2.2.5 沉积物中常规检测金属元素的污染评价
沉积物中金属的分布情况可以在一定程度上反映出水环境的污染状况。关于沉积物金属污染评价，国内外学者们提出了多种金属污染的评价方法，主要包括单因子污染指数法、污染负荷指数法、地累积指数法、潜在生态危害指数法、模糊集理论法、脸谱图法等（Jafarabadi et al.，2017；Sharifinia et al.，2017；Xu et al.，2017）。
以上评价沉积物金属污染程度的方法均存在一个共同特点，即在评价过程中需要引入金属元素背景值，背景值的选择直接决定了评价结果，以往的研究多采用区域土壤/沉积物金属元素背景值或地壳中金属元素的含量作为背景参考值。然而，区域自然背景值忽略了金属元素含量的自然变化（Covelli et al.，1997；Daskalakis et al.，1995）。此外，严格的原始地球化学组成的“自然背景”并不存在（Karim et al.，2015）。地球化学基线是指地球表面未受人类活动影响的金属元素的自然水平（Tian et al.，2017）。同时，地球化学基线可以区分自然源和人为源浓度（Karim et al.，2015；Matschullat et al.，2000；Teng et al.，2009；Zhang et al.，2014）。近年来，地球化学基线被广泛用作风险评估的参考背景值（Karim et al.，2015；Tian et al.，2017）。因此，本书在白洋淀沉积物中金属的污染风险评价过程中分别使用金属元素的河北省土壤背景值、地壳中金属元素含量和金属元素的地球化学基线作为背景参考值。
2.2.5.1 地累积指数法
地累积指数法由德国学者Müller于1969年提出，是迄今为止应用最广泛的金属污染程度评价方法。该方法利用水环境沉积物中金属元素的实测含量与参比值的关系来直接反映外源重金属在沉积物中的富集程度（Müller，1969），计算式为
式中：Igeo为地积累指数；Ci为沉积物中某金属元素的实测含量；Bi为参比值，分别以目标元素的河北省土壤背景值、地壳中金属元素含量和金属元素的地球化学基线作为背景参考值；1.5为修正指数，通常用来表征沉积特征、岩石地质及其他影响。
地积累指数用0～6级7个等级来表示污染程度，Igeo与污染程度分级关系见表2.8。白洋淀沉积物中金属元素的Igeo值见图2.5。
表2.8 Igeo与污染程度分级关系
图2.5 白洋淀沉积物中金属元素的Igeo值（参见文后彩图）
（A表示利用地壳中金属元素含量作为参考值；B表示利用金属元素的河北省土壤背景值作为参考值；C表示利用金属元素的地球化学基线作为参考值）
一般来说，利用地壳中金属元素含量、河北省土壤背景值和金属元素的地球化学基线作为背景参考值评价得到的所有金属的Igeo值范围分别为-3.35～2.63、-1.92～1.39和-1.67～3.05。用河北省土壤背景值做参考值，六种金属元素的Igeo值从大到小依次为：Cd＞Cu＞Pb＞Ni＞Cr＞Zn；用地壳中金属元素含量做参考值，六种金属元素的Igeo值从大到小依次为：Cd＞Cu＞Pb＞Cr＞Ni＞Zn；用地球化学基线做参考值，六种金属元素的Igeo值差别不大，为-0.56～-0.67。具体来讲，用以上三种背景值作为参考值，Cr、Ni、Cu、Zn、Pb平均Igeo值均小于0，说明总体上该区域沉积物中的这些金属均处于无污染水平。而对于Cd，使用不同参考值计算得到的Igeo变化很大，其污染程度因参考值的选择而不同。利用地壳中Cd含量做参考值时，Igeo为-1.11～0.25，平均值为0.79；利用河北省土壤中Cd背景值做参考时，Igeo为-1.53～2.63，平均值为0.36；而利用Cd的地球化学基线做参考时，Igeo为-0.01～1.39，平均值为-0.67。地壳中Cd含量和河北省土壤中Cd背景均为20多年前进行的调查值，没有考虑区域之间的差异。相比而言，地球化学基线则结合了白洋淀的污染现状。因此，采用传统背景值会过高估计Cd风险，尤其是针对地壳中金属元素含量而言。值得注意的是，在S1和S23采样点处的Igeo最大，利用地球化学基线做参考值，Igeo分别是1.36和1.39，该处采样点的污染评价结果为中度污染；S2、S4、S24和S25采样点处Cd的污染水平呈现无污染到中度污染；其余采样点均为无污染水平。该研究评价出的Cd污染水平低于杨卓等的报道（2005a，2005b）。对S1和S23两采样点的污染来源进行分析发现，这两处采样点沉积物中Cd的含量可能与其附近工业污水的排放和水产养殖业的增长有关（赵钰等，2013；Zhang et al.，2014）；此外，人类活动的加剧也增加了生活污水和生活垃圾的产生（Han et al.，2017）。
2.2.5.2 潜在生态风险法
由于地累积指数法只能反映单一金属的累积程度，当多种金属同时污染时，这种方法不能同时反映多种金属的毒害作用。潜在生态风险评价方法由瑞典学者Håkanson（1980）提出。该方法根据金属性质及环境行为特点，引入了金属的毒性系数，充分考虑了金属毒性和污染对评价区域的敏感度，解决了各种金属权重系数问题，是目前使用最广泛的一种评价方法。潜在生态风险的计算公式为
式中：RI为多种金属的潜在生态风险危害指数；Ei为金属i的潜在生态危害指数；
为沉积物中金属i的实测含量；
为参考值，分别以河北省土壤背景值、地壳中金属元素含量和金属元素的地球化学基线作为背景参考值；Ti为毒性系数，反映金属的毒性强度对污染的敏感程度，其中Cr、Ni、Cu、Zn、Cd和Pb的毒性系数分别为2、5、5、1、30和5。Ei、RI与生态危害程度分级关系见表2.9。
表2.9 Ei、RI与生态危害程度分级关系
对于Ei，以河北省土壤背景值、地壳中金属元素含量和金属元素的地球化学基线作为背景参考值计算结果都保持一致，所有金属元素的潜在生态风险值顺序为：Cd＞Cu＞Pb＞Ni＞Cr＞Zn。当以地壳中金属元素含量为参考值，Cr、Ni、Cu、Zn、Cd和Pb的平均潜在生态风险值为2.41、6.07、7.36、0.86、99.04和6.8；以河北省土壤背景值为参考值，潜在生态风险值分别为1.83、4.73、6.06、0.66、73.76和5.38；以地球化学基线值为参考值，潜在生态风险值分别为2.02、4.99、5.11、1.04、33.85和5.02。结果表明，除Cd外，其他5种金属均存在轻度生态风险（图2.6）。Cd平均生态风险较高，主要是由个别样点引起的，以地球化学基线作参考值时，S1、S2、S4、S23和S24等采样点均受到中等生态风险的影响。对于S1，Cd的Ei值分别为277.68、177.69和372.88（参考值分别为河北省土壤背景值、地球化学基线和地壳中Cd含量），说明S1采样点处存在较高或很高的生态风险。
图2.6 白洋淀沉积物中金属的潜在生态风险Ei值（参见文后彩图）
（A表示利用地壳中金属元素含量作为参考值；B表示利用金属元素的河北省土壤背景值作为参考值；C表示利用金属元素的地球化学基线作为参考值）
每个采样点综合潜在生态风险危害指数见图2.7。从潜在生态风险危害指数的结果来看，分别以地壳中金属元素含量、河北省土壤背景值、金属元素的地球化学基线作为背景参考值，6种金属元素的综合潜在生态风险危害指数（RI）的变化范围为78.77～385.36、30.75～299.38和28.70～138.33，均值为122.54、93.42和52.03（图2.7）。该结果表明，白洋淀沉积物中6种金属元素的总体生态风险较低。
2.2.5.3 富集因子
图2.7 （一） 每个采样点综合潜在生态风险危害指数（RI）
（A表示利用地壳中金属元素含量作为参考值；B表示利用金属元素的河北省土壤背景值作为参考值；C表示利用金属元素的地球化学基线作为参考值）
图2.7 （二） 每个采样点综合潜在生态风险危害指数（RI）
（A表示利用地壳中金属元素含量作为参考值；B表示利用金属元素的河北省土壤背景值作为参考值；C表示利用金属元素的地球化学基线作为参考值）
富集因子（Enrichment Factors，EF）能够用来预测金属污染物的人为输入程度。一般来说，所研究金属元素的浓度与大陆地壳（UCC）中的参考金属元素浓度比值已用于评估人为活动的影响（Farsad et al.，2011）。本书中，考虑到地区差异，EF也使用河北省土壤背景值进行评估。选择Sc作为归一化元素，以区分人为源和自然源。EF的计算公式如下：
式中：（Ci/Sc）sample为沉积物中某一金属元素的浓度与其标准化元素Sc的比值；（Ci/Sc）UCC/soil为 地壳中或当地土壤中该种金属元素浓度与其标准化元素Sc的比值。如果EF值为0.5～1.5，说明金属完全源于地壳或者自然风化过程。EF值＜2、2～5、5～20、20～40和＞40，分别表示无富集、较小、中等、强、极强的富集。
各采样点金属元素富集因子的计算结果如图2.8所示。基于地壳中元素含量和河北省土壤背景值的富集因子大小顺序均为：Cd＞Cu＞Pb＞Ni＞Cr＞Zn。Gao等（2013）的研究结果也显示，在白洋淀土壤中Cd的富集程度最大。除Cd外，其余金属元素的平均EF均小于2，表明大多数金属仅表现出轻微的富集。无论采用何种计算方法，Cd都表现出显著的富集。考虑到S1、S2、S4和S23位点属于中度富集，这些位点需要特别关注，特别是S1，政府必须加强监督和管理，以缓解污染状况。