白洋淀水质量保护措施（白洋淀底泥重金属空间分布特征及污染评价）

摘 要：

为提高白洋淀生态环境修复效果并指导精准清淤工作，以白洋淀底泥为研究对象，分析8种典型重金属元素在淀区与入淀河口的空间分布特征，运用单项污染指数、综合污染指数和内梅罗污染指数评价底泥重金属污染程度。结果表明：浅层底泥中，As、Cr、Cu均在马棚淀富集，Ni多富集于烧车淀、圈头以及采蒲台，除Ni外其余7种重金属元素均富集在漕河、府河河口；中层底泥中，As、Hg、Ni、Zn、Pb、Cd在圈头富集，Cr在淀区普遍富集，除Ni、Cd外其余6种重金属元素均富集在府河、孝义河河口；深层底泥中，Cr、Ni、Cu、Zn、Pb在采蒲台富集，As、Hg、Pb在圈头富集，Hg、Cr、Cu、Pb、Zn均富集于府河河口。单项污染指数及综合污染指数显示，As、Hg、Pb属于安全级别，Cr、Cu、Zn、Cd属于警戒级别，Ni属于轻度污染；内梅罗污染指数显示淀区浅层、中层及深层均属轻度污染，污染程度浅层>深层>中层。研究结果对于白洋淀水生态环境修复和精准清淤工程具有借鉴意义。

关键词：

白洋淀;底泥重金属;空间分布特征;污染风险;生态环境修复;

作者简介：

孙博闻(1987—),男,副教授,博士,从事环境与生态水力学研究。E-mail:bwsun@tju.edu.cn;

*傅长锋(1963—),男,正高级工程师,博士,从事环境水利工程研究。E-mail:fcf_tj@Sina.com;

基金：

河北省水利厅科学技术研究项目(冀水科研2020-14);

国家自然科学基金项目(51621092);

引用：

孙博闻，孙文宁，傅长锋，等．白洋淀底泥重金属空间分布特征及污染评价［Ｊ］. 水利水电技术（中英文），２０２１，５２（１１）：１７３⁃１８５.

SUN Bowen, SUN Wenning, FU Changfeng, etal. Spatial distribution characteristics and assessment on pollution status of heavy metals in sediments of Baiyangdian Lake [J] . Water Resources and Hydropower Engineering, 2021, 52 (11）：173-185.

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0 引 言

底泥是天然水体的重要组成部分，既为水生生物提供养分与栖息环境，也会吸附各类污染物质。城市快速发展、过度开发利用土地以及工业生产等都会产生大量重金属元素，这些重金属元素随地表径流及工业废水等进入水体后在底泥累积。底泥中的重金属元素，一方面会在水力扰动下以再悬浮等形式释放到水体，另一方面会通过底栖生物的捕食过程进入食物链，并在食物链中不断传递最终影响人类健康。当前已有学者对水体底泥中的重金属元素开展相关研究，包先明等研究了太湖流域滆湖底泥中7种重金属的赋存特征及生物有效性，发现Ni、Cu、Zn和Pb含量显著高于沉积物背景值；易雨君等研究了长江中下游底泥7种重金属污染情况并进行来源分析，表明长江中下游湖泊中的底泥重金属含量最高；刘新等研究了巢湖湖区及主要出入湖河流的底泥重金属污染特征，发现河流底泥中重金属的平均含量显著高于湖区，可见分析水体底泥重金属空间分布对生态环境修复等工作具有重要意义。

2017年，中共中央、国务院决定设立雄安新区，白洋淀湿地也被定为生态功能核心区。白洋淀是大清河水系中游缓洪、滞沥和综合利用的大型平原洼淀，其水域构造独特，地貌景观以水体为主，水域间有苇田、台地、村庄，构成了淀中有淀、沟壕相连、园田和水面相间分布的特殊地貌。由于历年来大量生活污水、农业废水以及制革、造纸、化工等重污染行业工业废水排放入淀，致使白洋淀水质、底泥受到不同程度污染，因此全面修复和保护白洋淀湿地生态系统迫在眉睫。目前已有学者围绕近年来白洋淀水生态环境演变开展了相关研究,对于底泥重金属空间分布与风险的研究也在逐步开展，杨卓等和李经纬等采用累积指数法和潜在生态危害指数法对白洋淀底泥重金属元素污染现状进行研究，发现白洋淀淀区受Cd、Pb污染严重；祝天宇对藻苲淀区域的底泥重金属进行研究，发现淀区内Cd、Hg存在较大的生态风险；向语兮等对Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn等6种重金属元素的含量及赋存形态进行分析，研究了白洋淀淀区全域浅层沉积物6种重金属的生物可利用性大小、生态风险及重金属污染来源，该研究选取的40个采样点多集中于白洋淀中部且采样深度较浅；JI等分析45个浅层采样点与3个深层采样点，对白洋淀淀区As、Cd、Cu、Cr、Ni、Pb、Zn等7种重金属的空间分布进行研究，发现白洋淀表层沉积物重金属为中高度污染，重金属元素含量及风险随深度降低；赵钰等和李必才等分别对白洋淀内2个25 cm深和7个14 cm深采样点进行分析，研究白洋淀底泥中重金属的垂向分布特征与环境风险水平。可见目前学术界已有对白洋淀底泥重金属空间分布特征的相关研究，但大多关注的是浅层底泥中的分布情况，且采样点相对较少。

考虑到研究重金属元素的垂向分布与空间差异性，对重金属的污染溯源以及确定清淤深度等工作具有重要意义,本研究在对白洋淀底泥重金属进行采样分析的基础上，分析白洋淀各淀区及入淀河口底泥8种重金属的空间分布特征，利用单项污染指数、综合污染指数和内梅罗污染指数评价底泥重金属污染程度，研究成果可为白洋淀生态环境修复和精准清淤提供依据。

1 研究方法

1.1 研究区域与采样点概况

白洋淀(东经115°45′—116°26′,北纬38°44′—38°59′)位于河北省腹地，地处北京、天津、石家庄三角区中心位置，是华北平原最大的淡水湖泊。白洋淀现有大小淀泊约143个，从北、西、南三面接纳白沟引河、萍河、瀑河、漕河、府河、唐河、孝义河、潴龙河8条河流。本研究于2017年5—7月进行采样，针对白洋淀现状特点，先以间距1 000 m×1 000 m布置勘探点，在此基础上对主淀区和河口等重点区域加密布点，之后结合勘探点布置，同时重点考虑河流的入淀口处、淀中心区域及淀区沿岸地带，最终实际完成勘探点237个，采样点57个(见图1)。勘探点的任务为调查不同类型底泥空间分布特征，采样点的任务为确定底泥重金属空间分布特征及污染情况。

图1 白洋淀淀区划分与采样点位置

1.2 采样与试验方法

采用柱状取样器取样，据实际情况，取样深度0.5～1.4 m不等，一般钻孔进入硬质淀底层0.3～0.5 m。取样后将完整的底泥柱状芯样去掉淀水和杂物，按照浅层(0～0.3 m)、中层(0.3～0.6 m)、深层(0.6 m以下)分段留样，保持原状，密封后及时进行检测。为全面掌握淀区底泥分布特征及重金属污染状况，对底泥颗粒、类型等以及重金属常规8项(砷As、汞Hg、铬Cr、镍Ni、铜Cu、锌Zn、铅Pb、镉Cd)进行检测(见表1)。

1.3 重金属评价方法

采用单项污染指数、综合污染指数和内梅罗污染指数评价底泥重金属污染程度。单项污染指数为某一底泥样本某一项污染因子的实测值与评价标准的比值，表示单一样本、单一污染因子的污染程度，数值大小反映污染轻重，计算公式如下

式中，Pi为重金属元素i的单项污染指数；Ci为重金属i的实测浓度；Si为重金属i的评价标准。

综合污染指数为统计区域所有样本某一污染因子单项污染指数的算术平均值，反映统计区域单一污染因子的污染程度，数值大小反映区域单因子污染轻重，计算公式如下

式中，PI为综合污染指数；n为参与统计样本数。

内梅罗污染指数突出高浓度重金属元素对底泥环境质量的影响，全面反映各重金属元素对底泥的作用，计算公式如下

式中，PN为内梅罗污染指数；(Ci/Si)ave为单项污染指数平均值；(Ci/Si)max为单项污染指数最大值。

污染指数级别划分标准反映了单污染因子或多污染因子对底泥污染的不同程度。污染指数Pi、PI、PN分别以0.7、1.0、2.0、3.0作为阈值，将底泥污染程度分为安全级别、警戒级别、轻度污染级别、中度污染级别和重度污染5个级别。

2 结果与讨论

2.1 不同类型底泥分布特征

傅长锋等将淀区分为有底泥区和无底泥区，有底泥区面积为200.84 km2,占淀区面积近68.80%,总蓄积量为6 673万m3,无底泥区面积91.27 km2。根据本次勘探统计成果，淀区地层岩性主要为第四系湖沼积(Q1fl441fl)浮泥、流泥、淤泥、淤泥质土、黏土、壤土砂壤土等，第四系冲洪积(Qalp44alp)黏土、壤土、砂壤土、粉土及粉细砂。本研究进一步分析底泥成分发现，淀区底泥以淤泥为主，淤泥质土及流泥次之，浮泥最少，各类型底泥分布情况如图2所示。其中浮泥含水率极高，厚度在0.05～0.15 m, 浮泥分布面积为10.75 km2,蓄积量为112万m3;流泥呈可流动状态，含水率大于85%,多数达到150%以上，密度一般小于1.50 g/cm3,流泥分布面积为23.36 km2,蓄积量为389万m3;淤泥多分布于流泥下部，淤泥分布厚度0.14～0.36 m, 平均厚度0.29 m, 分布面积为180.30 km2,淤泥总量为5 300万m3;淤泥质土分布面积为36.40 km2,蓄积量为871万m3。由此可见底泥绝大部分以淤泥和淤泥质土为主。淤泥分布面积最大，占底泥面积的89.80%;浮泥分布范围最少，占比约5.30%;流泥及淤泥质土分别占底泥面积的11.60%和18.10%。

图2 各类型底泥空间分布

2.2 重金属元素分布特征及污染评价

2.2.1 各分层内重金属元素分布特征

将白洋淀淀区与入淀河口不同层间各采样点8种重金属元素含量分别绘于研究区内，运用插值法得到整个研究区重金属元素空间分布，分别如图3—图5所示。

图3 浅层底泥重金属元素分布(单位：mg/kg)

图4 中层底泥重金属元素分布(单位： mg/kg)

图5 深层底泥重金属元素分布(单位：mg/kg)

2.2.1.1 浅层底泥

在淀区内，As主要富集在圈头、马棚淀以及小白洋淀，最大值出现在圈头，达15.80 mg/kg; Cr富集在马棚淀，最大值达89.30 mg/kg; Ni主要富集在烧车淀、圈头以及采蒲台，最大值出现在采蒲台，达85.40 mg/kg; Cu主要富集在烧车淀及马棚淀，最大值出现在马棚淀，达55.20 mg/kg; Hg、Cd主要富集在圈头及南刘庄，最大值分别出现在圈头和南刘庄，达0.15、0.61 mg/kg; Zn, Pb主要富集在南刘庄及马棚淀，最大值分别出现在南刘庄和马棚淀，达171.90、34.20 mg/kg。从空间分布上看，Cu、Ni、Pb、Cr呈北低南高的特征，As、Hg、Cd、Zn呈中部高南北低的趋势。虽然采样点位置及数量不同，但主要元素空间分布特征与向语兮等和汪敬忠等研究结果整体一致。

在入淀河口，As、Hg、Cr、Cu、Zn、Pb、Cd均大量富集在漕河及府河河口。此外，As富集在白沟引河、萍河以及唐河河口；Cr富集在瀑河河口；Ni富集在白沟引河河口。Hg、Cu、Zn、Pb、Cd最大值均出现在漕河河口，分别达0.39、81.89、433.65、93.93、2.89 mg/kg; As、Ni最大值出现在白沟引河河口，分别达14.60、77.26 mg/kg。对比发现，采蒲台底泥重金属元素除Ni大量富集外，其余元素均含量较低，其原因是该区域为净水区，受入淀河流影响较小；漕河、府河入淀河口多种重金属元素大量富集，其原因主要与保定市工业废水和生活污水由府河入淀有关，污水在入淀口流速降低导致重金属在底泥中富集，这一结果与杨卓等、汪敬忠等和赵黔伟等的研究结果相似。

2.2.1.2 中、深层底泥

中层底泥中，As、Hg、Ni、Zn、Pb、Cd均富集在圈头。此外，As富集在马棚淀，Hg富集在大藻杂淀，Ni、Pb富集在大藻杂淀、马棚淀及小白洋淀，Cu富集在小白洋淀，Cr在多个淀区内富集。As、Pb最大值出现在马棚淀，分别为16.61和36.60 mg/kg; Hg、Ni、Zn、Cd最大值出现在圈头，分别为0.13、82.14、175.71和0.74 mg/kg; Cr最大值出现在南刘庄，达90.05 mg/kg; Cu最大值出现在小白洋淀，达48.40 mg/kg。在各入淀河口中，As、Hg、Cr、Cu、Zn、Pb均富集在漕河、府河以及孝义河河口。此外，As富集在萍河河口，Ni富集在潴龙河河口。As、Cr最大值出现在孝义河河口，分别为25.50、98.90 mg/kg; Hg、Zn、Pb、Cd最大值出现在府河河口，分别为0.17、195.35、39.33、0.27 mg/kg; Ni最大值出现在潴龙河河口，达56.72 mg/kg; Cu最大值出现在漕河河口，达57.7 mg/kg。

深层底泥中，Cr、Cu、Zn、Pb均富集在采蒲台及大藻杂淀。此外，As富集在马棚淀及圈头；Hg、Cd富集在圈头；Ni富集在采蒲台及马棚淀。As、Hg、Cd最大值出现在圈头，分别为47.00、0.12、0.16 mg/kg; Cr、Zn、Pb最大值出现在采蒲台，分别为100.20、98.70、27.50 mg/kg; Ni最大值出现在马棚淀，达101.00 mg/kg; Cu最大值出现在大藻杂淀，达36.40 mg/kg。在各入淀河口中，Hg、Cr、Cu、Zn、Pb、Cd均富集在漕河及府河河口。此外，As富集在唐河河口；Cr富集在瀑河、萍河河口；Ni富集在潴龙河河口。As最大值出现在唐河河口，达50.00 mg/kg; Hg最大值出现在府河河口，达0.13 mg/kg; Cr最大值出现在瀑河河口，达106.00 mg/kg; Ni最大值出现在潴龙河河口，达75.60 mg/kg; Cu、Zn、Pb、Cd最大值均出现在漕河河口，分别为62.50、137.20、44.50、0.55 mg/kg。

2.2.1.3 各层底泥重金属分布相互关系

对比不同深度同种元素垂向分布，As、Hg、Ni、Cu在各层间分布特征较为相似，具有较好的继承性，其余元素在不同层间分布特征存在一定差异。考虑到底泥能直接反映湖泊污染现状及湖泊环境演变过程,重金属元素在底泥中的垂向分布，反映了不同时期人类活动、气候变化等过程对淀区重金属累计的影。2000年以后，白洋淀区域温度上升、降雨量减少，加之农业灌溉用水增大和上游水利工程建设等原因，导致白洋淀水位持续降低;在土地利用方面，20世纪80—90年代淀区大量湿地转变为耕地，进入21世纪后人工湿地面积增加。HAN等通过大量水质数据等研究表明，2006—2016年期间，白洋淀水质总体上呈改善趋势。在水环境质量改善、气候变化以及土地利用类型改变等共同作用下，该段时间内淀区底泥沉积受相应影响，影响重金属元素的沉降作用，反映在重金属垂向分布上即不同深度重金属元素空间分布情况及含量的差异。

2.2.2 各分层内重金属污染评价

将各分层内重金属综合污染指数(PI)以及各层内梅罗污染指数(PN)进行统计，对比其不同层间的变化趋势，结果如表2所列。可以看出，白洋淀浅层、中层及深层重金属内梅罗污染指数平均值均处于1.0以上，属于轻度污染，污染程度浅层最严重，污染程度浅层>深层>中层。由于各重金属元素的综合污染指数仅Ni及浅层的Cd处于轻度污染级别，其他6项金属元素均处于安全及警戒级别，可见Ni及浅层的Cd对整个淀区内梅罗污染指数影响及占比较大。As、Cr从浅层至深层，污染指数有增大趋势。As变化比较大，从安全级别升高到警戒级别；Cr变化相对平缓，处于警戒级别。对比淀外As和Cr两种元素背景值也可发现类似规律，由此可以推断早期整个淀区可能均存在该元素污染，近期该元素由于释放、动植物吸收等因素浅层含量有所降低，故呈现出随深度增高趋势。Hg、Pb整体处于安全级别，且污染指数随深度增加呈下降趋势；但与淀外背景值对比，数值偏高，由此推断淀内环境也受到过这两种元素的污染。Cu、Zn整体处于警戒级别，且污染指数随深度增加呈下降趋势；但与淀外背景值对比，淀内浅层污染指数相对偏高，中下部与淀外保持基本一致。Cd浅层处于轻度污染级别，中下部整体处于安全级别，且污染指数随深度增加呈下降趋势；但与淀外背景值对比，浅层污染情况变化较大，由于府河、漕河河口该元素严重超标，其他地区无严重污染情况，该元素的综合污染指数受两河口处数值影响较大，通过将两处异常数据剔除后计算得出浅层Cd的污染指数大幅降低，降为警戒级(0.79),按照此数据该元素同样有随深度增加而降低的趋势。Ni浅层至深部均处于轻度污染，且污染指数随深度呈先下降后升高的趋势；与淀外背景值对比，污染程度则较淀外背景严重，由此可以推断早期该区域应该受到过Ni污染。根据统计结果可知，Ni的污染级别以轻度污染为主，且污染比较普遍，中度污染主要分布在圈头浅层及马棚淀附近。

2.2.3 各淀区及入淀河口重金属污染评价

将各采样点重金属单项污染指数(Pi)、综合污染指数(PI)和内梅罗污染指数(PN)评价结果及主要分布进行统计，结果如表3所列及图6所示。可以看出，淀区内大多数采样点中As、Hg、Pb、Cd属于安全级别，Cr、Cu、Zn属于警戒级别，Ni属于轻度污染。白洋淀底泥重金属内梅罗污染指数平均值为1.114,表明白洋淀底泥重金属整体处于轻度污染状态。漕河河口的内梅罗污染指数较高，最大值达5.642,属于重度污染，这是由于该区域上游工厂及生活排污所致。

图6 各淀区及入淀河口污染指数

在实测数据基础上，本文分别采用地累积指数法和潜在生态风险指数法分析了除Hg以外其他7种元素的分布规律，结果与JI等得出整体规律较为相似，个别区域由于采样点位置不同而出现一定差异。马建华等研究发现当潜在生态风险指数用于评价包括Hg在内的多个重金属的综合生态风险时，计算公式中的毒性响应系数(Tri)应由沉积物氮含量-烧失量回归曲线推求得到，不能用毒性系数(Sti)代替，同时潜在生态风险指数分级标准也应做响应调整。由于缺少研究区沉积物氮含量-烧失量数据，无法正确推求其毒性响应系数，对研究区进行重金属污染评价时采用潜在生态风险指数法，将其毒性响应系数用毒性系数代替则评价结果会出现一定偏差，故本文选择综合污染指数及内梅罗污染指数对淀区整体污染情况作评价。

2.3 重金属含量相关性分析

底泥中重金属元素可能有一种或多种来源，相同或相似来源的重金属元素之间存在一定的相关性。为分析白洋淀区底泥的重金属来源，对各层底泥中重金属含量进行Person相关分析，浅层、中层和深层结果分别如表4—表6所列。

白洋淀浅层底泥中，As含量与Cu、Pb含量呈显著正相关(n=57,p<0.05),与Hg、Cr、Ni、Zn、Cd含量不相关；Hg含量分别与Cu、Zn、Pb、Cd含量呈显著正相关(n=57,p<0.01),与Cr含量呈显著正相关(n=57,p<0.05),与As、Ni含量不相关；Cr含量分别与Cu、Zn、Pb含量呈显著正相关(n=57,p<0.01),与Hg、Cd含量呈显著正相关(n=57,p<0.05),与Ni含量呈显著负相关(n=57,p<0.01),与As含量不相关；Ni含量仅与Cr含量呈显著负相关(n=57,p<0.01),与其他6种重金属元素含量均不相关；Cu、Pb含量分别与As含量呈显著正相关(n=57,p<0.05),与Ni含量不相关，与其余5种重金属元素均呈显著正相关(n=57,p<0.01);Zn含量分别与Ni、As含量不相关，与其他5种重金属元素均呈显著正相关(n=57,p<0.01);Cd含量分别与Cr含量呈显著正相关(n=57,p<0.05),与As、Ni含量不相关，与其他4种重金属元素含量呈显著正相关(n=57,p<0.01)。

对于中(n=54)、深(n=36)层底泥，除As与其他重金属元素含量的相关性较浅层有一定变化外，其余不同重金属元素含量间的相关性基本与浅层相似，由此可以推断出中、深层底泥污染来源与浅层污染来源较为相似。湖泊中的As来源主要有工业“三废”和农业生产等。研究表明，磷肥厂等以As矿石为原料进行工业生产的企业“三废”处理不当是环境中As的重要来源，同时火电厂等产生的粉煤灰中的As在降雨冲刷等作用下进入地表水体也是造成湖泊As污染的原因之一。在农业生产活动中长期大量施用砷酸钙、砷酸铅、甲基胂、亚砷酸钠、甲基胂酸二钠和巴黎绿等As含量高的农药、磷肥及其它含As化肥，会使环境中的As不断积累，最终在降雨等作用下大量的As进入河流湖泊中。

资料显示，早期白洋淀周围遍布制革、造纸、化工、电镀等重污染行业，其工业废水大量入淀，上述8种重金属皆是入淀工业废水中常见污染物;另外淀区内生活污水和垃圾入淀，以及围栏养鱼等现象皆加重了白洋淀的污染。保定市工业废水和生活污水皆由府河流入，胡国成等研究发现府河和白洋淀表层沉积物中的Cu、Pb和Zn存在相同变化趋势，因此可以推断白洋淀重金属污染与府河入淀水体关系密切；向语兮等研究发现Cd、Cu、Pb和Ni具有相似的来源，并根据聚类分析推断Cd、Cu、Pb和Ni受外源人为污染影响较大；JI等研究发现Cu、Pb、Zn相关性较高，由此推断这三种元素具有相同工业来源，上述结果与本文浅层底泥研究结果相似，部分差异可能是由于采样深度和位置不同导致。

2.4 重金属污染防治建议

针对以上结果，面向白洋淀生态环境修复和淀区精准清淤需求给出以下两点建议：(1)对于单点处于中度及重度污染的区域需重点关注，主要包括：漕河浅层与深层、府河浅层、唐河深层、南刘庄浅层以及圈头中层与深层。(2)考虑到萍河、漕河长期处于断流状态，若要通过萍河、漕河进行生态补水，应首先对入淀河口处底泥进行清除。特别是漕河，其入淀河口处重金属污染较严重，若在清除受污染底泥前直接补水，底泥中重金属元素极易在水力扰动下释放进而污染整个淀区。

3 结 论

本文研究了白洋淀各淀区及入淀河口底泥8种重金属元素的空间分布规律，利用单项污染指数、综合污染指数和内梅罗污染指数评价底泥重金属污染程度。

(1)同一层内底泥中不同重金属元素的分布特征不完全相同，As、Hg、Ni、Cu在各层间分布特征较为相似，具有较好的继承性，其余元素在不同层间分布特征存在一定差异。

(2)单项污染指数显示，淀区内大多数采样点中As、Hg、Pb、Cd属于安全级别，Cr、Cu、Zn属于警戒级别，Ni属于轻度污染；综合污染指数显示，除Cd属于警戒级别外，其他重金属元素污染级别与单项污染指数级别相同。

(3)内梅罗污染指数显示，浅层、中层及深层均属于轻度污染，污染程度浅层>深层>中层；As在浅层与中层处于安全级别，深层处于警戒级别；Hg、Pb整体处于安全级别；Cr、Cu、Zn整体处于警戒级别；Ni在浅层至深层均处于轻度污染状态；Cd浅层处于轻度污染级别，在中层与深层处于安全级别。

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水利水电技术（中英文）

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