黄嘉良，梅晓洁，方 宁，郭亚丽,*，周维奇

(1.中国长江三峡集团有限公司，长江生态环境工程研究中心<上海>，上海 200335；2.上海勘测设计研究院有限公司，上海 200335)

河道底泥是河道的污染内源，其中污染物能直接或间接地对生态系统造成危害，因而在河流污染治理中备受重视[1]。随着河岸两侧人类生产活动的日益频繁，河道底泥的重金属污染日益严重。重金属不可降解且积累性强[2]，长期沉积在河道底泥中，并通过生物富集和食物链的放大作用，进而影响陆地生物[3]。

图1 采样点位分布图Fig.1 Distribution of Sampling Points

王磊等[4]对上海市100条河流底泥中8种重金属进行检测，研究发现Hg和Cd元素属于中等～强生态风险；赵华林[5]对旴江-南丰段河流中底泥4种重金属沿程变化分析，发现水体中Zn、Cr、Pb这3种重金属均无法满足水功能区划中对应的水质标准，但是底泥中4种重金属含量较为稳定；肖茗明等[6]对上海滴水湖及其引水河道的底泥进行重金属分析，发现Cd元素表现出明显的累积特征，同时也是滴水湖水系沉积物重金属污染的主要贡献元素，而Cu和Cd已经呈现生物富集特征，并且主要来源于交通、农业等人为因素。可见，城市河道底泥中重金属污染风险的调研对提升城市环境质量和降低健康风险十分重要。

本文分析镇江市域内8条河流、2片水库和3个湖泊中22个代表性断面的6种重金属空间分布特征，分别采用地积累指数和内梅罗指数评价底泥中重金属的污染程度，为镇江市河道底泥质量评价和生态修复治理提供数据支撑。

1 研究方法

1.1 研究区域与样品采集

综合考虑水文条件、河湖情况、周边布局等实际情况，选取镇江市8条河流、2片水库、3个湖泊中22个代表性断面。取样点分布如图1所示，取样点名称及位置如表1所示。S1位于高姿港河，附近主要是港口和工厂，点位布置靠近长江口；S2位于便民河，附近主要为化工厂与机械制造厂，点位布置靠近长江口；S3～S5位于金山湖与北固湾，金山湖与北固湾通过运粮河连接，属于镇江人文自然景区，且位于镇江市区东侧江边；S6位于江南运河镇江段上游，靠近长江口，点位布置于码头与机械设备制造附近；S7～S11处于古运河的全流域，古运河是连通金山湖和江南运河的主要河流，也是贯穿镇江市区的河流；S12、S13、S14、S15分别位于市区的团结河、友谊港、虹桥港、运粮河；S16～S19为御桥港河及周边支流，点位主要布置于城市生活区域；S20、S21、S22分别为远离镇江市区的回龙水库、西麓水库和困山湖。

表1 采样断面名称及位置Tab.1 Names and Locations of Sampling Section

每个断面选取3个采样点，混合后作为该断面的样品。采用挖斗式采样器，采集河湖底部表层泥样(0～10 cm)，放入密封袋中，4 ℃冷藏保存。

1.2 样品预处理与分析方法

河湖底泥样品经48 h冷冻干燥后，研磨过筛(100目)备用。底泥重金属检测指标为Zn、Cu、Cr、Pb、Ni、As 6种重金属。酸消解后采用电感耦合等离子发射光谱仪(ICP-720ES，Agilent，美国)进行测定。为保证样品的精确性和准确性，对所有样品进行3组平行试验，同时按照《土壤和沉积物 12种金属元素的测定 王水提取-电感耦合等离子体质谱法》(HJ 803—2016)的质量控制要求进行分析。所有分析结果均以底泥干重计。

1.3 评价方法

1.3.1 地积累指数法

地积累指数法是由20世纪60年代德国科学家Muller提出的研究沉积物及其他物质中重金属污染程度的定量指标[7]。此评价指标除了考虑人为污染因素、环境地球化学背景值外，还考虑自然成岩作用下引起的背景值变动的因素[8]。

地积累指数(Igeo)是基于测量的金属浓度与其参考值之间的关系，检验单个元素的污染程度，计算如式(1)。根据地积累指数值的大小，将重金属的污染程度分为7个等级，分级情况如表2所示[9]。

(1)

其中：Cn——实测重金属质量分数，mg/kg；

K——考虑到自然成岩作用下可能引起背景值的变动而设定的常数，取1.5；

Bn——普通页岩中该元素的地球化学背景值，本文选取江苏省土壤背景值[10]作为对比，Zn、Cu、Cr、Pb、Ni、As背景值分别为62.6、22.3、77.8、26.2、26.7、10.6 mg/kg。

表2 基于地积累指数的重金属污染级别Tab.2 Pollution Levels of Heavy Metals Based on Geoaccumulation Index

1.3.2 内梅罗指数法

内梅罗指数法是当前国内外进行综合污染指数评价最常用的方法之一，是一种兼顾极值或突出最大值的计权型多因子环境质量指数[11]。内梅罗指数不仅考虑到各种影响参数的平均污染状况，而且特别强调污染最严重的因子，同时通过加权避免了主观因素的缺陷[12]，计算如式(2)～式(3)。

(2)

其中：Pi——第i种重金属元素的单项污染指数；

Ci——第i个监测点位的实测值，mg/kg；

C0——第i中污染物的标准值，mg/kg。

(3)

其中：P——内梅罗综合污染指数；

Pimax——最大项污染指数；

Piave——单项污染指数平均值。

本文中的内梅罗指数评价方法采用的污染物环境质量标准根据《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB 15618—2018)的污染筛选值进行计算。内梅罗指数土壤评价等级分为5级，如表3所示。

表3 内梅罗指数土壤污染评价等级Tab.3 Pollution Levels of Heavy Metals Based on Nemerow Index

表4 镇江市河道底泥整体情况Tab.4 Overall Situation of River Sediments in Zhenjiang City

2 结果与讨论

2.1 镇江市河湖底泥重金属分布特征分析

镇江市河湖底泥中6种重金属元素含量的最大值、最小值、平均值、标准差、变异系数等如表4所示。采样点位的Zn、Cu、Cr、Pb、Ni、As元素平均质量分数分别为361.95、64.49、111.16、63.31、45.21、11.97 mg/kg，单元素分别有95.45%、95.45%、63.64%、77.27%、77.27%、9.09%的点位超过江苏省土壤背景值，除As元素外，重金属含量整体远高于土壤背景值。

图2～图7为各个重金属元素含量分布图。Zn、Cu、Cr、Pb和Ni的含量在空间分布上体现了一致性，5种重金属的含量均在古运河和江南运河水系中出现较高值，最低值出现在西麓水库。而其他水系均有不同程度的重金属含量超过土壤背景值，整体上6种重金属含量分布表现为古运河>江南运河>友谊港>虹桥港>御桥港>便民河>北固湾水系>其他水系。

图2 Zn元素含量分布Fig.2 Contents and Distribution of Element Zn

图3 Cu元素含量分布Fig.3 Contents and Distribution of Element Cu

图4 Cr元素含量分布Fig.4 Contents and Distribution of Element Cr

图5 Pb元素含量分布Fig.5 Contents and Distribution of Element Pb

图6 Ni元素含量分布Fig.6 Contents and Distribution of Element Ni

图7 As元素含量分布Fig.7 Content and Distribution of Element As

在所测6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的变异系数为40%～100%，而As元素的变异系数则超过100%，反映出这几种重金属元素的离散程度较高，表明重金属含量存在明显的空间差异。当变异系数超过20%时，人类活动是导致重金属含量空间差异的主要驱动因子[13-15]。由图2～图7可知，古运河河道贯穿镇江市区，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，且毗邻道路，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。同时，古运河连接着金山湖与江南运河，而金山湖与江南运河的部分重金属含量低于古运河不同河段，并且古运河目前已不再通航。因此，古运河底泥(S7～S11)中存在的高浓度重金属，这是老城区污水管网溢流、交通尾气排放导致。而目前江南运河还保持着通航，故河道底泥中较高浓度的重金属也与船只航行排放的污染有关。

个别河道存在着部分重金属含量高于土壤背景值，也可能与附近存在的工厂产生的生产废水有关，如便民河(S2)的As元素显著高于其他河道，这可能是因为S2附近存在着化工、五金制造公司。污水管网破损、雨污河流、偷排漏排都会使生产废水进入河道，从而导致河道中As污染。友谊港(S13)河段附近存在印刷包装厂，产生的印染废水流入河道会导致底泥中Cr含量升高。河道中的Pb元素则与车用燃油尾气有关，这也导致市区河流如虹桥港(S14)、古运河(S7～S10)Pb元素较高，郊区河湖如回龙水库、困山湖Pb元素浓度较低。而回龙水库的采样点S20中Cr、Ni元素较高，这可能与水库附近电子厂排放的生产废水有关。

2.2 镇江市河湖底泥重金属污染程度评价

2.2.1 地积累指数法

镇江市河湖底泥重金属地积累指数、内梅罗指数结果如图8所示。镇江市河湖底泥中6种重金属元素的污染程度为Zn>Cu>Pb>Ni>Cr>As。Zn元素污染相对最严重，偏重污染点位达到18.0%，主要分布于古运河与江南运河水系,中度污染点位占比达到32.8%，主要存在于御桥港河段；除西麓水库的Zn元素地积累指数为清洁外,其他均为轻度污染。Cu和Pb元素污染也较为严重，达到中度污染的点位占比分别达到31.8%和22.7%，主要集中在古运河和虹桥港，Cu有59.1%的点位达到轻度污染;而Pb相较于Cu污染较轻，轻度污染点位占比为27.3%。Cr、Ni和As元素污染较低，中度污染仅为4.5%，其余点位均达到清洁水平。

图8 基于地积累指数和内梅罗指数的污染等级评估Fig.8 Evaluation of Pollution Levels Based on Geoaccumulation Index and Nemerow Index

从水系分布看，古运河、江南运河、御桥港重金属污染最为严重。Zn、Cu元素在研究点位的河湖底泥中Igeo为古运河>江南运河>御桥港>虹桥港>运粮河>其他水系；Pb、Cr、Ni元素在研究点位的河湖底泥中的Igeo为古运河>江南运河>友谊港、虹桥港、团结河>御桥港河>其他水系。古运河污染元素主要为Zn、Cu和Pb元素，都达到中度污染水平，Zn元素达到了偏重度污染；江南运河主要为Zn元素污染严重，而御桥港河的Zn和Cu元素污染比较严重。镇江市内部河流的河湖底泥重金属污染较外围河湖的污染程度高，其中最为典型的是古运河。古运河作为贯穿镇江的主要河流，河道周围遍布商业区、住宅区和工业区，用地类型复杂。老旧城区合流制排水管网溢流、污水管网破损及生活垃圾可能是Zn、Cu元素污染严重的原因，而复杂的交通、汽车尾气排放以及工业废水排放可能是Pb元素污染的主要原因。

2.2.2 内梅罗指数法

镇江市重金属内梅罗指数污染等级评价如图8所示。镇江市河道底泥内梅罗指数超过2(中度污染)的断面主要位于古运河和江南运河，说明城区河道的重金属污染较严重河道严重，这与地积累指数分析结果相一致。经统计分析，研究区域所选的布点断面中72.7%的点位未受污染，属于清洁或尚清洁，轻度污染占比达到9.1%，中度污染点位为4个，占18.2%，主要集中在市区内的古运河和江南运河，与人类的生产活动密切相关。

3 结果与讨论

基于调研结果与数据分析，镇江市河道底泥中的重金属含量整体较土壤背景值较高(As元素除外)。镇江市河道湖泊22个监测断面中重金属Zn、Cu、Cr、Pb、Ni、As元素平均质量分数分别为361.95、64.49、111.16、63.31、45.21和11.97 mg/kg，单元素分别有95.45%、95.45%、63.64%、77.27%、77.27%和9.09%的点位超过江苏省土壤背景值。其中，重金属含量污染程度较高的河段主要为城区内河河道和附近工厂较多的河道。

古运河作为贯穿镇江城区的河道，周边的生活区、商业区污水管网的偷排漏排、错接混接以及道路交通排放的尾气等增加了河道的污染负荷，城市内河河道流速较慢，重金属易沉淀汇聚于底泥中。而江南运河作为京杭大运河的起点，目前仍保持通航，这也是底泥中的重金属含量污染较严重的原因之一。对于重金属污染相对严重的内河河道若采用原位修复，往往需要投加大量化学药品，可能造成河道二次污染，也可能对河道内生物的生存环境造成影响，破坏原有的生态系统。因此，对于城区污染程度相对较高的河湖底泥，建议采用异位修复技术固化重金属，通过清淤工程将河湖底泥清掏后，单独堆置进行泥沙分离、脱水减容、固化稳定处理达标后再进行资源再利用。异位疏浚底泥处理可以基本清除河湖底泥，降低重金属对河道的影响，同时清淤后有利于河道生态环境的恢复[16]。

镇江市大多数城市外围河湖(西麓水库、困山湖)底泥污染程度较轻，这主要是因为河湖远离镇江市区，受人类生产生活影响较小。而金山湖与北固湾虽然位于市区，但作为镇江知名景点，环境保护较为重视，该水域不受航道影响。对于底泥污染较轻的河段，建议采用生物原位修复技术。通过生物修复技术，如利用沉水或挺水植物的根系，吸附底泥中的重金属，降低对河湖的污染。生物修复技术主要有植物操控技术、浮岛技术、人工湿地技术等[17]。在应用时，根据污染程度、水环境现状和生态功能进行综合评估，采用生物修复技术中多组合的方式达到经济与生态的共赢。