海河水系重金属污染特征及风险评价_刘思达.pdf

生态毒理学报Asian Journal of Ecotoxicology第 17 卷 第 6 期 2022 年 12 月Vol.17,No.6 Dec.2022 基金项目:天津市技术创新引导专项(21YDTPJC00770);国家自然科学基金资助项目(51278174)第一作者:刘思达(1997),男,硕士研究生,研究方向为环境健康风险评价,E-mail: *通信作者(Corresponding author),E-mail:DOI:10.7524/AJE.1673-5897.20211125002刘思达,肖淑敏,刘金鑫,等.海河水系重金属污染特征及风险评价J.生态毒理学报,2022,17(6):266-276Liu S D,Xiao S M,Liu J X,et al.Pollution characteristics and risk assessment of heavy metals in Haihe Basin J.Asian Journal of Ecotoxicology,2022,17(6):266-276(in Chinese)海河水系重金属污染特征及风险评价刘思达1,肖淑敏1,2,*,刘金鑫1,高富1,21.天津城建大学环境与市政工程学院,天津 3003842.天津市水质科学与技术重点实验室,天津 300384收稿日期:2021-11-25 录用日期:2022-02-14摘要:为探究整个海河水系重金属的污染特征及风险状况,通过收集和整理近 20 年间发表的文献数据,从整体上系统地分析了海河水系水体和沉积物中重金属的污染特征,并评价了其风险水平。结果表明,海河水系水体各重金属平均浓度均未超出V 类水质限值,但存在个别采样点超标现象;沉积物各重金属平均浓度均超过中国水系沉积物背景值。内梅罗综合污染指数法评价表明水体重金属污染黑龙港为轻度水平,其他河流为警戒或安全水平。沉积物潜在生态风险指数分析表明海河干流处于“很强”风险等级,黑龙港和子牙河为“强”等级,镉为最主要的风险因子,是需要加强控制的重点对象。关键词:海河水系;重金属;水体;沉积物;风险评价文章编号:1673-5897(2022)6-266-11 中图分类号:X171.5 文献标识码:APollution Characteristics and Risk Assessment of Heavy Metals in HaiheBasinLiu Sida1,Xiao Shumin1,2,*,Liu Jinxin1,Gao Fu1,21.School of Environmental and Municipal Engineering,Tianjin Chengjian University,Tianjin 300384,China2.Tianjin Key Laboratory of Aquatic Science and Technology,Tianjin 300384,ChinaReceived 25 November 2021 accepted 14 February 2022Abstract:With high population density and rapid economic development,the Haihe Basin is one of the most pol-luted basins in China.In order to explore the pollution characteristics and risk status of seven heavy metals(Zn,Cr,Cu,Ni,Pb,As and Cd)in the whole Haihe Basin,concentrations of heavy metals in overlying waters and surfacesediments in rivers in the basins nine watersheds were collected,using a literature metrology method,and system-atically analyzed.The results showed that except for a few sampling points,none of the average concentration ofheavy metals in waters exceed the level values in the Chinese environmental quality standards for surface water.In surface river sediments,average concentrations of Zn,Cr,Cu,Ni,Pb,As and Cd were 133.94,69.07,45.98,32.54,30.69,18.63 and 0.39 mg kg-1,respectively,and all of them exceed the background values of stream sedi-ments in China.According to the evaluation of Nemerow integrated pollution index,the pollution of heavy metalsin water in Heilonggang River was light,while those in other rivers were on alert or safety levels.Based on the po-第 6 期刘思达等:海河水系重金属污染特征及风险评价267 tential ecological risk index,the mainstream of Haihe River was at a very strong ecological risk level,followed byHeilonggang River and Ziya River,whereas other rivers were at medium or slight risk level.Cadmium was the big-gest contributor to potential ecological risks and consequently it was the key object of risk prevention and control.Keywords:Haihe Basin;heavy metals;water;sediments;risk assessment 重金属是常见的环境污染物,因其强生物毒性、难降解性及易生物富集等而备受关注1。其来源广泛,可通过生活污水、工农业废水排放或地表径流等途径进入水体系统。绝大部分重金属会被悬浮颗粒物吸附或结合而最终富集在沉积物中,同时在某些条件下(比如风浪潮汐、挖掘采沙、船运和底栖生物活动等)沉积物中的重金属又可释放到水体中,造成二次污染。因此,对既是河流重金属“汇”,又是河流重金属“源”2的沉积物中重金属分布特征研究可以判断一定时期内其区域污染程度。自 20 世纪 70年代以来,研究者对自然水体及其表层沉积物中的重金属污染开展了大量研究,发现不同地区不同水体重金属污染程度各有不同3-5。海河水系包括永定河、蓟运河、大清河、漳卫南运河、潮白河、北运河、子牙河和黑龙港运东地区诸河等6,流域总面积 31.8 万 km2,涵盖北京、天津和河北等 8 个省市。由于海河流域为我国政治文化中心所在地,在国民经济中占有举足轻重的地位,很多学者对其水体或沉积物中重金属污染进行了调研,但研究工作大多是对个别或少数条河流设置采样点进行的。目前,对海河水系重金属的大尺度研究较少,整体上海河流域水中重金属污染特征及风险状况仍然不清楚。文献计量学是通过对文献标题、摘要、关键词和全文进行分析,运用统计学等数学工具来描述研究领域趋势或特征的研究方法,可在较大的时间尺度和空间跨度上对某一问题等进行系统研究,已被用于环境中重金属的环境污染特征研究7。本研究借助该手段以整个海河流域作为研究区域,系统分析了近 20 年海河水系水体和沉积物中几种重金属的污染特征,并利用内梅罗综合污染指数法和潜在生态风险指数法进行了污染水平和生态风险评价,以期为后续该流域重金属的污染控制提供参考。1 材料与方法(Materials and methods)1.1 数据来源本研究中海河水系重金属浓度数据通过以下文献检索而获得。1.1.1 文献检索策略检索中国知网(CNKI)和 Web of Science 两大综合性文献数据库,文献范围限定为 20002021 年。中文检索关键词为“重金属/镉/铬/铜/锌/铅/砷/镍”,主题词“海河/永定河/蓟运河/大清河/北运河/潮白河/子牙河/漳卫南运河/黑龙港”;英文检索关键词为“Heavy metals/Cadmium/Chromium/Copper/Zinc/Lead/Arsenic/Nickel”和“China”,主题词“Haihe River/Yongding River/Jiyun River/Daqing River/Beiyun Riv-er/Ziya River/Chaobai River/Zhangwei South River/Heilonggang”。检索式使用布尔位置运算符(“AND”、“OR”)。1.1.2 文献筛选标准纳入标准:样品为河水或河流表层沉积物;采样地点明确;重金属检测方法科学可信;统计参数至少包括样本量、均值和标准差;或样本量、中位数和最大/最小值。排除标准:重复性文献;综述类文献;实验室模拟试验样品;统计参数不全。根据上述策略,在数据库中检索到相关文献385 篇,经筛选最终纳入 49 篇,具体流程如图 1所示。1.2 数据提取与统计处理从纳入文献中提取数据包括发表时间、采样地点、样品类型、样本量、检测方法、检出限和浓度数据。通过 Excel 2019 预处理数据,使用 SPSS26 软件进行重金属浓度数据统计处理。其中,每篇文献报告的均值和标准差若可直接从文献中读取的就直接读取,不能读取的则根据样本量、中位数、最小值和最大值等统计值间接计算。然后根据样本量、均值和标准差统计整体的均值(加权平均值)、标准差和均值的中位数7。1.3 风险评价为确定海河水系水中和表层沉积物中重金属污染程度,分别采用内梅罗综合污染指数法和潜在生态风险指数法进行污染评价。1.3.1 内梅罗综合污染指数法内梅罗综合污染指数法能够反映环境中重金属268 生态毒理学报第 17 卷图 1 文献筛选流程Fig.1 Literature screening process污染现状及各种重金属对复合污染的不同贡献,并甄别主要污染物,是水体重金属污染评价的常用方法之一8。计算公式分别为:单因子污染指数Pi=WiBi(1)内梅罗综合污染指数Pn=max(Pi)2+ave(Pi)22(2)式中:Wi为重金属i检测浓度;Bi为重金属i相应的环境标准值;max(Pi)为重金属单因子污染指数最大值;ave(Pi)为各重金属单因子污染指数平均值。本研究选用地表水环境质量标准(GB 38382002)V 类水域标准限值作为环境标准值9,根据内梅罗污染指数法评价分为 5 个等级,其等级分类标准可参考陈明等10的研究。1.3.2 潜在生态风险指数法潜在生态风险指数法综合考虑了沉积物中各种重金属的浓度水平和毒性效应,是评价沉积物重金属生态风险的最常用方法11-12。其计算公式为:RI=ni=1Ei=ni=1TiSi=ni=1TiCiDi(3)式中:RI 为潜在生态风险指数;Ei为重金属i的潜在生态风险系数;Ti为重金属i的毒性系数,Si为重金属i的污染参数;Ci为重金属i的检测浓度;Di为重金属i的地球化