即轻度污染。

表4 各个元素地质累积指数

从不同监测点位的评价数据来看，除S6、S19、S20、S21、S22、S23、S28、S29，8个点位的污染级别为0～2级，污染程度为中外，其他点位的污染级别均为0～1级，污染程度为无—中，偏轻度污染。

3.3 底泥重金属综合评价

(1)单元素污染指数法计算得到的8种不同元素(锰元素无判别标准)的平均Pi值的大小顺序为As>Cr>Cu>Zn>Ni>Cd>Pb>Hg，除砷元素的Pi值的平均值为1，部分点位Pi值大于1，Pi值范围为0.21-2.44外，其他元素的Pi值范围均小于1。砷有15个点位出现超标现象，超标倍数为0.02～1.44倍。内梅罗综合指数法计算得到的青海某水库35个不同点位中以清洁点位居多，但由于砷的贡献率，使得水库底泥中8种重金属元素总体的PN值为1.75，呈轻度污染。

(2)地质累积指数法的分析显示，从不同元素的评价数据均值分析，几种元素的污染程度为Ni>Cu>Cr>Zn>Hg>Pb>As>Cd；从评价数据总体值来看，8种不同元素的污染级别总体在0～2级之间，污染程度基本为无-中，即轻度污染。从不同监测点位的评价数据来看，除S6、S19、S20、S21、S22、S23、S28、S29，8个点位的污染级别为0～2级，污染程度为中度污染外，其他点位的污染级别均为0～1级，污染程度为无—中，即轻度污染。

(3)两种方法虽然计算中用到的标准不同，内梅罗指数以《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准》(试行)GB15618-2018中pH>7.5时的筛选值为标准值进行计算，地质累积指数法以土壤背景数据统计算术平均值为背景值进行计算，得到的结果也有一些差异：计算得出的不同元素的污染大小顺序有一定的差别，但铜、铬在两种排序中均处于前三位的位置，锌均在中间位置，而汞、铅和镉均处于后三位的位置，只有砷和镍的位置发生了较大的变化，这与在不同的判别标准中砷和镍的判别值有关，以土壤环境质量标准为判断依据，砷的污染程度居榜首，以土壤背景值为标准，镍的污染程度居榜首，且两种方法中污染较为严重的点位相同的为：S6、S19、S20、S21、S22、S23、S28。

4 底泥重金属潜在生态风险评价

潜在生态风险评价法是由瑞典科学家Hakanson于1980年提出的，它是通过将重金属含量、重金属生态效应、环境效应及毒理学结合起来，综合考虑了重金属的毒性在土壤和沉积物中普遍的迁移转化规律以及评价区域对重金属污染物的敏感性，划分出重金属潜在危害的程度，是综合反映重金属对生态环境影响潜力的重要手段，其计算过程包括单污染因子指数、毒性响应系数及潜在风险单项系数。其计算公式如下：

式中：RI指潜在生态风险指数。

潜在生态危害水平划分表见表6。

表6 和RI与污染程度关系

潜在风险指数见下表7所示：

由表7可知，7种不同元素的潜在生态危害趋势为：Hg>Cd>Cu>As>Pb>Cr>Zn，其中汞的潜在危害程度是很强，镉、铜的潜在危害程度是强，砷、铅、铬的潜在危害程度为中等，锌的潜在危害程度是轻微。而从整个区域来分析，除点位S15、S23、S28、S29为中度生态危害外，其他点位的潜在生态风险指数为轻微生态危害。

表7 底泥重金属元素的潜在生态风险指数值

5 底泥重金属来源分析

本节首先对底泥污重金属相关性进行分析，有助于根据污染物的相关性界定来源，从而进一步对于底泥重金属污染物来源进行逻辑分析。

5.1 底泥重金属相关性分析

元素之间如果存在较高相关性，说明元素之间可能存在相同的污染源，为进一步了解青海某水库重金属来源，对青海某水库底泥重金属之间的相关性进行分析。

表8 水库底泥重金属相关性

经过SPSS相关性分析，Cu与Zn、Cd、Pb、Cr、Ni、As、Mn呈极显著的正相关，Zn与Cd、Pb、Ni、As呈极显著的正相关，Cd与Pb、Ni、As、Mn呈极显著的正相关，Pb与Ni、As、Mn呈极显著的正相关，Cr与Ni、Mn呈极显著的正相关，Ni与As、Mn呈极显著的正相关，说明这几种元素有相同的来源；而Hg除了与Ni有一定的相关性外，与其他元素均没有相关性，说明汞与其他元素没有相同的来源。

5.2 底泥重金属来源理论分析

全国河流湖泊水库底泥污染状况调查结果显示，我国水系底泥重金属普遍较环境背景更为富集，底泥重金属含量超环境背景值是全国性的普遍现象。底泥重金属污染的综合评价(单因子否决)结果显示，全国906个底泥监测断面中，有732个底泥重金属超过环境背景值，占全部断面的80%[7]。

全国省级行政区中，底质监测断面重金属综合评价全部超背景的省(自治区、直辖市)有:宁夏、青海、甘肃、上海、山西、天津和北京(样本较少)。从单项重金属超背景情况看，除汞污染具有一定的普遍性外，其它重金属污染分布具有明显的地域性特点。西北地区的青海、宁夏、新疆和陕西等省区主要为铜、铬、铅超背景，云南和广西主要为镉和汞超背景[7]。另外，从本区域的污水厂[8]底泥污染物研究也表明，生活污水底泥与水库底泥污染主要元素上不具备相关性。

国内学者对部分水库铁、锰进行调查研究发现，水库中铁、锰分布随着水温分层性的变化而发生季节性的变化。徐毓荣研究了贵州阿哈水库锰垂直分布特征，研究表明，锰分布特征与季节、水温分层变化有一定的关系[8]。这些水库铁、锰超标主要原因是:夏季水库水温分层明显，形成温跃层，温跃层的形成起着一种保护隔离的作用，上下水体被温跃层隔开导致缺少对流运动，引起表层氧气难以进入库底，水库底层溶解氧被有机物分解、底栖生物和还原性污染物所消耗，水库底层溶解氧持续下降、pH下降，导致沉积物中的铁、锰释放，导致水体中铁、锰浓度升高。冬春季上下层水温基本趋向等温状态，水库底层溶解氧及pH高，这时整个水库底层处于氧化状态，在氧化环境条件下，铁、锰被氧化为高价态而形成难溶化合物，沉积在水库底层沉积物与水界面附近，并储积于沉积物表层，导致沉积物中铁、锰含量的上升，水中铁、锰浓度相应降低[9]。

综上，锰为环境中常量元素，会随着季节变化和水体扰动等在沉积物和水体中沉积和释放。

6 结论以及建议

(1)通过对青海某水库35个点位底泥中9种元素的测定，结果表明：除部分点位砷元素超标外，其余7种元素含量均能满足标准；砷元素共有15个点位超标，底泥中重金属含量普遍偏高的点位有13个。内梅罗综合指数法和地质累积指数法的分析显示，从不同元素的评价数据均值来看，两种方法由于判别标准的差别结果虽然有一些差异，但判别结果均为底泥重金属均有轻度污染。潜在生态危害风险评价：7种不同元素的潜在生态危害趋势为：Hg>Cd>Cu>As>Pb>Cr>Zn，除4个点位评价为中度生态危害风险外，其他点位的潜在生态风险指数为轻微生态危害。经过底泥重金属相关分析表明：Cu与Zn、Cd、Pb、Cr、Ni、As、Mn呈极显著的正相关，Zn与Cd、Pb、Ni、As呈极显著的正相关，Cd与Pb、Ni、As、Mn呈极显著的正相关，Pb与Ni、As、Mn呈极显著的正相关，Cr与Ni、Mn呈极显著的正相关，Ni与As、Mn呈极显著的正相关，说明这几种元素有相同的来源；而Hg除了与Ni有一定的相关性外，与其他元素均没有相关性，说明汞与其他元素没有相同的来源。

(2)建议进一步加强水源地保护，杜绝污染隐患。加大水源地保护工作力度，彻底清理根治影响饮用水源安全的各种因素，构筑饮用水安全保护屏障。进一步对底泥重金属进行形态分析，建立超标重金属形态特征与水质关系的研究，了解其综合毒性，并深度分析其来源。建立底泥重金属与水质、水体流动之间的拟合关系模型，分析库区水质变化与水文数据和底泥之间的关系，掌握底泥重金属沉积对水质变化的影响。