城區(qū)河道重金屬污染特征及潛在風(fēng)險(xiǎn)

緒論：在尋找寫作靈感嗎？愛發(fā)表網(wǎng)為您精選了1篇城區(qū)河道重金屬污染特征及潛在風(fēng)險(xiǎn)，愿這些內(nèi)容能夠啟迪您的思維，激發(fā)您的創(chuàng)作熱情，歡迎您的閱讀與分享！

0引言

隨著經(jīng)濟(jì)水平的迅速發(fā)展,我國城市化進(jìn)程逐步加快,城市人口劇增,工業(yè)生產(chǎn)加劇,由此產(chǎn)生的生活垃圾和工業(yè)“三廢”越來越多,大量的污廢水被排入到城市河道,而城市河道往往水動(dòng)力不足、水體流動(dòng)性差,導(dǎo)致城市內(nèi)河道黑臭現(xiàn)象嚴(yán)重。據(jù)統(tǒng)計(jì),我國流經(jīng)城市的河道已普遍受到污染[1],截止到2017年10月,我國地級及以上城市建成區(qū)黑臭水體達(dá)2100個(gè)[2]。城市河道污染給人們的生活造成了極大的影響,其中重金屬是造成河道水污染的主要原因之一,且是一個(gè)比較嚴(yán)重的污染問題[3]。重金屬不能被生物降解而在人和動(dòng)物、植物體內(nèi)富集,通過食物鏈放大,從而對環(huán)境和人的健康造成很大的危害,同時(shí)也影響了城市生態(tài)建設(shè)[4]。有數(shù)據(jù)顯示,我國江河湖庫的污染率高達(dá)80%以上,黃河、遼河等流域水體污染尤為嚴(yán)重,當(dāng)今水體重金屬污染防治已成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)[5]。我國已經(jīng)意識(shí)到了水體污染的嚴(yán)峻性,各地積極采取行動(dòng)進(jìn)行城市黑臭水體治理;加快改善城市水環(huán)境質(zhì)量[6]。2017年商丘市河道黑臭水體達(dá)82%,其中64%達(dá)到重度黑臭,形勢十分嚴(yán)峻[7]。因此,商丘市于2017年編制了污水與黑臭水體治理工程規(guī)劃[8],加強(qiáng)商丘市黑臭水體治理。河道重金屬污染調(diào)查和合理評價(jià)是河道重金屬污染治理的重要前提。為了解河道水生態(tài)環(huán)境狀況,選取河南省商丘市城區(qū)內(nèi)4條主要河道萬堤河、康林河、包河、永運(yùn)河為研究區(qū)域,對城區(qū)河道重金屬污染狀況進(jìn)行分析和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評估,以期為科學(xué)開展水污染治理提供依據(jù)和指導(dǎo)。

1材料和方法

1.1研究區(qū)概況及樣品采集

商丘市城區(qū)內(nèi)共有9條河道,分別是包河、運(yùn)河、萬堤河、忠民河、康林河、蔡河、古宋河、東沙河、中水河,其中運(yùn)河、中水河在市區(qū)呈東西流向,與其他7條河道相穿而過,屬于季節(jié)性雨源型河流,流經(jīng)市區(qū)總長度136.9km,流域面積300km2。根據(jù)商丘市城區(qū)河道黑臭污染情況的初判,本研究選擇萬堤河、康林河、包河、永運(yùn)河4條河道為研究對象,綜合考慮工業(yè)分布、主要污染源匯入口等進(jìn)行河道沉積物樣品采集,分別沿河道在商丘市城區(qū)境內(nèi)上、中、下游各設(shè)置3個(gè)采樣點(diǎn),每條河道設(shè)置9個(gè)采樣點(diǎn)位。在每個(gè)采樣點(diǎn)位采用抓斗采泥器采集0~20cm表層的河道底泥沉積物,每個(gè)采樣點(diǎn)位取5個(gè)樣本進(jìn)行混合,除去雜物,取約2kg裝入自封袋,待用。

1.2樣品處理及分析

將采集到的河道沉積物樣品陰干后研磨,100目過篩,采用原子吸收分光光度計(jì)測定測定金屬元素Cu、Zn、Pb、Cr、Cd的含量[9]。用SPSS16.0和Excel2003,對數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析及作圖。

1.3重金屬污染評價(jià)方法

采用地質(zhì)累積指數(shù)法[10]和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法[11],對研究區(qū)河道沉積物章重金屬含量進(jìn)行污染評估。1.3.1地質(zhì)累積指數(shù)法地質(zhì)累積指數(shù)法[10]反映重金屬分布的自然變化特征,是區(qū)分人為活動(dòng)的重要參數(shù)。地質(zhì)累積指數(shù)(Igeo)=log2[Cn/(k×BEn)],式中,Cn為樣品中金屬元素n的實(shí)際濃度,BEn為環(huán)境背景濃度值,取河南省土壤元素背景值Cu、Zn、Pb、Cr、Cd分別為20.0、62.5、21.8、63.3、0.064mg/kg[12],k是修正指數(shù),取1.5[13]。參考孫井梅等[14]的研究地質(zhì)累積污染分級見表1。1.3.2潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法是一種定量計(jì)算沉積物中重金屬潛在生態(tài)危害的方法,能綜合反映土壤中重金屬的影響潛力。潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)(Eir)=Tir×Cif=Tir×Cir/Cim,綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)(RI)=∑niEir。式中,Cif為重金屬元素i的污染指數(shù);Cir為重金屬元素i的實(shí)測含量;Cim為參照值;Tir為重金屬元素i的毒性響應(yīng)因子(Cu=5,Zn=1,Pb=5,Cr=2,Cd=30)[15];Eir為重金屬元素i的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù);RI為綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)。參考徐爭啟等[15]潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)污染等級劃分見表1。

2結(jié)果與分析

2.1河道沉積物重金屬含量分析

由表2可以看出,商丘市城區(qū)4條主要河道沉積物中重金屬Cu、Zn、Pb、Cr、Cd含量平均值分別為30.27、82.71、18.85、306.85、2.94mg/kg,除Pb外,其他4種重金屬平均含量均超過河南省土壤環(huán)境背景值。其中重金屬Cd的平均含量為河南省土壤環(huán)境背景值的45.90倍,超標(biāo)率達(dá)91.67%;Cr的平均含量為背景值的4.85倍,超標(biāo)率為100%;Cu和Zn的平均含量分別為背景值的1.51倍和1.32倍,超標(biāo)率分別為72.22%和83.33%;Pb的平均含量雖然沒有超過背景值,但超標(biāo)率達(dá)到了44.44%。變異系數(shù)(CV)可以說明重金屬含量的離散程度,變異系數(shù)越大,表明受人為活動(dòng)的干擾作用越強(qiáng),根據(jù)變異系數(shù)大小進(jìn)行分級,變異系數(shù)高于30%為強(qiáng)變異,介于10%和30%間的為中等變異,低于10%為弱變異[16]。由此,商丘市主要河道重金屬Cu、Zn、Pb、Cr、Cd均屬于強(qiáng)變異水平,這說明其在空間上受人為干擾較為嚴(yán)重。表2顯示,萬堤河重金屬Zn、Pb和Cd的含量均高于其它河道,而康林河Cu和Cr含量最高,永運(yùn)河中Cu、Zn、Pb、Cr、Cd5種重金屬含量均低于其他3條河道,且差異均達(dá)到顯著水平,由此可見,萬堤河和康林河污染較為嚴(yán)重,而永運(yùn)河污染程度相對較低。

2.2河道沉積物重金屬含量相關(guān)性分析

由河道重金屬含量相關(guān)性分析(表3)可以看出,不同河道沉積物中重金屬污染來源存在差異。萬堤河沉積物中各重金屬含量均表現(xiàn)為正相關(guān)關(guān)系,重金屬Cu-Zn、Cu-Pb、Zn-Pb、Pb-Cr和Cr-Cd兩兩之間相關(guān)性達(dá)到顯著水平,說明這些重金屬元素可能來源一致;Cu-Cr間相關(guān)性達(dá)到極顯著水平,相關(guān)系數(shù)為0.855,由此推測河道中重金屬Cu和Cr污染源極可能相同。與萬堤河類似,康林河中多種元素間表現(xiàn)出顯著正相關(guān)關(guān)系,其中Cu-Zn、Cu-Pb、Zn-Pb、Zn-Cd、Pb-Cr和Cr-Cd兩兩間表現(xiàn)為顯著正相關(guān),Zn-Cr之間相關(guān)系數(shù)為0.899,達(dá)到極顯著水平,這表明康林河種重金屬Cu、Zn、Pb、Cr、Cd具有一定的同源性,且Zn和Cr來自同一污染源的可能性更大。包河中重金屬含量Zn和Cd相關(guān)系數(shù)為0.890,表現(xiàn)為極顯著正相關(guān)關(guān)系,而Cu、Pb和Cr均其他元素相關(guān)性不大,說明包河中Zn和Cd可能來源相同,而重金屬Cu、Pb和Cr可能來源于成土母質(zhì)或其它特殊污染源。永運(yùn)河Cu-Zn和Cu-Pb兩兩間表現(xiàn)為顯著正相關(guān),而Cr和Cd與其他元素均不相關(guān),說明永運(yùn)河中Cu的來源可能與Zn和Pb一致,而Cr和Cd則可能來源于成土母質(zhì)或有其他特殊來源。

2.3河道沉積物重金屬污染評價(jià)

2.3.1地質(zhì)累積指數(shù)評價(jià)表4是以河南省土壤環(huán)境背景值為基準(zhǔn)值,采用地質(zhì)累積指數(shù)法計(jì)算的商丘市4條河道沉積物中5種重金屬的地質(zhì)累積指數(shù)。從表中可以看出,萬堤河、康林河、包河和永運(yùn)河中5種重金屬Igeo的平均值表現(xiàn)為Cd>Cr>Cu>Zn>Pb。根據(jù)Igeo分級標(biāo)準(zhǔn)(表1),商丘市河道沉積物中重金屬Cu、Zn和Pb含量總體上處于無污染水平(Igeo小于0),而Cd和Cr則分別處于偏重和偏中度污染水平,其中,萬堤河、康林河和包河污染情況基本一致,3條河道均表現(xiàn)為Cd的Igeo值最高,Cd污染程度為重度或嚴(yán)重污染水平,其次為Cr,屬于偏中度或中度污染水平,而Cu、Zn和Pb均處于無污染或輕度污染水平。永運(yùn)河污染情況有所不同,5種重金屬的Igeo值均顯著低于其他3條河道,除Cr外,其他幾種元素Igeo值均小于0,處于無污染水平。2.3.2潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)評價(jià)由表5可知,4條河道的5種重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)均表現(xiàn)為Cd>Cr>Cu>Pb>Zn,這與地質(zhì)累積指數(shù)平均值表現(xiàn)一致,其中永運(yùn)河的5種重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)值均顯著低于其他河道,這與地質(zhì)累積指數(shù)評價(jià)結(jié)果一致。而包河除Pb外,其他4種元素的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)均低于萬堤河和康林河,且Zn和Cd均達(dá)到顯著水平。4條河道的綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)RI值表現(xiàn)為萬堤河和康林河最高,其次為包河,而永運(yùn)河RI值最低,萬堤河、康林河和包河的RI值分別是永運(yùn)河的13.92、13.69和8.22倍。根據(jù)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)分級標(biāo)準(zhǔn)(表1),4條河道重金屬Cu、Zn、Pb、Cr均為輕微潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn),除永運(yùn)河中Cd屬于強(qiáng)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)外,萬堤河、康林河和包河中Cd均達(dá)到極強(qiáng)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平。從綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)來看,萬堤河、康林河和包河RI值均大于600,達(dá)到很強(qiáng)的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平,而永運(yùn)河RI值最低,為152.07,屬于中等潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平。綜合2種評價(jià)方法,結(jié)果大致相同,均表現(xiàn)為萬堤河污染最為嚴(yán)重,其次是康林河,而污染程度最輕的是永運(yùn)河,5種重金屬中污染程度最高的是Cd,Cd對綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的平均貢獻(xiàn)最高,其貢獻(xiàn)率為92.13%,由此可知,元素Cd是重金屬污染的主要因子。

3討論

重金屬的分布與附近污水排放有直接的關(guān)系。萬堤河上游分布有鋼材市場、毛紡織廠,而鋼材的生產(chǎn)與加工可能會(huì)造成Cu、Cd、Pb和Zn的相對富集[17],紡織產(chǎn)品生產(chǎn)制造過程會(huì)產(chǎn)生重金屬Cr、Cd和Pb[18],且相關(guān)性分析顯示Cu-Zn、Cu-Pb、Zn-Pb、Pb-Cr和Cr-Cd之間具有顯著或極顯著相關(guān)性,萬堤河中重金屬Cu、Cd、Pb和Zn具有相似來源,因此,鋼材市場和毛紡織廠可能是萬堤河上游重金屬污染較為嚴(yán)重的主要原因;而萬堤河沿途主要為居民區(qū)、醫(yī)院等,因此認(rèn)為居民生活污水和醫(yī)院污水可能也是造成河道重金屬污染的主要原因,長期的沉降及富集可能是導(dǎo)致重金屬污染在下游聚集,造成下游重金屬污染更為嚴(yán)重?？盗趾由嫌畏植加幸恍┕珗@,而中下游沿途有制藥廠、汽修廠、玻璃二次加工廠等,這些工廠廢水的排放并在下游匯聚可能是造成康林河重金屬污染嚴(yán)重的主要原因;包河上游分布有毛紡織廠、皮革廠和鐵藝制作廠等,皮革廠工業(yè)廢水排放可能會(huì)造成Cd含量的增加[19],此外,包河也接納了商丘西部和南部的生活污水,沿途主要分布有社區(qū)和學(xué)校等,因此認(rèn)為工業(yè)污水和生活污水的排放可能是造成的包河污染重要原因。相比之下,永運(yùn)河重金屬含量較低,永運(yùn)河沿途分布許多公園,是西南東北走向,與其他河道所不同,縱橫穿越許多小河流及干渠,污染源可能主要來源于其它河道匯入;此外,永運(yùn)河上游有大量耕地,農(nóng)藥、化肥中含有較多的Cd元素[20-21],農(nóng)業(yè)活動(dòng)中農(nóng)藥、化肥的使用也可能是造成永運(yùn)河重金屬污染的重要原因。商丘市城區(qū)4條河道沉積物Cu、Zn、Pb、Cr、Cd5種重金屬平均地質(zhì)累積指數(shù)和綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)均表現(xiàn)為萬堤河>康林河>包河>永運(yùn)河,由此認(rèn)為各河道污染程度大小順序?yàn)槿f堤河>康林河>包河>永運(yùn)河,其中萬堤河、康林河和污染程度均達(dá)到很強(qiáng)的綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平,而永運(yùn)河污染程度較輕,屬于中等污染水平。河道沉積物重金屬的產(chǎn)生包括自然原因和人為原因,自然原因主要來源于成土母質(zhì)[22],人為原因主要是人類生活帶來的直接和間接排放的重金屬。本研究中,各河道沉積物中重金屬Cd對綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的貢獻(xiàn)率均為最高,因此認(rèn)為除生活和工業(yè)廢水排放外,成土母質(zhì)也可能是造成河道重金屬Cd含量較高的一個(gè)方面。

4結(jié)論

綜合來看,4條河道的污染程度由高到低依次為萬堤河>康林河>包河>永運(yùn)河,其中,萬堤河、康林河和包河綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)值RI均大于600,達(dá)到很強(qiáng)的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平,而永運(yùn)河屬于中等潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平。5種重金屬的地質(zhì)累積指數(shù)和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)在萬堤河、康林河、包河、永運(yùn)河4條河道的平均值表現(xiàn)為Cd最高,Cr次之,而Zn和Pb最低,兩種評價(jià)結(jié)果基本一致,其中Cd對綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的平均貢獻(xiàn)最高,其貢獻(xiàn)率達(dá)到92.13%。由此可見,商丘河道重金屬污染情況仍不容樂觀,相關(guān)部門應(yīng)該重視起來,轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式,改變污水治理理念,重視城市河道重金屬的污染,控制重金屬污染的源頭,從內(nèi)治理,把禍水疏浚,一條河道一項(xiàng)策略,治標(biāo)的同時(shí)也要治本。完善相關(guān)政策或法律法規(guī),并落實(shí)到位,成立專門監(jiān)察環(huán)境的部門,加強(qiáng)對排污企業(yè)的懲罰力度,建立健全污水治理機(jī)制。此外,企業(yè)和市民也要提高自身的環(huán)保意識(shí),共同為打造“美麗商丘”而努力。

作者:馬麗 郭學(xué)良 曾湘茹 劉希嘉 楊森 單位:商丘師范學(xué)院生物與食品學(xué)院 商丘市土壤肥料站