郭 曼, 郭 帥, 李志能

(1.中國(guó)電建集團(tuán)昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,云南 昆明 650051;2.重慶大學(xué),重慶 401331;3.云南省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司,云南 昆明 650051)

城市黑臭水體對(duì)城市居民生活和城市形象具有重要的影響。 目前,城區(qū)河道黑臭問題已成為我國(guó)環(huán)境問題關(guān)注的焦點(diǎn)。 底泥作為內(nèi)源污染,是造成河涌黑臭的重要原因之一[1]。 河涌“消除黑臭”是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)性工程[2],除了采取點(diǎn)源截污納管、面源污染治理、生態(tài)修復(fù)等一系列措施外,還需要對(duì)河涌的內(nèi)源污染底泥進(jìn)行妥善處理與處置。 對(duì)河道底泥的污染特征進(jìn)行分析,不僅可以間接反映水體污染情況[3],還可為治理底泥污染的措施決策提供依據(jù)[4]。

廣州市是我國(guó)典型的黑臭水體聚集區(qū),城區(qū)內(nèi)河網(wǎng)密布,且大多穿過密集住宅及工業(yè)區(qū),河涌底泥淤積污染嚴(yán)重[5],水體消除黑臭壓力極大。本研究選取廣州市列入省考斷面的重要黑臭河涌及其主要一級(jí)支流作為研究對(duì)象,對(duì)底泥中的總氮、總磷、有機(jī)質(zhì)及重金屬污染特征進(jìn)行分析與評(píng)價(jià),為我國(guó)城市黑臭水體治理提供一定的參考。

1 材料與方法

1.1 樣品采集與處理

石井河口斷面是廣東省考斷面,石井河流域內(nèi)人口眾多,產(chǎn)業(yè)低端,基礎(chǔ)設(shè)施薄弱,是全市治理難度最大的流域之一。 本研究選取石井河及其主要的一級(jí)支流新市涌、夏茅涌、同德圍涌、棠景沙涌為研究對(duì)象,共布置了9 個(gè)點(diǎn)位進(jìn)行采樣,采樣點(diǎn)位置見表1。

表1 河涌底泥采樣點(diǎn)位置

1.2 分析指標(biāo)及方法

底泥檢測(cè)分析指標(biāo)包括pH 值、全磷、總氮、有機(jī)質(zhì)、水分、總氟化物、氰化物、鉛、鉻、鎘、砷、汞、銅、鋅、鎳、機(jī)械組成,共16 項(xiàng)。 分析方法按《土壤理化分析》[6]《土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》[7]等推薦的方法執(zhí)行,具體分析方法見表2:

表2 河涌底泥分析方法

1.3 底泥污染評(píng)價(jià)方法

1.3.1 底泥營(yíng)養(yǎng)鹽評(píng)價(jià)方法

針對(duì)河流底泥污染現(xiàn)狀的評(píng)價(jià),目前常用的方法有富集系數(shù)法、有機(jī)指數(shù)及有機(jī)氮指數(shù)、污染指數(shù)法等[8]。 本研究采用綜合污染指數(shù)評(píng)價(jià)法對(duì)廣州黑臭河涌底泥的總氮(TN)、總磷(TP)、有機(jī)質(zhì)(OM) 污染現(xiàn)狀進(jìn)行評(píng)價(jià)。 綜合污染指數(shù)法綜合考慮了TN、TP 兩種營(yíng)養(yǎng)鹽因子,是對(duì)TN、TP $污染程度的綜合性評(píng)價(jià),相比于其他評(píng)價(jià)方法更具優(yōu)越性。 該方法的計(jì)算公式如下:

式中: Si——單項(xiàng)評(píng)價(jià)指數(shù),i 代表總氮(TN)指標(biāo)和總磷(TP) 指標(biāo);Si＞1 則表示該項(xiàng)指標(biāo)沉積物的污染物含量超過標(biāo)準(zhǔn)值;Ci——評(píng)價(jià)指標(biāo)項(xiàng)i 的實(shí)測(cè)值;Csi——評(píng)價(jià)因子i 的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值,CSTN=0.067%,CSTP=0.044%;F——n 項(xiàng)污染物污染指數(shù)平均值;Fmax——TP、 TN 中污染指數(shù)最大項(xiàng)值。

綜合污染指數(shù)評(píng)價(jià)法分級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如表3所示:

表3 底泥營(yíng)養(yǎng)鹽分級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

1.3.2 泥重金屬評(píng)價(jià)方法

目前存在許多底泥重金屬污染評(píng)價(jià)方法,如地質(zhì)累積指數(shù)法(Muller,1979)、潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法(Hakanson,1980)、Hilton 等的回歸過量分析法及污染負(fù)荷指數(shù)法(Tomlison,1980)[9]。 本研究中底泥重金屬的評(píng)價(jià)采用潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法,該方法在考慮重金屬含量的基礎(chǔ)上,綜合考慮了多種重金屬元素協(xié)同作用、毒性水平以及環(huán)境對(duì)重金屬污染敏感性等因素。

單一重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)為:

式中: Er,i——重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù);RI——多種重金屬的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)綜合指數(shù);Tr,i——重金屬i 的毒性響應(yīng)系數(shù)(反映重金屬毒性水平和環(huán)境對(duì)重金屬污染的敏感程度);Cf,i——重金屬i 相對(duì)于評(píng)價(jià)參比值的污染指數(shù)。 本研究中的重金屬評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)取值采用《廣州市河涌清淤及淤泥處理處置全流程工作指引》(試行) 中余土分類指標(biāo)與限值。 重金屬毒性相應(yīng)系數(shù)及分級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)分別見表4、表5。

表4 重金屬毒性相應(yīng)系數(shù)

表5 分級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

2 結(jié)果與討論

2.1 底泥營(yíng)養(yǎng)鹽污染特征分析及評(píng)價(jià)

2.1.1 底泥TN、TP、OM 污染特征分析

5 條黑臭河涌各采樣點(diǎn)底泥的TN、TP、OM 含量如圖1 ～ 圖3 所示。 底泥中TN 含量范圍為3 020～5 240 mg/kg,平均值為4 429 mg/kg。 根據(jù)EPA8 制定的底泥分類評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn),5 條河涌的9個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位TN 均大于2 000 mg/kg,屬于重度污染。

底泥中TP 含量范圍為810 ～2 660 mg/kg,平均值為1 528 mg/kg。 根據(jù)EPA 制定的底泥分類評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn),5 條河涌的9 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位TP 均大于650 mg/kg,屬于重度污染。

底泥中OM 含量范圍為5.46～163 g/kg,平均值為62.3 g/kg,表明5 條河涌的9 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位底泥有機(jī)質(zhì)污染較為突出。 同時(shí),其變化特征與TN、TP 有較好的同步性。

圖1 底泥總氮含量

圖2 底泥總磷含量

圖3 底泥OM 含量

綜上,5 條河涌均為TN、TP 重度污染河涌。分析其原因,一方面是由于石井河流域?yàn)槌侵写?、居住小區(qū)等主要密集區(qū)域,源頭污水收集系統(tǒng)未全覆蓋,生活污水多以直排、雨污合流或錯(cuò)混接的形式進(jìn)入水體,造成水質(zhì)污染;另一方面,城中村、老舊小區(qū)垃圾配套設(shè)施不足,部分生活垃圾隨處堆放,尤其是路邊飲食區(qū),晴天居民丟棄的垃圾和餐飲垃圾、餐飲用水是城市面源污染的主要來源,該部分污染隨著初雨進(jìn)入水體,對(duì)河涌水質(zhì)造成影響。 進(jìn)入河涌的氮、磷及有機(jī)質(zhì)污染物常年積累,造成河涌底泥TN、TP 重度污染。 水體中的N、P 污染容易造成水體富營(yíng)養(yǎng)化,影響水生動(dòng)植物的生存,污染水體也將間接對(duì)人體健康產(chǎn)生影響,同時(shí)對(duì)生態(tài)安全造成威脅[10]。

2.1.2 底泥營(yíng)養(yǎng)鹽污染評(píng)價(jià)

廣州黑臭河涌底泥營(yíng)養(yǎng)鹽綜合污染指數(shù)計(jì)算結(jié)果如表6 所示。 根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知,5 條河涌的TN 評(píng)價(jià)指數(shù)介于4.51 ～7.82,均大于2.0,屬于重度污染;TP 評(píng)價(jià)指數(shù)介于1.84 ～6.05,均大于1.5,屬于重度污染;綜合污染指數(shù)介于4.01 ～7.39,均大于2.0,屬于重度污染。 表明5 條河涌底泥中營(yíng)養(yǎng)鹽富集,水體氮磷污染非常嚴(yán)重。

表6 底泥營(yíng)養(yǎng)鹽評(píng)價(jià)結(jié)果

2.2 底泥重金屬污染特征分析及評(píng)價(jià)

2.2.1 底泥重金屬污染特征分析

廣州黑臭河涌底泥重金屬含量的描述性統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表7 所示。 參考廣州土壤重金屬背景值[11],黑臭河涌底泥中重金屬Cu、Zn 超標(biāo)最嚴(yán)重,平均值的超標(biāo)倍數(shù)分別為6.8 倍、5.8 倍;Ni、Cr 次之,平均值的超標(biāo)倍數(shù)分別為1.5 倍、0.6 倍。Cu、Zn、Ni 這3 種重金屬在所有采樣點(diǎn)位均超標(biāo),Cr 超標(biāo)點(diǎn)位占比為88.95%,Pb 超標(biāo)點(diǎn)位占比為55.6%。 根據(jù)Wilding 對(duì)變異程度的分類,一般變異系數(shù)大于36%的為高度變異,在16%～35%之間的為中等變異,小于15%的為小變異[12]。 由此可知Zn、Cu、Cr 為高度變異,表明這3 種重金屬可能存在點(diǎn)源污染或面源污染,同時(shí)受外界人為活動(dòng)干擾比較顯著[13],含量上具有較大的空間分異性;Ni 和Pb 為中等變異。

表7 底泥重金屬描述性統(tǒng)計(jì)結(jié)果

2.2.2 底泥重金屬污染評(píng)價(jià)

底泥重金屬污染評(píng)價(jià)結(jié)果見表8。 由評(píng)價(jià)結(jié)果可知,各采樣點(diǎn)單一重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)分別如下:Zn:0.3～1.65,Cu:0.59 ～5.19,Ni:0.55 ～1.60,Cr:0.25 ～0.85,Pb:0.26 ～0.64,均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于40,為低風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。 各采樣點(diǎn)多種重金屬環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)綜合指數(shù)為2.24 ～9.81,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于150,為低風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。 表明5 條黑臭河涌的重金屬污染程度較輕,其原因是流域內(nèi)大多為密集居住區(qū),工業(yè)活動(dòng)較少。

3 結(jié)論

(1) 廣州市城區(qū)黑臭河涌底泥中TN、TP、OM含量范圍為3 020～5 240 mg/kg、810～2 660 mg/kg、5.46～163 g/kg,屬于TN、TP 重度污染,有機(jī)質(zhì)污染顯著。 采用底泥營(yíng)養(yǎng)鹽綜合污染指數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià),結(jié)果表明河涌底泥中營(yíng)養(yǎng)鹽富集,水體氮磷為重度污染。

表8 底泥重金屬污染評(píng)價(jià)結(jié)果

(2) 黑臭河涌底泥中重金屬Cu、Zn 超標(biāo)最嚴(yán)重,Ni、Cr 次之;Zn、Cu、Cr 為高度變異,可能存在點(diǎn)源污染或面源污染,同時(shí)受外界人為活動(dòng)干擾比較顯著。 采用潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法進(jìn)行評(píng)價(jià),結(jié)果表明所有采樣點(diǎn)重金屬單項(xiàng)及綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)均為低風(fēng)險(xiǎn)等級(jí),黑臭河涌的重金屬污染程度較輕。

(3) 廣州黑臭河涌河道底泥有機(jī)污染更為突出,底泥重金屬含量低于園林綠化用土污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值,生態(tài)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)較低。 清淤后底泥經(jīng)處理后可進(jìn)行資源化利用,用于園林綠化。