內梅羅綜合指數法在河道底泥重金屬污染評價中的應用與研究

張 晶,鄔 立,馮曉琳

(1.華北有色工程勘察院有限公司,河北 石家莊 050021;2.河北省礦山地下水安全技術創新中心,河北 石家莊 050021;3.天津華北地質勘查局,天津 300170;4.黑龍江省地質環境監測總站,黑龍江 哈爾濱 150090)

0 引言

底泥是河道水體重要內源污染源,底泥污染物分布及環境影響評價研究對河道水體生態修復和避免二次污染具有重要意義[1-5]。我國在河道底泥污染評價尚無明確標準,有學者對河湖底泥污染物作了一定程度的研究,但研究方向主要集中在污染物類別、污染分布規律、評價方法等領域[2-10],對河道底泥重金屬污染風險的評價甚少。常用的評價方法有單因子指數法、內梅羅綜合指數法、潛在生態危害指數法、污染負荷指數法、地累積指數法等。薛嬌等運用地累積法、潛在生態危害指數法、內梅羅綜合指數法在北京市蕭太后河開展了底泥重金屬研究,評價了7種重金屬(Cu、Zn、Ni、Cd、Pb、As、Cr)污染情況;賈寶杰等運用潛在生態危害指數法對臺州安溶涇河道底泥中Cu、Zn、Pb、Cd重金屬污染物的生態風險進行評價。

本文運用單因子指數法、內梅羅綜合指數法、潛在生態危害指數法對邢臺市某清淤河段底泥8種重金屬(鎘Cd、汞Hg、砷As、鉛Pb、鉻Cr、銅Cu、鋅Zn、鎳Ni)污染分布及生態環境風險進行評估,探索不同評價方法對河道底泥重金屬污染程度評價結果的差異,為河道水環境修復治理提供科學依據。

1 研究區概況

研究河道全長25.81 km,河口寬度為8.5～40 m,河底寬度為4.5～20 m,河深約1.5～3.8 m。河道底泥厚0.5～2.3 m,表層為黑色、黑灰色流塑態,有明顯惡臭氣味;深層底泥為黃色細砂層,無明顯嗅味。

2 樣品采集

本次研究在平面上垂直于水流方向均勻布設17條采樣斷面,見圖1。采樣點位于采樣斷面中心處。

在每個采樣點使用圓狀取土鉆采集3個樣品,置于干凈的玻璃器皿中,用塑料勺截取3個樣品中央未受擾動部分,置于取樣瓶中混合,形成一組檢測樣品。將取樣瓶編號、密封后低溫保存送往實驗室。

將底泥樣品凍干處理,研磨過100目尼龍篩,按照《土壤環境質量 農用地土壤污染風險管控標準》(GB 15618-2018)提供的污染物分析方法檢測鎘、汞、砷、鉛、鉻、銅、鎳、鋅的含量。

3 評價方法

3.1 單因子指數法

單因子指數法是以元素背景值為評價標準來評價重金屬元素的累積污染程度的方法,是其它污染指數法、污染分級的基礎[11-12]。

單因子指數法表達式為:Pi=Ci/Si

(1)

式中:Pi為污染物i的環境污染指數;Ci為污染物i的實測濃度;Si為污染物i的評價標準,選取《土壤環境質量 農用地土壤污染風險管控標準》(GB 15618-2018)篩選值作為評價標準,見表1。

若Pi≤1.0,則底泥沒有受到人為污染;若Pi>1.0,則底泥已受到人為污染,Pi越大則表明底泥重金屬污染程度越高。

3.2 內梅羅綜合指數法

內梅羅綜合指數法是基于單因子污染指數法,兼顧單元素污染指數平均值和最大值,突出高濃度重金屬元素污染作用的方法。它是國內外進行環境綜合污染指數計算的最常用方法之一。

表2 綜合污染指數分級標準

3.3 潛在生態危害指數法

瑞典科學家Hakanson根據重金屬性質及環境特征,從沉積學角度提出了潛在生態危害指數法,被廣泛應用于環境風險評價中[13-21]。

潛在生態危害指數法表達式為:

(2)

表3 重金屬濃度背景值及毒性響應系數

運用潛在生態危害指數法評價底泥多元素生態危害程度分級標準見表4。

表4 潛在生態危害指數及分級關系

4 結果與討論

采集樣品中重金屬因子含量檢測結果見表5。

表5 底泥樣品檢測結果

4.1 底泥重金屬超標情況

根據底泥取樣檢測結果,重金屬含量高于《土壤環境質量 農用地土壤污染風險管控標準》(GB 15618-2018)標準的有Cd、Cr、Cu、Zn。各項金屬因子超標情況分別是:Cd濃度范圍為0.33～1.91 mg/kg,超標樣品共11個,超標率為64.7%;Cr濃度范圍為34～1 237 mg/kg,超標樣品共4個,超標率為23.5%;Cu濃度范圍為14～383 mg/kg,超標樣品共4個,超標率為23.5%;Zn濃度范圍為68.2～953 mg/kg,超標樣品共6個,超標率為35.3%。

4.2 單因子指數評價

按照單因子指數法計算各項金屬因子Pi值,Pi>1.0的金屬因子有:Cd、Cr、Cu、Zn。將該四項金屬因子Pi值繪制成柱狀圖,見圖2。

圖2 重金屬元素污染指數圖

由計算可知,PCd>1.0的采樣點有11處,max(PCd)為3.18,超標樣品分別是Y1、Y3、Y4、Y6、Y7、Y9、Y10、Y11、Y15、Y16、Y17,在清淤河道的上游、中游、下游均有分布;PCr>1.0的采樣點有4處,max(PCr)為4.95,超標樣品分別是Y7、Y9、Y10、Y11,主要集中在清淤河道的中游;PCu>1.0的采樣點有4處,max(PCu)為3.83,超標樣品分布與Cr相同;PZn>1.0的采樣點有6處,max(PZn)為3.18,超標樣品分別是Y3、Y9、Y10、Y11、Y15、Y16,主要分布在清淤河道的中游和下游。由以上分析可以看出,清淤河道重金屬污染程度較高的位置在清淤河段中游,采樣點Y7、Y9、Y10、Y11處。由以上分析可以看出,清淤河道重金屬污染程度較高的位置在清淤河段中游,采樣點Y7、Y9、Y10、Y11、Y15處。

4.3 內梅羅綜合指數評價

按照內梅羅綜合指數法計算各底泥樣品PN值,并按表2評價分級,評價結果見表6。

表6 底泥多因子綜合污染程度

由評價結果可以看出,底泥樣品受重金屬元素綜合污染等級差別較大,多因子綜合污染指數PN最小值為0.424,最大值為3.794,平均值為1.282。底泥樣品處于非污染等級的有9處,多分布于清淤河道上游;處于輕度污染等級的有4處,分別為Y4、Y7、Y16、Y17、均布于清淤河道;處于中度污染等級的有3處,分別為Y9、Y11、Y15,分布于清淤河道中游和下游;處于重度污染等級的有1處,為Y10,分布于清淤河道中游。

4.4 潛在生態危害指數評價

經計算,和RI數值見表7。

表7 底泥重金屬潛在生態風險指數

由計算結果可知,按照表4評價:樣品RI值均小于150,即均為低潛在生態風險。環境風險指數大于40的金屬元素只有Cd,其中樣品Y4、Y7、Y11、Y15、Y16、Y17中Cd含量處于[40,80),為中潛在生態風險;樣品Y9、Y10中Cd含量處于[80,160),為較高潛在生態風險,處于清淤河道中游;其它樣品均為低潛在生態風險。

5 結語

(1)邢臺市某清淤河段底泥中,Cd、Cr、Cu、Zn四種重金屬含量高于篩選值范圍,其中Cd超標數量最多,Cr超標倍數最高。

(2)從底泥重金屬污染程度分布來看,清淤河道上游污染程度輕;中游染程度最重,以取樣點Y9、Y10、Y11處最重;下游污染程度中等,在取樣點Y15、Y16處較明顯。分析底泥污染程度與化工園區的分布、河流走向改變等因素相關。

(3)運用三種方法對清淤河道底泥重金屬污染程度的評價結果指向一致,且各有特點:單因子指數法計算簡便,但只能評價單項金屬元素的污染程度,且評價結果分級不明確;內梅羅綜合指數法可反映出多種元素的綜合污染程度,評價結果更嚴格、分級更精準;潛在生態危害指數法綜合考慮了重金屬含量、多元素協同作用、污染物毒性特征等因素,評價結果分級較為寬松。