小型河流典型重金属污染分布特征及风险评价研究

时间：2024-05-18

马占琪

(广州市蓝翌环保科技有限公司，广东广州 510000)

1 引言

重金属的毒性大、潜伏期长、污染范围广、隐蔽性强且难以降解，是河道中典型的非常规污染物[1～3]。河道中的重金属来源广泛，可以通过岩石风化剥蚀和地壳活动等自然因素以及工农业生产等多种途径进入河道，进而在河道底部中赋存、迁移和累积，对水域生态系统产生极大的危害，从而影响人类的身体健康。进入河道后的重金属一部分悬浮于水体中,通过饮用水直接对生物产生危害；另一部分通过生物的富集效应累积，最终影响人类生活和发展。

近年来，广东地区经济高速发展，尤其是工业规模的迅速扩大和农业生产方式的改变，工业生产废水、交通工具排放和农药化肥过度使用等导致河道系统中Cd、Pb、Zn和Cu含量严重超标,严重危害河流生态,对水生生物及人体健康都会产生危害[4，5]。但该地区河流重金属污染持续恶化的主要原因是产业结构分散、污水处理达标要求进一步提高、农业污染治理难度较大等。因此,针对广东地区的河道重金属污染问题开展研究[6，7]具有现实意义。

本文针对河道水体系统重金属复合污染的问题，选取广东某小型河流为代表，进行污染分布特征及风险评估，为河流系统污染治理和生态修复提供参考。

2 研究方法

2.1 研究区概况

本研究小型河流位于广东珠江流域，坐落于广州市西南部的平原地区。区域属于中亚热带湿润季风气候，年平均气温16.5～25.5 ℃，降雨时空分布不均，丰水期主要在4～9月份，年降雨量约1894.5 mm。本次研究所选取的河段包括该河流的上、中及下游，横跨金属炼制、机械设备制造和电镀等工业区，由东南向西南流动，选取的该段河流的中上游没有生态廊道和湿地绿化的地区。

2.2 数据来源

本次研究所选河段全长约13 km,平均每间隔1 km左右设置1个采样点,总计设置了12个取样点[8～10]。调查期间，使用聚乙烯PET瓶采集河水样本，把瓶口置于河道中心水面以下10～30 cm处，河水缓慢流入瓶中。小心过滤明显杂质。泥样采用柱状采泥器采集，运用五点分布法在每个水样采集点附近河岸5 m2范围内，取同一河岸5～8 cm深的湿土样，采用5点取样法取植被，除去泥土，然后取各种植物样品，置于4 ℃低温环境下密封存储，以备实验使用。

2.3 样品处理

对从12个采样点采集的土壤样品、泥浆样品和植物样品，使用鼓风式干燥机在105 ℃恒温下进行简单的干燥处理，去除植物根部。将以上3类样品用木棒粉碎，自然冷却至室温，用电磨机加工，粉碎后的样品用电振动筛过筛，过筛后的样品密封包装在聚乙烯PET袋中，并贴上备用标签。

将前期处理好的土壤样品、泥浆样品和植物样品，分别量取0.5 g加入适量蒸馏水溶解于消解罐中。在进行消解实验前，首先要调配实验用酸的比例，取5 mL盐酸、10 mL硝酸、5 mL氢氟酸充分搅拌混合均匀作为实验用酸。把实验用酸注入消解罐中，随后置于微波消解仪中进行消解、降温，定量分析方法测定。为保证实验的准确性，对所有样品进行3组平行实验。

2.4 评价方法

重金属污染指数(HPI)是衡量水体中重金属含量的常用指标,通过多个参数可以得出与临界值的对比情况。因此，在本研究中，选择该指标来评估河流中的重金属污染。

(1)

式(1)中：HPI为重金属污染指数；Qi为第i个参数的质量等级指数；Wi为第i个参数的权重，n为重金属元素个数。

(2)

(3)

式(2)、(3)中：K为比例常数，由水体环境决定，一般为1;Ci为水体中重金属含量的实际浓度，Si为水体中重金属含量的标准浓度。

依据《地表水环境质量标准(GB3838—2002)》将Ⅲ类水质质量标准作为该河道水体评价标准值。同时将污染程度划分为高、中、低3个等级：如果HPI<15，视为污染程度较低；如果15≤HPI≤30时，视为污染程度为中等；如果HPI>30时，则视为污染程度为较高。

3 实验结果讨论

3.1 重金属含量特征

对河道水体中重金属的含量进行分析，具体统计结果见表1。

表1 河流水体重金属含量统计分析

河流中主要存在7种重金属元素，其平均浓度顺序为：Zn>Ni>Cu>Pb>As>Cr>Hg。其中重金属元素As、Cr、Cu、Zn、Ni、Hg和Pb的检测浓度及其平均值均未超过《地表水环境质量标准(GB3838-2002)》Ⅲ类水质含量标准值；重金属元素Hg的浓度检测最大值为0.33 μg/L，为地表水环境质量Ⅲ类标准的3.3倍，平均值为0.14μg/L，是标准值的1.4倍；重金属元素Ni的最大值为44.5 μg/L，为地表水环境质量Ⅲ类标准的2.2倍，平均值为27.2 μg/L，是标准值的1.3倍。其余重金属的浓度范围皆位于地表水环境质量Ⅲ类标准以下，属于正常含量。Cr元素的浓度虽然不高，但毒性系数极大，因此其对河道水体、水域生物和周边植被的伤害性最为严重，造成Cr元素污染的主要原因是电镀、染料、医药、皮革等工业生产产生的废渣和废物，很容易进入河流并因此二次污染。

变异系数可以代表各个采集点重金属浓度的平均波动率。如果变异系数CV>0.4，则视为强变异状态，表示水体中该重金属元素分布很不均质，表现为从河道底部到河道表面浓度逐渐扩大，大概率有外来污染源。由表1不难看出，Hg元素和Zn元素的变异系数都超过0.35，Hg元素的变异系数最大，达到了6.12。如果元素的变异系数CV<0.1，则视为弱变异状态，表明水体中该重金属元素分布较为均质，有外来污染注入的概率较小，水体处于正常状态，以上7种元素的变异系数全部大于0.1，不存在弱变异。如果变异系数0.1

3.2 重金属分布分析

应用反距离加权法，得到该区域内河道中7种重金属元素的分布特征，并根据污染程度对其进行划分。本研究发现，该区域河流环境中重金属的分布较为分散，且分布在各个采样点的多种重金属元素含量均较高。河道中Ni、Cu、Pb、As、Cr元素浓度分布整体上呈现从中部到两端逐渐降低的趋势。

在所测7种重金属元素含量中变异系数差距较大，其中Zn、Cu、Cr、Pb和As等5种元素的变异系数为40%～100%，而Hg元素的变异系数则超过了100%。人类活动是导致重金属含量空间差异的主要驱动因子。河道区域内城市用地复杂，河道与商业区、工业区和住宅区均有不同程度的相连情况，同时受到路面交通和污水排放的影响，导致监测断面河道底泥中重金属含量大多超过土壤背景值，这说明人类活动对河道影响较大。因此，河道底泥中存在的高浓度重金属。

3.3 重金属相关性分析

分析水体与土样、河道泥样、河岸植被之间的重金属的相关性，分析出河道水体中重金属的运动规律。河道水体和河岸泥土的重金属含量相关性分析如表2所示，河道水体和河道泥样的重金属相关性分析如表3所示，河道水体和河岸植被的重金属含量相关性如表4所示。

表2 水体和河岸泥土的重金属含量相关性

由表3的数据可以看出，河道水体中的Zn元素和河岸泥土中Cr元素之间相关性最高。通过表3的数据可以看出，相关性最高的是水体中河道Cr元素与河道泥土中的Zn元素。同时相关性分析也说明水体中Cr和Zn浓度最高。由于重力沉降效应和介质运动能力的不同，导致底层土壤与河岸、河道水体的重金属相关性有着显著差异。通过表4的数据可以看出，河道水中的Ni元素与河岸植物中Ni元素的金属相关性高至0.56，同时也说明了河岸的多数植物或对Ni元素有较强的吸收能力[11,12]。

表3 水体和河道泥样的重金属含量相关性

表4 水体和河岸植被的重金属含量相关性

重金属元素Cr广泛存在工业生产和农业生活中，主要来源于汽车制造过程中表面喷漆和石油煤炭等矿产能源开采过程的污水排放。锌作为工业中最普遍的重金属元素，会和工业废水一起通过排水管道、透过过滤系统等流入水体，造成河流水质污染。多种重金属在注入河流后的浓度分散也有很大不同，重金属元素的分布沉降能力也有很大差异，因此随时间变化重金属在水体中的迁移分布也呈现出列不同的状态[13～15]，最终结果是在河底泥土中含Zn元素则比较多，而在河岸土壤中含Cr元素较多。