引用本文
王卫星, 曹淑萍, 李攻科, 高洪生, 张岩. 天津市州河水质及其底泥重金属污染评价[J]. 物探与化探, 2017,41(2): 322-327.
WANG Wei-Xing, CAO Shu-Ping, LI Gong-Ke, GAO Hong-Sheng, ZHANG Yan. Evaluation on water quality and heavy metal contamination of sediments in Zhouhe River of Tianjin City[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2017,41(2): 322-327.  
Doi:10.11720/wtyht.2017.2.20
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天津市州河水质及其底泥重金属污染评价
王卫星1, 曹淑萍1, 李攻科1, 高洪生1, 张岩2
1.天津市地质调查研究院,天津 300191
2.天津市地质矿产测试中心,天津 300191

作者简介: 王卫星(1982-),男,高级工程师,研究生学历,2010年毕业于中国地质大学(北京),主要从事应用地球化学方向研究工作。Email:66318420@qq.com

收稿日期: 2015-12-22
基金: 中国地质调查局项目(12120113002000); 天津市国土资源和房屋管理局项目(国土房任[2014]32号)
摘要

随着城镇化的快速发展,我国很多城镇河道的水环境和底泥也受到污染。州河是天津市蓟县境内最大的一条河流,近十多年来,其河水受到污染,河流生态环境恶化。以蓟县境内州河河水及其底泥采样分析数据为依据,评价了州河水质及其底泥重金属污染状况,为州河水环境综合治理提供科学依据。依据农田灌溉水质标准评价结果,州河上游河水适合于农业灌溉,下游河水不适用于农业灌溉。基于底泥质量基准法评价结果,州河底泥Cr、Ni受到中等污染,上游底泥Hg受到严重污染,Zn 、Cu受到中等污染;基于底泥地质累积指数法评价结果,州河上游底泥Cd、Cu、Zn处于无—中度污染级别,Hg处于强度污染级别;综合两种评价结果,州河底泥中重金属主要污染元素为Hg、Ni、Cr,次要污染元素为Zn、Cd、Cu。

关键词: 州河; 水质; 底泥; 重金属; 污染评价
中图分类号:P632 文献标志码:A 文章编号:1000-8918(2017)02-0322-06
Evaluation on water quality and heavy metal contamination of sediments in Zhouhe River of Tianjin City
WANG Wei-Xing1, CAO Shu-Ping1, LI Gong-Ke1, GAO Hong-Sheng1, ZHANG Yan2
1. Tianjin Institute of Geological Survey, Tianjin 300191, China
2. Tianjin Geological and Mineral Testing Center, Tianjin 300191, China
Abstract

With the rapid development of urbanization, water environment and sediments of many urban rivers have been polluted in China. The Zhouhe River is the largest river in Jixian County, Tianjin, but the river has been polluted over the past 10 years, which made the ecological environment worse. In this paper, the water quality and the pollution of heavy metals in sediments were evaluated for water and its sediments in the Zhouhe River of Jixian County as the medium to provide scientific basis for the comprehensive management of water environment in the future. The research shows that the river water is suitable for agricultural irrigation, but the downstream water is not suitable for agricultural irrigation. The evaluation based on sediment quality standard method shows that Cr, Ni in the sediments have caused moderate pollution, Hg in the upstream sediments has caused serious pollution, and Zn, Cu in the upstream sediments have caused moderate pollution. Results based on the sediment geological accumulation index show that Hg, Zn and Cd in the upper reaches of the river are at the level of Cu, and the intensity of the grade is in the intensity of the country; Cd, Cu, Zn in the upstream sediments are at the level of non-moderate pollution, and Hg is at the level of intense pollution. Comprehensive evaluation of two results show that the major pollutions of heavy metals are Hg, Ni, Cr, and the secondary pollutions of heavy metals are Zn, Cd , Cu in the sediments in Zhouhe River.

Keyword: Zhouhe River; water quality; sediments; heavy metals; pollution assessment
0 引言

河道污染是世界范围内普遍存在的环境问题, 随着我国城镇化的快速发展, 很多城镇河道成为工业和市政污水的排泄通道, 接纳了大量的点、面源污染物, 水质下降。底泥是水环境的重要组成部分, 作为污染物的“ 汇” 与“ 源” , 对水环境的修复有着重要影响[1, 2]。河流底泥是液— 固两相界面的交界, 是环境科学研究的热点问题[3]。水体污染物可通过沉淀、生物吸收、吸附等多种途径进入底泥, 而底泥中的污染物在一定的环境条件下, 可以再次从底泥中释放出来, 进入水体, 并通过生物富集、食物链等生态过程, 直接或间接地影响生物和人类健康[4, 5, 6]。很多学者研究认为, 底泥是水体污染的指示剂, 其环境质量反映着水体的污染状况[7]。底泥疏浚将有效改善水体水质, 是污染河流、湖泊修复和综合整治的重要措施[8]。前人研究认为, 许多河流和湖泊, 特别是城市河道底泥重金属污染严重[9]。重金属污染物具有环境危害持久性、地球化学循环性、生态风险性的特点, 通过各种途径进入水体的重金属, 绝大部分迅速由水相转入固相, 结合到悬浮物和底泥中[10]。底泥中重金属蓄积量可以反映底泥对上覆水体影响的持久力, 其分布情况可反映所在流域的重金属污染状况[11, 12, 13, 14, 15]。

州河是天津市蓟县境内最大的一条河流, 是蓟县的母亲河, 其在蓟县境内长约90多km, 形成年代久远。在20世纪90年代以前, 州河河水清澈甘甜, 水量充沛, 河流沿岸景观秀丽, 可作为沿河村民饮用水及农田灌溉水。然而自90年代末以来, 由于河流上游蓟县城区及其工业快速发展, 河水受到污染, 加之对上游水的大量截流使用, 下游水量大幅减少, 河水的自净能力减弱, 使得河流生态环境恶化, 河水的景观和水功能下降。近十多年来, 由于水质变差, 使用州河河水灌溉农田的村民越来越少, 更不用说是饮用了。

在一定条件下, 河流污染物可以在水体和底泥间进行吸附— 解吸的循环过程, 因此, 需要对河流水体和底泥同时进行分析研究。笔者以蓟县境内州河河水及其底泥为介质, 对州河水质进行了评价, 并对其底泥中重金属元素的污染进行分析, 为州河水环境综合治理提供科学依据。

1 研究方法
1.1 样品采集

本次研究的水样和底泥样品均采自州河干流, 样品采集从州河下游(入潮白河之前)开始, 一直持续到上游(州河汇集处), 约间隔5 km采集一件水样和底泥样品(图1), 在靠近河道中心部位采集。水样采集后, 根据测试指标不同, 依据《DD2005-03区域生态地球化学样品分析技术要求(试行)》要求执行添加不同的保护剂, 及时送实验室分析测试。采用多点混合法采集河道表层底泥样品(沉积物), 装入布袋及时通风晾干, 粉碎过10目筛子后装入纸袋, 送实验室进一步加工后分析测试。

图1 州河水样和底泥采样点分布

1.2 样品测试

表1为水样测试方法, 底泥样品中重金属元素Ni、Zn、Pb、Cr、Cu采用XRF法测定, Cd采用ICP-MS法测定, As、Hg采用AFS法测定。底泥样品分析时采用国家一级标准物质进行质量控制, 质量监控按照中国地质调查局《DD2005-01多目标区域地球化学调查规范(1:250000)》和《DD2005-03生态地球化学评价样品分析技术要求》的相关要求, 水样分析检测过程中的质量控制按《DZ/T0130-2006 地质矿产实验室测试质量管理规范》要求, 样品测试单位为具有相关测试资质的天津市地质矿产测试中心。

表1 水质样品分析配套方法
1.3 评价方法

1.3.1 水样评价方法

鉴于目前州河水质变差, 中上游水量相对充沛, 仍有少部分沿河村民使用州河水灌溉农田。因此, 采用《GB5084-2005农田灌溉水质标准》进行单指标评价和综合评价。灌溉水中评价指标含量低于标准值为合格, 含量高于标准值为不合格。在单指标评价的基础上, 每件水样中任何一项单指标不合格, 灌溉水综合评价为不合格。

1.3.2 底泥重金属污染评价方法

河道底泥中重金属污染评价方法很多, 常见的主要有单因子指数评价法、富集系数法、污染负荷指数法、地质累积指数法、潜在生态危害指数法、健康风险评价法、次生项与原生项分布比值法、沉积物质量基准法等 1617。各种方法各有侧重, 本研究考虑到今后州河水可能作为沿河居民灌溉、渔业、生态景观的利用功能, 采用沉积物质量基准法和地质累积指数法评价州河底泥重金属元素污染情况。

沉积物(底泥)质量基准是指特定化学物质在沉积物中的实际允许数值 1820, 其“ 实际允许数值” 是针对与沉积物直接接触的底栖生物而言, 是底栖生物免受特定化学物质危害的保护性临界水平。沉积物质量基准是沉积物分析和研究的基本点 2122, 评价方法为:将各重金属的浓度与相应的生物毒性效应阈值ERL和ERM 比较, 高于ERM值, 表明沉积物受到严重污染, 并呈现严重生物毒性效应; 低于ERL 值, 表明沉积物未污染或轻度污染, 基本无生物毒性效应; 介于ERL和ERM之间时, 沉积物属于中等污染水平。沉积物重金属污染评价中的基准值ERL和ERM来自Long和MacDonald等从北美沉积物生物效应数据库中导出的生物毒性效应阈值(表2)[23, 24]。

表2 沉积物中重金属生物毒性阈值 10-6

地质累积指数(Igeo)是德国海德堡大学沉积物研究所的科学家 Mü ller 提出的一种研究水环境沉积物中重金属污染的定量指标[25], 计算公式为: Igeo = log2[Cn/(k× Bn)], 式中:Cn 是指元素在沉积物中的含量; Bn是为沉积岩(一般为普通页岩)中的地球化学背景值; k为常数, 一般取1.5, 用来表示沉积特征、岩石地质特征及其他因素的影响。地质累积指数可分为7级, 表示污染程度由无至极强, 地质累积指数与污染程度分级见表3。

表3 地质累积指数与污染程度分级
2 结果与讨论
2.1 河流水质评价

按照灌溉水标准对州河水质进行评价(表4), 在单指标评价中, 除了G1、G2、G4采样点中pH值不合格外, 其余样品各指标均合格。综合评价得出, G1、G2、G4采样点河水不合格, 不合格的采样点均位于州河下游, 可能与下游水量急剧减少有关。因此, 州河下游河水不适用于农业灌溉。

表4 州河水质样品评价标准和结果
2.2 底泥重金属污染评价

2.2.1 质量基准法评价

从图2可以看出:州河底泥中8项重金属元素均低于ERM值, 表明沉积物未受到严重污染, 未呈现严重生物毒性效应; Cd、Pb均低于ERL值, 表明沉积物未受到Cd、Pb污染或Cd、Pb轻度污染, 基本无生物毒性效应; Cr、Ni均介于ERL和ERM之间, 表明沉积物Cr、Ni属于中等污染水平, 可能会呈现轻度生物毒性效应。州河上游底泥(N5、N7样点)Hg接近ERM值, 表明上游沉积物Hg受到严重污染, 可能会呈现严重生物毒性效应; 州河上游底泥(N5、N7样点)Zn、Cu高于ERL值, 表明上游沉积物Zn、Cu属于中等污染水平, 可能会呈现轻度生物毒性效应。综合考虑各采样点底泥中各重金属元素超过质量基准值情况, 州河底泥重金属污染程度从大到小顺序大致为:Ni、Hg、Cr、Cu、Zn、As、Pb、Cd, 主要污染元素为Ni、Hg、Cr, 次要污染元素为Cu、Zn。

图2 州河底泥重金属含量分布

2.2.2 地质累积指数法评价

在计算地质累积指数时, 地球化学背景值的选择是关键。前人研究表明, 研究区沉积物或土壤的重金属背景值可以作为研究底泥重金属污染的地球化学背景值 2627。笔者选取蓟县南部平原区土壤重金属背景值作为污染评价的背景值, 各重金属元素的背景值及评价结果见表5。从表5可以看出:州河底泥中As、Cr、Ni、Pb的地质累积指数小于0, 表明所有样点未受到这些元素污染; 上游两个样点(N5、N7)Cd、Cu、Zn的地质累积指数均在0~1之间, 表明这两个样点Cd、Cu、Zn处于无— 中度污染级别, 其他样点中Cd、Cu、Zn的地质累积指数均小于0, 表明未受到污染; 下游Hg的地质累积指数小于0, 表明未受到Hg污染, 上游两个样点(N5、N7)Hg的地质累积指数在3~4之间, 表明这两个样点Hg处于强度污染级别, 样点(N4)Hg的地质累积指数在0~1之间, 处于无— 中度污染级别。综合考虑各采样点底泥中各重金属元素评价结果, 州河底泥重金属元素污染程度从大到小顺序大致为:Hg、Zn、Cd、Cu、Cr、Pb、Ni、As, 主要污染元素为Hg, 次要污染元素为Zn、Cd、Cu。

表5 州河沉积物重金属地质累积指数及污染级别

2.2.3 两种评价方法对比

对比质量基准法和地质累积指数法评价结果可以看出, 两种评价方法中Hg均为州河上游底泥中重金属污染元素。但是Ni在质量基准法评价中为主要污染元素, 而在地质累积指数法评价中却无污染, 这是因为质量基准值法没有考虑研究区域重金属元素背景值的影响, 地质累积指数法考虑了研究区重金属背景值的差异, 主要反映外源重金属的富集程度, 分析研究区土壤地球化学特征发现, 州河附近及其东部区域表层土壤中Ni大面积达到轻度污染级别[28]。因此, 地质累积指数法与质量基准法互为补充, 可以互相参考。综合二者评价结果, 州河底泥中重金属主要污染元素为Hg、Ni、Cr, 次要污染元素为Zn、Cd、Cu。

3 结论

1) 按照农田灌溉水标准评价结果, 州河上游河水适合于农业灌溉, 下游河水不适用于农业灌溉。

2) 基于质量基准法重金属污染评价结果, 州河底泥Cr、Ni受到中等污染, 可能会呈现轻度的生物毒性效应; 上游底泥Hg受到严重污染, Zn、Cu受到中等污染, Hg可能会呈现严重的生物毒性效应, Zn、Cu可能会呈现轻度的生物毒性效应; 底泥As、Pb、Cd未受到污染。

3) 地质累积指数法重金属污染评价结果表明, 州河上游底泥Cd、Cu、Zn处于无— 中度污染级别, Hg处于强度污染级别; 底泥Cr、Pb、Ni、As未受到污染。

4) 底泥质量基准法和地质累积指数法两种评价结果存在一定差异, 因此, 在进行河道底泥重金属污染评价时, 应根据实际应用需要, 选择适合的多种评价方法进行评价和对比研究。综合两种评价结果, 州河底泥中重金属主要污染元素为Hg、Ni、Cr, 次要污染元素为Zn、Cd、Cu。

The authors have declared that no competing interests exist.

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