Controls on trace metals in urban stream sediments : implications for pollution monitoring using sediment chemistry data

Contamination of urban streams is a rising topic worldwide, but the assessment and investigation of stormwater induced contamination is limited by the high amount of water quality data needed to obtain reliable results. In this study, stream bed sediments were studied to determine their contamination degree and their applicability in monitoring aquatic metal contamination in urban areas. The interpretation of sedimentary metal concentrations is, however, not straightforward, since the concentrations commonly show spatial and temporal variations as a response to natural processes. The variations of and controls on metal concentrations were examined at different scales to increase the understanding of the usefulness of sediment metal concentrations in detecting anthropogenic metal contamination patterns. The acid extractable concentrations of Zn, Cu, Pb and Cd were determined from the surface sediments and water of small streams in the Helsinki Metropolitan region, southern Finland. The data consists of two datasets: sediment samples from 53 sites located in the catchment of the Stream Gräsanoja and sediment and water samples from 67 independent catchments scattered around the metropolitan region. Moreover, the sediment samples were analyzed for their physical and chemical composition (e.g. total organic carbon, clay-%, Al, Li, Fe, Mn) and the speciation of metals (in the dataset of the Stream Gräsanoja). The metal concentrations revealed that the stream sediments were moderately contaminated and caused no immediate threat to the biota. However, at some sites the sediments appeared to be polluted with Cu or Zn. The metal concentrations increased with increasing intensity of urbanization, but site specific factors, such as point sources, were responsible for the occurrence of the highest metal concentrations. The sediment analyses revealed, thus a need for more detailed studies on the processes and factors that cause the hot spot metal concentrations. The sediment composition and metal speciation analyses indicated that organic matter is a very strong indirect control on metal concentrations, and it should be accounted for when studying anthropogenic metal contamination patterns. The fine-scale spatial and temporal variations of metal concentrations were low enough to allow meaningful interpretation of substantial metal concentration differences between sites. Furthermore, the metal concentrations in the stream bed sediments were correlated with the urbanization of the catchment better than the total metal concentrations in the water phase. These results suggest that stream sediments show true potential for wider use in detecting the spatial differences in metal contamination of urban streams. Consequently, using the sediment approach regional estimates of the stormwater related metal contamination could be obtained fairly cost-effectively, and the stability and reliability of results would be higher compared to analyses of single water samples. Nevertheless, water samples are essential in analysing the dissolved concentrations of metals, momentary discharges from point sources in particular.

Kaupunkialueiden sade- ja lumensulamisvesien eli hulevesien aiheuttama vesistökuormitus on ajankohtainen aihe sekä maailmalla että monissa Suomen kunnissa. Hulevesikuormitusta koskevaa tutkimustietoa on kuitenkin melko vähän, koska luotettavien arvioiden pohjaksi vaaditaan runsaasti veden laadun mittauksia. Vesistökuormitusta voidaan tutkia myös vesistöjen pohjasedimenttiin kerääntyneiden haitta-aineiden avulla, mutta toistaiseksi virtavesien sedimenttianalyysejä on tehty varsin vähän. Sedimenttitutkimuksiin liittyvätkin omat ongelmansa, sillä ihmisperäisen kuormituksen lisäksi luonnolliset tekijät, kuten sedimentin koostumus, vaikuttavat pitoisuuksiin. Tässä tutkimuksessa selvitettiin purosedimenttien metallipitoisuudet sekä niiden vaihtelun ominaispiirteet ja syyt kaupunkialueilla. Tämän perusteella arvioitiin sedimenttien käyttökelpoisuutta kaupunkivesistöjen metallikuormitustarkasteluissa. Pääkaupunkiseudun pienten purojen pohjasedimenteistä ja vesinäytteistä määritettiin kuparin, sinkin, lyijyn ja kadmiumin pitoisuudet. Lisäksi analysointiin sedimenttien kemiallista ja fysikaalista koostumusta, ja määritettiin paikkatietomenetelmin kunkin näytekohdan yläpuolisen valuma-alueen maankäyttö. Tutkitut sedimentit olivat kohtalaisen likaantuneita, mutta eivät aiheuttaneet välitöntä vaaraa eliöstölle. Osassa pisteistä sedimentit olivat selkeästi likaantuneita kuparin ja sinkin suhteen, ja eliövaikutuksetkin olivat mahdollisia. Metallipitoisuudet kasvoivat kaupunkirakentamisen tiiviyden myötä, mutta suurimpien pitoisuuksien taustalla olivat paikalliset tekijät, kuten mahdolliset pistelähteet. Tulosten perusteella korkeimpia pitoisuuksia ei voida yhdistää tiettyyn maankäyttöluokkaan, vaan korkeita pitoisuuksia voi esiintyä yhtä lailla kaupallisilla, varasto-, kerrostalo- kuin teollisuusalueillakin. Tulokset korostavat alueellisten tutkimusten merkitystä suunniteltaessa toimia hulevesikuormituksen vähentämiseksi. Metallipitoisuudet vaihtelivat näytteenottojakson sisällä jonkin verran, mutta ajalliset vaihtelut eivät estäneet huomattavien alueellisten erojen mielekästä tulkintaa. Maankäyttömuuttujat korreloivat paremmin sedimentin kuin vesinäytteiden metallipitoisuuksien kanssa. Sedimentit ovatkin suhteellisen kustannustehokas ja luotettava tapa arvioida hulevesien aiheuttamaa metallikuormitusta. Ne tarjoavat mahdollisuuden metallilähteiden alueelliseen tarkasteluun yksittäisten näytteiden perusteella, vaikkakin tiheä vesinäytteiden otto on välttämätöntä, kun tarkoitus on havaita hetkellisiä tai liukoisia päästöjä.