黄岛区水库底泥重金属污染特征及潜在生态风险评价

李晓萱，高琦琦，何 超，王乾润，杨昊明，王恒毅

（1. 山东科技大学地球科学与工程学院，山东 青岛 266590； 2. 山东科技大学计算机科学与工程学院，山东 青岛 266590）

0 引 言

水库是世界各国重要的储水场地，底泥作为水库生态系统的重要组成部分，对水库水质有着重要的影响。在河流湖泊污染治理过程中，底泥污染治理是一大难点，也是普遍存在的环境问题。水体和底泥之间存在着吸收和释放的动态平衡，当水体存在较严重污染时，一部分污染物能够通过沉淀、吸附等作用进入底泥中；当外源造成的污染得到控制后，累积于底泥中的各种有机和无机污染物通过与上覆水体间的物理、化学、生物交换作用，重新进入到上覆水体中，成为影响水体水质的二次污染源［1］。因此，水库底泥重金属污染的研究不仅为重金属污染防治提供依据，也对水环境的治理、水质安全的保障具有重要意义。

国内外对于水库底泥重金属污染均有大量研究，大量文献显示大小河流均受到不同程度的重金属污染。张云霞［2］等研究表明，重金属固化稳定技术能有效控制重金属二次污染；郭超［3］等研究表明，虽然部分重金属在底泥中含量较低，但是仍存在该重金属释放进入水体从而造成水体二次污染的风险；Said A.Shetaia［4］等研究表明，布鲁卢斯湖的重金属污染非常严重，人为活动是重金属污染的主要来源。

目前，黄岛区境内有较大河流10 条，大中型水库5 座，小型水库206座［5］。于诰方［6］、陈蕾［7］等人对青岛部分水库底泥重金属进行了研究，各水库均有不同程度的污染。为进一步了解黄岛区水库底泥重金属的具体情况，对黄岛区农村供水地区10处水源地（包括吉利河河道，狄家河水库，崖下水库，柏乡水库，花沟水库，西寨水库，墨得水水库，林子水库，陡阳水库）底泥情况进行采样检测，利用地累积指数法、潜在生态危害指数法、污染负荷指数法及多方法综合评价的方法，分析重金属的污染程度及可能来源，为水厂水质安全提供理论支持。

1 检测方法与仪器

1.1 样品采集与测试

基于山东省发布的《底泥污染状况调查点位布设技术规范》（DB37/T 4327-2021）的要求，依据水库实际形状各水库选取三个点位，使用抓斗式采样器对10 个水库的底泥进行采样。采样点的分布情况见图1。

图1 黄岛区各水库底泥采样点分布示意图Fig.1 Distribution diagram of sediment sampling points of each reservoir in Huangdao District

检测方法参考CJ/T221-2005 城市污水处理厂污泥检验方法进行处理检测，将采集的样品混匀后风干，粉碎后过100 目筛，然后取样105 ℃烘干，恒重后称取0.2 g 左右样品，使用硝酸-盐酸作为消解介质，用微波消解仪进行消解，消解排酸后，定容检测。

1.2 检测的主要仪器

微波消解仪：美国CEM 公司生产的MARS 微波消解仪；ICP-MS：美国安捷伦公司生产的7 500 a 电感耦合等离子体光谱质谱仪；原子荧光分光光度计：北京金索坤技术开发有限公司生产的SK-2003AV 型原子荧光分光光度计；电子天平：瑞士梅特勒仪器公司AT400 电子天平；pH 计：上海仪电科学仪器股份有限公司PHSJ-4F型pH计。

2 评价方法介绍

2.1 地累积指数法

地累积指数法是德国学者Muller 提出的，被广泛用于沉积物中重金属污染程度的定量研究［8］。这种方法对于外源重金属于沉积物中的富集程度反映地比较直观，数据对比性很高［9］。地累积指数的计算公式如下：

式中：Igeo为地累积指数；Cn为重金属n在沉积物中的实测含量，为mg/kg；Bn为沉积物中所测元素的地球化学背景值，mg/kg；k为考虑到重金属沉积作用可能会引起的背景值的变动而设定的常数（一般k＝1.5）。

评价的金属元素参考山东省地方标准《底泥重金属污染状况评价技术指南》（DB37/T4471-2021）中列出的金属元素，包括Hg、Cd、Pb、Cr、Cu、Zn、Ni、As 8 种金属元素作为评价因子，背景值使用青岛土壤地球化学背景值［10］。将测得重金属含量代入（1）可得地累积指数Igeo，进行污染程度分级，分级标准见表1。Igeo值愈大，代表底泥沉积物中污染程度愈大。［11］

表1 重金属污染程度与地累积指数Igeo分级Tab.1 Heavy metal pollution degree and local accumulation index Igeo classification

2.2 潜在生态危害指数法

潜在生态危害指数法是评价重金属生态风险最常见的方法之一，也是目前山东省的地方评价标准，通过工业化前底泥重金属的最高背景值富集度和相关重金属的毒性系数加权求和计算出生态危害指数［12］。该指数不仅反映了重金属在底泥中的含量和毒性水平，而且反映了所测水体对于各种重金属的敏感度［13］。根据山东省地方标准《底泥重金属污染状况评价技术指南》（DB37/T4471-2021）中潜在生态危害指数法进行单元素评价，公式［14］为：

式中：Eri为单种重金属的潜在生态危害指数；Tri为各重金属的毒性响应系数，见表2；RI为多种重金属的潜在生态危害指数；Wsi为样品浓度实测值；Cni为背景参照值，见表2。指数Eri、RI与潜在生态危害程度划分见表3。

表2 重金属毒性响应系数及背景参考值Tab.2 Heavy metal toxicity response coefficient and background reference value

表3 潜在生态危害指数及分级关系Tab.3 Potential ecological hazard index and grading relationship

2.3 污染负荷指数法

污染负荷指数法是评价重金属的污染水平的一种数理统计方法［15］，利用采样点各重金属实测含量，反应某一点或者某一区域重金属对环境污染的贡献能力以及它们在时间和空间维度上的变化趋势，该评价方法较为科学、直观［16，17］。其计算公式［18］为：

式中：CFi是重金属i的最高污染系数；Ci是元素i的实际测量含量；C0i是元素i的土壤地球化学背景值【10】；PLI是污染负荷指数；PLIzone是流域的污染负荷指数；n是所评价元素的种类数。PLI与污染程度的关系见表4。

表4 污染负荷指数及分级关系Tab.4 Pollution load index and classification relationship

3 结果与分析

3.1 黄岛区水库底泥重金属含量特征

由黄岛区水库底泥重金属含量表（表5）可知，吉利河河道、狄家河水库、花沟水库、西寨水库底泥的平均含量均大于背景值，其中西寨水库Hg 含量与背景值［10］差异最大，花沟水库Hg元素变异系数高达103.098%，Hg 含量变化幅度较大。狄家河水库、崖下水库、花沟水库和西寨水库Cd 元素含量较背景值偏大，其中花沟水库Cd 元素变异系数达103.177%，变化幅度较大。狄家河水库、崖下水库、花沟水库和西寨水库的Pb 含量均小于背景值，其中花沟水库变异系数最大为106.486%，含量变化较大。Cr 含量仅在花沟水库大于背景值，变异系数达106.949%，含量变化最大，其余水库Cr含量变化较为稳定，且含量平均值均小于背景值。Cu含量平均值在狄家河水库、花沟水库、墨得水水库和陡阳水库要稍大于其背景值，其中西寨水库Cu含量平均值最大为32.150 mg/kg。狄家河水库、崖下水库、花沟水库、西寨水库、高城水库、墨得水水库和林子水库的Zn含量平均值均大于背景值，其中花沟水库的Zn含量与背景值差异最大。仅花沟水库Ni 含量平均值大于背景值，变异系数为111.102%，崖下水库的变异系数为92.088%，Ni含量变化幅度较大，其余水库Ni 含量平均值较为相近。狄家河水库、陡阳水库和花沟水库Fe 的平均含量大于背景值，其中花沟水库Fe 含量变异系数高达123.549%。花沟水库中As 含量平均值大于其背景值，变异系数也相对较大，达到99.722%，其余水库的As 含量平均值较为相近，变化较小。所有研究水库中Mn 含量平均值均远大于背景值，其中花沟水库Mn含量平均值高达16 410.500 mg/kg，各水库变异系数也较大，含量变化大。

表5 黄岛区水库底泥重金属含量表mg/kgTab.5 Table of heavy metal content in reservoir sediment in Huangdao District

根据各水库重金属含量，参考国标《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准（GB15618-2018）》［19］中农用地土壤污染风险筛选值（基本项目）中水田限值，西寨水库Hg 含量超过标准要求，花沟水库Cd 含量超过标准要求，其余重金属含量未超过标准要求。需要注意的是，标准中对铁、锰的含量未作要求，但是检测过程中发现，上述10个水库铁锰含量都较高，一旦水质条件发生变化导致其中的铁锰释放，将会导致上述水源地原水铁锰含量超标。

3.2 底泥重金属污染程度与风险评价

3.2.1 地累积指数法

将数据代入公式（1）对各重金属进行分析［20］，得图2（a）。由图可见，黄岛区水库底泥重金属样品中绝大多数地累积指数Igeo≤1，属于0～1 级，无污染或者轻度污染状态。其中，Cr、Ni 的地累积指数Igeo≤0，属于0级，无污染状态；Hg（狄家河水库、花沟水库）、Cd（狄家河水库、陡阳水库、高城水库、崖下水库、西寨水库）、Pb（狄家河水库、花沟水库、崖下水库、西寨水库）、Cu（花沟水库、莫得水水库、西寨水库）、Zn（狄家河水库、高城水库、花沟水库、崖下水库）、As（花沟水库）的地累积指数0＜Igeo≤1，属于1级，轻度污染状态。花沟水库Cd 的地累积指数1＜Igeo≤2，属于2级，偏中度污染状态。吉利河河道Hg的地累积指数2＜Igeo≤3，属于3 级，中度污染状态。西寨水库Hg 的地累积指数4＜Igeo≤5，属于5级，重度污染状态。

图2 地累积指数法箱体图Fig.2 Plot of the cumulative exponential method

对于上述地累积指数分级进行综合分析［21］，得到黄岛区水库底泥各重金属污染程度，由强到弱依次为：Hg＞Cd＞Zn＞Pb≥Cu≥As＞Ni≥Cr。由图3 可知，花沟水库、吉利河河道、西寨水库污染程度较重。

图3 地累积指数法各水库污染空间分布图Fig.3 Spatial distribution map of pollution in each reservoir by soil accumulation index method

3.2.2 潜在生态危害指数法

根据式（2）、（3）对上述重金属进行分析，得图4。由图4（a）、图4（b）可知，Zn、Pb、Cu、As、Ni、Cr 6 种重金属潜在生态危害指数Eri均小于40，属于轻微生态危害。Hg（吉利河河道、西寨水库）、Cd（花沟水库、西寨水库）重金属潜在生态危害指数Eri均大于40，属于中等及以上生态危害。由图4（c）可知，西寨水库潜在生态危害指数RI大于150，属于中等及以上生态危害，其余水库均属于轻微生态危害。

图4 潜在生态危害指数法箱体图Fig.4 Potential ecological hazard index diagram

对于上述分级进行综合分析［22］，得到黄岛区水库底泥各重金属潜在生态危害，由强到弱依次为：Hg＞Cd＞As＞Pb＞Cu＞Cr＞Ni＞Zn。各水库污染程度见图5，西寨水库污染较重。

图5 潜在生态危害指数法各水库污染空间分布图Fig.5 Potential ecological hazard index method pollution spatial distribution map of each reservoir

3.2.3 污染负荷指数法

根据式（4）～（6）对污染程度进行分析，得到图6。

图6 污染负荷指数法PLI图Fig.6 Pollution load index PLI diagram

Hg、Cr、Ni、As 污染负荷指数PLI＜1，属于无污染状态，Cd、Pb、Cu、Zn 污染负荷指数1≤PLI＜2，属于中度污染状态。狄家河水库、西寨水库、花沟水库区域污染负荷指数1≤PLIzone＜2，属于中度污染状态。各水库污染程度见图7。

图7 污染负荷指数法各水库污染空间分布图Fig.7 Pollution load index method pollution spatial distribution map of each reservoir

3.2.4 综合评价

综合上述3种方法，通过算法归一化，归一化分数=（原始分数—10 个水库的该算法最小值）/（10 个水库的该算法最大值—10 个水库的该算法最小值），然后将3 种归一化分数求和再除以3 算出结果。得到黄岛区水库底泥重金属污染空间分布图，如图8。西寨水库污染最为严重，其次为花沟水库，吉利河河道、狄家河水库也存在一定程度的污染，其他水库状况较为良好。

图8 黄岛区水库底泥重金属污染空间分布图Fig.8 Spatial distribution map of heavy metal pollution in reservoir sediment in Huangdao District

4 底泥重金属来源讨论分析

相关性分析是对两个或多个具备相关性的变量元素进行分析，通过数学的方法计算重金属元素之间的相关系数的绝对值［23］，如果重金属相关性绝对值较大，那么可以判断这两种元素有较大概率来自于同一种物质；反之，如果元素之间的相关性系数绝对值较小，那么两种元素的来源存在差异，可以衡量两个变量因素的相关密切程度。

对污染最为严重的西寨水库各元素相关性进行分析，见图9。可以发现西寨水库的Hg 元素与其他元素的相关性都不高，可以推断西寨水库的Hg 元素大概率来自单一污染物，其来源更多的可能来自于含汞高的工业废水。Cd 与Cr、Zn，Pb 与Cr、Cu、Mn，Cu 与Ni 等元素的相关性较高，论证了这些元素联系复杂性，污染大概率来自复杂化合物，包括化肥农药、未经有效净化处理的生活污水等［24］。西寨水库周边是以城镇为主，但工厂数量较多，周边存在类似于饲料厂、化肥厂这类对环境影响较大的工厂，这类工厂的工业用水没有得到有效处理以及化肥农药的使用，是导致西寨水库污染的主要原因；其次西寨水库周边发展博览园、采摘园等旅游经济，生活污水增加，间接导致了该水库污染加重。

图9 西寨水库各重金属相关性分析Fig.9 Correlation analysis of heavy metals in Xizhai Reservoir

5 结 论

（1）黄岛区主要的10个水库中底泥重金属含量大部分未超过标准要求，但西寨水库Hg含量超过标准要求，花沟水库Cr含量超过标准要求，另外各水库的Fe、Mn 含量都较高，需要引起重视。

（2）综合地累积指数法、潜在生态风险指数法及污染负荷指数法对黄岛区水库底泥各重金属污染程度进行综合评价显示，各重金属污染程度表现为：Hg＞Cd＞Zn＞Pb≥Cu≥As＞Ni≥Cr，Hg、Cd 为最主要的重金属污染物。黄岛区水库底泥各重金属潜在生态危害表现为：Hg＞Cd＞As＞Pb＞Cu＞Cr＞Ni＞Zn，Hg、Cd是潜在的生态危害因素。

（3）花沟水库、吉利河河道、西寨水库、狄家河水库，尤其是西寨水库，污染程度较为严重，今后的生态治理和水源利用过程中要格外注意。

（4）水库污染的因素主要还是以人为因素为主，主要来源基本是工业污水排放和生活用水没有有效处理，二者同时作用产生影响。