1 引言(Introduction)

河流资源环境的优劣关系到城市生存与发展, 是影响城市面貌和美化城市环境的重要因素(邓晓军等, 2014), 然而随着工业化及城镇化的快速增长, 河流污水排放不断加剧, 导致河流水质及沉积物污染问题日益凸显, 城市河流治理已成为一个不断突出的实际环境问题(耿雅妮, 2012；Mayuri et al., 2012).相关报道可知, 河流表层沉积物重金属含量是河流长期污染富集积累的结果, 其浓度相对较为稳定, 可作为水体污染的指示剂, 同时也是水体污染物的“汇”与“源”(Hiller et al., 2010), 但当水体环境发生变化时, 沉积物中的重金属等污染物就可能再次被释放到水体中, 造成对河流水体的“二次污染”(宋宪强等, 2008；卢少勇等, 2010), 甚至可能通过食物链影响人类健康(Caeiro et al., 2005), 关于沉积物中重金属的研究, 一直是国内外研究热点(Suresh et al., 2015；张伯镇等, 2015；郎超等, 2016).因此, 城市河流表层沉积物重金属的污染特征研究、分析其污染源并评价其风险危害, 对于城市河流水生态系统及城区居民健康具有重要意义.目前, 关于城市河流沉积物研究多在北京(唐文忠等, 2015；郎超等, 2016)、上海(贾英等, 2013)、成都(佟洪金等, 2011)、重庆(张伯镇等, 2015)等经济发达的城市, 对中小城市研究仍然不多, 特别是关于有机碳、全氮等因素对重金属含量及转化特征的影响机制研究(唐文忠等, 2015)很少报道.

作为历史文化名城, 开封城镇兴衰与河流变迁关系甚密, 河流通塞成为开封城兴衰隆替的核心因素之一, 城市河流在开封历史及现代经济发展中扮演重要角色(吴小伦, 2013).开封境内河流湖泊众多, 地表水资源丰富, 这些河流接纳城区工业生活废污水及农业面源污染的排放, 近年来水体污染现状不容乐观(郭廷忠等, 2008；李凯, 2013).城市河流污染严重影响了沿岸居民的生产生活, 严重制约了开封城市生态文明建设和经济可持续发展.从本区域重金属相关研究可知, 开封城郊污灌区土壤、地表灰尘、城市土壤、河流水体重金属已经受到不同程度的污染与危害(郭廷忠等, 2008；马建华等, 2011；段海静等, 2015；李一蒙等, 2015), 然而有关开封城区及周边河流沉积物重金属污染评价及治理对策的研究却很少关注.因此, 本文以开封城市河流水系为研究对象, 采集河流表层沉积物并分析沉积物中有机质、全氮及重金属含量空间分布特征, 探讨沉积物各因素对重金属含量的影响机制及污染来源解析, 并对重金属污染状况进行生态评估, 旨在为城市河流水体生态环境监测保护及重金属污染防治治理提供科学依据和理论指导, 也对河流两岸农田灌溉及农业发展具有重要实践价值.

2 材料与方法(Materials and methods) 2.1 研究区概况

研究区位于黄河下游的豫东平原边缘, 地势由西北向东南倾斜, 平均海拔在69~78 m之间.气候属暖温带大陆性季风气候, 年均气温为14.52 ℃, 年均降水量为627.5 mm.该区成土母质为黄河冲积物, 土壤类型主要为黄潮土(马建华等, 2011).其中惠济河属涡河水系, 发源于开封市西北部黑池, 贯穿整个开封市区, 先后有黄汴河、东护城河、药厂河、化肥河汇入, 在开封东南郊区有马家河流入(图 1).

2.2 沉积物样品采集与分析

在搜集开封市城区水系图和实地调查的基础上, 2015年6月利用抓斗式采样器在开封各个河流采集沉积物样品, 在黄汴河采集11个样点、惠济河采集17个样点、东护城河采集8个样点、药厂河采集3个样点、化肥河采集16个样点和马家河采集20个样点, 共采集到75个表层0~10 cm的沉积物样品(表 1), 每个采样点取6个样品, 混合均匀后封存, 并详细记录采样点周围工厂分布、沉积物颜色、植物生长情况等信息, 所有采样点均采用GPS定位.将采集的样品带回实验室, 置于阴凉通风处自然风干后, 捡出砾石颗粒、枯枝落叶和垃圾等杂物, 用玛瑙研钵研磨后过100目筛, 备用.

实验采用石墨全自动消解仪(ST-60), 用盐酸-硝酸-氢氟酸-高氯酸法(许友泽等, 2016)消解沉积物样品.沉积物重金属Cd、Cr、Cu、Ni、Zn和Pb含量使用电感耦合体光谱仪ICAP 6200型ICP-OES (USA Thermos Scientific)测定.为保证精确度并减少随机误差, 实验分析过程采用超纯水, 利用国家标准土壤样品(GSS-2)、平行样和空白样进行质量控制.所有样品分析均重复3次, 取平均值, 平行样相对偏差均小于5%, 样品加标回收率在85.00%~115.00%之间, 符合控制范围要求.

沉积物pH值采用pH仪进行测定；粒度分析采用英国Malvern公司生产的Mastersizer 2000激光粒度分析仪, 3次重复测量误差小于3%；有机质(Organic Matter, OM)测定使用重铬酸钾容量法(杨洋等, 2014)；沉积物总氮(Total Nitrogen, TN)的测定采用凯氏定氮法, 称取样品0.5 g (准确到0.1 mg)于定氮管, 在加速剂的催化下, 经浓硫酸消煮后, 用全氮仪测定(王功芹等, 2016).

主成分分析法用于将原来多个具有一定相关性的变量化为少数几个综合变量, 以少数因子反映原始数据中的大部分信息(戴斯迪等, 2013).本研究实验数据统计分析采用SPSS 16.0软件, 制图采用ARCGIS10.2和Origin 8.0完成, 使用相关性分析和主成分分析对河流沉积物中重金属来源进行解析.

2.3 重金属污染评价方法 2.3.1 污染负荷指数法

污染负荷指数(Pollution Load Index, PLI)是对流域水系沉积物进行评价的方法之一(Tomlinson et al., 1980), 其计算公式为：

(1)

(2)

式中, CF_i为重金属i污染因子, C_i为重金属i的实测含量, C_bi为重金属i的背景值, PLI为某样点多种重金属的污染负荷指数, 本研究选定河南省土壤重金属元素作为背景值(河南省土壤普查办公室, 2004).本研究分级标准为：PLI≤1为无污染, 1＜PLI≤2为轻度污染, 2＜PLI≤3为中度污染, PLI＞3为强度污染.

2.3.2 沉积物质量基准系数法

平均沉积物质量基准系数法(SQG-Q)综合考虑了各种污染因素且采用了最近修订的基准值, 因此具有较高的可信性和可接受的不确定性水平(Caeiro et al., 2005), 其计算表达式为:

(3)

(4)

式中, PEL-Q为可能效应浓度系数, C_i为重金属i的实测浓度, PEL_i为重金属i的可能效应浓度.根据计算得到的SQG-Q系数, 可以对研究区沉积物重金属污染进行生态风险评估.一般来说, 当SQG-Q＜0.1则表明重金属没有风险；当0.1≤SQG-Q＜1时, 则表明重金属存在较低生态风险；当1≤SQG-Q＜10时, 则表明重金属存在中等生态风险；当SQG-Q≥10时, 则表明重金属存在高等生态风险(Feng et al., 2011).

3 结果分析(Results) 3.1 沉积物有机质、全氮分布特征

开封城市河流表层沉积物中有机质及全氮含量沿河空间分布如图 2所示, 开封城市6条河流沉积物中有机质含量在40.11~142.50 g·kg^-1之间, 均值为88.87 g·kg^-1, 沉积物有机质在各河流含量分布由高到低依次为：化肥河＞惠济河＞药厂河＞东护城河＞黄汴河＞马家河, 空间差异性较大.开封城市河流沉积物有机质含量是河南省土壤有机质含量(16.02 g·kg^-1)(李玲等, 2015)的5.55倍, 也明显高于开封城区表层土壤有机质含量(47.60 g·kg^-1)和开封郊区土壤有机质含量(25.50 g·kg^-1)(孙艳丽等, 2014).

6条河流表层沉积物中全氮平均含量为2.48 g·kg^-1, 同时各河流TN含量变化差异较大, 其中最大值是最小值的4.18倍, 分别在惠济河(4.38 g·kg^-1)和黄汴河(1.05 g·kg^-1).黄汴河河水大部分来自黄河水及生活污水, 河流两岸污染源主要以农田径流污染及生活污水为主, 惠济河和化肥河在开封东南老城区, 该区人口密集, 河流污染源众多.现场采样调查表明惠济河两岸生活垃圾大量堆积, 化肥河河段两旁有化肥厂、仪表厂、炼锌厂等, 工业污染十分突出(刘德新等, 2014；李一蒙等, 2015).

3.2 沉积物重金属含量分析

开封城市河流表层沉积物重金属元素的统计结果表明(表 2), Cd、Cr、Cu、Ni、Zn和Pb平均含量分别为24.51、67.86、290.65、28.46、1936.95和115.34 mg·kg^-1, 分别是河南省土壤元素背景值(河南省土壤普查办公室, 2004)的272.33、1.27、13.58、1.14、29.75和8.01倍, Cd、Cu、Zn和Pb平均含量远高于开封城市土壤重金属含量(李一蒙等, 2015).从样点各重金属超标比例看, Cd全部超标, Cu、Zn和Pb的超标样点比例均超过85%以上, 而Cr与Ni的超标率在50%左右.根据Wilding对变异程度的分类(马群等, 2010), Cd、Cr、Cu、Ni、Pb和Zn全部为高度变异(CV＞36%), 尤其Cd、Cu和Zn数据高度离散, 说明这3种元素分布极不均匀, 可能与城区内部人类活动及工业分布差异有关(刘德新等, 2014；李一蒙等, 2015).从偏度与峰度来看, 6种重金属元素的排序由高到低依次为：Ni＞Cu＞Cd＞Pb＞Zn＞Cr, 可能这些重金属均受到人类活动影响导致其含量产生一定正偏度(彭修强等, 2015).

从表层沉积物重金属元素沿河空间分布图(图 3)可以看出, 大部分重金属元素高值区主要分布于惠济河和化肥河.Cd、Cr和Zn元素含量空间分布具有一定相似性, 其高值区主要分布于惠济河和化肥河两条河流, 低值区则主要分布于马家河, 其中化肥河Cd含量(104.59 mg·kg^-1)是马家河Cd含量(1.18 mg·kg^-1)的88.64倍, 化肥河Zn含量(7881.44 mg·kg^-1)是马家河Zn含量(69.42 mg·kg^-1)的113.53倍, 两条河流Cd和Zn含量差异巨大, 可能与污染源空间分布差异性有关.Cu元素高值区分布于马家河、惠济河和化肥河3条河流, 低值区分布于黄汴河、东护城河和药厂河, 且高值区与低值区河流Cu含量差异明显.Ni元素在各河流含量分布由高到低依次为：化肥河＞马家河＞惠济河＞黄汴河＞东护城河＞药厂河, 但各河流Ni含量差异不大.Pb元素高值区主要分布于药厂河和化肥河, 低值区则主要分布于黄汴河和马家河.

3.3 沉积物重金属的来源解析 3.3.1 重金属及其理化性质间的相关分析

沉积物pH、平均粒径(Φ)、有机质(OM)、全氮(TN)和重金属元素间的Pearson相关分析(表 3), 表明在0.01水平上, Cd、Cr、Zn和Pb之间, Cu与Ni间均存在显著的正相关性, 且相关系数均较高.可知开封城市河流表层沉积物中Cd、Cr、Pb和Zn的污染源可能类似, Cu与Ni的输入来源可能相同.

经测定, 开封城市河流表层沉积物pH均值为7.51, 呈中性至微弱碱性.表层沉积物颗粒组成中, 沙粒(＞63 μm)质量百分数为12.90%, 粉粒(4~63 μm)为66.62%, 黏粒(＜4 μm)为20.48%.沉积物pH与Cr在0.01水平上存在显著负相关性, pH与Zn在0.05水平上存在显著负相关, pH与Cd、Cu、Ni、Pb存在负相关, 但相关性均不显著.沉积物平均粒径(Φ)与6种重金属间均不存在显著相关性, 表明沉积物平均粒径对沉积物重金属含量影响不大.有机质(TOM)与Cd、Cr、Zn、Pb在0.01水平上呈现显著正相关, 相关性系数分别为0.350、0.633、0.606和0.318.总氮(TN)与Cr、Cu、Zn在0.01水平上呈现显著正相关, 与Pb在0.05水平上呈现显著正相关.

3.3.2 因子和主成分分析

通过上述相关分析, 发现各重金属元素间具有显著的相关性, 同时Bartlett球形度检验相伴概率为0.000, 小于显著性水平0.05, KMO (Kaiser-Meyer-Olkin)检验统计值为0.800, 因此, 本研究重金属数据适合于作因子分析.6种金属元素的主成分分析及因子荷载分布(图 4)辨识出了2个主成分, 累计解释了总方差的75.71%, 两个主成分的特征值为4.54(3.5+1.41=4.54个变量).其中第一主成分的方差贡献率为53.27%, 代表信息较为丰富, Cd、Cr、Zn和Pb占有较高的正荷载, 分别为0.912、0.864、0.828、0.855, Cu与Ni的荷载较低.第二主成分的贡献率为23.77%, Cu和Ni具有较高的正荷载, 分别为0.862、0.780.

3.4 沉积物重金属污染评价 3.4.1 重金属污染负荷指数评价

使用公式(1)和(2)得到开封城市各个河流基于河南省土壤重金属背景值的PLI评价结果(图 5).从图 5可知, 各河流表层沉积物重金属平均PLI的大小顺序依次为：化肥河(19.59)＞惠济河(5.77)＞东护城河(2.78)＞药厂河(2.64)＞黄汴河(2.32)＞马家河(2.26), 其中化肥河和惠济河为强度污染, 东护城河、药厂河、黄汴河和马家河均为中度污染, 同时重金属平均PLI沿河空间分布特征(图 5)与河流两岸周边污染源空间分布(图 1)相照应.

3.4.2 基于SQG-Q的沉积物重金属生态风险评估

目前我国河流水体沉积物质量基准尚未统一制定, 大多采用国外沉积物质量基准来进行风险评价(尹肃等, 2016), 本文采用加拿大利用生物效应数据库制定的淡水沉积物重金属质量基准, 表 5列出了几种重金属的可能效应浓度(probable effect level, PEL)和临界效应浓度(threshold effect level, TEL)基准值.其中重金属浓度低于TEL时, 生物毒性效应较少发生；重金属浓度高于PEL时, 生物毒性效应将频繁发生(李如忠等, 2013).可能效应浓度/临界效应浓度(PEL/TEL)基准可以识别区分具有潜在毒性风险的重金属种类和污染河段流域, 从而为决策者的决策方案提供依据.

采用公式(3)和(4)计算得到不同河段样点6种重金属元素的PEL-Q值和SQG-Q系数(表 6).可知, SQG-Q最高值出现在化肥河, 其次是惠济河, 最低值在黄汴河.可知, 黄汴河、东护城河、药厂河和马家河均存在较低生态风险, 惠济河存在中等生态风险, 化肥河存在高等生态风险, 表明惠济河和化肥河沉积物已受到较严重的重金属污染, 对水生生物可能具有较大的毒性影响, 尤其是化肥河河段.

将重金属含量与沉积物质量基准(表 5)作比较, 判别6种重金属的生物毒性.可知, 大部分样点Cr、Cu、Ni、Pb低于PEL, 但高于TEL.而在各个河段上, 化肥河大部分样点Cd、Zn和Pb含量高于PEL, 其它5条河段大部分样点重金属含量低于PEL水平(除了惠济河大部分样点Zn高于PEL).整体上Cd、Cr、Cu、Ni、Zn、Pb平均含量分别为PEL值的7.00、0.75、1.48、0.79、6.15和1.27倍, 可以判定, 开封城市河流表层沉积物中Cd、Cu、Zn和Pb的潜在生物毒性较大, 特别是化肥河河段Cd、Zn和Pb的潜在生物毒性很大.

4 讨论(Discussion) 4.1 河流表层沉积物重金属分布来源解析

城市河流表层沉积物重金属的来源非常广泛, 其中与城区生活废弃物、生活工业废水、交通活动污染、燃料燃烧及灰尘沉降等人为污染源排放有密切关系.城市河流两岸人为活动性质及强度在空间上的差异性, 决定了城市河流表层沉积物重金属含量及生态风险高低的不均分布.一方面, 污染源空间分布差异性决定河段流域重金属含量多少.另一方面, 污染源类型决定了排放到河流污染物类型、重金属元素种类.

由上述相关分析得知, 开封城市河流表层沉积物中Cd、Cr、Pb和Zn元素可能有相同的污染源, Cu与Ni的输入来源可能性较大, 其中Cd、Zn和Cu元素发生了较大程度的积累, 可推测沉积物6种重金属在一定程度上受到人为污染源影响.对沉积物重金属进一步主成分及因子分析得出两个主因子, 第一主成分的方差贡献率为53.27%, Cd、Cr、Zn和Pb占有较高的正荷载.相关研究表明, Cd主要来自农业肥料的施用, 煤炭等能源燃料的燃烧, 同时来自电镀、电池、冶金等行业所排放的“三废”(Ren et al., 1999；Gray et al., 1999；宋学兵等, 2014；彭修强等, 2015), Cr主要来自于机械制造和化工等企业的污染排放, Zn是典型人为源重金属, 主要污染源有冶炼加工、机械制造、仪器仪表等工业的排放(马玉等, 2014), 橡胶轮胎磨损、润滑油耗损等交通源是Pb、Zn、Cd等重金属的重要来源.上述各重金属均存在显著的相关性(表 3), 该主成分元素大部分来源于各种人类活动(交通、工业、生活等)污染源, 因此将第一主成分看作人为复合源因子.第二主成分的贡献率为23.77%, Cu和Ni具有较高的正荷载.Ni含量超出河南土壤背景值不高, 可能主要受当地地质背景值的影响, 同时Cu与Ni也有来自交通尾气、冶金工业等的排放(张伯镇等, 2015), 可判断出Ni含量在某些河段也受到工业污染影响.因此, 可将第二主成分看作工业与自然源因子.

为进一步探讨河流沉积物重金属分布与其来源之间的关系, 本文选取4条典型支流(黄汴河和惠济河贯穿整个城区, 化肥河污染严重, 城市郊区的马家河可作为参照, 同时Cr与Ni超背景值不多, 在此不再讨论), 探讨河流表层沉积物各个重金属的具体来源(图 6).黄汴河(图 6a)上游发源于开封北部郊区, 人为污染源较少, Cd含量超标可能与两岸农业废水有关, 但中下游所在城区污染较重, 紧邻交通主干道, Zn含量增速较快, Cu与Pb也明显超标, 可知Zn的污染源与城区工厂、生活污水排放有关, Cu和Pb与道路污染源有关.惠济河(图 6b)沉积物中Cd和Cu含量在样点22和23处(惠济河与化肥河交汇)显著增多, 其来源可能是化肥河(图 6c)重金属汇集而来的.Pb和Zn含量在采样点23和24处(祥符区周边)突然剧增, 该段原为开封县县城, 人口众多, 生活垃圾不断增多, 这与采样时所见固体垃圾堆满河岸相对应.同时, 众多中小型工业门面(建材大世界、汽修厂、农机等)及驾校聚集于此, 惠济河紧邻G310国道、S327省道, 道路货物运输量大, 汽油燃烧、汽车轮胎、机械磨损等交通活动污染使底泥重金属含量不断累积.开封市主要以燃煤燃烧为主, 随着经济发展和人口数量增加, 原煤消耗量也急剧加大, 原煤燃烧灰尘沉降也可能是沉积物重金属增多的原因之一.Cu含量继续在样点27处(惠济河与马家河交汇)翻倍增加, 其原因在于：马家河(图 6d)下游Cu含量暴增, 继而与惠济河汇合后, Cu含量也相应的增加.化肥河(图 6c) Cd、Cu、Pb和Zn含量在样点44(化肥厂附近)处均保持较高含量, 且在相当长一段距离范围内没有显著减少.化肥河位于开封东南传统老工业区, 河流自上游至下游两岸依次有开抗药厂、化肥厂、钢铁(炼锌)厂、流量仪表厂、外贸皮毛厂等, 这些工厂排放的污水中富含Cd、Zn等重金属元素(郭廷忠等, 2008；李一蒙等, 2015), 附近空气刺鼻难闻, 工业粉尘降落、河流流速缓慢等因素也可能是导致该河段重金属含量极高的原因.同时东南区是开封老城区, 人口密集, 生活垃圾大量堆积于河流两岸, 沉积物污染堆积效应愈发明显(段海静等, 2015；李一蒙等, 2015).马家河(图 6d)沉积物重金属Cu仅在其下游一段含量陡增, 其污染源来源可能有：马家河下游与G310国道交叉处, 道路南北聚集了博凯生物化工、平煤集团兴化精细化工、万盛新材料、科来福化工等工业产业园区, 工业园区内工厂众多, 所排污水虽经过初步处理但仍富含Cu和Zn等元素, 工厂排放废气通过大气扩散沉降最终到达河流表层沉积物中.G310国道车辆往来众多, 交通污染也可能是马家河沉积物Cu来源之一.此外, 东护城河河流沉积物污染源主要有工业、学校、生活小区及集贸市场等生活污水等(郭廷忠等, 2006).药厂河因河流两岸有众多制药公司而命名, 故药厂河重金属来源主要与两岸附近药厂所排污水有关.

4.2 沉积物理化性质对沉积物重金属含量的影响

河流表层沉积物重金属的含量变化不仅受自然、人为源控制, 还跟沉积物自身理化性质有密切关系(Suresh et al., 2015).根据表 3结果来看, 沉积物pH与Cr、Zn存在显著负相关, 而pH对Cd、Cu、Ni、Pb相关性不显著, 这可能与研究区河段底泥pH接近中性至弱偏碱性, 沉积物表面电荷较稳定, 导致pH对重金属影响不大有关(王志英等, 2013).沉积物平均粒径(Φ)与6种重金属间均不存在显著相关性, 与“元素的粒度控制效应律”(彭修强等, 2015)结果不一致, 也与大清河沉积物(唐文忠等, 2015)粒径研究结果不相符, 表明沉积物粒径可能不是影响开封城市河流表层重金属含量的关键因素.分析原因在于, 研究河段空间尺度有限, 两者间内在联系不是很明显, 且研究河段表层沉积物重金属的人为来源改变了粒级分布重金属元素含量之间的内在比例关系(乔永民等, 2009), 使两者之间的相关性不再显著.开封城区人为污染源空间分布差异较大, 采集沉积物样品为河流半汛期, 沉积物粒度受到水动力扰动较大(高建华等, 2008), 使其沉积物重金属含量与粒度间关系不在明显.有机质与Cd、Cr、Zn、Pb存在显著正相关(p≤0.01), 可知开封城市河流表层沉积物有机质含量高低可在一定程度上反应沉积物中重金属含量的多少, 有机质能够参与重金属的络合作用, 进而影响沉积物中重金属的富集(于君宝等, 2010；唐文忠等, 2015).总氮与Cr、Cu、Zn、Pb存在显著正相关, 说明随着沉积物全氮含量增加, 沉积物中Cr、Cu、Zn、Pb的含量也可能有累积的趋势.

由以上发现, 开封城市河流表层沉积物的有机质及全氮含量对重金属含量有一定影响, 而沉积物pH及平均粒径与重金属相关性极小, 可进一步推测开封城市河流沉积物重金属含量影响因素主要为城区人为污染源造成的.

4.3 沉积物重金属污染影响分析及治理对策

从污染负荷指数与沉积物质量基准系数分析结果对比可知, 开封城市河流表层沉积物重金属沿河空间污染风险水平具有显著差异性, 具体到每条河流上为, 化肥河和惠济河为强度污染, 其生态风险较高, 东护城河、药厂河、黄汴河和马家河为中度污染, 具有一定生态风险.可知, 若要保证城市河流生态安全, 开封城市河流沉积物治理工程迫在眉睫.本文选取4条典型支流(黄汴河、惠济河、化肥河和马家河), 分析河流重金属对两岸居民生产生活的不利影响, 提出河流沉积物重金属综合治理的针对性措施.

黄汴河上游处于城市郊区, 以预防为主, 防治新的污染源产生；中下游河段位于城区, 重点排查污染口及污染企业排污口, 同时完善排水系统, 实现污水截流(郭廷忠等, 2006).惠济河处于开封老城区, 紧靠S327省道, 河流两岸生态环境复杂多变, 沉积物重金属Cd、Cu、Zn和Pb人为来源众多, 其河流治理优化对策为：工程治理与污染防治相结合; 修复部分被固体废弃物堵塞河段, 恢复排水系统；在省道与河流间开展绿化工程, 构建美化环境, 减少河流道路源污染；在下游污染严重河段进行工程改造, 同时实现沉积物资源化利用；对全段河流进行责任制管理, 杜绝发生固体垃圾填河事件(郭廷忠等, 2006).

化肥河表层沉积物重金属除了Ni以外, Cd、Cr、Cu、Zn和Pb均与人为污染源输入有关, Cd主要来自化肥厂污水排放(郭廷忠等, 2008), Zn主要来自两岸炼锌化工厂, Cu和Pb则与冶金工业废料等有关.化肥河重金属含量严重超标, 其河流治理优化对策为：以工程治理和工业升级改造为主.据采样调查, 化肥河上游水源来源主要以居民洗衣、洗车等生活污水为主, 而良好的水源是发挥城市河流生态服务功能的基础, 因此加强化肥河上游水源监管至关重要, 也可适当引黄河水作为补充.下游污灌历史久远, 污灌已导致污灌区土壤重金属累积严重(杜习乐等, 2010；周振民等, 2014), 其中污灌区土壤Cd、Cu、Zn和Pb均在一定程度上富集, 明显高于对照区含量(马建华等, 2014).河流重金属通过污水灌溉, 水体及沉积物中富含的Cd、Pb和Zn等人为重金属元素不断向两岸农田土壤转移, 同时农田污灌区土壤重金属及田间化肥农药等化学残留物可能通过径流进入河道, 并随河流不断沉降、吸附于河流表层沉积物中, 河流重金属与两岸农田污灌区土壤重金属之间关系密切, 二者互为来源.因此, 化肥河中游沉积物疏浚工程是降低河流污染, 保证下游两岸污灌区土壤安全及农作物健康生长的关键所在.化肥河污染源主要集中在中游化肥厂附近, 化肥河周围老工业区企业近年虽进行了设备更新(李一蒙等, 2015), 但仍有较多企业工艺落后, 污染排放严重, 因此对于污水排放不达标企业进行罚款、限期整改及定期监督, 同时对化肥河中游沉积物进行清淤与河段拓宽改造, 合理处置疏浚沉积物, 实现沉积物后期填方材料、建筑材料等资源化利用, 防治造成对周边土壤和地下水等二次污染(薄录吉等, 2013).马家河表层沉积物中Cd和Cu超标, 其来源与下游两岸化工工业园区密不可分, Cr、Ni、Zn和Pb含量在可控范围之内, 其河流治理优化对策为：整体以防范为主, 马家河上游污染源较少, 应定期观测并在两岸种植绿色植被, 重点在下游工业园区附近, 加大对工业园区污水排放口的监察力度及河流沉积物Cd和Cu含量变化的测定, 同时要防止新污染源的产生.

总之, 加强城市河流全面生态治理, 不仅需要加强重点污染河段(化肥河和惠济河)的短期工程治理, 而且还要加大对重金属含量较高元素(Cd、Zn和Cu)的长期监测.既要以“预治”为主, 又要确保水环境管理的常态化、系统化、科学化, 以最终实现水环境保持与城市良性发展的和谐互动(吴小伦, 2013).

5 结论(Conclusions)

1) 开封城市河流表层沉积物中有机质和全氮的均值分别为88.87和2.48 g·kg^-1, 重金属Cd、Cr、Cu、Ni、Zn和Pb平均含量分别为24.51、67.86、290.65、28.46、1936.95和115.34 mg·kg^-1, 有机质、全氮和重金属含量在各个河段分布差异较大, 其高值区主要分布于惠济河和化肥河河段.

2) 沉积物重金属的分布来源主要与城区河流两岸人为污染源有密切联系, 其有机质及全氮对重金属含量有一定显著正相关关系, pH及平均粒径与重金属含量间不存在显著相关性.其中黄汴河重金属来自工厂生活污水及道路污染, 惠济河重金属来源广泛, 包含化肥河、马家河的污染物汇入及下游祥符区工业、交通活动污染及生活固体垃圾等, 化肥河Cd、Cu、Pb和Zn的污染源主要来自老工业区产生废水废气, 马家河下游Cu含量主要来自该区工业产业园区废水及交通污染等.

3) 从污染负荷指数与沉积物质量基准评价法结果来看, 惠济河和化肥河污染级别均比其它河段较高, 分别存在中等及高等生态风险.开封城市河流重金属综合治理迫在眉睫, 不仅需要加强重点污染河段惠济河和化肥河的工程治理, 还要加大对Cd、Zn和Cu等含量超标较高元素的重点监测.