茅洲河流域宝安段底泥重金属生态风险及对策.pdf

传源南环境1SSN1672-9064研究与探讨CN35-1272/TK茅洲河流域宝安段底泥重金属生态风险及对策韩蕊翔1姚仁达2 邱辉1王（1中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司浙江杭州2天津市滨海新区环境创新研究院天津30 0 4573中国环境科学研究院北京王拯谦1#范博渊2 弓张依章2,3311122100021)摘要为实施茅洲河流域宝安段黑臭水体和底泥整治工程，在干支流布设了16 个采样点位，重点考察了各层底泥中重金属含量并分析其空间分布特征，运用潜在生态风险指数法评价底泥重金属污染引发的潜在生态风险。结果表明研究区内河段存在底泥重金属Cu、Zn、Cd、Cr 和Ni污染问题，整体划分在生态危害极强区，是污染物外源输入和内源输出的综合效应，采取环保清淤的治理对策解决河流水质污染问题。关键词底泥重金属分布特征生态风险评价环保清淤茅洲河中图分类号：X522文献标识码：A文章编号：16 7 2-90 6 4(2 0 2 3)0 4-0 19-0 50引言针对茅洲河流域宝安段干支流的黑臭河涌和底泥淤积问题，研究者们从不同角度解析污染原因，并重点对氮磷营养盐、有机物和重金属等主要污染物的潜在风险进行研判。路文典等1重点从茅洲河流域人口和企业密度大、排水设施不健全、河流水动力不足、底泥量大且污染严重等方面阐述了全流域污染成因。洪思远等2 分析了茅洲河干支流30 0 余个底泥样品的总氮含量，得出0 10 0 cm泥层总氮含量较高的结论，并由有机污染指数法评价总氮生态风险属重度污染等级。包晗等31对茅洲河流域底泥污染程度进行评估，并借助特征污染物吸附解吸实验确定清淤深度。徐浩等4 建立SWAT和SWAT-LUD模型对茅洲河流域水的循环补给过程中的有机物和营养物质进行模拟并估算污染贡献量。YU等5 考察了茅洲河底泥中的Cr、Ni、Cu、Zn、Cd 和Pb在流域尺度的分布，结果表明重金属与硫化物的空间分布高度相关,Cu的分布主要受有机Cu络合作用影响，河口地区盐度输入经阳离子交换对Ni、Zn 和Cd分布产生影响。在污染底泥的多种污染物中，重金属因难以被微生物降解，并可通过食物链的富集作用累积于生物体内，对水生态系统造成潜在危害，因此被多国列为环境优先污染物。目前，国际上常采用单因子污染指数法、内梅罗综合指数法、地累积指数法、潜在生态风险指数法、污染负荷指数法、沉积物富集系数法和次生相富集系数法等评价重金属污染造成的生态危害程度。其中，潜在生态风险指数法将重金属的生态效应、环境效应与生物毒性综合衡量，可对重金属污染造成的潜在生态危害程度进行分级评价，广泛应用于土壤、河流、湖泊和水库等沉积物以及污水处理厂污泥的重金属污染引发的潜在生态收稿日期：2 0 2 3-0 3-15基金项目：中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司科技项目（KY2019-ZD-03)作者简介：韩蕊翔(1995一），女，硕士，工程师，研究方向为河道环境治理。通讯作者：张依章(198 1一），男，博士，研究员，研究方向为水循环与水生态保护修复。2023.NO.4.风险评价。本研究以茅洲河流域宝安段为研究区，重点进行河流底泥重金属水平和垂向污染特征分析，通过对超标重金属进行潜在生态风险评价识别底泥污染构成的生态危害等级，结合污染物外源输人和内源输出分析，实施环保清淤工程措施清除污染底泥，从根本上解决河流水质污染问题，为茅洲河流域水质改善提供科学依据。1材料与方法1.1研究区域及采样点布设茅洲河流域地跨深圳、东莞2 市，属于珠江三角洲水系，总面积为344.2 3km，干流全长30.6 9km，其中宝安区境内流域面积为12 2.6 5km，干流河长19.7 1km，共有干、支流19条，河道总长度96.56 kml6。为了检测茅洲河流域宝安段底泥污染状况，在茅洲河干支流布设了16 个采样点，详见图1。1.2样品采集利用柱状采样器进行分层样的采集，分别在每个采样点位的50 cm（浅层）、10 0 cm（中层）、150 cm（深层）深度取样，个别点位在30 cm、7 0 c m 取样进行检测，底泥沉积物样品采用密封袋保存。1.3分析方法对底泥沉积物样品进行研磨并过筛，取0.0 5g加入特氟龙(Teflon)消解罐,加入1mLHNO,和1mLHF,置于烘箱中270消解48 h后，在石墨电热板上115消解至湿盐状，加人1mL70%亚沸硝酸，继续加热蒸干后加人1mL超纯水、1mL亚沸硝酸和1mL5%HNO3，于烘箱中190 消解2 4h后取出。采用电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-AES)测定重金属Cu、Zn、Pb、Cd、Cr 和Ni的浓度7 。19传源卤环境研究与探讨ISSN1672-9064CN35-1272/TK老城虎东莞市下涌X-440X=47679.25Y=91193.94洲泥=X=45804.02一Y=88649.97X=42912.64Y-86739.26X=42678.94Y-86171.08Y=85220.17X=42024.62X=41627.38Y=84739.67珠江口1.4评价方法采用潜在生态风险指数法进行茅洲河流域宝安段底泥重金属生态风险评价。此方法基于沉积物中单一重金属的潜在生态风险指数累积得出多金属潜在生态风险指数，进而根据风险指数分级确定生态危害程度，计算公式如式(1)(3)18 。(1)CRE,i=T;CimRI-ZE;式中：Ei为单一金属潜在生态风险指数;RI为多金属潜在生态风险指数；Ci为样品实测浓度；CR为沉积物中相应污染物的背景值，拟采用深圳市土壤重金属背景值，主要参考深圳市土壤环境背景值中赤红壤背景含量9;Ti反映了金属在水相、沉积固相和生物相之间的响应关系，即生物毒性加权系数。采用潜在生态风险指数法评价过程中涉及的生物毒性系数、背景值和评价标准见表1和表2。2结果与分析2.1底泥重金属水平分布特征各采样点重金属含量分布如图2 所示。整体而言，茅洲河宝安段干支流大部分点位的浅层、中层和深层底泥的重金属Cu、Zn、Cr 和Ni含量均较高,Pb和Cd的含量则处于较低水平。浅层底泥(0 50 cm）和中层底泥（50 10 0 cm）样品中重金属含量较为接近，点位1 4、12、13和15的Cu和Cr含量以及点位3、12、13和15的Zn和Ni含量水平显著高于其他点位。龟岭东坑9河450河松岗茅道生围涵共和通泥泥12简边涌泥13万岩渠河河图1茅洲河宝安段干支流16 个底泥采样点位分布图（资料来源：地图原图由宝安区水务局提供）C-C(2)(3)2023.NO.4.罗田水七支渠潭渠新桥4种重金属含量均较高的点位主要分布于茅洲河干流3号、衙边涌12、13和15号点位，由此可知在茅洲河宝安段的各支流中，衙边涌的底泥重金属污染最为严重，其沿线的12、13和15点位浅层和中层底泥的Cu、Zn、Cr 和Ni的最大值分别达到6 417.9 mg/kg、2 7 19.0 mg/k g 2 7 13.6 mg/k g 和 6 8 8 1.7 mg/kg。对于Pb而言，16 个点位Pb含量分布较为均匀,0 10 0 cm处的含量普遍为50 10 0 mg/kg。对于Cd而言，水平分布特征类似于Cu、Zn、Cr 和Ni,衙边涌15号点位中层底泥的Cd含量最高,为 1.7 7 6 mg/kg。表1重金属背景（参比）值Ci和生物毒性系数T重金属Cu10.4T5表2生态风险指数与危害程度ERI40150408015030080160300600160320600 32012002.2底泥重金属垂向分布特征参照农用地土壤污染风险筛选值Cu200mg/kgZn300mg/kg、Pb 240 mg/kg.Cd 0.8mg/kg.Cr 350 mg/kg、Ni 190 mg/k g l 0),Cu.Zn、Cd、Cr 和Ni存在超标问题，除Cd外的4种重金属在0 10 0 cm20984,Zn41.21Pb40.85Cd0.04130生态危害程度轻微中等强很强极强Cr20.42Ni6.935传源南环境1SSN1672-9064CN35-1272/TK研究与探讨70003000050cm600050100cm-100150cm5000(3/sul)/鲁号n400030002000100001200.50100cm+100150cm150(ax/Bw)/鲁号9d100-050cm50100cm2500+100150cm(3x/au)/鲁号uZ20001500100050002345678910111213141516采样点编号(a)Cu含量-050cm12345678 910 11 12 13141516采样点编号(b）Zn 含量2.0-050cm-50100cm-100150cm1.5(8x/Bu)/鲁号pO1.0500.51300025002000(a/Bu)/鲁号0150010005000深度严重超标，且0 50 cm和50 10 0 cm深度含量相近，10 0 150cm深度污染程度均有所降低，详见表3。对底泥中5种超标重金属含量进行分析，浅层超标倍数分别为：8.0 6、2.7 0.0.2 3、1.35和7.35，中层超标倍数分别为：8.27、2.46、0.0 6、1.45和7.46，按严重程度排序为CuNiZnCrCd。对于Cu和Ni而言，浅层和中层底泥严重超标,超标近8倍。虽然在10 0 150 cm深度污染物含量显著降低，分别为23456789101112 131415 16采样点编号(c)Pb含量-050cm.50100cm100150cm12345678910 11 1213141516采样点编号(e)Cr含量0.012345 678 9101112131415 16采样点编号(d)Cd含量8000-050cm7000.50100cm100150cm6000(ay/aul)/鲁号IN5000400030002000100001图2各采样点重金属含量分布图表3各采样点超标重金属不同深度污染特性表超标农用地土壤污项染风险筛选值0 50 cmCu200Zn300Cd0.8Cr350Ni1902023.NO.4.21-234567891011 1213141516采样点编号(f)Ni含量不同深度平均值50 100 cm100 150 cm1 812.671854.241 111.061 038.440.980.85823.43856.721 586.421 606.76单位：mg/kg885.39575.800.57477.211 001.21传源南环境研究与探讨ISSN1672-9064CN35-1272/TK885.39mg/kg和10 0 1.2 1mg/kg，但超标倍数依然高达3.43和4.27倍。Zn超标程度略低，0 10 0 cm泥层处超标约2.58 倍，深度位于10 0 150 cm处的泥层Zn含量为57 5.8 0 mg/kg，仍处于超标状态，但污染程度较轻，未超出1倍。泥层中Cr的污染程度较轻，浅层和中层底泥超标倍数分别为1.35和1.45倍，深层底泥的Cr含量为47 7.2 1mg/kg，略高于其农用地土壤污染风险筛选值。Cd污染程度则较轻,0 10 0 cm泥层Cd含量与其3500050cm50100cm3000100150cm25002000T-no15001000500风险筛选值基本持平，深层底泥中其含量则远低于该指标。2.3生态风险评价等级由于底泥重金属含量及各自生物毒性系数存在差别，因此各重金属对生态风险贡献存在一定差异。各采样点单一重金属潜在生态风险指标分级如图3所示。考察不同重金属对生态风险的贡献百分比，可以得出Cu、Zn、Cd、Cr 和Ni在3个深度的贡献率顺序基本一致，即Ni贡献率最大，其次是Cu和100050cm50100cm100150cm80604020日215001050cm50100cm100150cm12009006003003456789101112 13141516采样点编号（a）Cu 的生态风险指数14003002001002345678910111213141516采样点编号（b）Zn 的生态风险指数1050cm50100cm100150cm15000050cm50100cm100150cm40003000艺20001000H1234 5678910111213141516采样点编号（e）Ni 的生态风险指数图3各采样点单一重金属潜在生态风险指数分级图23456789101112 13141516采样点编号（c）C d 的生态风险指数4#1Cd,Cr和Zn的贡献则较少。由此可知,茅洲河流域宝安段底泥Ni污染在5种重金属污染中造成的的潜在生态风险最大，在浅层、中层和深层底泥中的生态风险指数平均值可达1144.6 0(40.34%）1 159.2 8(41.6 6%)和7 2 2.37(44.42%）)。Cu和Cd的污染贡献率次之，二者在浅层、中层和深层底泥中Cu对生态风险的贡献率分别为30.7 1%、32.0 4%、2 6.17%和2 5.16%、22.37%、2 5.6 7%。C r 和Zn的贡献显著低于上述3种重金属，在各层的贡献率分别为2.8 4%、3.0 2%、2.8 8%和0.95%、0.91%、0.86%。参照表2 中单一金属潜在生态风险指数分级，该区域大部分点位浅、中层底泥Ni、C u 和Cd污染造成极强生态风险，Cr污染在大部分点位造成中等及以上生态风险，而Zn除个别点位属中等生态风险外，大部分点位属轻微生态风险。进一步考察茅洲河流域宝安段底泥多金属潜在生态风险指数，结果如图4所示。浅层、中层和深层底泥的潜在生态风2023.NO.4.2223 45678910111213141516采样点编号（d）Cr 的生态风险指数传源南环境1SSN1672-9064CN35-1272/TK研究与探讨险指数平均值分别为2 8 37.6 0、2 7 8 2.39 和16 2 6.36。结合表2重含金属水平的特征,5种超标重金属按严重程度排序为Cu中的生态危害系数、指数与危害程度分级数值进行分析，结果NiZnCrCd。表明该区域除点位10 外的15个点位0 10 0 cm处重金属的(2)潜在生态风险指数法评价结果显示区域内多数点位生态危害程度均为极强等级，由此得出研究区内河段的底泥在0 10 0 cm处底泥Ni、C u 和Cd污染为极强生态风险等级，重金属污染严重，对当地生态环境造成严重威胁。而Cr和Zn分别为中等及以上生态风险、轻微生态风险,该区10000域整体多种重金属综合污染属生态危害极强等级。050cm50100cm8000100150cm6000H日40002000012345678910111213141516采样点编号图4各采样点多金属潜在生态风险指数分级图3污染成因及对策以往研究结果表明,Cu、Zn、Cr、Cd 和Ni为工业废水的常见污染物，如冶炼、电镀、电子制造、化工和采矿等行业-12 。茅洲河流域宝安段上述5种重金属经外源输人并随水流流动逐渐扩散，在沉积作用下逐渐累积并吸附于底泥表面，进而累积于底泥内部。当外源输人得到控制后，水体中的重金属含量逐渐降低，在传质作用下底泥中的重金属重新释放回水相。此外即使外源输人未得到有效控制，当重金属吸附达到一定量或当底栖生物、水环境参数等因素发生变化时，底泥也会成为污染源持续向水体中释放重金属物质，从而造成水质二次污染并对水生生物的生存和生长产生威胁，最终会导致人体健康问题13-15 基于上述茅洲河流域宝安段底泥重金属污染生态风险评价结果，结合其他污染指标的综合污染效应，采取环保清淤工程措施清除污染底泥，从根本上消除其带来的一系列生态危害，清淤工程现已竣工。以“低影响清淤”为原则，在未对周边区域造成二次污染的前提下，尽可能降低对环境的影响，包括底泥臭气的控制、河道清淤对通航和道路交通的影响，并且合理确定清淤的范围和深度，即达到污染底泥的清理，同时保证水下生态系统的安全和稳定。清淤的底泥采用异位处理法中的机械脱水法进行处理，脱水设备选用板框压滤机，经过预处理和机械脱水后，产物中的砂砾和达标泥饼作为建筑材料进行资源化利用。4结论（1)茅洲河支流衙边涌的底泥重金属污染最为严重，干流以及支流龟岭东水、罗田水和松岗河的重金属污染略轻，呈现0100cm深度底泥中重金属量显著高于10 0 150 cm深度处(3)研究区水体黑臭和底泥重金属超标源于外源输人和内源输出的综合效应，借助环保清淤工程措施清除污染底泥解决污泥淤积与水质污染问题，按照减量化、无害化、稳定化、资源化原则对底泥进行处理。参考文献1路文典，刘鹊.茅洲河全流域水环境综合治理方案及创新J.水资源开发与管理，2 0 2 2,8(0 1)：34-39.2洪思远，沈世龙，杜宏翔，等.深圳茅洲河底泥中氮的分布调查及其污染评价J.四川环境,2 0 2 1,40(4)：149-154.3包晗，唐颖栋，张依章，等.深圳茅洲河流域底泥污染调查与治理实践J.中国给水排水,2 0 2 1,37(2 2)：99-10 3.4徐浩，孙小玲.茅洲河流域地表水与地下水交互关系模拟和污染联合防治J.环境工程,2 0 2 1,39(6):2 1-2 6.55YU K,DUAN Y H,LIAO P,et al.Watershed-scale distributions ofheavy metals in the hyporheic zones of a heavily polluted Maozhouriver watershed,southern ChinaJJ.Chemosphere,2020,239:124773.6张凤山，尚明珠，赵朋晓，等.感潮河网降雨径流污染空间分析与模拟J.中国环境科学,2 0 2 1,41(4)：18 34-18 41.7张莹.重污染城市河流水污染特征分析及补水方案研究D.重庆：重庆大学,2 0 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