0引言

随着经济水平的迅速发展,我国城市化进程逐步加快,城市人口剧增,工业生产加剧,由此产生的生活垃圾和工业“三废”越来越多,大量的污废水被排入到城市河道,而城市河道往往水动力不足、水体流动性差,导致城市内河道黑臭现象严重。据统计,我国流经城市的河道已普遍受到污染[1],截止到2017年10月,我国地级及以上城市建成区黑臭水体达2100个[2]。城市河道污染给人们的生活造成了极大的影响,其中重金属是造成河道水污染的主要原因之一,且是一个比较严重的污染问题[3]。重金属不能被生物降解而在人和动物、植物体内富集,通过食物链放大,从而对环境和人的健康造成很大的危害,同时也影响了城市生态建设[4]。有数据显示,我国江河湖库的污染率高达80%以上,黄河、辽河等流域水体污染尤为严重,当今水体重金属污染防治已成为人们关注的焦点[5]。我国已经意识到了水体污染的严峻性,各地积极采取行动进行城市黑臭水体治理;加快改善城市水环境质量[6]。2017年商丘市河道黑臭水体达82%,其中64%达到重度黑臭,形势十分严峻[7]。因此,商丘市于2017年编制了污水与黑臭水体治理工程规划[8],加强商丘市黑臭水体治理。河道重金属污染调查和合理评价是河道重金属污染治理的重要前提。为了解河道水生态环境状况,选取河南省商丘市城区内4条主要河道万堤河、康林河、包河、永运河为研究区域,对城区河道重金属污染状况进行分析和潜在生态风险评估,以期为科学开展水污染治理提供依据和指导。

1材料和方法

1.1研究区概况及样品采集

商丘市城区内共有9条河道,分别是包河、运河、万堤河、忠民河、康林河、蔡河、古宋河、东沙河、中水河,其中运河、中水河在市区呈东西流向,与其他7条河道相穿而过,属于季节性雨源型河流,流经市区总长度136.9km,流域面积300km2。根据商丘市城区河道黑臭污染情况的初判,本研究选择万堤河、康林河、包河、永运河4条河道为研究对象,综合考虑工业分布、主要污染源汇入口等进行河道沉积物样品采集,分别沿河道在商丘市城区境内上、中、下游各设置3个采样点,每条河道设置9个采样点位。在每个采样点位采用抓斗采泥器采集0~20cm表层的河道底泥沉积物,每个采样点位取5个样本进行混合,除去杂物,取约2kg装入自封袋,待用。

1.2样品处理及分析

将采集到的河道沉积物样品阴干后研磨,100目过筛,采用原子吸收分光光度计测定测定金属元素Cu、Zn、Pb、Cr、Cd的含量[9]。用SPSS16.0和Excel2003,对数据进行单因素方差分析及作图。

1.3重金属污染评价方法

采用地质累积指数法[10]和潜在生态风险指数法[11],对研究区河道沉积物章重金属含量进行污染评估。1.3.1地质累积指数法地质累积指数法[10]反映重金属分布的自然变化特征,是区分人为活动的重要参数。地质累积指数(Igeo)=log2[Cn/(k×BEn)],式中,Cn为样品中金属元素n的实际浓度,BEn为环境背景浓度值,取河南省土壤元素背景值Cu、Zn、Pb、Cr、Cd分别为20.0、62.5、21.8、63.3、0.064mg/kg[12],k是修正指数,取1.5[13]。参考孙井梅等[14]的研究地质累积污染分级见表1。1.3.2潜在生态风险指数法潜在生态风险指数法是一种定量计算沉积物中重金属潜在生态危害的方法,能综合反映土壤中重金属的影响潜力。潜在生态风险指数(Eir)=Tir×Cif=Tir×Cir/Cim,综合潜在生态风险指数(RI)=∑niEir。式中,Cif为重金属元素i的污染指数;Cir为重金属元素i的实测含量;Cim为参照值;Tir为重金属元素i的毒性响应因子(Cu=5,Zn=1,Pb=5,Cr=2,Cd=30)[15];Eir为重金属元素i的潜在生态风险指数;RI为综合潜在生态风险指数。参考徐争启等[15]潜在生态风险指数污染等级划分见表1。

2结果与分析

2.1河道沉积物重金属含量分析

由表2可以看出,商丘市城区4条主要河道沉积物中重金属Cu、Zn、Pb、Cr、Cd含量平均值分别为30.27、82.71、18.85、306.85、2.94mg/kg,除Pb外,其他4种重金属平均含量均超过河南省土壤环境背景值。其中重金属Cd的平均含量为河南省土壤环境背景值的45.90倍,超标率达91.67%;Cr的平均含量为背景值的4.85倍,超标率为100%;Cu和Zn的平均含量分别为背景值的1.51倍和1.32倍,超标率分别为72.22%和83.33%;Pb的平均含量虽然没有超过背景值,但超标率达到了44.44%。变异系数(CV)可以说明重金属含量的离散程度,变异系数越大,表明受人为活动的干扰作用越强,根据变异系数大小进行分级,变异系数高于30%为强变异,介于10%和30%间的为中等变异,低于10%为弱变异[16]。由此,商丘市主要河道重金属Cu、Zn、Pb、Cr、Cd均属于强变异水平,这说明其在空间上受人为干扰较为严重。表2显示,万堤河重金属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,永运河中Cu、Zn、Pb、Cr、Cd5种重金属含量均低于其他3条河道,且差异均达到显著水平,由此可见,万堤河和康林河污染较为严重,而永运河污染程度相对较低。

2.2河道沉积物重金属含量相关性分析

由河道重金属含量相关性分析(表3)可以看出,不同河道沉积物中重金属污染来源存在差异。万堤河沉积物中各重金属含量均表现为正相关关系,重金属Cu-Zn、Cu-Pb、Zn-Pb、Pb-Cr和Cr-Cd两两之间相关性达到显著水平,说明这些重金属元素可能来源一致;Cu-Cr间相关性达到极显著水平,相关系数为0.855,由此推测河道中重金属Cu和Cr污染源极可能相同。与万堤河类似,康林河中多种元素间表现出显著正相关关系,其中Cu-Zn、Cu-Pb、Zn-Pb、Zn-Cd、Pb-Cr和Cr-Cd两两间表现为显著正相关,Zn-Cr之间相关系数为0.899,达到极显著水平,这表明康林河种重金属Cu、Zn、Pb、Cr、Cd具有一定的同源性,且Zn和Cr来自同一污染源的可能性更大。包河中重金属含量Zn和Cd相关系数为0.890,表现为极显著正相关关系,而Cu、Pb和Cr均其他元素相关性不大,说明包河中Zn和Cd可能来源相同,而重金属Cu、Pb和Cr可能来源于成土母质或其它特殊污染源。永运河Cu-Zn和Cu-Pb两两间表现为显著正相关,而Cr和Cd与其他元素均不相关,说明永运河中Cu的来源可能与Zn和Pb一致,而Cr和Cd则可能来源于成土母质或有其他特殊来源。

2.3河道沉积物重金属污染评价

2.3.1地质累积指数评价表4是以河南省土壤环境背景值为基准值,采用地质累积指数法计算的商丘市4条河道沉积物中5种重金属的地质累积指数。从表中可以看出,万堤河、康林河、包河和永运河中5种重金属Igeo的平均值表现为Cd>Cr>Cu>Zn>Pb。根据Igeo分级标准(表1),商丘市河道沉积物中重金属Cu、Zn和Pb含量总体上处于无污染水平(Igeo小于0),而Cd和Cr则分别处于偏重和偏中度污染水平,其中,万堤河、康林河和包河污染情况基本一致,3条河道均表现为Cd的Igeo值最高,Cd污染程度为重度或严重污染水平,其次为Cr,属于偏中度或中度污染水平,而Cu、Zn和Pb均处于无污染或轻度污染水平。永运河污染情况有所不同,5种重金属的Igeo值均显著低于其他3条河道,除Cr外,其他几种元素Igeo值均小于0,处于无污染水平。2.3.2潜在生态风险指数评价由表5可知,4条河道的5种重金属潜在生态风险指数均表现为Cd>Cr>Cu>Pb>Zn,这与地质累积指数平均值表现一致,其中永运河的5种重金属潜在生态风险值均显著低于其他河道,这与地质累积指数评价结果一致。而包河除Pb外,其他4种元素的潜在生态风险指数均低于万堤河和康林河,且Zn和Cd均达到显著水平。4条河道的综合潜在生态风险指数RI值表现为万堤河和康林河最高,其次为包河,而永运河RI值最低,万堤河、康林河和包河的RI值分别是永运河的13.92、13.69和8.22倍。根据潜在生态风险指数分级标准(表1),4条河道重金属Cu、Zn、Pb、Cr均为轻微潜在生态风险,除永运河中Cd属于强潜在生态风险外,万堤河、康林河和包河中Cd均达到极强潜在生态风险水平。从综合潜在生态风险指数来看,万堤河、康林河和包河RI值均大于600,达到很强的潜在生态风险水平,而永运河RI值最低,为152.07,属于中等潜在生态风险水平。综合2种评价方法,结果大致相同,均表现为万堤河污染最为严重,其次是康林河,而污染程度最轻的是永运河,5种重金属中污染程度最高的是Cd,Cd对综合潜在生态风险的平均贡献最高,其贡献率为92.13%,由此可知,元素Cd是重金属污染的主要因子。

3讨论

重金属的分布与附近污水排放有直接的关系。万堤河上游分布有钢材市场、毛纺织厂,而钢材的生产与加工可能会造成Cu、Cd、Pb和Zn的相对富集[17],纺织产品生产制造过程会产生重金属Cr、Cd和Pb[18],且相关性分析显示Cu-Zn、Cu-Pb、Zn-Pb、Pb-Cr和Cr-Cd之间具有显著或极显著相关性,万堤河中重金属Cu、Cd、Pb和Zn具有相似来源,因此,钢材市场和毛纺织厂可能是万堤河上游重金属污染较为严重的主要原因;而万堤河沿途主要为居民区、医院等,因此认为居民生活污水和医院污水可能也是造成河道重金属污染的主要原因,长期的沉降及富集可能是导致重金属污染在下游聚集,造成下游重金属污染更为严重。康林河上游分布有一些公园,而中下游沿途有制药厂、汽修厂、玻璃二次加工厂等,这些工厂废水的排放并在下游汇聚可能是造成康林河重金属污染严重的主要原因;包河上游分布有毛纺织厂、皮革厂和铁艺制作厂等,皮革厂工业废水排放可能会造成Cd含量的增加[19],此外,包河也接纳了商丘西部和南部的生活污水,沿途主要分布有社区和学校等,因此认为工业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,永运河重金属含量较低,永运河沿途分布许多公园,是西南东北走向,与其他河道所不同,纵横穿越许多小河流及干渠,污染源可能主要来源于其它河道汇入;此外,永运河上游有大量耕地,农药、化肥中含有较多的Cd元素[20-21],农业活动中农药、化肥的使用也可能是造成永运河重金属污染的重要原因。商丘市城区4条河道沉积物Cu、Zn、Pb、Cr、Cd5种重金属平均地质累积指数和综合潜在生态风险指数均表现为万堤河>康林河>包河>永运河,由此认为各河道污染程度大小顺序为万堤河>康林河>包河>永运河,其中万堤河、康林河和污染程度均达到很强的综合潜在生态风险水平,而永运河污染程度较轻,属于中等污染水平。河道沉积物重金属的产生包括自然原因和人为原因,自然原因主要来源于成土母质[22],人为原因主要是人类生活带来的直接和间接排放的重金属。本研究中,各河道沉积物中重金属Cd对综合潜在生态风险的贡献率均为最高,因此认为除生活和工业废水排放外,成土母质也可能是造成河道重金属Cd含量较高的一个方面。

4结论

综合来看,4条河道的污染程度由高到低依次为万堤河>康林河>包河>永运河,其中,万堤河、康林河和包河综合潜在生态风险值RI均大于600,达到很强的潜在生态风险水平,而永运河属于中等潜在生态风险水平。5种重金属的地质累积指数和潜在生态风险指数在万堤河、康林河、包河、永运河4条河道的平均值表现为Cd最高,Cr次之,而Zn和Pb最低,两种评价结果基本一致,其中Cd对综合潜在生态风险的平均贡献最高,其贡献率达到92.13%。由此可见,商丘河道重金属污染情况仍不容乐观,相关部门应该重视起来,转变经济发展模式,改变污水治理理念,重视城市河道重金属的污染,控制重金属污染的源头,从内治理,把祸水疏浚,一条河道一项策略,治标的同时也要治本。完善相关政策或法律法规,并落实到位,成立专门监察环境的部门,加强对排污企业的惩罚力度,建立健全污水治理机制。此外,企业和市民也要提高自身的环保意识,共同为打造“美丽商丘”而努力。

作者:马丽 郭学良 曾湘茹 刘希嘉 杨森 单位:商丘师范学院生物与食品学院 商丘市土壤肥料站